자동화된 기계 기능을 위한 사물 통신 네트워크

사물 통신(M2M) 네트워크의 핵심에는 데이터를 사용하여 자동화된 작업을 실행하는 통신과 인포매틱스의 조합인 산업 텔레매틱스의 한 형태가 있습니다. M2M 네트워크에는 인간의 개입 없이 통신하는 센서, 제어 및 기계가 포함됩니다. 이러한 네트워크의 기계는 같은 시설에 있을 수도, 지구 반대편에 떨어져 있을 수도 있습니다.

M2M 기능은 유선 및 무선 통신으로 구동됩니다. 장치는 정보를 송신 및 수집하여 작업 평가 및 실시간 조정을 가능하게 합니다. 예를 들어, 폐수 처리 플랜트에서는 주요 스테이션에서 원격 센서를 사용하여 수위, 약품 첨가 비율, 온도, 유속 및 기타 파라미터와 관련된 데이터를 수집할 수 있습니다. 해당 데이터는 무선 네트워크를 통해 지능적 수집 제어를 위한 플랫폼으로 송신됩니다. 인간 작업자가 감독하고 파라미터 변경에 대응하도록 하는 것이 유용한 경우 애플리케이션별 소프트웨어를 실행하는 인간 기계 간 인터페이스(HMI)에서 시스템 값을 디지털 대시보드에 표시할 수 있습니다. 경우에 따라 주변 장치 기계가 M2M 네트워크의 컨트롤러를 통해 다른 기계의 신호를 수신하기도 합니다. 따라서 이러한 장비가 사전 설정된 규칙 기반 프로그래밍을 사용하여 동시에 실행될 수 있습니다.

그림 1: QuickCarrier USB-D 셀룰러 동글은 안정적인 데이터 연결에 필요한 M2M 설치를 지원합니다. 또한 실제 사물과 디지털로 통신하기 위한 셀룰러 연결의 빠른 설정도 제공합니다. (이미지 출처: Multi-Tech Systems Inc.)

M2M 네트워킹과 사물 인터넷(IoT) 연결 간의 차이점

높은 수준의 작업을 가능하게 하고 조정하는 비교적 최근의 자동화된 설계 기능에서는 M2M 및 IoT 기술을 모두 사용합니다. 이러한 시스템이 서로 어떻게 다른지 자세히 살펴보려면 DigiKey 기사 “IoT 및 M2M의 통신 및 설계 차이점”을 참조하십시오.

• M2M 기술은 개별(어느 정도 분리된) 기능을 모니터링하고 제어하는 데 뛰어납니다. 이러한 기능은 점점 더, 내장형 장치에 의해 지원되는 셀룰러 통신을 통해 수행되고 있습니다. M2M은 대체로 1개 ~ 2개의 정보 소스를 사용하는 국소 설치입니다. 예를 들어 소비자용 M2M 설치에는 스마트폰에 온도 조절기와 카메라가 포함될 수 있습니다. 이러한 장치는 인간 작업자가 조정할 수도 있는 웨어러블 장치나 스마트폰에 계속 데이터를 전송합니다. 데이터점은 이러한 감지 장치에서만 제공됩니다.
• IoT는 정교한 시스템, 정보 소스 또는 고도로 자동화된 기계 사이의 공동 작업을 지원하기 위해 완전히 연결된 설치(일반적으로 기계 작동 및 피드백 포함)의 완전한 통합을 의미합니다. 따라서 온도 조절기 및 카메라와 IoT 기능을 통합하는 스마트폰의 통신을 사용하는 동일한 소비자용 설치에서는 이러한 피드백 장치(M2M 설치와 마찬가지로)의 데이터 점뿐 아니라 인터넷에서 지역 일기 예보, 클라우드 소싱된 근접 데이터 및 머신 러닝 데이터베이스의 데이터도 사용하여 인간 작업자나 일부 연결된 자동화 형태의 응답에 알립니다.

