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[데스크칼럼] 산업용이더넷과 산업용사물인터넷(IIoT)을 바라보는 방식

제조업 뿐만 아니라 모든 산업분야에서 사물인터넷(IoT; Internet of Things)을 앞장서 강조하고 있다. 사물인터넷은 이제 우리 생활속 깊숙히 들어와 4차 산업혁명 시대로 향한 항해를 위한 거대한 운하를 위한 물길이 됐다. 거의 모든 가정이 인터넷을 사용하고, 자동차나 열차, 항공기, 심지어 땅속에서도 우리는 초고속 인터넷을 당연한 듯이 사용하고 있기 때문에 이러한 변화를 더 빨리 받아들이는 것인지도 모른다.

빠르게 변화하는 사회 환경과 더불어 제조업을 비롯한 산업현장도 빠르게 변화하고 있는 모습이다. 그럼에도 실제로 제조산업 현장속에서의 물줄기는 좀 달리 흔들리고 있는 듯 하다. 우리 생활속에서 큰 물줄기로 움직이고 있는 사물인터넷이건만, 산업현장에서 일하고 있는 엔지니어들에게서 생활속 사물인터넷과 현장에서 접목하고 있는 사물인터넷간에 엄청난 괴리감이 존재한다.

생활속에 널리 퍼져있는 사물인터넷과 제조현장 기기 및 플랜트에서 사용되는 사물인터넷, 이것을 많은 사람들은 산업용사물인터넷(IIoT; Industrial IoT)라고 부른다. 이는 사물인터넷에 산업현장의 요구에 대한 필수요소를 약간 추가한 사물인터넷이라고 할 수 있다. 아직까지 큰 괴리감을 가지고는 있지만, 이 산업용사물인터넷이 제조산업 디지털화와 디지털전환, 그리고 스마트제조 시스템 구축에서 조만간 큰 영향을 미칠것이라는 데에는 대다수 사람들이 고개를 끄덕인다.

과연 산업용사물인터넷(IIoT)란 무엇일까?

그 동안 산업현장에서 네트워크 연결성을 통해 디지털화를 추구했던 기술인 필드버스(Fieldbus) 기술의 뒤를 이어 기기간 네트워크 통신을 넘어, 이더넷을 통한 더욱 확대된 수직통합을 위해 우리에게 제시됐던 네트워크 프로토콜을 우리는 산업용이더넷(Industrial Ethernet)이라고 불렀던 것과 같은 개념으로 접근할 수 있다. 산업용이더넷은 가정용이나 오피스용으로 사용되는 범용이더넷과 구별하기 위해 만들어진 용어이기도 했다. 더욱 정교한 네트워크 성능과 안정성, 실시간성 등을 확보해야 하는 과제를 추가했기 때문에 반드시 이더넷과는 기본적으로 같은 프로토콜이면서도 다른 용어가 필요했던 것이다.

스마트폰과 무선통신의 발달은 이제 사물인터넷과 산업용사물인터넷의 도메인을 더욱 확장시키고 있으며, 이와 때를 같이해서 센서에 대한 기술발전도 빠르게 뒤따르고 있는 중이다. 여기에 5G 통신에서의 주파수 슬라이스 등과 같은 정교한 위치확보와 시간확보, 센싱 통신의 안정성 등에 대한 기대감이 추가되면서 산업용사물인터넷에 대한 기대도 커가고 있다.

그러면 산업용사물인터넷(IIoT)이란 무엇일까? 1차원적으로는 현장에 설치된 각 장치들이 인터넷을 통해 사람의 간섭 없이 서로의 데이터를 주고 받는 것이라고 정의할 수 있다. 하지만 이를 확장하게 되면 한없이 큰 범위로 확장이 가능하다. 그래서 일단은 협의의 산업용사물인터넷으로 놓고 볼 필요가 있다.

사물인터넷(IoT)는 다음과 같이 구분하여 정의할 수 있다. 모든 객체는 동작을 하는 객체와 그렇지 않은 객체로 구분된다. 동작을 하는 객체는 통신 연결이 가능한 객체와 그렇지 않은 객체로 다시 구분된다. 통신 연결이 가능한 객체는 IP 주소(Address)를 가지고 있는 것과 없는 것으로 구분이 된다. 디바이스넷(DeviceNet)이나 프로피버스(PROFIBUS)와 같은 필드버스(Fieldbus)로 연결이 가능한 객체가 IP 주소는 없지만 연결이 가능한 객체의 대표적인 사례라고 볼 수 있다.

IP 주소를 가지고 있는 객체를 우리는 비로소 산업용사물인터넷(IIoT)의 범주에 있는 객체라고 표현할 수 있다. 이들은 이더넷에 연결된 IP를 통해 상용 클라우드(Public Cloud) 또는 전용 클라우드(Private Cloud)로 연결이 가능하다.

