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[연재] 산업용 이더넷 스위치 1편

제1편. 산업현장을 위한 이더넷 스위치

산업 현장의 제어 시스템 분야에 필드버스가 도입되어 적용되기 시작한 후, 수 십 년 동안 여러 종류의 필드버스가 개발 업체의 특성을 이용해서 산업 현장에 적용 분야를 넓혀 왔다. 하지만 수년 전부터 산업 현장의 디바이스들이 점차 다변화, 고기능화 되는 추세로 진행되고 있고 산업 현장에서는 제어뿐 아니라 현장의 정보를 효과적으로 활용할 수 있는 시스템의 필요성이 증가하기 시작했다. 새로 적용되는 시스템은 산업용 네트워크에 필수적인 신뢰성뿐만 아니라, 설치비용의 감소, 넓은 대역폭 사용, 빠른 통신 속도, 오픈 프로토콜, 유지/보수에 대한 장기적인 비용 절감 등의 혜택도 제공해야 된다는 요구도 있어왔다. 더불어 향 후에는 기존 산업용 통신 시스템보다 훨씬 많은 정보를 생산 시스템으로부터 획득하고 비즈니스에 이용할 수 있게 함으로써, 하위 필드 레벨에서 상위 정보 레벨까지 수직적 네트워크를 통합할 수 있는 기능을 구현할 수 있어야 한다.

이러한 산업 현장의 변화된 요구에 가장 적합한 네트워크로는 사무용 통신에서 이미 국제적인 표준 통신으로 인정된 이더넷 통신이 주목 받기 시작했다. 초기에는 실시간 통신을 요구하지 않는 상위 시스템에만 적용되기 시작했지만, 이더넷 통신의 기술 발달과 혁신으로 인해 현재의 이더넷 통신은 상위에서 하위 디바이스 제어까지 영역을 확대하고 있는 상황이다.

전통적인 네트워크 아키텍처(A)와 이더넷 기반 통신 아키텍처(B) 비교
전통적인 네트워크 아키텍처(A)와 이더넷 기반 통신 아키텍처(B) 비교

이와 같이 산업 현장에 이더넷 통신을 적용할 경우에는 아래와 같은 혜택을 누릴 수 있다고 예상할 수 있다.

사실상의 국제 표준 프로토콜
산업용 필드버스는 업체별 전용 네트워크로 폐쇄적인 네트워크에 비해 이더넷은 개방형 구조로 사무용 통신 네트워크의 국제 표준 프로토콜로 사실상 인정 받았다.

기업 네트워크와 ERP 등 기업 정보 혁신화 네트워크
생산 현장의 정보 및 데이터를 기업 네트워크와 직접 연결하거나, 효율적인 생산 환경과 생산성 증가를 위해 ERP등과 연계해서 제조 현장의 혁신화를 구현할 수 있다.

IT의 발전된 기술을 이용
사무용 통신 또는 IT 분야에서 이미 검증되고 사용되는 여러 가지 발전된 기술들을 산업용 네트워크에도 적용할 수 있다.

빠른 통신 속도 제공
현재는 산업용 제품에는 100Mbps정도가 보편화 되었지만 기가(Giga)속도의 제품도 출시되어 시장에 적용되고 있다.

대량 공급으로 인한 장비 및 시스템 비용 저렴
전 세계적으로 생산되는 이더넷 제품으로 인해 제품이 저렴하고 이런 제품을 이용한 시스템 구축 비용은 특정 네트워크 비용보다 저렴할 수 있다.

이러한 장점에도 이더넷 통신을 산업 현장에 적용하지 못했던 이유는 실시간 통신의 기술적 어려움이었다. 하지만 IT 기술 및 장비의 발달로 인해 이러한 단점들이 점차 극복되면서 산업 현장에의 이더넷 통신 적용은 급속하게 확대 되었다.

실시간성(real time) 문제
초반기 이더넷 통신은 Half Duplex, 낮은 대역폭 등 여러가지 단점으로 인해 이더넷 통신이 산업 현장에 적용되는 분야는 일부분에만 한정되어 적용되었다.

산업 현장의 변화된 필요성은 기존 필드버스 통신도 개방형 프레임워크를 수용하면서 이더넷 기반의 필드버스를 개발하도록 유도했고 대다수의 필드버스에서는 현장의 요구를 수용한 이더넷 기반의 필드버스를 개발했다. 현재는 다른 필드버스 보다 이더넷 기반의 필드버스가 점차 영역을 확대하고 있다. 이러한 현상은 이더넷 기반의 통신이 사무용 통신처럼 산업 분야에서도 대세가 되리라 예상할 수 있을 것이다. 실제로 조사 기관의 결과를 보면 산업용 이더넷의 발전은 다른 분야보다도 월등해서 높고 산업 분야에 이더넷 통신을 도입하겠다는 의사도 다른 통신보다 높게 나타난다.