산업용 환경에서 이러한 IoT 기능은 예측 가능한 유지 보수를 지원하며, 엔터프라이즈급(비즈니스) 기능에서의 빅데이터 활용도 지원합니다. 일반적으로 일부 중앙 집중식 시스템에서는 부분적으로 또는 완전히 추출된 기계 자동화 및 피드백 데이터를 수집합니다. 그런 다음 시스템 분석을 통해 추가 모니터링 또는 조정을 위해 규정된 파라미터를 생성합니다. 점점 더 많은 시설에서 빅데이터(일부 경우 머신 러닝으로 보완)를 사용하여 정상 작업과 유지 보수나 기타 조치가 필요한 문제가 있는 작업을 모두 관리합니다. 예를 들어, 최근의 가스 파이프라인에서는 멀리 떨어진 펌프장 관련 데이터를 중앙 데이터베이스로 전송하여 전혀 다른 대륙에 있을 수도 있는 제어 명령 센터의 담당자가 액세스할 수 있도록 합니다.

M2M 기능을 지원하는 하드웨어 유형

M2M 지원 하드웨어의 주요 유형은 센서, 액추에이터 및 내장형 논리입니다. 센서와 액추에이터는 일반적으로 부품 제조업체에서 내장된 M2M 연결과 함께 공급됩니다. 반면에 내장형 M2M 모듈은 일반적으로 OEM에서 특정 작업 및 기능을 수행하기 위해, 일반적으로 이전에는 별도로 작동했을 수 있는 장치에 셀룰러 및 기타 형태의 연결 기능을 부여하기 위해 자체 장치에 통합됩니다. 이러한 내장형 M2M 시스템은 운송 및 항공 우주 산업에서, 특히 선반, 항공기 및 장거리 트럭과 같은 자산의 GPS 네비게이션 시스템, 인터로크, 레코드 및 센서용으로 매우 유용합니다.

그림 2: 내장형 시스템에는 데이터를 전송, 수신 및 처리하는 IC가 포함되어 있습니다. 이 XBee 셀룰러 LTE Cat 1 내장형 모뎀은 OEM에서 셀룰러 연결이 필요한 자체 빌드에 통합하기 위한 것입니다. (이미지 출처: Digi)

M2M 소프트웨어: M2M 설치에 사용되는 소프트웨어 플랫폼은 기계의 이동성, 해당 환경 및 처리할 데이터의 양과 유형에 따라 달라집니다. M2M 소프트웨어가 클라우드 컴퓨팅을 활용하는 경우 원격 서버와의 통신 기능이 있는 하드웨어에서 실행됩니다. 후자의 경우 자체 소프트웨어를 실행하여 정보를 관리자에게 보내고, 관리자는 이후 해당 데이터를 처리하고 작업합니다. 경우에 따라 M2M 네트워크를 지원하는 소프트웨어에 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)용 소프트웨어가 포함되기도 합니다. 이러한 GUI를 통해 인간이 복잡하고 혼동스러울 수 있는 텍스트 인터페이스 대신 일반적으로 그래픽 차트와 동영상에 있는 추출된 시스템 데이터에 액세스할 수 있습니다.

M2M 네트워크가 유용한 경우

진단 및 유지 보수 중심의 응용 분야: M2M 네트워크는 진단 및 유지 보수, 기계 최적화, 응용 분야별 제어를 지원합니다. M2M 네트워크는 계속 데이터를 주고받으므로 제조 공장 규모에서 독립형 장비의 계획된 유지 보수 일정을 최적화하고 예약되지 않은 유지 보수가 필요할 때 이를 알리는 신호를 보내는 데 적합합니다. 여기서 연결된 기계의 센서는 클라우드의 소프트웨어 스택을 통해 데이터를 보내고 해당 데이터를 다른 장치로 집계하며 마지막으로 장비 또는 시스템 유지 보수에 관한 정보를 제공할 수 있습니다. 예를 들어, 비정상적인 온도는 축 재윤활이 필요함을 나타내거나 기계적 마모로 부품 교체가 필요함을 나타낼 수 있습니다.

공항의 공개 영역과 배후 영역에서 M2M 네트워크는 온도, 진동, 그리고 에스컬레이터, 무빙워크 및 수화물 처리 시스템의 기어 모터 윤활제 수준에 관한 정보를 수집합니다. 또한 M2M 네트워크는 공항의 급수 캐비닛에 있는 센서를 사용하여 유수량, 온도, 캐비닛 도어의 개폐 상태 및 잠재적인 누수도 모니터링합니다.

