요즘 들어 OPC UA와 TSN이 많은 이들의 입에 오르내리는 듯하다. 그러나 수많은 기계설비 제작업체와 발전시설 운영자에게 있어 이들 기술을 자체 장비와 시설에서 사용하는 데서 얻을 수 있는 구체적인 이점이 무엇인지는 불분명하다.

이 문제를 좀 더 살펴보고자, 네트워킹 전문가 스테판 비나(Stefan Bina) 씨와의 대담을 통해 산업용 IoT 통신의 미래에서 시간 민감 네트워킹을 이용한 ‘TSN을 통한 OPC UA’와 그 역할에 있어 가장 중요한 질문에 대한 답변을 들어보았다.

 

1.1 커넥티비티 및 산업용 IoT

 

Q. TSN을 통한 OPC UA가 필요한 이유는 무엇인가?

TSN을 통한 OPC UA, 즉 시간 민감 네트워킹을 이용한 OPC UA 는 메이저 자동화 공급업체들이 모두 지원하고 있다. 이는 현재와 미래의 모든 주요 산업용 응용사례에서 벤더 독립적인 상호운용성을 보장한다.

TSN을 통한 OPC UA를 사용하면 작업장에서 설계별 보안 모듈방식의 기계설비 콘셉트와 유연한 생산 아키텍처 구현이 가능하다. 이들은 경제적인 ‘배치 사이즈 원’ 생산을 위한 기계 및 공장 효율 합리화에 도움이 될 것이다. 뿐만 아니라, 기계설비 운영에 지장을 주지 않으면서도, 현행 성능 최적화 및 예측 유지보수를 지원하는 제조 공정에 대해 확고한 통찰을 제공한다.

TSN을 통한 OPC UA는 100% 개방형으로, 월등히 빠른 속도와 안전한 보안성을 겸비하고 있다. 이는 혁신 역량을 높이고, OEE를 극대화하며, TCO를 절감하는 한편, 커미셔닝 및 유지보수를 간소화할 수 있다.

 

Q. 먼저 OPC UA가 필요한 이유는 무엇인가?
오늘날 독점적인 필드버스 시스템은 단지 0과 1의 원시 데이터로 통신한다. 해당 표가 없으면 네트워크상의 장치들은 그 데이터를 해석할 방법이 없다. 그렇게 되면 산업용 사물인터넷(IIoT)에 요구되는 빈틈없이 원활한 통신방식을 구현할 수 없게 된다.

 

네트워킹 전문가 스테판 비나(Stefan Bina) 씨

자체 정보 모델을 적용한 OPC UA는 시맨틱 기술을 써서 원시 데이터의 품질을 높여준다. 시맨틱 기술은 원시 데이터에 문맥과 의미를 부여하므로, 정보를 수신하는 기기 또는 사람이 별도의 설명이 없어도 해당 정보를 정확하게 해석할 수 있다.

OPC UA는 설비 자산과의 직접적인 상호작용을 가능케 하는 이른바 방법들을 제공한다. 기계설비들이 상호 쿼리를 통하여 어떤 종류의 서비스와 인터페이스 내지 기능을 제공하는지 파악할 수 있어, 이들 기계설비 간의 보다 효율적이며 자율적인 상호작용이 가능하다.

보다 자세한 OPC UA 정보 모델 관련 정보와 시맨틱이 필요한 이유에 관해서는 OPC Foundation 웹사이트 참조.

 

Q. OPC UA를 TSN과 함께 연동해야 할 필요가 있다면, 그 이유는?
TSN의 결정론은 기계간(machine-to-machine) OPC 통신이 멀티 벤더 시설 현장을 보다 잘 동기화할 수 있도록 한다. 기계설비 자체에 내장된 장치 수준의 통신에서도 마찬가지다.

 

OPC UA 정보 모델은 사람이 읽을 수 있고 기계가 해석 할 수 있는 시맨틱 정보를 제공한다.

OPC UA는 데이터 구조화에 관한 표준화된 방법을 제공한다. 이는 모든 종류의 자산에 시맨틱, 즉 의미론적 정보를 추가하여 이를 안전한 방식으로 제공한다. TSN은 인프라 시설로, OPC UA가 결정적인 방식으로 운행되는 고속도로인 셈이다.