기본적으로 산업용사물인터넷의 구조는 우리가 사무실이나 집에서 사용하고 있는 인터넷과 동일 선상에서 출발한다. 각각의 디바이스는 IP 주소를 가지며, 부여된 IP 주소를 바탕으로 통신에 참여한다. 만약 IP 주소가 없다면 통신상에서 출발과 도착이 불가능해 진다. 자신의 주소를 쓰지 않고 등기우편을 보내고 답장을 기다리는 것과 같다. 등기우편에는 발신자의 주소가 반드시 있어야만 접수가 된다. 그럴 리는 없겠지만 만약 우체국의 착오로 접수가 되었다고 하더라도 답장을 받을 주소가 없으므로 답장을 받는다는 것은 불가능하다.

ISO/OSI 7 계츧(7 Layer)를 봐도 네트워크 계층인 Layer 3에 IP가 표준 요소로 자리잡고 있다. IP의 관리는 미국 Iner NIC에서 총괄한다. 우리나라에도 KRNIC가 미국으로부터 IP를 할당 받아 관리하고 있다. 이처럼 IP 주소가 중요하게 취급되고 있어 산업용사물인터넷에서 각 객체의 구분 요소로 사용되고 있다. 현재 IP 주소는 IP Version에 따라 32비트에서 128비트까지 구성되고 있다. 이는 인터넷에 연결 가능한 디바이스의 확산을 반증하는 것이다.

여기에서 또 한가지 의문이 생긴다. 산업현장에서는 수 많은 통신 방식 중 왜 하필 이더넷(Ethernet)을 사용하게 됐는가? 이더넷이라는 통신 방식은 1973년 제록스에서 처음 개발됐다. 제록스라는 이름에서 유추해 볼 수 있듯이 초기에는 같은 네트워크 내에 있는 컴퓨터와 프린터를 연결하기 위한 아이디어에서 출발했는데, 그것이 여러 회사를 거쳐 규격화되면서 현재의 IEEE 802.3이라는 표준 규격으로 자리 잡았다. 이더넷 기술이 개발된 지 불과 50년이 되지 않았지만 지금은 이 기술을 빼놓고는 공장이나 장비의 설계를 논할 수 없다.

스마트공장 개념도 (이미지. 포스코ict)
스마트공장 개념도 (이미지. 포스코ict)

 

현재 이더넷(Ethernet)은 전 세계에서 가장 많이 사용되는 통신 방식이다. 사무실은 물론이고 가정과 병원, 학교 등 사용하지 않는 곳을 찾아 보기 힘들 정도이다. 사용자가 많다는 것은 그 시장이 크다는 것을 의미하며, 이는 다양한 공급자가 다양한 종류의 제품과 서비스를 제공하고 있으며, 이로 인해 사용자는 제품 선택의 범위가 넓고 가격의 다양성을 제공받는다. 또한 기능적으로 사용자의 니즈를 가장 잘 만족시키는 기술이며, 사용자가 감내할 수준의 작은 에러만을 가지는 기술이라는 의미로도 볼 수 있다.

그렇다면 언제부터 이더넷을 생산현장에서 사용하게 되었을까? 이는 두 가지로 나눠 볼 수 있다. 현장의 생산 수량, 기기의 가동률, 고장 여부 등과 같은 제어와 무관한 모니터링의 용도로 사용한 것은 2000년도가 되기 이전부터이다. 모니터링 용도라는 것은 그 시스템 특징상 실시간성이 반드시 필요로 하지 않으며 상대적으로 통신 속도의 변화나 응답 시간에 덜 민감하다는 의미이다. 그와 대비되게 제어용으로 사용이 되기 시작한 것은 2000년도 이후부터라고 할 수 있다.

산업용 제품이나 기술을 평가할 때 반드시 언급되는 한 가지 요소가 신뢰성이다. 어떤 신뢰성의 부재로 인하여 개발된 지 30여년이 지난 후에야 생산 현장에서 이 기술을 받아들이게 된 것일까? 이더넷 통신 방식은 고전적인 통신 방식인 시리얼(Serial) 통신이나 아직 국내에서 널리 사용되고 있는 필드버스(Fieldbus) 보다 휠씬 빠른 통신 속도를 제공한다. 예를 들어 시리얼 232c 방식은 통상 9,600bps (bps는 초당 전송 가능한 비트의 개수) 또는 19.2Kbps를 사용한다. 필드버스 중 대표적인 프로토콜 중 하나인 프로피버스(PROFIBUS)는 최대 12Mbps를 지원한다. 하지만 이더넷 방식은 현재 1Gbps 서비스를 상용망을 통해 지원하고 있다.

다른 비교점은 통신 가능 거리이다. Serial 232c 방식은 2,400bps일 때 900m의 통신 거리를 지원하고, PROFIBUS는 9.6Kbps일 때 Repeater를 사용하면 최대 4.8Km의 통신 거리를 지원한다. 물론 PROFIBUS의 사양의 하나인 광통신을 사용하게 되면 최대 32Km까지도 통신 가능하다. 하지만 Ethenet의 통신 거리는 통신 속도와 무관하게 거의 무한대라고 할 수 있다. 디바이스와 중계기 간의 최대 거리는 100m이내이지만 중계기의 사용 가능 개수가 PROFIBUS의 사양처럼 지정되어 있는 것이 아니기 때문에 중계기의 개수에 비례하여 통신 거리는 늘어나게 된다.

