산업용 네트워크 프로토콜. 최근 공장자동화 분야의 흐름을 눈여겨보는 이라면 한번쯤 들었음직한 개념이다. 네트워크 기술을 활용하여 장치와 시설로 연결하고, 보다 편리하고도 스마트한 생산을 실현한다. 하지만 어떻게 해야 시스템을 구축할 수 있는지, 기존 기술과의 차이점은 무엇인지, 관련 기술로는 무엇이 있는지 속속들이 알기란 쉽지 않다. 한국파워링크협회의 사재훈 사무국장이 독자들의 궁금증을 해결해줄 자료를 마련했다. 산업용 네트워크 프로토콜 중 하나인 Ethernet POWERLINK에 대해 알아보자.
도움 | 사재훈 사무국장, 한국파워링크협회·김루가(Lukas Emersberger) 연구원, 한국파워링크협회
정리 | 윤진근 기자(yoon@iomedia.co.kr)
목차
1. 파워링크란 무엇인가 (2015. 11)
1) 왜 이더넷인가?
2) 왜 파워링크인가?
3) 한국파워링크협회는
2. 파워링크의 기술들
1) 기본 개념 (2015. 12)
2) 슬레이브 (2016. 1)
3) 마스터 (2016. 2)
3. POWERLINK 장비를 개발해보자 (2016. 3)
4. POWERLINK의 미래 (2016. 7)
4. POWERLINK의 미래
공정과 공장 그리고 기업을 넘은 ‘통합’을 실현하다
산업용 이더넷 프로토콜을 통해 무엇을 할 수 있을까? 사물인터넷, 인더스트리 4.0, 스마트 팩토리, 업계를 떠들썩하게 만들고 있는 용어들과의 접점은 무엇일까? 스마트한 제조가 화두가 되고 있는 지금, POWERLINK는 어떤 위치에 있으며, 어떤 역할을 수행할 수 있을까?
인더스트리 4.0의 기원은 2009년으로 거슬러 올라간다. 세계적인 외환위기가 닥치던 시기, 꺾여나가던 그래프 사이에서 상승곡선을 그리던 국가가 있었다. 중국이 그 주인공이다. 2009년은 중국이 제조업에 본격적인 시동을 걸던 시기로, 제조업이 급성장한 덕에 세계적인 불황에도 영향을 덜 받았다는 것이 전문가들의 분석이다.
전문가들은 제조업이 산업의 기반이라는 결론에 도달했고, 제조업 부흥을 위해 새로운 산업혁명인 인더스트리 4.0을 추진하게 되었다.
스마트 팩토리
스마트 팩토리를 구축하기 위해서는 다양한 시야를 갖추어야 한다. 대표적으로 두 가지 사항이 있다.
1. 어떠한 제조 시스템 환경을 구축할 것인가?
PLM(Product Lifesycle Management, 제품수명주기관리)란 제품 설계도부터 최종 제품 생산에 이르는 전체과정을 일관적으로 관리해 제품 부가가치를 높이고 원가를 줄이는 생산과정이다. PLM에는 제품수명주기와 관련된 제품 정보 데이터 및 관리 서버 시스템과 다수의 클라이언트 시스템의 네트워크 시스템 등이 제공된다(자료: 네이버 지식백과).
국내의 경우 자동차와 조선분야에서 PLM 프로젝트를 구축하여 다양한 성과를 거두기 시작했으며, 이를 바탕으로 현재 많은 제조환경에서 사용되고 있다.
PLM의 대표적 장점으로는 다양한 제조장비 자원을 통합 관리할 수 있다는 점이 있다. 기구·전기·소프트웨어·챔버·BOM 등, 다양한 공정 내에서 공통으로 사용할 수 있는 자원들을 통합적으로 관리할 수 있다.
제조공정이 다양해지고 복잡할수록 PLM 시스템 내에서 관리가 필요한 부분 역시 많아질 수밖에 없다. 하지만 이를 반대로 생각해보자. PLM 측면에서의 관리가 필요한 많은 자원들을 개발환경에서 분산처리할 수 있다면, 보다 효율적인 개발환경 및 자원관리 시스템 플랫폼을 구축할 수 있을 것이다.
B&R의 개발 도구인 Automation Studio는 소프트웨어 개발을 위한 표준 환경을 지원할 뿐 아니라, 다양한 소프트웨어 프로그램·컨피겨레이션·안전 관련 로직 등을 통합 관리할 수 있는 기능을 제공한다. 이러한 분산관리 시스템은 PLM에 맹목적으로 통합하여 관리의 복잡성을 높이는 부작용을 원천적으로 봉쇄한다.
