ERP 수준으로부터 현장 수준에 이르기까지 모든 통신을 통합하는 것은 현재의 가장 발전된 생산 시스템에 대한 본질적 요건이다. IT와 자동화 사이의 장벽을 뚫기 위해 기기 소유자들은 점점 더 많이 개방형 OPC UA 표준에 주목하고 있다. 그러나 실시간 요건이 있는 복잡한 공정에 관해서OPC UA는 한계가 있다. 이것은 시간 민감형 네트워킹(Time Sensitive Networking) 덕분에 곧 달라질 수 있다.

Stefan Schonegger B&R 마케팅 부장

“OPC UA TSN과 POWERLINK의 조합은 산업 생산에서 통신의 전체 범위를 커버하게 될 것입니다.”

산업 자동화 과제의 복잡성은 지속적으로 증가하고 있고 점점 더 분산 제어 개념의 개발로 이어진다. 이러한 접근은, 산업용 인터넷을 통해 연결된 지능형 주변 장치들이 점점 더 우세해짐에 따라, 개별적이고, 유연하며, 모듈형의 구조화된 자동화 기술을 허용한다.

예를 들어서 개별 서브시스템과 모듈이 자체의 컨트롤러를 갖추고 완전한 기계를 구성하기 위해 함께 집단화되는 일이 일반화되고 있다.

통신이 핵심

B&R의 마케팅 부장인 Stefan Schonegger는 설명한다. “개별 구성품들 사이의 효과적인 통신은 이러한 유형의 솔루션의 생산성에 대한 결정적 요인입니다. 기계와 기기 제조사에게는 주어진 공정을 구현할 수 있는 능력이 전용의 솔루션에 의해 제한되지 않는 것이 매우 중요합니다.” 현장 수준에서 ERP 시스템에 이르기까지, 개방형 OPC UA 표준은 이상적인 통신 프로토콜이다.

OPC UA는 이제 모든 주요 제어 시스템 제조사에 의해 시행되고 있다. 이 표준은 서로 다른 제조사로부터의 컨트롤러를 갖춘 기계들이 시스템 내에서 쉽게 협력할 수 있음을 보장한다. 프로토콜 자체도 또한 플랫폼과 독립적이고, 통신 스택은 어떠한 운영 체제나 임베디드 하드웨어에도 포팅될 수 있다. “OPC UA는 이러한 모든 편익을 효과적으로 결합시키는 유일한 프로토콜입니다.” Schonegger는 말한다. 이것은 POWERLINK가 기계 수준에 대해 제공하는 편익과 비교할 수 있다.

최대한의 생산성을 위한 실시간 성능

공장 내의 기계들이 지속적으로 상대적으로 자립적 장치로서 작동되고 -격리된 진단 데이터와 명령을 전송하고 수신하는 한- OPC UA는 계속해서 M2M 통신에 대한 훌륭한 선택이 될 것이다. Schonegger는 말한다. “그러나 미래의 공장은 상당히 다른 모습을 갖게 될 것입니다. 생산성을 극대화하기 위해 기계, 로봇 및 컨베이어 벨트들이 상호간에 실시간으로 통신할 필요가 있을 것입니다.”

“OPC UA 자체에 실시간 통신 기능을 추가하는 일이 기술적으로 타당한 것은 분명하지만, 그렇게 하기 위해서는 상당한 노력이 필요할 것이고 아직도 여전히 불리한 점이 남아 있을 것입니다.” Schonegger는 이렇게 덧붙인다. 그것이 많은 자동화와 로봇 분야 제조사들이 다른 방향으로 나아가기 위해 힘을 합치고 있는 이유이다. 그들의 목표는 OPC UA가 현재 개발되고 있는 IEEE 802.1 이더넷 표준의 확장인 TSN을 이용하도록 하는 것이다.

자동차 산업 TSN 개발을 추진

시간 민감형 네트워킹은 현재 개발되고 있는 확장의 한 집합으로 차후에 IEEE 802.1 표준에 포함될 예정이다. 목표는 이더넷을 통해 실시간 데이터 전송을 제공하는 것이다. “TSN 표준의 큰 강점은 자동차 산업계의 지지를 받고 있다는 점입니다. 이것은 필요한 반도체 구성품을 신속하고 상대적으로 저렴하게 제공받을 수 있음을 의미합니다.” Schonegger는 설명한다.

