산업용 네트워크의 성장에서 본 산업용 이더넷과 실시간 모션 시스템

산업용 네트워크는 개방성과 안정성이라는 산업 현장에서의 요구에 적극 부응하면서 산업용 이더넷이라는 목표로 모아지고 있다. 
산업용 네트워크의 새로운 이름으로 산업용 이더넷이 등장하기에 이른 것이다. 또한 기존의 필드버스에 비해 더욱 빠른 실시간성과 안정성이 요구되는 모션 네트워크도 이더넷을 적극 수용하면서 현존하는 리얼타임의 고속성과 안정성, 그리고 개방성을 통해 그 진가를 발휘하고 있다. 

글_ 오승모 기자

세계 산업용 이더넷 시장은 현재 51.4%의 고성장을 지속하고 있는 중이다. ARC에 따르면, 산업용 이더넷 시장은 지난 2004년에 84만 유닛에 구축된 것으로 나타났으며, 향후 연평균 51.4%의 성장율을 보이면서 2009년에는 670만 유닛으로까지 확대될 것으로 전망되었다. 또한 산업용 이더넷 스위치 시장은 2004년 1억 2천만 달러를 보인데 이어 2009년에는 9억 4천만 달러로 성장, 연평균 49.9%의 성장률을 보일 것으로 분석되었다. 

이러한 고성장이 전망되는 산업용 이더넷은 이제 산업용 네트워크의 대명사가 되었으며, 기존의 산업용 네트워크를 대표해 왔던 필드버스라는 용어를 무색케 하고 있다. 국제 표준으로 IEC 61158에서 선정한 7개의 필드버스중 5개와 ISO에서 제안한 6개의 필드버스를 합한 11개의 필드버스 네트워크가 개방형 프레임워크를 수용하면서 개방화된 산업용 네트워크로 필드버스가 사용되고 활발한 현장 구축이 이루어지고 있다. 

지난 2000년에는 처음으로 산업용 네트워크에 이더넷을 수용한 Ethernet/IP가 제출되어 국제 표준안으로 논의되기에 이르렀으며, 기존의 개방형 필드버스들이 모두 이더넷을 수용하는 방향으로 큰 물줄기를 이르고 있다. 

또한 산업에서 요구하는 자동화의 트렌드가 로직과 모션 컨트롤, 그리고 HMI가 통합되는데에 따라 복잡화되는 기기 시스템에 필요한 개방형 네트워크와 고속 고정밀 네트워크를 필요로하고 있다. 이에 모션 컨트롤 전용의 네트워크들도 개방화의 길을 걷기 시작했으며, 이더넷을 적극 받아들이면서 최신의 기술을 적극 결합하여 현재의 산업에서 요구로 하는 완벽한 실시간 모션 네트워크로 시장을 확대해 나가고 있기도 하다. 

왜 이더넷인가? 

생산 시스템에서의 안정성을 생명으로 하는 산업 자동화 현장에서는 기기 및 시스템을 도입함에 있어 무척 폐쇄적인 경향이 있다. 이는 검증된 안정성이 담보되지 않은 시스템이나 솔루션을 가동중에 사소한 시스템 에러가 발생했을 경우, 전체 시스템 차원에서의 큰 피해를 감수해야 한다는 근본적인 이유가 내재되어 있기 때문이다. 
이러한 폐쇄적인 산업 현장에서 이제 IT 정보기술의 핵심도구인 이더넷을 도입하려는 움직임이 활발하다. 

지난 1973년 제록스의 Bob Metcalfe의 냅킨 스케치에 의해 태어난 이더넷(Ethernet)은 처음 사무실간의 통신을 위한 LAN으로 사용되었다. 최근에는 이더넷의 성능과 애플리케이션의 크게 확대되고 있다. 

처음의 표준은 2.94 Mbps를 지원했었는데, 이후 Intel과 Digital Equipment사가 합류하여 10Mbps의 DIX 2.0 표준의 개발하였다. 동시에 IEEE(Institute of Electrical and Electronic Engineers)에서 지금의 이더넷 표준으로 알려진 CSMA/CD 802.3을 1983년에 규격 발표하였다. 최근에는 이더넷이 공장 라인으로 사용 분야를 확장하여 지능형 센서로부터 플랜트 관리 제어 시스템에 이르기까지의 산업용 컴퓨터 플랫폼으로 활용되기에 이르렀다. 이제 이더넷(Ethernet)이 산업용 이더넷(Industrial Ethernet)으로 한 단계 더 진보하고 있는 것이다.

