산업 자동화를 위한 무선 프로토콜 비교

4차 산업 혁명(인더스트리 4.0)은 기계에 지능을 더하고 자동화 시설에 효율성과 유연성을 더했습니다. 이러한 증가하는 복잡한 시스템으로 인해 산업 환경에서 무선 통신이 채택되었습니다. 결국 인더스트리 4.0 스마트 머신과 모듈식 자동화는 다음과 같이 정의됩니다.

• 안전하고 적응 가능한 제어 연결
• 생산 공정 값 수집 및 연속 조정
• 예측 유지보수 루틴을 위한 기계 상태 모니터링
• 빅데이터 분석 기능을 위한 네트워킹

이러한 기능을 지원하는 무선 기술은 셀룰러, Wi-Fi, Bluetooth 및 IEEE 802.15.4 표준 및 프로토콜을 기반으로 합니다. 이는 설계 엔지니어가 다른 제조업체의 부품과의 호환성을 기대하기 때문입니다. 정의에 따라 독점 인터페이스가 아닌 업계 표준 인터페이스를 통한 연결이 필요합니다. 실제로, 상호 운용성은 인더스트리 4.0의 한 측면에 불과합니다.

그림 1: 무선 연결은 조화로운 자재 관리 및 협력적 로봇 과제에 핵심입니다. (이미지 출처: Getty Images)

무선 통신을 통합하는 개별 장치는 유선식 네트워크보다 일반적으로 비용이 많이 듭니다. 그러나, 이로 인해 여러 면에서 초기 비용 상쇄가 증가했으며 무선 장치가 장기적으로 가장 비용 효율적인 옵션으로 입증되는 경우가 많습니다. 생산 영역에 걸쳐 케이블을 연결하는 비용이 상당할 수 있기 때문입니다. 케이블과 해당 커넥터의 라우팅을 계획하는 데는 노력이 필요합니다. 또한 케이블은 케이블 트레이 또는 캐리어로부터의 보호 및 물리적 지원이 필요하며 접속함 및 기타 부속품이 필요합니다. 이 모든 케이블 관련 하드웨어를 계획, 주문 및 설치하면 네트워크를 구현하는 데 걸리는 시간이 늘어납니다.

자동화에 대한 Wi-Fi 기반 표준

전기 전자 기술자 협회(IEEE)는 1997년 근거리 통신망(LAN)의 표준 무선 구현을 정의하는 802.11을 출시했습니다. 시장이 이 표준을 완전히 활용하도록 하기 위해 곧 업계 컨소시엄 Wi-Fi Alliance가 뒤따랐습니다. 이는 제조업체 간 제품 상호 운용성을 유지하기 위해 테스트 및 인증 프로그램을 구축하는 데 관심이 있는 무선 장치 회사들에 의해 주도되었습니다. 오늘날 IEEE 802.11에 정의된 Wi-Fi 표준은 요구 사항을 준수하는 장치의 매우 안정적인 호환성을 위해 추가 Wi-Fi Alliance 표준화로 보완됩니다.

그림 2: 인더스트리 4.0(산업용 사물 인터넷 또는 IIoT라고도 함)은 무선 기술의 채택과 떼어 놓을 수 없는 관계입니다. 다양한 장치와 컴퓨팅 시스템 간의 연결을 허용하기 위해 표준화된 인터페이스를 사용하는 이러한 무선 기술에는 HMI로 사용되는 모바일 장치(여기에 표시됨)와 기계 상태를 통신하는 수많은 기타 무선 필드 부품이 포함됩니다. (이미지 출처: Getty Images)

Wi-Fi는 응용 제품을 모니터링하고 기계를 엔터프라이즈 수준 시스템에 연결하는 데 매우 유용하지만 Wi-Fi의 속도, 지연 시간 및 연결 안정성 문제로 인해 기계 제어와 관련된 까다로운 산업 자동화 응용 분야에서의 사용이 제한되었습니다. 즉, 오늘날 산업용 응용 제품에서의 Wi-Fi는 대부분 상당히 관용적인 요구 사항을 가진 용도로 제한됩니다. 여기에는 다음이 포함됩니다.