필드버스 및 이더넷 도입 전망
필드버스 및 이더넷 도입 전망

이처럼 이더넷 통신이 산업용 네트워크에 적용되는 비중은 계속 확대되고 있지만, 사용자들의 산업용 통신 장비에 대한 인식 부족 및 네트워크 장비 개발 부족으로 실제 산업 현장에의 산업용 이더넷 장비 적용은 저조한 상황이다. 하지만 점차 산업용 네트워크에서는 산업용 통신 장비를 사용해야 한다는 사용자들의 인식이 바뀌어지고, 이에 맞추어 산업용 통신 장비들의 출시에 따라 산업용 기기들의 현장 적용은 점차 증가하고 있다.

왜, 산업용 이더넷 통신에는 산업용 이더넷 장비를 사용해야 할까?
산업용 통신 장비와 사무용 통신 장비의 가장 큰 차이는 열악한 환경에서도 동작이 가능하고, 산업 현장에서 필요한 기능들이 내장되어 있으며, 실시간 통신이 가능해야 한다는데 있다. 이러한 산업용 장비의 요구 사항은 아래와 같이 정리 할 수 있다.

열악한 산업 현장을 위한 강인한 설계
넓은 동작 온도, 항습, 노이즈 내성, 방진 등 산업용 환경에 맞는 설계를 통해 국제 규격을 취득함으로써 산업용 요구 사항을 만족시키고 있다.

산업 현장에서 필요한 기능
사무용과 달리 산업용 장비는 신뢰성이 최우선이기 때문에 전원과 링 네트워크에 대해서는 이중화를 지원 하고 있다. 또한 네트워크 상태 및 장비 이상 상태를 쉽게 알 수 있도록 디지털 IO등도 제공해서 신속한 대처가 가능하도록 한다.

실시간 통신 보장
실시간 통신 보장을 위한 Full Duplex, 고속 절체 기능. Port Trunk 기능 등 여러가지 기능을 제공함으로써 하위 디바이스 제어도 가능하게 한다.

링 네트워크내의 데이터 흐름
링 네트워크내의 데이터 흐름

산업용 요구 사항을 만족하고 산업 환경 특성에 맞게 설계된 산업용 통신 장비의 사용은 최적의 네트워크 시스템 구축을 가능하게 한다고 예상 할 수 있다.

현재 산업 현장에 적용되어 사용되고 있는 산업용 이더넷 스위치에 대한 종류 및 특성, 기능을 살펴본다.

산업용 이더넷 스위치의 종류와 이야기들
산업용 스위치의 종류는 각 업체별로 차이는 있을 수 있지만 대체적으로 스위치에서 제공되는 기능에 따라 분류할 수 있다.

1. 더미 스위치
하나의 대역폭을 여러 개의 통신 포트에서 공용으로 사용하는 기술적 한계로 인해 실시간 통신 보장은 지원하지 못한다. 현재는 거의 단종된 제품이다.
– Half Duplex 통신

2. 비관리형(Unmanaged) 스위치
각 노드 별 Full 대역폭 지원하고 이더넷 맥 어드레스를 이용한 기술을 사용함으로써 충돌 방지 및 실시간 통신을 가능하게 한다. 또한 하드웨어적으로는 이중화 기능을 구현하지 않고 최소화함으로써 저가격으로 판매되고 있다.다만 업체별로 특징 기능을 구현해서 차별화한 제품도 나오고 있다.
– Full Duplex 통신

3. 엔트리급의 관리형(Managed) 스위치
Managed 스위치 기능에서 가장 기본적인 기능만을 제공하는 스위치로 간단한 이더넷 네트워크를 구현하는데 적합한 장비이다. 기본적으로 전원 및 링 이중화, 디지털 IO를 지원하고 몇 가지 기능을 추가로 제공하지만 업체별 약간의 차이는 있다.
– 전원 이중화, 링 토폴로지 및 Redundancy 기능, 디지털 IO
– VLAN, Port Limit, SNMP, Email 등