특히 산업 자동화 분야에서는 분산 제어를 기반으로 하는 필드버스가 활성화 되고 있으나 필드버스가 가진 장점에도 불구하고 현재 다양한 경로를 통해 구축되는 필드버스들이 서로 다른 물리적인 전송방식으로 동작된다는 고질적인 문제를 내재하고 있다. 이에 버스 특화된 인프라 구조 요소 및 상위의 버스 네트워크와의 연결을 위한 게이트웨이 그리고 통합을 위한 OPC 등이 추가로 요구된다. 

이러한 이유로 모든 레벨의 데이터 교환을 위한 하나의 네트워크로 단일화 하고자 하는 산업계의 요구에 필드버스가 부응하지 못하는 측면이 존재해 왔다. 이에 따라 이러한 요구에 부합하기 위한 돌파구로서 정보기술의 기초가되는 이더넷이 필드버스를 대체할 새로운 산업 기술로 각광받게 된 것이다. 

국내 산업 현장에 있어서도 필드버스가 디스크리트 분야인 생산 분야에는 이미 거의 다 투입이 되어 있는 상태지만, 프로세스 분야의 경우는 아직도 필드버스의 적용이 미약한 실정이다. 따라서 현장에서 산업용 이더넷의 본격적인 사용은 아직 많은 시간이 필요하다. 그러나 산업용 이더넷이 갖는 긍정적인 다양한 특징으로 인해 산업 현장에서의 산업용 이더넷 도입은 이미 대세가 되고 있다. 

산업용 네트워크의 국내 시장 

필드버스의 관점에서 산업 현장은 국제 표준이라는 의미가 무색할 만큼 다양한 필드버스 프로토콜들이 독자적인 네트워크 기반을 가지고 있어 적용 시스템 마다 다양한 필드버스 프로토콜들이 혼재하는 매우 혼란스러운 상황에 직면해 있기도 하다. 이러한 상황에서 다행히도 국내 필드버스 관련 전문가들이 뜻을 같이하여 지난 2003년에 국제표준화회의를 제주에서 개최하는 저력을 과시함과 동시에 필드버스표준포럼(회장; 홍승호 한양대 교수)을 창설하여 필드버스 산업의 현황과 문제점을 종합적으로 분석하고 이를 극복하기 위한 표준 규격을 제정하기 위한 방안을 마련중이어서 주목된다. 

이후 필드버스표준포럼에서는 국내에서 필드버스 기술이 가장 널리 보급된 분야인 프로세스 컨트롤, 시퀀스 컨트롤, 머신 컨트롤 및 반도체 공정, 철강, 원자력의 6개 분야에 대해 각각의 분야에서 가장 적합한 필드버스 표준 규격들을 선정하고 있는 중이다. 또한 최근에는 기술표준원에 의해 Devicenet이 공식적인 국가 표준으로 인정되기에 이르렀다. 추후 Profibus 등의 다른 네트워크들도 점차적으로 국가 표준 규격에 등재될 전망이다.

 
이러한 다양한 응용분야에 대하여 사용자 계층에서 통합 환경을 제공할 수 있도록 하는 사용자 계층 통합 프로파일의 단체 규격 및 신국제규격(NP)을 제정하는 사업도 지속하고 있다. 

이 사업은 2003년부터 시작하여 현재 5년 프로젝트 사업으로 추진되고 있으며, 특히 작년부터 추진한 철강공정 단체표준이 포스코 포항 및 광양공장을 중심으로 거의 마무리단계에 있는 것으로 나타났다. 철강 공정에서의 필드버스 단체표준이 국내 국가 표준으로 채택되고 포스코가 성공적인 가동에 들어간다면, 이 표준은 철강 공정 분야의 국제시장으로 확대될 가능성이 충분하며 향후 세계 표준으로 자리잡을 가능성이 크다는 것이 전문가들의 의견이다. 