이외에도 통신 기능 구현에 드는 비용이나 내노이즈성과 같은 다양한 비교 항목들이 있으나 이는 논란의 여지가 있으므로 굳이 언급하지 않겠다. 단순하게 통신 속도와 통신 가능 거리만을 비교했을 경우 Ethernet은 다른 통신 방식에 비해 월등히 앞선다는 것을 알 수 있다. 하지만 Ethernet 사양이 갖는 태생적인 한계로 인하여 표준 Ethernet 방식을 산업 현장의 제어 목적으로 사용하는 것이 거의 불가능했다.

이더넷의 통신 방식은 CSMA/CD, 즉 Carrier Sense Multiple Access Collision Detection 방식이다. 이는 동일한 우선 순위를 가지는 여러 통신 매체가 버스 라인의 사용 유무를 감지하고, 버스 라인의 사용이 감지되지 않을 경우 데이터를 전송하는 방식으로 데이터의 충돌을 감지할 수 있고, 또한 충돌이 감지된 경우 임의의 시간 이후에 데이터를 재전송하게 된다. 우리는 경험을 통해서 특정 시간대에는 포텔사이트나 웹서핑의 응답 시간이 좀 더 오래 걸린다는 것을 알고 있다. 막연히 사용자가 많아서 평소보다 응답을 받는데 시간이 좀 더 걸린다고 생각하거나, 기다리는 시간이 싫어서 흔히 말하는 광클을 하는 사람도 있다.

예를 들어, 두 대의 PC가 동일한 서버에 동일한 시간에 접속할 경우 앞서 설명한 바와 같이 데이터의 충돌이 발생하며, 이는 해당 PC에서 감지된다. 이더넷 알고리즘에 의해 임의의 시간만큼 기다린 후 다시 접속을 하게 되는데, 매우 작은 확률이지만 두 PC 모두 같은 임의의 시간을 기다린 후 데이터를 전송하게 되면 두 번째 충돌이 또 발생하게 된다. 확률적으로는 거의 0%에 가깝지만 이론상 이 두 대의 PC는 영원히 서버에 접속하지 못하는 경우도 발생 가능하다.

슈나이더 일렉트릭, 미래형 ‘스마트병원’ 구축 솔루션 제공
(이미지. 슈나이더일렉트릭)

 

이더넷이 산업현장에 사용되지 못한 이유는 바로 이것이다. 하나의 서버에 연결된 모든 통신 매체가 정해진 우선 순위가 없고, 이로 인해 데이터의 충돌이 발생하며, 이 경우 응답 시간이 늦어질 수 있다는 점에서 제어용으로는 부적합하다는 것이다.

프로피버스의 경우 충돌 감지 방식이 아닌 충돌 회피 방식을 사용한다. Master 간의 통신에서는 Token Ring 방식을 사용하여 Token을 가진 매체만 데이터를 전송할 수 있다. 또한 Master와 Slave의 통신에서는 Poll 방식을 사용하여 Station 번호가 빠른 매체부터 송수신을 한다. 물론 데이터의 사이즈나 통신 시간 또한 이미 사양으로 정해져 있다. 2000년대 이후 OSI Layer를 변경하거나 자체의 프로토콜을 추가하여 기존 표준 이더넷이 갖고 있던 한계를 극복한 이더넷 기반의 산업용 프로토콜이 출시되었고 산업 현장에 적용되기 시작했다.

일반적인 이더넷 방식과 구분하기 위해 실시간 이더넷(Real-Time Ethernet)이라고 불리며, 이는 이름 그대로 실시간성을 보장하는 이더넷이다. 실시간 이더넷은 기존 표준 이더넷이 가지는 대부분의 장점을 그대로 이어 받았다. 불확실한 응답 시간이라는 약점까지 보완했다. 기존 필드버스의 대안으로 산업 현장에서 사용하는데 있어서 전혀 문제가 없고, 더 나아가 현장의 장비들이 이더넷에 연결될 수 있는 가능성까지 크게 열어두게 됐다.

그래서 이제 사물인터넷의 광범위한 확산속에서 또다시 제조산업 현장에서는 산업용사물인터넷(IIoT)이 부상하고 있는 것이다. 산업용사물인터넷을 통해 제조산업 및 기계, 로보틱스, 물류 시스템 전반에서 수평적이고 수직적인 통합 시스템의 구축이 가능해졌다. 십수년전 시대했던 CIM(컴퓨터 통합 생산)의 개념이 산업용사물인터넷과 무선통신, 이더넷 통신 기술을 통해 달성될 수 있게 된 것이다. 여기에 우리는 한층 지능화된 기능을 추가함으로써 지능형 스마트 제조 시스템을 구축하고자 나가고 있는 것이다.

오승모 편집장

About 오승모 기자

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

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