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자동화 플랜트가 요구하는 무선 네트워크에 대한 이해

22 Jan

자동화 플랜트를 구성하고 운영하는데 있어, 무선 네트워크를 이용한 어플리케이션이 주목되기 시작했다. 무선 네트워크는 신뢰성 부분에서 많은 기술적인 발전을 가져왔으며, 유지 보수의 장점, 설치의 자유로움, 데이터 취득의 장점들로 인해 그 적용분야를 폭발적으로 확장해 나가고 있다.

자동화 플랜트를 구성 하고 운영하는데 있어, 무선 네트워크를 이용한 어플리케이션이 주목되기 시작했다. 무선 네트워크는 신뢰성 부분에서 많은 기술적인 발전을 가져왔으며, 유지 보수의 장점, 설치의 자유로움, 데이터 취득의 장점들을 제공한다.

그러나 많은 사람들이 무선에 대해서 얘기 하고 있지만, 실제로 산업 현장에 적용 할 수 있는 무선이 무엇이 있는지, 또한 어떤 점을 고려해야 하는지에 대한 정보를 얻기는 쉽지 않다.

[박스 기사]
거리 별로 보는 무선 어플리케이션

여기서는 다양한 무선 네트워크의 종류와 그 사용 방법에 대해서 알아 보도록 하겠습니다.

무선 네트워크란 주로 컴퓨터 네트워크 사이에 전자기파 (Electromagnetic wave)을 이용하여, 무선(Wireless)으로 연결됩니다. 또한 연결된 노드 사이에 상호 연결 및 원격 통신을 구성하게 하는 네트워크이며 사용 거리에 따라서 분류합니다.

1. 무선 PAN (Wireless PAN)
WPAN은 소형 규모의 공간 예를 들어, 방이나 작은 사무실과 같이 대략 20M 내외의 거리에서 통신하는 것을 나타 냅니다. 주로 Bluetooth, 적외선 통신, Zigbee, UWB등이 있으며, 주요한 특징으로는 데이터 전송률이 높고, 비교적 저 전력을 소요 합니다.

2. 무선 LAN (Wireless LAN, WLAN으로도 쓰임)
WLAN은 사용자 입장에서 가장 대표적으로 사용 되는 무선 네트워크 솔루션으로 공장의 여러 지역, 사무실 등에서 사용이 가능합니다. 대략 100M 이내의 지역에서 고성능의 무선 통신을 제공 합니다.

3. 무선 MAN (Wireless MAN)
WMAN대략 반경 50 Km 정도를 아우르는 무선 네트워크를 구분 하는 말입니다. 특정 지역, 도시와 같은 범위가 적당 하며, 200년경에 표준화가 되었습니다.

4. 무선 WAN (Wireless WAN)
WWAN은 무선 MAC보다 더 큰 영역을 아우르는 말입니다. 국가 정도의 지역에 걸쳐 서비스를 제공 합니다. 보통의 무선 WNA은 HSDP를 떠올릴 수 있으며 이동 통신망을 생각 하시면 됩니다. 요새는 3세대, 4세대의 통신 방식이 지속적으로 개발/사용화 되고 있습니다.

현재 자동화 플랜트 부문에서 고려되고 있는 무선 네트워크로는 (1)PAN(Personal Area Network), (2)LAN (Local Area Network), (3)MAN (Metropolotan area network) 혹은 WAN(Wide Area Network)을 들 수 있습니다.

이 중 실제로 플랜트 영역에서 사용 될 수 있는 솔루션은 WPAN, WLAN을 중심으로 WAN영역도 사용 합니다. 또한 국내외의 많은 회사에서 이런 거리를 지원하는 많은 무선 네트워크 솔루션을 제공하며, 상용화된 제품도 출시되고 있습니다. 그러면, 주로 이 영역에 포함된 솔루션을 가지고 PLANT 내의 사용을 알아보겠습니다.

먼저 넓은 지역에서 데이터를 취득 하는 방법으로 이동 통신망을 사용하는 방식이 사용됩니다. 우리 나라의 경우 한국 전력 계량기의 월간 사용량 데이터를 취득 할 때, 이동 통신망을 사용하는 것으로 알려져 있습니다.

유럽의 경우에는 비슷한 방식으로 제어/모니터링을 위해 무선 통신이 사용되고, CDMA, GSM 망 그리고 GPRS 망 등이 사용됩니다. 주로 가스관, 송유관, 강에서의 유량 제어를 위한 댐 관리 등 먼 거리의 상황을 원격 관리하고 제어하기 위해서 사용됩니다.

산업자동화를 위한 무선

그럼 이에 비해서 짧은 범위의 통신을 위해 사용되는 것은 Zigbee, Bluetooth, WLAN, 그리고 프로세스 산업분야에 최적화된 Wireless Hart가 있습니다. 그 중 Factory Automation에서 사용 되는 3가지 기술에 대해 알아 보겠습니다.