철강 공정에 이어 원자력, 반도체, 프로세스, 시퀀스 등으로 활발한 단체 표준의 마련과 현장에서의 채택이 지속적으로 이어질 전망이며, 이와 같이하여 국제 필드버스 표준화 단체들에서의 적극적인 활동과 협력을 통해 국내 표준을 국제 표준으로까지 성장시켜 나간다는 기조를 담고 있다. 

산업용 네트워크의 방향 

현재 산업용 네트워크 관련 국제 표준은 ISO(국제표준화기구)와 IEC(국제전기표준회의) 두 단체에서 추진중이다. 양 기관은 상호 협력주의를 기반으로 IEC에서는 전기, 전자, 정보기술 분야를, ISO에서는 산업 자동화 시스템 등 기타 분야를 각각의 활동범위로 채택하고 있다. 

양 기관에서 발표한 최근의 산업용 네트워크 표준으로는 지난 2000년에 IEC 61158로 발표되었으며, PROFIBUS, ControlNet, Foundation Fieldbus, Interbus, Swiftnet, WorldFIP, P-net, HSE 등으로 구성되었다. 이들 필드버스 표준들은 지속적인 논의를 통해 2003년 5월 공식적인 국제표준으로 발표되었다. 

ISO에서는 개방형 구조를 지향하는 오픈 프레임워크 표준을 ISO TC184(산업자동화통신망표준)/SC5(구조 및 통신)/WG5(Open Framework)에서 표준을 준비하여 2003년 10월 ISO-15745(Open Framework)로 공표하기에 이르렀다. 

ISO-15745는 Part1에서 Part4까지가 발표되었으며, 총 11개의 개방형 필드버스 프로트콜들이 표준으로 채택되었다. 또한 오는 10월에는 새롭게 Part5가 완료될 예정으로, 여기에는 PROFInet, MODBUS TCP, Ethernet Powerlink, EtherCAT, CC-Link 등 5항목이 추가될 예정이다. 

이로써 개방형 구조의 산업용 네트워크는 총 16개의 프로토콜이 표준으로 채택될 전망이다. 여기서 주목되는 부분은 일본 미쓰비시가 주도하고 있는 CC-Link이다. 그 동안 CC-Link는 국제 필드버스 표준화 활동에 소극적인 모습을 보여 왔으나, 세계 각국에서의 국제 표준화 추진 활동과 생산 현장에서의 표준 네트워크에 대한 관심이 높아지는 것에 고무되어 적극적인 방향으로 선회한 경우이다. 또한 독자적인 프로토콜을 고수했던 지난 시기와 달리 산업용 이더넷을 적극 수용하기 위한 연구개발이 한창 진행중이기도 하다. 

한국 CC-Link 협회와 관련 업체에 따르면, CC-Link가 최근 발표된 CC-Link 2.0에 이어 산업용 이더넷을 기반으로 하는 차세대 버전을 조만간 발표할 것이라는 관측이다. CC-Link 2.0은 기존의 자동차, 반도체, 반송, 식품 등 각종 산업 자동화 분야에서의 성배선을 목적으로 한 용도에 반도체 제조공정에서의 'In-Situ 모니터'나 'APC(Advanced Process Control)용', 계장제어의 '다채널의 아날로그/디지털 변환 데이터의 송수신용' 등 대용량이면서 실시간성을 확보한 데이터 송수신이 필요한 분야의 요구에 대응한 버전이다. 또한 차세대 이더넷 버전은 완전 개방성과 고급의 실시간성을 추구하고 있는 것으로 나타났다. 

산업용 이더넷과 IT 기술 

최근 들어서는 필드버스 표준이 개방형 산업용 이더넷을 수용하는 방향으로 분위기가 쏠리고 있으며, 산업 현장에서도 산업용 이더넷에 대한 관심과 함께 적극적으로 받아들이고 있는 중이다. 이러한 분위기 속에서 대다수의 필드버스들은 산업용 이더넷을 서둘러 채택하고 있으며, 적극적인 연구개발과 규격 제정에 나서고 있다. 

