오늘날 공장의 네트워킹 아키텍처는 지속적으로 발전하여 더 나은 효율성, 안전성 및 지속 가능성을 실현 중이다.
지난 수십 년 동안 네트워크 인텔리전스가 도시, 가정, 사무실 등지에 확산되어 온도 조절 장치에서 신호등까지 모든 것을 개선해왔다. 제조업체가 연결성과 디지털화, 즉 Industry 4.0의 발전을 통해 생산 개선 방안을 고려하면서 이러한 진화의 물결은 곧 공장 현장으로 확산되었다.
"대부분의 사람들은 에지 노드나 단말기를 인터넷에 연결하여 가정에서 자동화를 경험한 적이 있을 것이다."라며, "마찬가지로 Industry 4.0은 이러한 정보 기술의 혁신을 운영 기술과 연결하여 제조 시스템을 보다 스마트하고 자율적으로 사용할 수 있도록 지원한다.”고 고속 데이터(HSD) 부문 부사장 겸 총괄 매니저인 아메드 살렘(Ahmed Salem)은 말했다.
Industry 3.0은 전통적으로 중공업 분야에서 사용되어 왔으며 반복 가능한 작업만을 제한적으로 수행하는 케이지형 로봇의 종류로 정의되어왔다. 그러나 Industry 4.0은 자동차, 항공기 날개에서부터 스마트폰, 노트북에 이르기까지 모든 조립 상황에 있어 인간과 더불어 안전하고 자율적으로 공동작업을 수행할 수 있을 만큼 스마트한 로봇을 포함한 개념이다.
속도와 안정성 균형의 해결
현대 공장의 네트워킹 아키텍처는 시간 민감형 네트워킹(TSN), EtherCAT 및 Profinet과 같은 산업 표준 및 프로토콜의 지속적인 개발을 통해 효율성, 안전성 및 지속 가능성을 개선하는 추세에 있다.
아메드는 "가정에서도 데이터 동기화에 문제가 생기거나, 데이터 손실이 발생하면 대부분의 사람들은 당황하기 마련”이라며, "하지만 산업 자동화 영역의 경우 특히 데이터 손실의 결과는 고비용에서부터 전체 사업에 치명타를 미치는 것까지 다양하기 때문에 안정성과 신뢰할 수 있는 통신이 필수적이 된다."고 강조했다.
제어 신호 전달이 몇 밀리 초만 지연되어도 압축 천연가스 기계가 동기화되지 않아 영구적인 손상이 발생할 가능성이 있고, 최악의 경우 연결이 중단되어 가동 중에 있건 로봇 팔이 위험할 정도로 제어 불능 상태가 되는 등의 상황이 발생할 수도 있다.
이러한 이유로 공장에서는 전통적으로 모든 제어 신호가 정해진 시간 내에 전달되도록 보장하는 결정론적 통신을 통해 검증된 통신 기술에 의존해 왔다. 그러나 이러한 기술 대부분의 단점은 느린 속도이다. 이러한 요소는 많은 센서를 탑재하고 있고, 또 지능적 제어가 필요한 시스템을 이용하는 데 요구되는 대량의 빠른 정보 흐름에 방해가 된다.
이와는 대조적으로, 이더넷은 수십, 수백, 심지어 수천 메가비트에 달하는 최대 속도로 고도화된 자동화에 필요한 대역폭을 오랫동안 제공해 왔다. EtherCAT 및 Profinet은 산업 환경의 과제를 해결하기 위해 특별히 설계된 산업용 이더넷 프로토콜의 예이다. 산업용 이더넷을 활용한 신규 산업용 통신 설치 비율은 2016년 38%1에서 올해 68%2로 증가하였다.
또한, TSN 표준이 개발되면서 매우 정확한 분산 클록과 정시성이 요구되는 제어 메시지 자동 우선순위 지정과 같은 기능을 통해 제어 네트워크의 일부로서 이더넷을 일반적으로 선택할 수 있게 되었다.
TI의 광범위한 포트폴리오에는 유선 또는 무선을 막론하고, 이러한 연결 솔루션 등이 포함되어 있으며, 최고 수준의 산업, 자동차 및 규제 기준 충족을 통해 그 퀄리티가 검증된 바 있다.
레거시 인프라를 사용한 작업
최신 프로토콜과 TSN으로 인해 산업용 제어 환경에서 이더넷 이용이 원활해 졌다고는 하지만, 설치 비용은 여전히 이더넷 채택에 있어 걸림돌로 작용한다.
전통적으로 이더넷은 최대 길이가 100미터에 이르는 여러 개의 연선 케이블을 중심으로 설계되었는데. 이는 이더넷을 채택하려는 제조업체가 케이블을 모두 교체해야 할 뿐만 아니라 오래된 싱글 페어 기술(케이블 길이를 최대 수 킬로미터까지 허용하는)을 중심으로 구축된 공장의 전체 레이아웃을 변경해야 할 수도 있음을 의미한다.