1. Zigbee
“지그비”로 많이 불리고 있으며, WPAN을 위한 IEEE 802.15.4 표준에 근거하고 있습니다. 이 기술은 간단하고, 다른 Bluetooth 등 다른 WPAN에 비해 저렴한 솔루션을 지향하고 있습니다.

주로 낮은 데이터 레이트, 긴 밧데리 수명 그리고 안전한 네트워킹에 접목됩니다. Zigbee는 비용을 지불하지 않는 ISM 밴드(Industrial, Scientific 그리고 Medical)에서 사용되며, 868 Mhz (유럽), 915 Mhz (미국, 호주) 그리고 2.4 Ghz (전세계)에서 사용됩니다.

국내의 경우 당연히 2,4 Ghz에서 적용됩니다. 2.4Ghz와 다른 영역에서 데이터의 송/수신에서 PSK (Phase Shift Keying)에서 방식의 차이를 나타냅니다. 데이터의 전송 속도는 2.4 Ghz에서 각 채널 당 250 kbps를 지원하며, 거리는 약 10 ~ 70M까지 통합 될 수 있습니다. 하지만 이 경우에는 외부적인 환경에 따라 영향을 많이 받습니다.

2. Bluetooth
블루투스는 사용되는 범위도 무척이나 광범위하여, 핸드폰의 헤드셋으로부터 산업용 기기에 이르기 까지 많은 부분에서 사용되며, 지그비처럼 ISM 밴드를 사용합니다.

블루투스의 경우 우선 적은 전원 소모, 그리고 짧은 범위에서 저렴한 솔루션을 내세웁니다. 또한 무선 파워에 따라서 사용 거리가 정해지며, 보통 1미터, 10 미터, 100 미터까지 지원됩니다.

지원되는 속도로는 Bluetooth version 1.1, 1.2 에서는 723.1 Kbps 그리고 V2.0에서는 (EDR, Enhanced data rate) 2.1 Mbps까지 지원된다고 합니다. 단 빠른 데이터 통신을 위해, 더 많은 전력 소모가 필요 합니다.

3. Wireless LAN/Wifi
보통 무선 랜 혹은 와이파이로 알려져 있고, 두 대 혹은 여러개의 무선 네트워크 디바이스간의 통신을 스프레드 스펙트럼 방식 혹은 OFDM 모듈레이션 방식으로 통신을 구성하게 하는 방법입니다.

특히 플랜트 이더넷 망에서 확장 사용할 수 있다는 점이 큰 장점이고, VOIP 등 최근에 요구되고 있는 많은 다른 IT 기술과의 통합도 손쉬운 장점이 있습니다. 이와 관련하여 규정하는 표준은 IEEE 802.11입니다.

일반적으로 WPAN 보다 더 먼 거리의 통신을 구현하기 위해 적용합니다. 지원하는 통신의 속도는 1 ~ 108 Mbps (IEEE 802.11g Turbo mode)를 지원하며, 새로운 802.11n 규격을 통하면 최대 600 Mbps 까지 지원됩니다.

Wifi는 Wifi alliance 에서 주관 되어지는 방식이며, 먼저 표준 IEEE 802.11을 지원 합니다. WLAN을 이용한 디바이스가 많이 개발/상용화 된 이후에, 제조회사에 따라 IEEE 802.11을 정확하게 따르지 않고, 몇몇의 회사는 추가적인 확장 기능을 사용하게 됩니다.

따라서 이로 인해 다른 벤더간 상호 통신이 되지 않았던 일이 발생합니다. 이에따라 Wi-Fi라는 공통의 인증을 받아 상호 통신을 보장해야 할 필요가 있어 발생하게 된 방식이라 볼 수 있습니다.

프로세스 자동화를 위한 무선 네트워크

일반적으로 위에서 제시되고 있는 기술이 Digital 값을 근간으로 하는 Factory Automation에서 주로 사용이 되어 왔던 무선 네트워크 방식입니다. 그러나 최근에는 유럽, 중국, 미국 등지에서 Analog 값이 둥요한 Process 공정에서도 사용할 수 있는 무선 네트워크 시스템을 개발/상용화 노력을 하고 있으며, 그 중에서 WirelessHART가 가장 빠른 움직임을 보이고 있습니다.

Wireless Hart

Hart Protocol V7.0에서 처음 소개되어 현재 IEC 표준이 진행중입니다. 주로 Emerson등의 회사가 주도 하고 있으며, PROFIBUS 협회 및 Fiedlbus Foundation 협회가 공동으로 지원한다는 발표가 있었습니다. WirelessHART는 IEEE 802.15.4를 기반으로 하며, 2.4 Ghz를 사용합니다. 사용이 간단하고, AES – 128 cipher와 키를 사용할 수 있으면서 메시 네트워크 토폴로지(Mesh network Topology)를 지원 할 수 있다는 점이 특징입니다.