아직까지는 산업용 네트워크가 필드버스 성분과 이더넷 기반 성분이 혼재되어 있는 상황이지만, 머지않아 필드버스 보다는 이더넷 분야가 주도권을 갖게 될 것이라고 분석이 지배적이다. 
이처럼 산업용 이더넷이 주류로 떠오르는 것은 상위의 정보 레벨로부터 하위의 필드레벨에 이르기까지의 끊김없는 수직적 통합에 있다. 또한 일반화되고 지속적인 발전을 거듭하는 이더넷 기술을 활용함으로써 기술적인 혼란없이 쉽게 사용자에게 다가갈 수 있으며, 네트워크를 위한 배선 및 스위치 등에서의 비용절감을 기대할 수 있다는 장점이 있다. 네트워크 스위치와 I/O가 반드시 요구되는 필드버스와 달리 산업용 이더넷은 스위치 등의 하드웨어가 전혀 필요없기 때문이다. 

이렇듯 산업용 이더넷이 미래 지향적인 산업 기술로 성장하고 있는 것은 산업용 이더넷에 근간을 이루는 이더넷과 TCP/IP가 개방화된 기술로 오래전부터 많은 유저들을 확보하고 있으며, 향후에도 산업분야에 지속적인 영향력을 발휘할 IT기술과의 접목이 고려되기 때문이기도 하다. 
산업용 이더넷은 상위로부터 하위레벨까지의 수직적이고 수평적인 제한없는(끊김없는) 통합을 최대의 장점으로 실사용자층에 접근하고 있으며, 지속적인 IT 기술과의 교류와 접목을 통해 고성능 모션 컨트롤 분야에까지 그 영역을 확장하고 있다. 이더넷이 확보하지 못하는 산업 현장에서의 실시간성을 산업용 이더넷이 점차적으로 확보해 나가고 있는 것이다. 

그럼에도 산업용 이더넷도 기존의 필드버스와 마찬가지로 상호운용성에 대한 어려운 과제를 안고 있다. 이는 일부 조직이나 개별적인 산업용 이더넷 프로토콜의 활동으로 가능한 영역이 아니며, 국제적인 논의와 공동의 연구개발, 그리고 영향력있는 실사용자층의 적극적인 조율과 압력하에서 가능한 분야이다. 

가장 활발하게 활동하고 있는 대표적인 산업용 이더넷 기반 네트워크로는 PROFInet, Ethernet/IP, FF HSE, Ethernet Powerlink, IDA-Modbus 등이 있다. 또한 국제 연구포럼으로 Ethernet/IP, Ethernet Powerlink, IDA-Modbus가 소속되어 있는 IAONA(Industrial Automation Open Network Alliance)가 주목된다. 

실시간 모션 네트워크 

산업용 네트워크로 이더넷이 주류로 성장하고 자동화의 개념이 모션 컨트롤을 중심으로 하는 자동화 시스템으로 방향이 잡히면서 실시간 모션 네트워크에서의 기술발전도 급속하게 추진되고 있다. 

산업용 이더넷은 기존의 네트워크가 기반으로 설정하고 있던 OSI(Open System Interconnection) 7계층 모델을 무너뜨리고 있어 주목된다. 기존의 OSI 7계층에서 필드의 1, 2계층에서 곧바로 3, 4, 5, 6계층을 뛰어넘어 정보관리 레벨의 7계층으로 연결함으로써 더욱 손쉽게 네트워크 통합 시스템을 구축할 수 있도록 지원하게 된 것이다. 

이러한 가운데 기존의 모션 네트워크들도 이더넷의 개방성과 대중성을 받아들이기 위한 발빠른 노력을 경주하고 있는 가운데, SERCOS, ProfiNet, Ethernet/IP, Ethernet Powerlink, EtherCAT, SynqNet, PMAC, Mechatrolink 등이 대표적인 모션 네트워크로 시장을 선점을 경주하고 있는 중이다. 

그중에서 ProfiNet, Ethernet/IP, EtherCAT를 제외한 SERCOS, PowerLink, SynqNet, PMAC, Mechatrolink 등은 완전 모션 컨트롤 전용의 실시간 모션 네트워크로 개발된 프로토콜들이다. 이들 모션 전용 네트워크들도 전반적인 산업용 네트워크들과 함께 이더넷을 적극 수용하는 방향으로 흐르고 있다. 그 동안 폐쇄적으로 독자행보를 걸었던 야스카와의 Mechatrolink도 개방화된 오픈 모션 네트워크로 나아가고 있으며, 이더넷을 확보하기 위한 연구개발이 적극 추진중인 것으로 나타났다. 