제조라인과 장비를 지능화시키는 것만외에도 표준화·분산화한 시스템을 도입함으로써 관리비용과 생산성을 향상시키는 것이 중요하다. 이를 통해 제품의 품질을 높이고 불량률을 줄이는 핵심 요소기술로 작용한다.
2. 시스템의 CPU 성능을 최대한 활용하고 있는가?
우리나라 속담에 사공이 많으면 배가 산으로 간다는 말이 있다. 이 속담은 일상생활 뿐 아니라 자동화 환경에도 동일하게 적용된다.
오늘날 제조환경에서는 관행적으로 또는 편리하다는 이유로 하드웨어를 기반으로 한 다양한 컨트롤러를 조합하여 사용하고 있다. 이로 인해 CPU 성능이 충분함에도 불구하고 다양한 컨트롤러를 혼용하게 된다. 이는 하나의 시스템을 구축하고 활용하기 위해 다수의 CPU가 필요함을 의미한다.
하지만 현재 CPU의 성능은 과거에 비해 비약적으로 발전했다. 여기에 가격 역시 저렴해지고 있다. CPU를 활용하기 점차 유리해짐을 의미한다.
고성능 CPU에 소프트웨어 기반의 라이브러리들을 활용하면 기존 하드웨어 기반의 컨트롤러를 통합하는 효과를 내며, 동일한 Clock을 사용하게 되면서 얻을 수 있는 최대 동기화 특성을 자동적으로 얻게 된다.
B&R 등의 자동화 통합 솔루션을 제공하는 유럽 기업들은 이미 20년 전부터 소프트웨어 기반의 플랫폼을 제공하고 있다. 여기에 POWERLINK와 같은 고속의 Real time 통신을 통해 분산된 시스템을 실시간으로 통합할 수 있는 고속의 표준 프로토콜을 사용할 수 있다.
‘스마트’의 조건
인더스트리 4.0 협회 및 독일 연방교육부가 2013년 발간한 지침에서는 스마트 팩토리를 구현하기 위해 ▲수평·수직적 통합 네트워크 실현 ▲IoT 서비스를 통해 사람과 사물 그리고 시스템 간의 네트워킹 구현 ▲공정 전체에 걸친 종단 간 엔지니어링 실현 ▲CPS(사이버 피지컬 시스템에 대한 참조 아키텍처 등을 명시하고 있다.
POWERLINK는 이들 협회가 제시하는 기준 및 세부사항들을 모두 충족한다. openSAFETY와 OPC UA 등을 결합하여 보다 넓은 층위의 통신 및 안전을 실현하고, B&R을 비롯한 다양한 기업들의 표준화된 제품을 통해 원활한 서비스를 보장한다. 실시간 동기화 제어와 에너지 모니터링, 웹 기반 솔루션과 원격 자원관리 시스템도 갖추고 있다. 뿐만 아니라 소프트웨어 솔루션인 mapp 테크놀로지를 활용해 스마트 엔지니어링 환경 또한 구축했다. 이를 바탕으로 POWERLINK는 공장자동화 및 공정자동화에 사용할 수 있는 표준 네트워크로 발돋움한다.
뿐만 아니라 제품부터 시스템에 이르기까지 전체적인 거대한 단계를 통합할 수 있어야 하고, 생산라인을 통한 직접적·자체적 지령이 가능해야 하며, 개방형 플랫폼을 지향해야 한다. 실시간성과 SaaS(Software as a Service. 소프트웨어를 서비스처럼 사용함을 일컫는다) 등의 요소기술 또한 필요하다.
제품 개발 과정에서 또한 표준 기술이 필요하다. 이를 제품 개발주기 규격(Product Development Lifecycle Standard)이라 일컬으며, 스마트 매뉴팩처링 에코시즘이라고도 한다.
스마트 매뉴팩처링 에코시즘은 수평적 통합, 수직적 통합, 제조·소프트웨어 환경의 통합, 각 시스템별 표준화 등을 다루고 있다. 또한 다양한 표준들을 준수하는 시스템들이 유기적으로 연결됨에 따라 사이버 피지컬 시스템을 실현할 수 있음을 강조한다.
IEC TC65에서 정의하길, 스마트 매뉴팩처링, 즉 스마트한 제조를 구현하기 위해서는 에너지 효율성·모듈화·안전성·상태 모니터링·실시간 커뮤니케이션 등의 기술이 필요하다. IEC TC65 산하의 많은 워킹그룹에서 이러한 기술의 표준화를 연구한다.