TSN을 통한 OPC UA가 제공하는 상호운용성이 없다면, 이러한 통신은 하드 코딩이 불가피한 까닭에, 과도한 개발 비용이 추가되고 유연성 향상이 있다고 해도 상쇄되기 마련이다.

 

Q. 산업용 IoT 어플리케이션에서 TSN을 통한 OPC UA의 역할은?
산업용 IoT 어플리케이션들은 데이터 중심으로, 정보가 그 생명선이다. TSN을 통한 OPC UA는 OPC UA 정보 모델을 필드 레벨까지 확장함으로써 가용한 인포메이션 풀에 방대한 센서, 액추에이터 및 기타 자동화 장치들을 추가한다.

산업용 IoT는 효율적이며 효과적인 생산 공정 설계 능력을 약속하는 동시에, 시운전 및 유지보수가 보다 저렴하고 간편하다. 이는 또한 수익성 있는 대량 맞춤형 제품 생산도 가능하다.

 

OPC UA – 센서에서 클라우드로의 산업 상호 운용성

 

이러한 목표를 달성하려면, 내부 작업을 파악하는 ‘인사이트’가 지속적으로 가능하도록 현행 생산 라인을 유연한 생산 단위로 전환할 필요가 있다. 이러한 인사이트는 - 심지어 인공지능(AI) 등 - 영리한 알고리즘과 결합된 것으로, 성능 최적화와 예측 유지보수를 지속적으로 추진하는 원동력이 될 것이다.

 

1.2 상호운용성

 

Q. 20년 이상 없이도 지냈는데, 네트워크 상호운용성이 갑자기 중요해진 이유는?
우리가 TSN 없이도 네트워크 상호운용이 가능했던 것은 사실이다. 하지만 준비된 정보교환, 제조 디지털화, 스마트 팩토리 및 자율적인 오퍼레이션과 같이 자동화를 한 단계 더 끌어 올리려면 상호운용성이 필수 디딤돌이다.

 

TSN을 통한 OPC UA 부문을 담당하는 OPC Foundation의 운영위원회는 자동화 업계를 선도하는 24개 기술 공급업체들로 구성되어 있다.

상호운용성이 구현되면 속도, 유연성 및 비용 효율성이 향상되며, IIoT에 필요한 고급 데이터 수집, 분석 및 최적화를 구현할 수 있다.

 

Q. 센서에서 클라우드에 이르기까지 상호운용성을 제공하는 방식은?
통신 시스템을 고려한 일종의 프레임워크로써, OSI 레퍼런스 모델은 - 커넥터와 케이블에서 사용자 인터페이스에 이르기까지 - 이들 시스템을 7개 개념적 계층으로 구분한다.

네트워크상의 원활한 상호운용성을 보장하려면, 이들 7개 계층 모두에서 상호운용성이 필요하다. OPC UA는 계층 5~7에서 안전한 정보 상호운용성을 제공함으로써, 센서에서 클라우드에 이르는 안전한 수직 통신을 가능하게 한다. 계층 3과 4에서의 상호운용성은 일반적인 IT 표준을 통해 보장된다. 계층 1은 이더넷 표준이 커버한다.

퍼즐의 마지막 조각인 TSN (Time Sensitive Networking)은 계층 2, 즉 데이터 링크 레이어에 상호운용성을 제공한다. 이로써 전례 없는 성능을 지닌 융합형 OT/IT 네트워크에서 정밀한 실시간 어플리케이션에 대해 OPC UA를 적용할 수 있다.

 

1.3 생태계 및 표준화

 

Q. TSN을 연동한 OPC UA의 표준화는 누가 담당하나?
OPC UA 자체는 OPC Foundation에서 개발 및 표준화된다. TSN 표준은 IEEE 802.1 워킹그룹이 담당한다. TSN을 연동한 OPC UA 구현과 관련 어플리케이션 프로파일에 대해 응집력과 개방성을 지닌 접근을 보장하고자 OPC Foundation은 새로운 필드 레벨 통신 이니셔티브(Field Level Communications initiative)를 발족했다. 실무 이니셔티브 단장은 페터 루츠(Peter Lutz)씨가 맡아 작업 계획과 스펙*의 개발을 주도해 나갈 것이다.

