5G 네트워크와 EtherNet/IP 활용: 클라우드 환경 위한 TSN 연결

2023년 7월부터 국내 최초로 ODVA는 최근 산업계의 화두인 PROCESS 계장의 디지털화 기술인 이더넷-APL을 소개하는 기술 연재를 시작했다. 이 기술은 업계에서 잘 알려지지 않은 분야이기에, 「이더넷-APL 길라잡이」라는 명칭으로 15호를 끝으로 기술 연재를 마무리했다.

ODVA는 2023년 11월부터 제조업 벤더들을 대상으로 ‘이더넷-APL 국제 인증’ 사업을 시행하고 있다. 국내 PROCESS 계장 제조 벤더와 ODVA 회원사가 ‘이더넷-APL 국제 인증’을 받으면, 향후 제품 수출에 큰 도움이 될 것이다. 참고로, 인증에 대한 자세한 사항은 ODVA 웹사이트(www.odva.org)의 ‘Request Ethernet-APL Conformance Test Services’ 페이지에서 확인할 수 있다.

이번 자동화 기술지에서 새롭게 연재하는 기술 내용은 5G 네트워크에 EtherNet/IP를 활용하고 클라우드 환경을 위해 시간 민감 네트워크(TSN)를 이용하는 내용을 다룬다. 이 연재는 총 3회로 나누어 진행될 예정이며, 이는 ODVA가 발표하는 새로운 산업 통신 기술의 일환이다.

개요

산업용 사물인터넷(IIoT) 기술은 빠르게 발전하고 있으며, 이는 산업 자동화 분야에 새로운 길을 열고 혁신을 가져오고 있다. 이 문서는 EtherNet/IP와 5G 네트워크의 통합을 중심으로 실시간 데이터 통신, 결정론적 네트워크, 센서-클라우드 아키텍처 등의 잠재적인 장점을 탐구한다. 특히 산업 응용 분야에서 시간 민감 네트워킹(TSN)의 기반으로서 5G 통합을 강조하며, 3GPP 기술, EtherNet/IP, 고성능 통신의 융합을 다룬다.

산업용 이더넷 네트워크는 짧은 주기로 실시간 및 비실시간 요구사항을 포함하며, 다양한 요구를 충족할 수 있는 통신 인프라가 필요하다. 이 방법은 Layer-2(L2) 터널링을 사용하여 자동화 제어 시스템을 통합함으로써, 다양한 클러스터가 동시에 통신하고 효과적으로 데이터를 공유하며 병목현상을 줄일 수 있도록 한다. 5G 네트워크를 기반으로 TSN을 활용함으로써, 초저지연, 결정론적 통신, 고대역폭 간의 균형을 이룰 수 있다. 이러한 균형은 병렬로 실행되는 다양한 응용 프로그램의 요구를 조화롭게 지원한다.

이 문서는 기능적이고 안전한 장치를 구축하기 위해 물리 계층, 네트워크 아키텍처, 기타 고려사항에 대한 요구사항을 명시한다. 또한 로크웰 오토메이션, 에릭슨, 퀄컴, 버라이즌이 공동 개발한 테스트베드를 탐구하며, 산업 전용 5G 네트워크와 EtherNet/IP의 호환성을 연구한 결과를 공유한다.

이 문서에는 MVP(최소 기능 제품) 및 향후 평가와 PoC(개념 검증)/파일럿 설정을 위한 참조 플랫폼을 시작하려는 사람들을 위한 하드웨어 및 소프트웨어 아키텍처와 참조 설계가 포함되어 있다. 참조 설계는 무선 캡슐화 프레임워크를 실행하는 하드웨어 섹션과 EtherNet/IP CIP 애플리케이션을 실행하는 하드웨어 섹션으로 나뉜다.

결론적으로, 5G 네트워크와 EtherNet/IP의 통합은 산업 자동화에 변혁적인 기회를 제공한다. 이 사유 문서는 5G와 EtherNet/IP의 통합이 실시간 데이터 통신을 가능하게 하고 네트워크 성능을 향상시키며, 산업 기업이 디지털 전환에서 성공할 수 있도록 어떻게 기여하는지를 보여준다.