• 1초 ~ 2 초의 지연을 허용하는 제조 실행 시스템(MES)에 데이터를 전달하는 바코드 스캐너
• 실시간 제어 기능이 없는 동작 센서
• 가속도계(시간 경과에 따른 진동 발생 추적을 위해)와 같은 센서와 장비 효율성 및 상태 모니터링을 위한 온도, 압력, 습도 및 가스 농도 센서를 통한 장기 기계 상태 모니터링

그림 3: Wi-Fi는 기계 제어에는 적합하지 않지만 기계 모니터링 응용 제품과, 공장 현장을 엔터프라이즈 수준 시스템에 연결하는 데 유용합니다. (이미지 출처: The Wi-Fi Alliance)

산업 제어 응용 제품에 Wi-Fi를 적용하려는 시도가 여러 번 있었지만 제한적인 성공에 그쳤습니다. IIoT를 성공적으로 채택한 한 가지 예외 프로토콜은 중국 산업 무선 통신 표준인 WIA-PA(산업 자동화 및 공정 자동화를 위한 무선 네트워크)입니다

물론 Wi-Fi는 2.4GHz 또는 5GHz에서 작동하며 주파수가 높을수록 더 빠른 데이터 전송을 가능하게 하지만, 높은 주파수가 벽이나 다른 단단한 물체를 통과할 때 더 쉽게 소실되기 때문에 범위가 줄어듭니다. 특수 표준은 다른 주파수 대역을 사용합니다. 예를 들어, IEEE 802.11ah 저데이터 Wi-Fi(HaLow Wi-Fi)는 약 900MHz에서 작동하며 대개 확장된 범위와 매우 낮은 전력 소비를 필요로 하는 센서에서 사용됩니다. 다른 극단적 측에서, IEEE 802.11ad Wi-Fi(WiGig)는 약 60GHz에서 작동하며 매우 빠른 데이터 전송을 제공합니다.

IEEE 802.15.4 기반 무선 표준

다른 무선 옵션에는 IEEE 802.15.4 표준으로 정의되는 LR-WPAN(저속도 무선 개인 통신망)이 있습니다. LR-WPAN 기술은 속도 및 범위보다 낮은 비용 및 낮은 전력을 우선시합니다. 250kb/s의 데이터 전송 속도와 10m의 범위를 허용하는 기본 사양을 통해 LR-WPAN 통신을 사용하는 기술은 추가적인 통신 인프라 없이 저비용 장치 간의 통신을 허용합니다. 6LoWPAN, WirelessHART, ZigBee와 같이 IEEE 802.15.4 표준을 기반으로 하는 프로토콜은 선호되는 IIoT 프로토콜로 빠르게 자리잡고 있습니다.

1. WirelessHART: HART 통신 협회, ABB, Siemens 등에서 지원되는 802.15.4 기반 프로토콜은 WirelessHART라고 합니다. 이는 산업 자동화 응용 제품을 위한 잘 지원되고 강력한 표준입니다. 네트워크 안정성은 시간 동기화가 지원되는 주파수 호핑 메시 네트워크를 사용하여 유지됩니다. 반대로 Wi-Fi 및 셀룰러 기술을 기반으로 하는 대부분의 무선 통신 프로토콜은 모든 장치를 중앙 장치에 연결해야 하는 덜 강력한 스타 네트워크 토폴로지를 사용합니다. 모든 통신은 128비트 AES를 사용하여 암호화되며 사용자 액세스를 엄격하게 제어할 수 있습니다.

그림 4: LTP5903-WHR SmartMesh 네트워크 관리자는 회선 전력 구동식 WirelessHART 게이트웨이를 지원하여 엔지니어가 확장 가능한 양방향 통신을 위해 표준 기반 무선 센서 네트워크를 통합할 수 있도록 합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

WirelessHART는 메시 토폴로지를 사용하므로 장치 간에 데이터를 직접 라우팅할 수 있습니다. 이는 네트워크 범위를 확장하고 중복 통신 경로를 형성할 수 있습니다. 이 방식에서는, 하나의 경로가 실패하면 발신자가 자동으로 중복 경로로 전환됩니다. 주파수 호핑은 또한 WirelessHART가 간섭으로 인한 문제를 회피할 수 있도록 합니다.

