최하위 단부터 최상위 단까지 공장 컴포넌트가
생산하는 데이터양 늘면서 호환성/연결성 중요
TSN 기반 OPC-UA, 인더스트리 4.0 구현 핵심


공장 자동화는 단위 공정별로 자동화와 최적화가 이뤄져서 개별적으로 데이터를 수집한다. 반면 스마트팩토리는 통합적으로 수집할 수 있어 데이터끼리 연계될 수 있다. 수없이 많은 공장 내 공정과 장비가 수집하는 데이터를 연계하려면, 공급자 독립적인 ‘OPC-UA(Open Platform Communications Unified Architecture)’라는 공장 자동화 애플리케이션 통신 프로토콜을 활용하면 수월하다. 

유연하고, 완벽하게 독립적인 OPC-UA는 공장의 IT 영역 IP 기반 세계와 생산 현장 사이의 틈새를 메운다. 장비 내부에서, 장비끼리, 혹은 장비와 클라우드 데이터베이스 사이에서 모든 생산 공정 데이터를 단일한 프로토콜로 전송한다. 

데이터의 크기와 생산하는 장비의 숫자가 많아지고 있으므로 OPC-UA 프로토콜의 잠재력을 극대화하려면 기존 산업용 이더넷 표준보다 최소 10배 이상 빠른, 시간 민감형 네트워킹(Time Sensitive Networking; TSN) 규격이 필요하다.

◇ OPC-UA, 스마트팩토리 구현에 적합한 개방형 프로토콜

OPC-UA는 OPC(OLE for Process Control)부터 출발했다. 스마트팩토리에 대한 산업계의 수요가 커지자 OPC 재단은 OPC에 대한 정의를 ‘Open Platform Communication’으로 바꿨다. 현재 지멘스, 로크웰, 미쓰비시 등 거의 모든 공장 자동화 기기 공급사가 OPC-UA 프로토콜이 내장된 제품을 공급하고 있다.

업계에서 스마트팩토리 엔지니어들은 기존 산업용 필드버스 규격들을 어떻게 OPC-UA 프로토콜과 혼용해 쓸 수 있을까에 대해 고심하고 있다. 자체적으로 추가적 기능을 만들어 해결할 수 있지만, 다른 기업 제품과 호환이 안 된다는 문제가 발생한다. 이에 OPC-UA 재단은 32개의 인포메이션 모델을 제공하고 있다.

해당 모델은 업계에서 사용되는 규격과 함께 OPC-UA 활용 시에 각 컴포넌트에서 발생하는 이벤트를 어떻게 처리하는지에 대한 지침을 포함하고 있다. OPC-UA 프로토콜은 개방형 프로토콜로서, 그 어떤 기업의 장비와 운영체제(OS)에서 사용할 수 있다. 즉, 스마트팩토리 연결성 향상에 이상적인 프로토콜이다.

◇ TSN, 이더넷의 산업 분야 활용 가능성 높이는 차세대 규격

현재 산업용 이더넷은 100Mbps 속도로 동작한다. 자동화 설비의 고도화와 장비의 고성능화로 처리해야 할 데이터의 양이 많아지고 있어 기가비트 이더넷 규격에 대한 필요성이 생기면서 차세대 산업용 이더넷 표준인 TSN 규격이 대두됐다. 

TSN 규격의 특징은 실시간성과 시간 결정성을 동시에 지니고 있다는 것이다.

실시간성은 같은 네트워크 계통에 있는 디바이스끼리 실시간으로 연결되는 것을 의미한다. 클럭 단위로 나눠서 보면 지연이 있을 수 있지만, 디바이스는 이를 실시간이라 인식한다. 자동화 영역에선 로봇 컨트롤러, 모션 컨트롤러, PLC 등이 얼마나 어느 주기로 통신을 하고 있느냐를 실시간성이라고 부르고 있다.

자동화 영역에서 시간결정성이란, 각 컴포넌트가 서로 실시간 통신할 때, 이를 정해진 시간 안에 처리하는 것을 의미한다. 고성능 통신은 특정 주기로 일정히 동작해야 가능하다. 고속 I/O 처리, 동기제어 쪽에서 이는 중요한 요소로 작용한다. 

TSN은 지속 보완 중인 규격이다. 자동화 기업들은 ‘IIC(Industrial Internet Consortium) TSN 상호운용성 테스트베드’ 구축을 통해 업계 의견을 IEEE에 전달하기 위해 노력하고 있다. TSN 관련 제품으론 네트워크 스위치가 대표적이다. 기가비트로 인해 거대해지는 네트워크 계통을 중간에서 적절하게 연결하는 것이 중요해졌기 때문이다. IIC 참여 기업들은 수많은 네트워크 스위치를 제작 중이다.

TSN이 고속도로라면, OPC-UA는 그 위에서 운행할 수 있는 특정 차종을 규정하는 것이다. OPC-UA 프로토콜은 현재 100Mbps 이더넷에서 사용되고 있지만, 스마트팩토리에서의 데이터 처리 요구량이 계속해서 늘고 있다. 이는 네트워크 계통에 연결할 수 있는 컴포넌트의 개수가 증가한다는 것을 의미한다.

최하위 단의 센서부터 최상위 단의 설비가 신경망(Neural Network; NN)으로 연결되는 것은 기본적인 스마트팩토리 요구사항이다. NN이 구축되지 않으면 중간에서 이들을 연결할 게이트웨이나 미들웨어 등이 필요하다. 이는 속도를 지연시키고 결정성을 방해해 생산 비용을 늘린다. 따라서 TSN 규격은 CPS(Cyber Physical System) 같은 시스템을 위해 필수적으로 들어가야 하는 네트워크 기술이다.