이 테크놀로지는 산업 자동화의 모든 영역에서 사용되는 필드 레벨 장치에 벤더 독립적인 종단간(end-to-end) 상호운용성을 제공할 것이다. 필드 장치와 작업 현장을 통합함으로써 전 세계 상호운용성 표준으로서 OPC Foundation의 역할은 더욱 공고해질 것이다. 현재 OPC Foundation에서 진행 중인 통합 기능성에 대한 표준화 노력은 I/O, 모션 및 안전 어플리케이션 등을 포함한다.

TSN을 통한 OPC UA 부문을 담당하는 OPC Foundation의 운영위원회는 자동화 업계를 선도하는 24개 기술 공급업체들로 구성되어 있다. ABB, Beckhoff, Bosch-Rexroth, B&R, Cisco, Hilscher, Hirschmann, Huawei, Intel, Kalycito, KUKA, Mitsubishi Electric, Molex, Omron, Phoenix Contact, Pilz, Rockwell Automation, Schneider Electric, Siemens, TTTech, Wago and Yokogawa 등이 여기에 포함된다. 최근 추가로 가입한 Moxa 및 Murr Elektronik*을 비롯하여, 점점 더 많은 업체들의 참여가 꾸준히 늘어나고 있다.

 

Q. IEEE 802.1 표준의 일부인 TSN에서 얻는 혜택은 무엇인가?
실시간 통신은 장치 수준의 제어, 모션 컨트롤, 머신 비전, 기계 간(컨트롤러 간) 제어 등 산업 자동화 기능에 매우 중요하다. 다만, 표준 이더넷이 결정론적 네트워크로 설계되지 않은 까닭에, 독점적인 필드버스 시스템이 그 나름의 결정론적 작동방식을 얻고자 자체 메커니즘을 제각각 구현했던 것이다. TSN은 이제 IEEE 802 표준 이더넷이 실시간 통신을 포함하도록 확장함으로써, 산업 자동화 요건들을 충족하는 통합 표준을 제공한다.

TSN은 또한 통합 네트워크 구현이 가능하여, 동일한 네트워크가 - 기계 제어와 안전 등 - 비결정론적 IT 통신과 결정론적 OT 통신을 모두 관리할 수 있다. 향후, TSN 표준이 메인스트림 이더넷 칩의 표준 사양이 될 것으로 본다.

 

1.4 성능

 

Q. TSN을 통한 OPC UA에서 기대할 수 있는 성능은 무엇인가?
이 테크놀로지는 10메가비트에서 10기가비트 이상 확장이 가능하며, 네트워크 노드를 1만 개 이상 처리할 수 있다. B&R이 실시한 테스트는 총 1만 개의 I/O 포인트로 구성된 200개의 원격 I/O 버스 커플러 네트워크에서 ±100 나노초 미만의 지터(jitter)와 함께 50 마이크로 초 미만의 사이클 타임을 달성했다. 이는 TSN을 통한 OPC UA가 “현재 가장 빠른 솔루션보다 18배 빠르다”는 주장과 일치하는 셈이다.

이 수준의 성능 덕분에 독점적인 필드버스 네트워크는 쓸모가 없게 되었다. TSN을 통한 OPC UA는 케이블 상호간의 간섭 없이 싱글 케이블 하나로 고성능 모션 컨트롤 트래픽과 대역폭 집중적인 IT 트래픽 처리가 가능하다. TSN을 통한 OPC UA 토픽과 관련한 백서는 B&R 웹사이트*에서 다운로드할 수 있다.

 

1.5 사이버 보안 및 마이그레이션

 

Q. TSN을 통한 OPC UA가 공장 및 기계설비 네트워크를 IT 요구사항과 통합하는 데 도움이 될까?
OPC UA는 IT 시스템과의 통신을 위해 설계되었다. TSN을 통한 OPC UA는 기계설비 작동을 방해하지 않고 OT 및 IT 네트워크를 통합할 수 있다. 이는 TSN을 비롯하여, 사용자 인증 및 권한부여, 암호화 및 인증서 처리 등을 포함하여 오늘날 IT 부서에 친숙한 보안 메커니즘을 사용한 덕분이다.