현재 전 세계적으로 서보 시스템 시장을 선점하고 있는 일본 야스카와가 산업용 이더넷을 기반으로 하는 모션 네트워크 대열에 합류하게 되면, 기존의 모션 컨트롤에서의 시장 영향력을 더욱 강화할 수 있을 것으로 분석된다. 국내에서도 메카트로링크는 야스카와 서보 시스템에서 확보한 마켓셰어의 영향으로 상당한 시장을 확보하고 있으며, 미쯔비시에서 제공하고 있는 PLC 모션 시스템과 경쟁관계에 있기도 하다. 미쯔비시의 경우에는 PLC 시스템에 모션 CPU를 일체화시킴으로써 일반적으로 16축 이하의 소규모 PLC 모션 시스템을 지원하고 있으며, 이 경우에 PLC CPU는 CC-Link로, 모션 CPU는 SSC-Net(미쯔비시의 전용 모션 네트워크)으로 통합 네트워크를 지원하는 방식이다.

한편 그 동안 실시간 모션 네트워크에서의 고속성을 확보하기 위한 방안으로 IEEE 1394 FireWire가 적극 부각되면서 주목을 받아오기도 있으나, 모션 네트워크들이 고속의 실시간성을 확보해 나가면서 산업용 시장에서의 지위가 점차 축소되고 있는 중이다. IEEE 1394는 이제 고유의 멀티미디어를 위한 가전 제품과 전자기기들을 위한 홈 오토메이션용 네트워크로 중점 시장이 더욱 강화되면서 자동차 및 항공기에서의 전자 네트워크를 제외하고는 산업 자동화 영역에는 더 이상 큰 관심을 갖지 않는 것으로 보인다. 

산업용 모션 네트워크들이 리얼타임을 위한 고속성과 이더넷을 확보하기는 했지만, 아직 초기의 연구단계에서 벗어나지 못하고 있는 경향이 있다. 서보 시스템에 있어서 아직까지 이더넷 기반의 모션 네트워크가 구축되기에는 시간이 더욱 소요될 전망이다. 가장 중요한 핵심은 현장에서 당장 적용이 가능한 시스템 구축을 위한 서보 시스템이 없다는 데 있다. 아직 이더넷 기반의 모션 네트워크를 완벽하게 지원하는 서보 모터가 존재하지 않는 것이다. 

모션 네트워크 현황 

처음 개방형 모션 네트워크로 발표되면서 산업 자동화 분야에서 센세이션을 일으키면서 큰 관심을 집중시켰던 SERCOS는 이후 기술문서에 대한 고가정책과 현장에 적합한 기술적인 지원과 개발이 곧바로 뒤따르지 못하면서 성장 기회를 잡지 못하는 아쉬움을 남겼다. 우여곡절끝에 이더넷의 최신 기술들을 수용하는 새로운 기술들이 본격적으로 개발되고 발표되면서 이제 새롭게 SRTCOS가 주목받기 시작했다. SERCOS III의 경우에는 2003년에 프로토타입의 SERCOS III 시스템이 발표된 이후, 최근에서야 SERCOS III를 지원하는 컨트롤 칩이 상용화되는데 그치고 있다. 이 새로운 컨트롤러는 자일링스에 의해 Spartan 3 FPGA를 기반으로 한다. 한편 유럽 및 미국 등에서 많은 회원층을 확보한 것과는 대조적으로 일본에서는 산요에 의해서 SERCOS가 적극 프로모션 되고 있지만, 많은 업체들로부터 큰 호응을 얻고 있지는 못한 것으로 파악된다. 
최근에는 로크웰삼성오토메이션이 SERCOS 기반의 MMC(Multi-Motion Controller)를 출시하여 큰 주목을 받고 있다. 