2. 6LoWPAN: 6LoWPAN(IPv6 over Low-Power Wireless Personal Area Networks)은 IPv6 패킷을 IEEE 802.15.4 기반 네트워크를 통해 전송할 수 있도록 하는 프로토콜입니다. 이는 초저전력 장치를 인터넷에 연결할 수 있으므로 IoT 센서 및 기타 저전력 장치에 적합하다는 것을 의미합니다.

3. ZigBee: Zigbee Alliance에 의해 지원되고 스마트홈 및 건물 자동화 응용 제품에서 가장 광범위하게 사용되는 ZigBee는 아마도 가장 인정받는 IEEE 802.15.4 기반 프로토콜일 것입니다. 이는 배터리 수명을 크게 연장하기 위해 대부분의 시간 동안 노드가 절전 모드로 유지될 수 있도록 합니다. ZigBee는 일반적으로 2.4GHz 대역에서 작동하며 250kb/s의 고정된 데이터 전송 속도를 가집니다. 이는 스타, 트리, 메시를 비롯한 다양한 네트워크 토폴로지를 지원할 수 있습니다. 트리 및 메시 토폴로지는 네트워크 범위를 확장합니다.

그림 5: Zigbee는 특히 산업 환경의 동작, 진동, 습도, 온도, 재/부재 센서에 유용합니다. (이미지 출처: Zigbee Alliance)

산업 자동화에서의 Bluetooth LE 및 셀룰러 IoT

Bluetooth 저에너지(BLE)는 낮은 비용 및 낮은 전력이 최우선 순위인 IEEE 802.15.4에 대한 대안으로, 속도와 범위가 희생될 수 있습니다. 이는 표준 Bluetooth와 동일한 2.4GHz 주파수에서 작동합니다. Bluetooth LE의 가장 큰 이점은 Open Handset Alliance의 Android, Apple의 iOS, Microsoft Windows의 다양한 순열과 같은 모바일 운영 체제에서 기본적으로 지원되는 방식입니다. 여기에 Logitech Corp.와 같은 대형 전자 제품 제조업체가 R&D에 가장 많이 투자했기 때문에 Bluetooth LE가 여전히 주로 가전용 장치를 위한 무선 연결 옵션인 것은 당연합니다. 이는 주로 IIoT 응용 제품에 중점을 두고 있는 WirelessHART와는 대조적입니다.

그림 6: Bluetooth 저에너지(BLE) 표준에는 시스템이 전체 직렬 인터페이스로 인식하는 직렬 포트 프로파일이 있으므로 유선 장치를 BLE로 연결된 업그레이드로 교체하는 데 유용합니다. (이미지 출처: Bluetooth Special Interest Group)

지난 몇 년 동안 산업 자동화 작업에 Bluetooth LE를 사용하는 센서, 원격 제어, 잠금 장치 및 핸드헬드 장치들이 어설프게 있었습니다. 이러한 추세는 앞으로 몇 년 동안 증가할 것입니다.

저전력 단거리 통신을 위한 BLE 및 IEEE 802.15.4 기반 프로토콜과 달리 셀룰러 기술은 장거리 무선 통신입니다. 2G GSM 셀룰러 프로토콜은 대부분 휴대폰과 IoT 장치에서 매우 일반적인 3G 및 4G 고속 셀룰러 프로토콜로 대체되었습니다. 문제는 셀룰러 통신이 상당한 전력을 소비하므로 산업 응용 제품(특히 기계에 대한 이러한 연결을 위해)에서 시스템이 영구적으로 유선 전원 공급 장치에 연결된다는 것입니다. 셀룰러 LTE 카테고리는 더 높은 전력 소비를 대가로 최대 데이터 전송 속도를 나타냅니다. LTE Cat-0 및 Cat-1 연결은 IoT 장치에 적합합니다. 반대로, LTE-M은 M2M 및 IoT 응용 제품을 위해 특별히 설계된 저전력 셀룰러 프로토콜입니다.