 

표준 이더넷 장치들은 TSN 네트워크와의 연결에 별도의 인터페이스 또는 게이트웨이가 불필요하다. 다만, 오직 TNS 기능을 갖춘 장치에 한하여 실시간 통신이 가능하다.

 

Q. 우리 공장은 기존의 필드버스로 표준화되어 있는데, 설비 전환 시 어떤 장점이 있나?
개방성, 시맨틱스, 보안성 및 성능 등을 장점으로 꼽을 수 있다. 성능 측면에는 높은 대역폭과 보장된 실시간 통신이 포함된다. 

이 솔루션이 없었다면 기계 제작업체가 모든 주요 필드버스를 각각 TSN을 통해 지원해야 했겠지만, 실시간 필드 레벨의 통신을 지원하는 TSN 메커니즘을 OPC UA와 조합함으로써, 단일 업체에 종속되지 않는 네트워크 및 프로토콜을 센서에서 클라우드에 이르기까지 모두 구현할 수 있다.

 

예컨대, 최종 사용자가 통합 네트워크에 관심을 가지고 있어서, MQTT를 통해 클라우드를 연결하고자 OPC UA 사용이 가능한 기능이 필요할 수 있다. 오늘날 클라우드, ERP 및 DCS 플랫폼은 OPC UA 커넥터를 지원하여, 통신을 단순화한다. 기계설비 제조사에 관계없이, OPC UA 동반 규격은 기계설비가 표준화된 시맨틱 기술을 써서 일관된 방식으로 설비 자체를 명시할 수 있다. 예를 들어, VDMA 로봇 동반 규격은 제조업체 또는 위치를 불문하고, 모든 로봇 관련 정보와 기능을 일관된 방식으로 표시할 수 있는 표준화된 정보 모델을 제공한다. ARC 자문 그룹은 해당 주제에 관한 정보 요약본을 발표한 바 있다.

 

Q. TSN을 통한 OPC UA는 자동화 공급업체의 지원을 얼마나 잘 받을 수 있을까?
OPC Foundation은 회원사에 대한 OPC UA 지원에서 실적이 우수하다. 이 점도 TSN을 이용한 결정론적 통신을 지원하는 OPC UA 개발을 위해 참여한 공급업체들이 OPC Foundation을 선택한 이유로 꼽을 수 있다.

 

B&R은 자사의 광범위한 제품 포트폴리오 내에서 TSN을 통한 OPC UA와 병행하여 POWERLINK를 지원할 예정이다.

이들 24개 업체는 공통의 비전을 공유하고, 센서에서 클라우드에 이르는 원활한 통신을 위해 TSN을 경유한 필드 레벨 통신을 지원하는 OPC UA 규격 확장을 전담하는 필드 레벨 통신(Field Level Communications) 이니셔티브 운영위원회에 참여하고 있다.

이러한 비전을 지지하는 명확한 입장을 지니고, 24개 업체 모두 내년에 TSN을 통한 OPC UA를 적용한 자동화 제품을 출시할 것으로 예상된다. 제품 세트 최초 출시는 오는 2020년으로 예정되어 있다. 이렇게 엄청난 모멘텀은 여타 공급업체 및 시스템 통합업체들에게 확신을 심어주어, 통합 통신 솔루션의 시장 트렌드를 따르도록 하여 역사상 최대의 연관 산업 자동화 솔루션 생태계 형성에 기여할 것이다.

 

Q. TSN을 통한 OPC UA는 어떤 토폴로지를 지원하나?
라인, 스타, 트리 및 링 등을 포함, 산업용 네트워크에서 일반적으로 사용되는 토폴로지는 모두 지원한다. TSN은 케이블 이중화, 링 또는 메시 토폴로지 등으로 구현되는 빈틈없이 원활한, 실시간 이중화를 지원하는 표준 메커니즘을 포함하고 있다.

 

Q. TSN을 통한 OPC UA 네트워크 설비는 어떻게 구성하나?
공급업체의 개발 제품군이 구성을 간편하게 자동화하는데 필요한 모든 것을 제공할 것이다. 공급업체의 툴을 사용하지 않은 옵션을 선택한 고객을 위해, 필수 구성 인터페이스들은 공개 표준이며, 서드파티 네트워크 툴도 추가로 사용할 수 있다.