대부분의 제조업체는 고가의 인프라를 대체하기 위해 몇 주 동안 생산 라인을 중단할 여유가 없기 때문에 기존에 이용하던 케이블로 작동할 수 있는 싱글 페어 이더넷 개발 여부가 채택의 관건이 되었다.
Ethernet Alliance 산업 컨소시엄 회장인 피터 존스(Peter Jones)는 "싱글 페어는 제조 시설을 구축하는 방법을 근본적으로 변경하지 않고도 쉽게 채택할 수 있도록 설계된 이더넷의 한 종류.”라며, "공장이 최신 정보 기술 요구 사항을 충족하기를 기대하기보다는 공장을 직접 찾아가 ’그들에게 무엇이 필요하고 이를 어떻게 도와줄 수 있을지를 묻는 것이 중요하다."고 언급했다.
Ethernet Alliance의 회원사인 TI는 싱글 페어, 멀티 페어 또는 파이버 케이블을 지원하는 다양한 물리 계층 트랜시버를 통해 산업용 이더넷의 다양한 형태 개발을 지원하기 위해 최선을 다하고 있다. 이러한 제품을 통해 자동화 시스템 설계자는 10/100Mbps 및 10/100/1000Mbps DP838x 산업용 이더넷 트랜시버의 빠른 속도와 짧은 지연 시간 또는 싱글 페어 DP83TD510 트랜시버의 2km 케이블 도달 거리를 선택할 수 있다. 모든 트랜시버는 공장 환경의 높은 온도와 전자기 잡음에 대해 뛰어난 회복탄력성을 지니고 있다.
미래 제조 방식의 간소화
산업의 미래를 구축하는 것은 지속적인 과정이다. 복잡한 센서의 가격 인하, 인공지능(AI) 기능의 정교화에 더불어 더 높은 통신 대역폭에 대한 수요도 증가 중이다.
하지만 이러한 도전과제들과 동시에 더욱 지속 가능하고 효율적인 제조 프로세스를 구축할 수 있는 기회도 함께 찾아온다.
AM6xA 프로세서 포트폴리오와 같이 에지 AI를 지원하도록 설계된 프로세서는 중앙 집중식 프로그래밍 가능 로직 컨트롤러와 통신할 필요가 없다. 머신 비전 알고리즘을 로컬에서 실행하면 로봇이 인간과 함께 작업할 수 있을 뿐만 아니라, 일련의 조립 작업을 수행할 때 개인이 선호하는 순서를 지원하도록 적응하는 것과 같이 로봇이 인간으로부터 학습할 수도 있다.
또한 장기적으로 Industry 4.0은 센서, 액추에이터 및 이들을 연결하는 통신 인프라를 포함한 중요한 시스템을 지속적으로 모니터링하고 유지보수 또는 수리 작업이 필요한 시기를 자동으로 예측할 수 있는 예측 분석을 배포하는 작업을 포함한다.
최신 비전 기반 로봇 시스템의 경우, V3Link와 같은 기술을 통해 지연 시간이 짧고 동기화 및 확장이 가능한 비압축 비디오 전송이 가능하므로 공장 현장에서 사고를 방지하는 데 도움이 된다.
사람과 로봇 간의 조정을 개선하려면 안정적인 실내 포지셔닝 시스템을 위한 고급 로컬 처리 및 무선 연결이 필요하다. (Wi-Fi, Bluetooth 저에너지(BLE) 및 Sub-1Ghz/BLE에 대한 주목할 만한 옵션 참조).
"유지보수를 위해 공장을 가동 중단하는 것은 비용이 많이 들기 마련."이라며, “주기적인 일정에 따라 운영한다면 필요 여부와 상관없이 정기적으로 이 작업을 수행해야 하는 반면 예측 유지보수는 필요할 때만 유지보수 작업을 수행하여 불필요한 가동 중단 시간과 낭비를 방지할 수 있다."고 아메드는 말했다.
이러한 안전성, 효율성 및 지속 가능성의 향상은 개별 제조업체에 있어 선택적인 이점보다 더 중요하다. 이는 21세기 현대에 과제 해결을 위한 시스템을 최적화하려는 사회 전체에 있어서 필수적인 단계가 될 것이라고 프로세서 부문 부사장 겸 총괄 매니저인 롤랜드 스페를리히(Roland Sperlich)는 강조했다.
그는 "앞으로 10년에 걸쳐 센서 기술과 에지 AI가 전력 소비에 변화를 일으키는 모습을 볼 수 있을 것으로 생각한다. 예를 들어 공장 일부를 동적으로 차단한 다음 꼭 필요할 때 빠르게 온라인으로 전환할 수 있다."며, "전 세계 국가들이 증가하는 인구와 전력망에 적응해야 할 필요성에 직면해 있는 상황에서, 이러한 혁신은 고객들이 원하고 우리 모두가 필요로 하는 종류의 전력 절감을 제공하는 데 필수적인 요소가 될 것"이라고 말했다.
1참조: “2016년 산업 네트워크 시장 점유율” 2016년 6월 30일(Control Drives and Automation)
2참조: “2023년 산업 네트워크 시장 점유율” 2023년 5월 5일(HMS)