B&R은 산업인터넷 컨소시엄 멤버로 활약하고 있다.
mapp 테크놀로지
mapp 테크놀로지는 B&R이 제공하는 소프트웨어 개발 도구다.
지금까지 개발자들은 문자 기반 혹은 래더 구조를 활용해 시퀀스 및 기능을 구축해왔다. 또한 수작업으로 일일이 진행해야 하는 번거로움도 있었다. 물론 라이브러리 혹은 API 등 간소화 기능이 존재하기는 했지만, 소프트웨어의 틀을 잡고 기능을 구축하는, 즉 애플리케이션 소프트웨어 엔지니어들은 (코딩으로 귀결되는)엔지니어링에 많은 시간과 노력을 투자해야 했다.
mapp 기술은 코딩 과정을 상당 부분 줄인 기술이다. 최대 67%가량 개발기간을 줄인다는 것이 B&R측 설명이다. 로봇 기능이나 알람 기늠을 비롯한 다양한 기능이 앱과 같은 형태로 만들어져있어, 이 모듈을 드래그 앤 드롭으로 적용하고 패러미터를 설정하기만 하면 곧바로 기능을 활용할 수 있다.
OPC UA와 POWERLINK
OPC UA는 미국 산업인터넷컨소시엄(Industrial Internet Consortium, IIC)과 독일 인더스트리 4.0 컨소시엄이 합의한 통신 표준이다.
OPC UA의 탄생 뒤에는 반도체 분야에서의 프로토콜인 SECS/GEM이라는 배경이 있었다. 반도체 관련 장비 및 제료업체가 주도하여 만든 SECS 프로토콜은 칩 및 장비 제조업체들의 자동화를 지원하기 위한 표준화 프로토콜이다. 다양한 반도체 장비 통신을 표준화하여 전체적인 효율화를 추구한다. GEM은 SECS를 기반으로 한 장비 통신을 통한 생산과정을 시나리오화하고, 이 시나리오 상에서 주고받는 메시지 혹은 장비 상태 등을 사전에 정의해놓은 것이다. 반도체 분야에서의 SECS/GEM과 같은 역할을 할 수 있는 표준 산업용 프로토콜이 OPC UA다.
POWERLINK는 OPC UA와 순조로이 협업 중이다. 장치 및 장비 등 기계류에 필요한 마이크로초 단위 제어는 POWERLINK를 통해 해결하고, 이보다 상위 개념인 HMI·데이터 수집 등은 OPC UA가 해결한다. 즉, 실시간성 및 시간결정성이 필요한 데이터는 동기 데이터(Isochronous Data)로, 실시간성 및 시간결정성이 덜 필요한 데이터 교환 등은 비동기 데이터(Asynchronous)로 각각 처리한다.
POWERLINK 프로토콜은 OPC UA 프로토콜이 각 장비에까지 적용할 수 있는 터널 역할을 한다. 원격 제어·스마트 분석·네트워크 기반의 안전 요소 구성 등을 POWERLINK 마스터가 해결할 수 있다.
여기에 openSAFETY가 전체적인 세이프티 프로세스를 처리한다. openSAFETY는 특정한 계층에 머물러있지 않고, 전반적인 공정 과정에 적용할 수 있는 안전 관련 프로토콜이다. 이를 통해 보다 안전한 제조·생산을 돕는다.
스마트 팩토리를 내 손 안에
스마트 팩토리, 그리고 스마트 매뉴팩처링을 실현하기 위해 가야 할 길은 아직 멀다. 그 중에서도 가장 선행되어야 할 것이 데이터 수집의 기초 단계를 수집하는 것이다. 데이터를 활용하는 것이 스마트 팩토리, 즉 인더스트리 4.0의 핵심이기 때문.
대한민국 역시 예외는 아니다. 제조강국으로 일컬어지는 대한민국이지만, 실제 공장 라인이나 장비 등을 살펴보면 대부분 디지털화가 이루어지고 있지 않다. 하지만 디지털화를 통해 데이터를 수집하고 이를 통합하여 처리할 수 있어야 스마트 팩토리를 구현할 수 있다. 즉, 데이터를 수집·활용할 수 있어야 실질적 개선이 가능하다.
이 기초단계를 돕는 것이 산업용 이더넷 프로토콜이다. POWERLINK 등의 프로토콜을 보급하여 장비들의 데이터를 만들어내고, OPC UA 등을 활용해 데이터를 수집함으로써 디지털화를 실현할 수 있다.