소개

1. 스마트 제조 및 OT-IT 융합

디지털화는 더 큰 유연성, 향상된 대응력, 그리고 성능 개선을 달성하기 위해 모든 산업이 사용하는 기준점이다. 산업용 통신 기술은 이러한 목표를 실현하기 위한 촉진자 역할을 한다.

최근에는 통신 기술을 개선하려는 노력이 자동화 가치 사슬 전반에 걸쳐 제품, 시스템, 솔루션, 서비스와 IT 기술을 통합하는 방향으로 집중되고 있다. 목표는 모든 수준에서 안전하고 신뢰할 수 있으며 원활한 정보 접근을 가능하게 하는 것이다. 산업용 IoT는 IP 기반 네트워크로 연결할 수 없는 다양한 장치로 구성된다. 이더넷이 산업 아키텍처에서 널리 사용되지만, 표준화되고 통합된 통신 방식은 아직 구현되지 않았다.

· M2M 통신(수평적 통신) : M2M(Machine-to-Machine) 통신은 산업용 IoT에서 필수적이다. IIoT는 IT에서 OT 도메인으로 넘어가 센서와 액추에이터 간의 통신을 가능하게 해야 한다. 공장 내 장비와 현장 장치는 다른 동료 장치에서 수집된 데이터를 처리할 수 있어야 한다.

· 장치-클라우드 통신(수직적 통신) : 수직적 통신은 모든 계층을 아우르는 통신을 의미한다. 네트워크 아키텍처에서 컨트롤러는 SCADA/HMI 시스템과 통신하며, 이는 다시 MES/ERP 시스템과 통신한다. 이러한 다계층적이고 복잡한 통신은 자동화 피라미드의 여러 계층에 걸쳐 이질적인 시스템 간의 원활한 정보 교환을 요구한다.

스마트 제조는 공장 및 프로세스 경계를 포함하여 서로 다른 시스템을 네트워크로 연결하는 것을 중심으로 한다. 현대 산업 커뮤니티와 컨소시엄은 수평적 및 수직적 통신 요구사항을 해결하기 위해 상당한 노력을 기울여 왔고, 지금도 계속 노력하고 있다.

2. 스마트 제조에서의 5G

속도는 네트워크 품질을 판단하는 중요한 요소 중 하나이다. 무선 네트워크가 많은 산업 통신에서 대안으로 간주되는 가운데, 5G는 산업 기업들이 기대하는 새로운 화두로 자리 잡았다.

3GPP(3rd Generation Partnership Project)는 모바일 네트워크를 위한 사양을 만드는 표준이다. 5G는 5세대 셀룰러 네트워크로, 4세대(4G) 네트워크보다 최대 100배 빠르다. 이 첨단 기술은 산업 자동화를 새로운 수준으로 이끄는 통합 연결 인프라를 제공할 것을 약속한다. 3GPP가 정의한 5G의 사양은 스마트공장을 위한 차세대 기술로 자리 잡는 이유를 설명하는 다음과 같은 요소를 포함한다.

· QoS(Quality of Service, 서비스 품질): 3GPP는 트래픽 유형에 따라 5G를 위한 네 가지 매개변수를 정의했다.

- 주기적 결정론적 트래픽: 엄격한 요구사항 정의

- 비주기적 결정론적 트래픽: 사전 전송 시간이 설정되지 않았지만 시간 엄수 및 가용성에 대한 엄격한 요구사항 정의

- 비결정론적 트래픽: 덜 엄격한 요구사항 정의

- 혼합 트래픽: 최소한의 엄격한 요구사항 정의

· 종단 간 지연: 최소 0.5ms에서 최대 500ms

· 데이터 속도: 최대 Gbit/초

· 통신 서비스 가용성: 99.9%에서 99.999999%

· 동일 기기에서 유선 기술과의 원활한 통합

5G의 주요 특징으로는 더 빠른 속도, 초저지연, 증가된 대역폭 등이 있다. 5G를 특별하게 만드는 것은 네트워크 슬라이싱 기능이다. 네트워크 슬라이싱을 통해 5G는 서로 다른 네트워크 슬라이스에 다른 속도 구간을 할당하여 전용 대역폭과 네트워크 모드를 정의할 수 있다. 이러한 기능은 이전의 셀룰러 네트워크 세대가 달성하지 못했던 뛰어난 성능을 가능하게 한다.