주로 사용되는 분야로 압력, 유량 등 기존 4 – 20 mA를 받아 들였던 필드계기에 이르기까지 무선으로 연결 하려고 하는 점이 주목할 만한 사항입니다.

FA용으로는 Wireless LAN, PA용으로는 Wireless HART 표준.

WLAN 802.11 기반
Siemens의 무선 네트워크는 Scalance W 제품군입니다. 사용자는 통신 및 통합이 손쉬운 광범위한 제품과 애플리케이션 중에서 선택할 수 있습니다. 국내의 경우 802.11 a/b/g/n이 사용 가능하며, 지멘스도 이에 대응 하는 제품을 공급합니다.

국내 표준에 의거하여, 802.11을 지원하는 무선 디바이스는 상호간 호환 가능합니다. 즉, 다른 디바이스가 무선 신호를 수신 할 수 있습니다. 따라서, 이 무선 네트워크를 현장에 적용 할 때는 보안 솔루션을 탑재 하는 것이 유리 합니다.

산업용 어플리케이션은 70% Data rate

Siemens 에서는 무선 네트워크 시스템 구성 시 데이터의 전송은 일반 TCP/IP통신과 고속 실시간 이더넷 통신(PROFINET IO용)으로 구분 하고 있으며, 일반 TCP의 경우 Data Rate의 50%, IO 에 관한 데이터의 경우 70% 이상의 Data rate가 기반 되도록 권장 하고 있습니다. 이를 충족 시키지 못 할 때에는 AP 의 추가적인 설치를 위해서 무선 네트워크의 품질을 높이는 방법이 있습니다.

또한, 신뢰성이 중요한 부분은 AP 간 Roaming 시 연결이 끊이지 않고 데이터 전송이 될 수 있는지 여부 입니다. Roaming 이라고 하는 것을 쉽게 설명 하면 휴대폰으로 보실 수 있습니다. 휴대폰의 경우, 위치에 따라 가까운 기지국에 연결이 됩니다.

이 휴대폰이 한 장소에 있지 않고, 다른 지역으로 이동 할 경우 이동 하는 지역에서 가까운 기지국으로 데이터를 전송/수신 하는 Source를 변경 하게 됩니다. 이러한 변경 작업을 Roaming이라고 할 수 있습니다.

산업 환경에서 무선 네트워크가 많이 사용 되는 부분이 이동식 기기를 사용 하는 부분이라 볼 수 있습니다. 이 경우 이동 구간이 길어 지면 복수개의 AP를 사용 해야 하는데, 이런 경우 Roaming 이 필요합니다.

Roaming 이 수행 되는 것도 방식에 따라 많은 차이를 둘 수 있습니다. 일반적인 Roaming 의 경우 최악의 경우 1초 이상 데이터 전송이 끊어 지는 수도 있습니다. 이런 현상은 무선 네트워크 설계 시 접점 구간의 구성에 따라 줄일 수 있으며, 최적화된 네트워크에서는 약 500ms 내외의 Roaming 시간이 소요 될 수 있습니다.

여기서 중요한 점은 산업 환경에서 IO를 통신 하는 경우, 이것의 Update 시간은 수십 ms 내에서 수행 되어야 하는 점입니다. 500ms 에서 Roaming이 동작 하며 그 사이에 Controller는 데이터를 정확히 수신하지 못하여 해당하는 IO Station 을 Fault 처리하게 될 것입니다. 특히나 안전 시스템의 경우 이로 인하여 시스템의 비상 정지등 다른 2차적인 조치도 수행 될 거라는 것은 쉽게 상상 할 수 있습니다.

IEEE 802.11의 기술 중에 이러한 Roaming에 대한 기술로 Rapid Roaming이라는 방식이 소개 되었습니다. 그림 5에서 오른쪽의 부분이 실제 실험 데이터로서 <100ms 이내에서 실제로는 수십 ms 내에 Roaming 이 수행 할 수 있는 기술입니다. 이러한 기술이 탑재 되어 있는 Solution으로 시스템을 구축 했을 경우, 안정적인 데이터의 송/수신을 보장 할 수 있게 됩니다. (위의 자료는 COM consult 2005년도 보고서를 참조 합니다.)

Rcoax cable

무선 네트워크는 공기라는 매질을 사용 합니다. 즉 모든 사람이 공통으로 접속 할 수 있는 매질을 사용 하기 때문에, 거리가 멀어 지면, 신호의 강도가 떨어 지고, 데이터의 전송률이 낮아 지는 문제가 발생 합니다.