휴대 전화에서 비교적 널리 사용되는 것과 달리 산업용 5G 응용 제품은 그다지 발달되지 못했습니다. 소비자는 다운로드 속도를 우선시하고(따라서 초기 5G 장치를 빠르게 채택했음) IIoT 시스템 엔지니어는 짧은 지연 시간과 유비쿼터스 커버리지를 우선시하기 때문입니다. 실제로, 낮은 대기 시간은 산업 자동화에서 가장 중요합니다. 최초의 5G 네트워크가 대기 시간을 30ms 미만으로 유지하는 것은 사실이지만 대기 시간을 단 1ms로 낮추려고 노력하고 있습니다. 이는 예를 들어 기계 공구에서 피드백 신호를 전송하는 것과 같은 까다로운 실시간 산업 제어(모니터링뿐만 아니라)에 사용할 수 있을 정도로 충분히 빠릅니다.

5G가 대기 시간을 줄이는 한 가지 방법은 네트워크 슬라이싱을 사용하는 것입니다. 이 네트워킹 기술은 네트워크의 대역폭을 개별적으로 관리되는 여러 가상 레인으로 분할합니다. 일부 레인은 저 대기 시간 전송을 위해 예약되어 있으며 대부분의 트래픽은 이러한 레인을 사용하는 것이 금지되어 있습니다. 그러면 가장 빠른 전송이 필요한 산업 제어 응용 제품만 이러한 예약된 고속 레인을 사용할 수 있습니다.

LoRA 무선 프로토콜의 등장

장거리 광역 통신망 변조(LoRA)는 재생 가능 에너지, 광업 및 물류 산업의 원격 및 오프쇼어 응용 제품에 적합한 저가형 무선 프로토콜입니다. 이는 최대 10년 동안 하나의 배터리로 매우 먼 거리(10km 이상)까지 통신할 수 있는 저전력 무선 기술입니다. 간단히 말해, LoRA는 라이선스가 없는 주파수 대역에서 작동하는 비 셀룰러 기술입니다. LoRa는 433MHz 및 915MHz와 같은 서브 기가헤르츠 주파수 대역과 첩 확산 대역(CSS) 변조를 기반으로 한 확산 스펙트럼 변조를 사용합니다. 따라서 적당한 데이터 전송 속도만 필요한 원격 위치에 설치된 IoT 장치에 매우 적합합니다. LoRA는 또한 128비트 암호화 및 인증 제어를 제공합니다. 또 다른 유용한 기능(특히 IIoT 응용 제품의 센서)은 장치 간 삼각 측량을 사용하는 지리 위치입니다.

LoRA는 Semtech Corp.에서 개발한 독점적 기술을 사용하지만 광대한 오픈 소스 요소를 가집니다. 이는 IBM, Cisco, TATA, Bosch, Swisscom 및 Semtech를 포함하는 대규모 협회인 LoRa Alliance에서 지원되며 장치 상호 운용성이 보장됩니다.

결론

산업 자동화를 위한 무선 프로토콜은 아주 많습니다. 각각의 프로토콜은 특정 응용 제품에 적합합니다. 낮은 전력 소비를 요구하고 단거리 전송을 허용하는 응용 분야는 종종 ZigBee 및 Bluetooth LE 연결을 포함함으로써 이익을 얻습니다. 통신 견고성을 필요로 하는 더 까다로운 산업 응용 제품에는 WirelessHART 무선 연결이 지원되는 장치가 필요할 수 있습니다. 장거리 전송과 높은 데이터 전송 속도를 요구하는 응용 분야에는 셀룰러가 필요합니다. 여기서 5G는 무선 통신을 변환시킬 준비가 되어 있습니다. 매우 긴 범위에 걸친(또한 최소한의 전력 소비) 데이터 통신에는 대개 LoRa를 사용하는 것이 가장 좋습니다.