자동차로부터 전송되는 데이터의 양은 지난 수년 동안 급격히 증가했다. “종래의 버스 시스템은 데이터의 양을 다룰 수 있는 대역폭이 부족합니다.” Schonegger는 말한다. 자동차 업계의 첫 번째 단계는 오디오와 비디오 파일의 동기화되고 우선순위가 부여된 스트리밍을 가능하게 한 802.1 AVB(Audio Video Bridging) 표준의 채택이었다. 이것은 후방 범퍼에 장착된 후방 카메라로부터의 영상을 이더넷을 통해 전송할 수 있도록 한다.

AVB 작업 그룹은 새로운 업계에 도달하고 애플리케이션 스펙트럼을 넓히고자 하는 목표를 추구하기 위해 TSN 발의자가 되었다. 자동차 산업계는 또한 이더넷을 통한 기능적 안전성을 요구하는 모든 제어 태스크와 애플리케이션을 다루고자 한다. 이를 위해서는 실시간 범위의 주기 시간과 결정론적 네트워크 거동이 필요할 것이다. “이것은 정확히 우리가 생산 라인 자동화에서 직면하고 있는 것과 같은 요구입니다. 그것이 우리와 다른 자동화 공급자들이 TSN을 갖춘 OPC UA 실시간 기능을 제공하기로 결정한 이유입니다.” Schonegger는 말한다.

IT 자동화를 만나다

“우리는 OPC UA TSN으로 IT의 IP 기반 세계와 POWERLINK와 같은 하드적인 실시간 요구를 위한 프로토콜 사이에 교량을 건설하고 있습니다.” Schonegger는 말한다. OPC UA TSN은 소프트적인 실시간 요건을 갖는 기계 수준 이상의 모든 공장 자동화 애플리케이션에 대한 완전한 솔루션이다. 이것은 라인 동기화, SCADA 시스템에 대한 연결, 단순 제어 태스크에 대한 솔루션 및 컨베이어 벨트의 작동과 같은 것들이 포함한다. 이들은 모두2에서 10 밀리초(秒)의 범위의 성능과 수백 마이크로초(秒) 범위의 지터를 요구하는 과제이다.

토폴로지의 제한적 선택

“TSN이라 하더라도 2 밀리 초 미만의 사이클 타임은 기술적으로 타당하지 않습니다.” Schonegger는 말한다. 서보 드라이브와 고속 센서 연결을 위한 하드적 실시간의 영역은 지속적으로 POWERLINK와 같은 산업용 이더넷 프로토콜을 위해 유보될 것이다. TSN은 또한 라인 통신 수준 이하에서는 현저한 단점이 있다. 이것은 전형적으로 IT 솔루션에서 찾아볼 수 있는 스타 토폴로지를 위해 최적화되어 있다. 기계류에서 일반적으로 찾아볼 수 있는 라인(데이지 체인) 토폴로지의 이용에 대해서는 한계가 있다.

OPC UA로 다가오는 수년 내에 라인 자동화 수준까지 그의 범위를 확장, 기계와 기기의 구조에 대한 어떤 극적인 변화가 있을 것이다. “전통적인 공장 수준의 필드버스 시스템은 더 이상 필요하지 않을 것입니다.” Schonegger는 말한다. OPC UA TSN과 POWERLINK의 조합은산업 생산 분야에서 통신의 전체 범위를 커버하게 될 것이다. OPC UA와 POWERLINK는 무상으로 공급되는 스택을 갖춘 순수 소프트웨어 기반의 프로토콜이고 어떤 플랫폼에도 포팅이 가능하다.

“OPC UA와 POWERLINK의 조합은 기계와 시스템을 엔지니어링할 때 최대한의 자유를 제공합니다.” Schonegger는 말한다. 컨트롤러에 어떤 이름이 인쇄되어 있는지는 무관하다.