이것을 위해서, 증폭 혹은 고 기능 안테나 사용 그리고 합리적인 무선 네트워크의 설계가 필요 합니다. 하지만, 지멘스는 Rcoax 케이블을 이용 하여, 다른 방법으로 신뢰성 있는 네트워크를 구성 합니다.

이 구성은 특히나 정해진 구간을 이동 하는 디바이스에 적용 할 때 매우 큰 효과를 낼 수 있습니다. Rcoax 케이블은 항상 일정한 출력을 내보내 주고, 수신부의 안테나는 고정된 Rcoax 케이블 구간과 근접하여 일정한 간격으로 이격되어 있다면, 사용자는 손쉽게 항상 일정한 수신률을 얻을 수 있습니다. 즉, 이것을 통해 끊이지 않고, 외부 영향에 방해 받지 않는 무선 네트워크를 손 쉽게 구성 할 수 있습니다.

Safety
FA 현장에는 최근 Functional safety에 대한 요구 조건이 크게 강화 되었습니다. 국내도 한국산업안전보건관리공단에서 플랜트내 안전에 대한 규제를 강화 하기 시작 했습니다. 인체에 영향을 미치는 작업 환경에서 사람에 대한 보호가 필요한 시점이며, 바로 Safety 기능이 필요한 부분입니다. 지멘스는 자동화 시스템 제조사 중 유일하게 FA용 무선 Safety Application을 위한 제품을 구비 하고 있으며, TuV인증을 취득 했습니다.

PROCESS AUTOMATION 용 무선 네트워크 WIRELESSHART
프로세스 산업을 위해서, 현장 계기들의 잦은 이동과 유지 보수의 편이성 그리고 설치비용/시간의 절감을 위해 개발된 무선 네트워크가 WirelessHART입니다. WirelessHART는 현장 디바이스에 배터리를 이용한 전원 공급을 하며 IEEE 802.15.4 기반의무선 통신을 제공 합니다. 또한, 전 세계적으로 많이 사용 되는 HART장치, 명령, 도구(Software/Hardware)와 호환 사용이 가능 합니다. WirelessHART는 공정 측정값을 관측하고 메시 네트워크로 통신하여 데이터를 기존 공정 호스트 시스템과 통합하기 위해 고안되었습니다.

전체적인 토폴로지
무선 네트워크는 유선 네트워크를 보안하며 상호 협력 하는 방식으로 구성 할 수 있습니다. 또한, FA에서 많이 사용 되는 Wireless LAN을 이용 하여, 백본 네트워크 역시 무선으로 확장 하여 사용 할 수 있습니다.

플랜트 네트워크에서 백본 네트워크 까지 무선으로 확장 하는 구성을 보여 줍니다.

이러한 구성이면, PDA, 랩톱, 필드 기기 무선 게이트웨이 등 각 무선 네트워크 장치의 트래픽은 플랜트 네트워크 WLAN을 통해 송/수신 되며, 특히나 iPAD와 같은 최신의 디바이스를 사용 하면서, 디바이스에서 제공 하는 고장 진단 정보를 손 쉽게 취득 하여, 고장 발생시 빠른 대응도 가능 합니다.

최신의 자동화 디바이스는 전문 Software Tool 뿐 아니라 Web을 이용한 다양한 방법으로 고장 진단 정보를 제공 합니다. 네! 맞습니다. Web 즉 TCP/IP네트워크를 이용 하면, 원격지에 떨어져 있는 사람도 시간, 장소에 구애 받지 않고 네트워크에 접속 하여 진단 하고, 공장의 가용성을 확장 할 수 있습니다.

만일 중국 혹은 동남아에 있는 현장에서 현장 게이트웨이에서 문제가 발생하더라도, 현장으로 엔지니어를 파견하지 않고, 서울에서 혹은 여러분의 사무실에서 네트워크로 접속하여 진단 할 수 있을 뿐 아니라 iPAD와 같은 디바이스를 이용하여, 이동 중에서도 진단 화면을 볼 수 있습니다.

자동화 시스템은 마치 살이 움직이는 생물처럼 매우 빠르게 진화하고 있습니다. 이전처럼 사무실에서 새로 생긴 기술이 산업 현장에 적용 될 때까지 오랜 시간이 걸리지 않고, 새로 나온 기술은 바로 산업 현장에 적용해서 사용합니다. 이제 플랜트 엔지니어도 IT 기술의 동향에 촉각을 세우고, 발빠르게 대응 할 수 있도록 항시 준비해야 합니다.

지멘스 인더스트리 http://www.siemens.co.kr/industry

아이씨엔 매거진 2012년 12월호

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Posted by on January 22, 2016 in Automation

 

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