30us에서 1000개의 분산 I/O 제어가 가능한 EtherCAT를 지원하는 서보모터가 Beckhoff에 의해서 유일하게 출시되었으나, 실제 현장의 모션 시스템 구축에서는 큰 빛을 보지 못하고 있는 실정이다. 왜냐하면 고속의 실시간 모션 네트워크 시장이 반도체 및 PFD 산업 분야에 집중되고 있으며, 이 산업분야에서의 각종 설비들은 한정된 공간에서 복잡한 기능을 수행해야 하는 환경적 제약을 받고 있다. 기존의 서보 모터 및 드라이브가 많은 공간을 차지한다는 단점을 가지고 있어 산업에서 요구되는 환경적 제약을 극복하지 못하고 있기 때문이다. 이러한 환경적 제약에 대응한 초소형의 서보 모터 및 드라이브 시스템이 Beckhoff 및 Baumuller 등에 의해서 개발이 적극 추진중에 있으며, 내년 상반기에는 시장에 출시될 수 있을 것으로 보인다. 또한 삼성전자에서 EtherCAT 시스템 개발을 적극 추진중에 있으며 조만간 가시적인 성과가 발표될 예정이다. 

델타타우에서 제안한 PMAC의 경우에는 실시간 모션 네트워크로써 가장 강력한 파워를 자랑한다. 특히 반도체 및 FPD 디스플레이, 전기전자 분야에서의 하이엔드 시장에서 큰 호응을 얻고 있다. PMAC는 모션 컨트롤러와 서보 드라이브간의 인터페이스를 위한 모션 전용의 네트워크로서 주기적이고, 양방향 통신 및 리얼타임 결정성을 특징으로 한다. 또한 100Mhz 이더넷과 광통신 분산 데이터 인터페이스 기술을 이용하여 모션 컨트롤에서 요구되는 엄격한 리얼타임 요구를 충족시키기 위한 프로토콜 및 타이밍 기술을 확보하고 있다. 이러한 고기능 실시간 네트워크로서의 지위에도 불구하고 PMAC은 복합 시스템에서 하드 와이어링이 복잡하고 현장 적용을 위한 프로그래밍에서 고도의 기술을 필요로 한다는 사용자 편의성 측면과 기술 접근 경로에서의 어려움을 안고 있다. 그럼에도 고기능 모션 컨트롤 시스템 분야에서 큰 영향력을 지속하고 있으며, 최근에는 국내시장에서 확장성이 높은 UMAC 컨트롤러가 부각되고 있다. 이는 다양한 형식의 축 컨트롤 카드를 혼합하여 사용할 수 있어 2축 또는 4축 단위로 펄스-아날로그-직접 PWM 제어를 선택할 수 있고, 최대 32축까지 제어가 가능하고 128축까지 확장이 가능하다. 

SynqnNet은 컨트롤러와 드라이브를 연결할 수 있도록 완전히 디지털화된 모션 컨트롤 인터페이스이다. 싱크넷의 물리계층은 이더넷의 물리계층인 100 Base-T를 표준으로 한 IEEE 802.3을 기반으로 한다. 싱크넷의 데이터 링크와 응용 계층은 MEI사에 의해서 개발된 것이다. 100 Based-T 미디어 시스템은 ANSI TP-PMD 물리적 미디어 표준에 발표되었던 특성을 기반으로 한다. 100 Based-T 시스템은 두 가닥의 배선을 통해 운영되는데 하나는 데이터 수신용이고, 다른 하나는 데이터 전송용이다. 따라서 입출력 라인을 공유하는 표준 이더넷에 비해 싱크넷은 입출력 라인을 별도로 분리한 완전 이중화 구조로 입출력 데이터의 충돌이 전혀 없다는 장점을 가진다. 특히 모션 컨트롤에 있어서는 고속으로 주기적인 데이터를 가져와야 하지만, 일반적인 버스 물리계층은 이러한 목적에 맞는 성능을 제공하거나 신뢰성을 갖추지 못하고 있다. SynqNet과 같은 범용적이고 물리계층 상위에서 운영되는 간편한 모션 컨트롤 프로토콜이 모션 컨트롤에서는 가장 이상적인 네트워크라 할 수 있다. 국내에서는 FPD 분야를 중심으로 한 하이엔드 분야 모션 시스템에서 실적을 쌓아가고 있는 중이다. 

2005년 9월 작성됨.