고대역(mmWave) 5G 주파수는 24GHz에서 100GHz까지 범위를 가지며, 멀티 기가비트 속도를 지원한다. 하지만 이러한 높은 주파수는 건물이나 벽을 통과하기 어려워 짧은 거리에서만 유용하다.

3. 산업 자동화를 위한 5G 및 퍼듀 모델

일반적으로 OT(운영 기술) 환경은 퍼듀(Purdue) 모델을 따른다. 이 모델은 트래픽 교차 지점(choke points)을 기반으로 강력한 제어와 보안을 제공한다. 따라서 계층 간 트래픽을 쉽게 제어하고 보호할 수 있다. 계층 내부의 모든 트래픽은 동일한 계층 내의 다른 장치들과 통신할 수 있지만, 계층 간 트래픽은 접근 제어를 받는다.

프라이빗 5G는 이러한 모델을 쉽게 넘어설 수 있다. 계층을 뛰어넘어 깔끔한 배포를 보장하며 퍼듀 모델을 생성하거나 이를 통합할 수 있다.

4. 5G 네트워크와 EtherNet/IP의 통합

산업용 사물인터넷(IIoT)은 산업 자동화 환경을 변화시키며 생산성, 효율성, 창의성에 새로운 기회를 열어주고 있다. 빠르게 발전하는 IIoT 기술의 잠재력을 최대한 활용하기 위해 첨단 전략을 조사하는 것이 중요하다. 이러한 전략 중 하나는 널리 사용되는 산업 통신 프로토콜인 EtherNet/IP와 5G 네트워크를 결합하여 산업 연결성을 새로운 수준으로 끌어올리는 것이다.

실시간 데이터 통신을 위해 EtherNet/IP와 5G 네트워크를 통합하는 것은 엄청난 가능성을 가지고 있다. 이러한 통합은 기업이 중요한 데이터를 실시간으로 전송할 수 있게 하여 신속한 의사결정과 운영 문제에 대한 즉각적인 해결을 가능하게 한다. 또한 원격 센서 데이터의 전송, 기계 제어, 산업 생태계의 다양한 구성 요소 간의 원활한 협업을 가능하게 하며, 실시간 통신의 새로운 시대를 열어준다.

5G 네트워크, EtherNet/IP, TSN을 결합하면 결정론적 연결성을 구현할 수 있다. 이러한 조합은 미션 크리티컬 통신을 가능하게 하고 조직의 시간 민감 프로세스 전체를 조정하는 데 도움을 준다.

실시간 통신과 결정론적 네트워크 외에도, 5G 네트워크와 EtherNet/IP의 통합은 센서-클라우드 아키텍처에서 엄청난 잠재력을 보여준다. 5G의 빠른 속도, 낮은 지연, 풍부한 대역폭 덕분에 조직은 센서 네트워크의 가능성을 최대한 활용하여 방대한 양의 데이터를 수집할 수 있다. 데이터를 실시간으로 처리 및 분석하면 통찰력 있는 의사결정과 운영 개선에 활용할 수 있다. 조직은 5G 네트워크와 EtherNet/IP 기능을 통해 원활한 통신, 데이터 집계, 분석을 실현할 수 있다.

디지털 전환 여정을 시작하는 조직에게 EtherNet/IP와 5G 네트워크의 통합은 중요한 촉진 요소로 부상하고 있다. 이러한 융합은 IIoT 환경에서 실시간 데이터 통신, 결정론적 네트워크, 센서-클라우드 아키텍처에 있어 비할 데 없는 기회를 제공한다. 두 기술의 강점을 활용함으로써 조직은 기존의 한계를 극복하고, 운영 효율성을 최적화하며, 성장과 혁신을 위한 새로운 길을 열 수 있다.

이 문서는 EtherNet/IP와 5G 네트워크의 시너지 통합을 탐구하며, 센서-클라우드 아키텍처, 결정론적 네트워크, 실시간 데이터 전송에 있어 많은 이점을 강조한다. 조직은 다양한 기술을 원활히 통합함으로써 기존의 제약을 극복하고 연결성을 향상하며 IIoT 생태계의 잠재력을 최대한 활용할 수 있다.