4. 관리형(Managed) 스위치
: 이더넷 네트워크를 통합, 관리할 수 있는 Managed 스위치로, 스위치에서 사용할 수 있는 모든 기능을 제공한다. 이더넷 기반의 필드버스에서 사용하는 멀티캐스트 통신에 꼭 필요한 IGMP Snooping 기능을 제공한다. 이에 따라 이더넷 기반의 필드버스인 Ethernet/IP, ProfiNet, HSE 통신 네트워크를 구성할 경우에는 IGMP Snooping 기능이 제공되는 Managed 스위치를 사용해야 한다. 이외에도 VLAN, Qos등 고급 기능 등을 제공한다.
– 전원 이중화, 링 토폴로지 및 Redundancy 기능, 디지털 IO
– IGMP Snooping 기능, Qos, VLAN, Port Limit, DHCP, BOOTP
– SNMP, EMAIL, Port Mirroring 등
– 기본 기능, 관리 기능, 진단 기능

이와 같이 산업용 스위치의 종류는 기능에 의해 분류되지만 하드웨어 특성은 공통적인 사양으로 제공된다고 할 수 있다.

산업용 스위치의 하드웨어 특징

열악한 환경에 적합한 강인한 설계(산업용 인증)
산업용 통신 장비 설계 인증 기준에 따라 개발함으로써 넓은 동작 온도, 내 노이즈, 항습, 내진, 내 충격의 기능을 제공하고, 부품도 일반 부품이 아닌 산업용 부품 등을 주로 사용함으써 열악한 환경에 적합하다.

이중화 지원 구조
전원부와 네트워크 이중화를 위한 구조로 설계되어 신뢰성을 확보한다.

산업 현장에 적합한 광/전기 링 토폴로지 구현
넓은 산업 현장에도 이더넷 네트워크를 적용할 수 있도록 수십m에서 수십km 지역을 전기/광 링 네트워크로 구성할 수 있다.

네트워크 시스템 및 장비 문제 발생시 알람 기능
디지털 IO, 이메일, SNMP 기능 등을 이용해서 현장 상황 및 정보를 제공함으로써 문제 발생시 신속하게 대응할 수 있도록 지원한다.

뿐만 아니라 산업용에 적합한 어플리케이션 기능도 제공함으로써 실시간 통신은 물론 사용자가 네트워크를 통합 관리할 수 있도록 한다.

이더넷 스위치의 알람동작 개념
이더넷 스위치의 알람동작 개념

산업용 이더넷 스위치의 어플리케이션 기능
1) 기본/관리 기능
– 기본 설정(IP, Subnet Mask, Gateway, DNS Server)
– Redundancy Control
– IGMP Snooping
– Multicast MAC Filter
– VLAN
– Qos/Cos/Tos
– Port Trunk
– 포트 Mirroring
– Port Setting
– Rate Limiting
– SNMP 지원

2) 진단 기능
– Diagnostic
– Log 기능
– 이벤트/알람 기능(Email/Trap)

3) 설정 기능
– Web Server, Console, 전용 툴 등

산업용 네트워크 장비는 하드웨어, 소프트웨어 기능 등을 다양하게 제공함으로써 통합된 시스템 구현을 가능하게 하지만, 최적의 네트워크 설계를 위해서는 그에 알맞은 기능을 잘 선택해서 사용해야 된다. 또한 산업용 이더넷 네트워크를 이용해 시스템을 통합, 관리하기 위해 필수적으로 Managed 스위치 이상의 제품 사용을 권장하고 있지만, 위에 나타낸 바와 같이 도입 초기의 Managed 스위치의 기능을 제대로 알고 사용하는 사용자는 많지 않다. 특히 네트워크 부서나 네트워크 담당자가 있는 업체의 경우를 제외하곤, 대부분은 일반 엔지니어 출신이 네트워크 시스템을 설계하고 있어서 대부분은 Managed 스위치의 기능에 대해서 잘 모르고 있는 현실이다. 따라서 최적의 이더넷 네트워크 시스템을 구성하기 위해서는 Managed 스위치의 기능과 적용 분야를 잘 알고 있어야 가능하다는 것을 알 수 있다.

이제까지는 산업용 네트워크 시스템에는 산업용 장비의 필요성과 네트워크 장비의 특징에 대해서 개략적으로 살펴보았다. 다음 회에는 스위치에서 제공하는 기능에 대해서 자세히 살펴보고 어떻게 사용해야 되는지를 비교적 알기 쉽게 설명해서, 실제 현장에서 이더넷 시스템을 설계할 때 도움이 될 수 있도록 하겠다.

글_ 정탁희 연구소장 / AC&T씨스템


About 오승모 기자

인더스트리어리 커뮤니케이션 네트워크 (산업통신망)의 오승모 편집장입니다. 산업용사물인터넷(IIoT)에서 산업기술에 대한 미래의 희망을 엿보고 있습니다.

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