 

Q. 동일한 네트워크에 TSN 및 비 TSN OPC UA 또는 일반 IP 장치 등을 사용할 수 있나?
할 수 있다. TSN은 표준 이더넷의 발전된 규격이므로 가능하다. TSN은 실시간 기능으로 단순히 표준 이더넷을 향상시킨 것으로, 표준 이더넷 및 TSN 장치들이 동일한 네트워크에 상존하는 것이 가능하다.

 

Q. POWERLINK와 TSN을 통한 OPC UA의 동기화도 가능한가? TSN을 통한 OPC UA의 보편적 수용이 POWERLINK 지원의 종료를 뜻하는 것인가?

B&R은 제품과 기술의 장기적인 가용성을 보장하는 지속가능한 제품 전략을 항상 추구해 왔다. 이러한 전략이 TSN을 통한 OPC UA의 시장 도입으로 변하지는 않을 것이다. B&R은 당사의 광범위한 제품 포트폴리오 내에서 TSN을 통한 OPC UA와 병행하여 POWERLINK를 지원할 것이다. 고객들은 자사의 요구에 적합한 최상의 통신 솔루션을 선택할 수 있을 것이다.

 

Q. 현재 구매 가능한 TSN을 통한 OPC UA 호환 B&R 컨트롤러 제품은 무엇인가?
TSN 호환성은 B&R의 최신 자동화 PC 제품군에 대부분 내장되어 있으며, 향후 출시될 모든 신규 PLC 제품군에도 지원될 예정이다. TSN과 이더넷 포트는 하나로, 동일할 것이다.

 

1.6 기존 필드버스와 결합된 TSN

 

Q. 가령, EtherNet/IP, Profinet, EtherCAT, EthrCAT G 또는 CC-Link IE 등 기존의 필드버스 프로토콜을 TSN을 경유하여 운영하는 것은 어떤가?

기존 필드버스 프로토콜은 공통 TSN 네트워크를 공유하겠지만, OPC UA 장치와 같이 장치 간의 상호운용성은 담보할 수 없다. 이들 프로토콜은 OPC UA가 제공하는 시맨틱 기술 및 방법이 결여되어 있다. OPC UA는 보안기능이 내장되어 있으며, 항상 새로운 개발성과가 추가되어 센서에서 클라우드에 이르는 통신을 지원하는 국제 표준으로 인정받고 있다.

핵심적인 차이점은 시스템 상호운용성이다. 시스템 상호운용성이 부재한 경우, 특정 벤더나 어느 하나의 자동화 솔루션에 종속되어, 여타 시스템과의 통신이나 동기화가 불가능하게 된다. 이는 멀티 벤더 플랜트의 경우, 귀사의 통신을 담보할 수 없고 상태 모니터링, 라인 밸런싱, 예측 유지보수, 기계 최적화 및 플러그 앤 프로듀스 스타트 및 유지보수 등의 고급 기능을 구현할 수 없다는 것을 의미한다. 기계설비 제작사의 입장에서, 이는 귀사가 선택한 벤더가 제공하는 혁신 수준에 제한되는 셈이다.

 

B&R은 2017년부터 TSN을 통해 OPC UA의 성능을 철저히 테스트 해 왔다. 테스트 설정에서 동일한 네트워크를 통해 200개의 네트워크 노드는 50μs 미만의주기 시간으로 동기화되며, 개의 HD 스트림이 전송된다.

 

1.7 가용성

 

Q. TSN을 통한 OPC UA의 상용 솔루션은 언제 시장에 출시될 예정인가?
첫 번째 제품군은 2019년 연말에 발표되고 2020년 초에 출시될 예정이다.

 

1.8 최신 정보 업데이트

Q. TSN을 통한 OPC UA 개발 정보를 최신 상태로 유지하는 최선의 방법은 무엇인가?
OPC Foundation 뉴스레터*를 구독하거나 B&R 담당자에게 문의하길 바란다. 참여 신청 및 직접 답변을 원하면, 페터 루츠(Peter Lutz*) 씨와 연락할 수도 있다.

페터 루츠 Peter Lutz, 필드 레벨 통신부문 이사
OPC Foundation
Peter.Lutz@OPCfoundation.org