기계 상태를 그래픽으로 표시: 가장 간단한 기계상 M2M 상태 표시기는 표시등과 디지털 판독의 형태로 제공됩니다. 하지만 설명한 대로 더 정교한 M2M 시스템에서는 인간에게 이해하기 쉬운 데이터 형식으로 기계 상태를 알리는 GUI를 지원합니다. 일부 경우 이러한 표시가 기계 또는 장치에 소형 디스플레이나 전체 크기 HMI로 제공됩니다. 다른 경우에는 그래픽 표시가 원격 위치에 제공되기도 합니다.

원격으로 설정 변경: M2M 네트워크에서 수집되는 시스템 피드백 데이터는 원격으로 트리거된 워크플로 및 리소스 할당을 알리는 경우가 종종 있습니다. 공항의 예를 다시 살펴보겠습니다. 여기서 M2M 네트워크의 데이터 분석을 통해 청소부를 보내거나 여행자 안내문을 붙이고 문제를 보고하기 전에 관리 부서에 기술자를 보내 장비 오류를 해결하게 할 수 있습니다.

M2M 물리적 네트워크 연결 및 링크

앞에서 설명한 대로 M2M 통신은 무선 및 유선 방식을 통해 이루어집니다. 가장 단순한 장치를 위한 유선 형태에는 전력선 통신(AC 전력을 공급하는 동일한 컨덕터에서 데이터 전달) 및 직렬 통신(산업 표준 시퀀스에서 한 번에 1비트씩)이 포함됩니다. 더 발전된 M2M 설치에서는 LAN 또는 광역 네트워크(WAN)(확장 가능한 분산 M2M 응용 분야의 경우)를 사용하여 더욱 먼 거리 간에 통신하고 데이터를 보낼 수 있습니다. 앞에서 설명한 내장형 M2M 하위 구성품은 WAN 및 LAN을 통해 연결하고 인터시스템 또는 인트라시스템 요소로 통신할 수 있습니다.

인터시스템 통신은 계측 제어기 통신망(CAN) 및 직렬 주변 장치 인터페이스(SPI) 프로토콜을 통해 장치 간에 이루어집니다. 반면에 인트라시스템 통신은 컴퓨터의 직렬 포트를 통한 통신을 위해 범용 직렬 버스(USB) 또는 범용-동기/비동기-수신기/송신기(USART) 마이크로 칩을 사용하여 장치 내의 칩 간에 데이터가 흐를 수 있도록 하는 경우가 많습니다.

물론 기계 및 장치 간의 통신은 다른 형태로 제공됩니다. 장비의 부품 내에서 M2M 기능은 일반적으로 동보 통신과 대조되게 지점 간 통신으로 지원됩니다. 또한 지원되는 M2M 연결은 원격 단말 장치(RTU)이며, 이 장치는 일반적으로 감시 회로 제어 및 데이터 취득(SCADA) 기능을 위해 현장 장치를 모니터링 및 제어하는 전기 마이크로 프로세서 모듈로 판매됩니다. 이러한 장치는 중재자로 다음을 수행합니다.

• 원격 측정 형식의 데이터(현장 장치에서 수집됨)를 중앙 시스템에 송신합니다.
• 그런 다음 응답 명령을 다시 현장 장치로 출력합니다.

무선 M2M 통신 형식: 무선 통신을 위한 M2M 구성은 아주 다양해서 Bluetooth, Wi-Fi, GSM 기술뿐 아니라 GSM, CMDA 및 LTE 셀룰러 네트워크도 사용합니다. 무선 네트워크는 소형화와 간편성을 제공하며 LTE/5G와 같은 떠오르는 인프라 표준은 M2M 기능에 대해 훨씬 더 많은 셀룰러 통신 사용을 요구하고 있습니다.

M2M 기능에 사용되는 애플리케이션 계층 프로토콜

M2M 통신은 주로 산업 네트워크의 애플리케이션 계층(시스템 및 사용자와 상호 작용하는 최상위 계층)에서 이루어져 장치 및 제어 간 통신을 허용합니다. 이러한 소프트웨어 및 웹 서비스의 프로그램을 간소화하는 애플리케이션 프로그램 인터페이스(API)는 아주 다양합니다.

그림 3: 네트워크의 개념 모델은 다양합니다. 여기에는 가장 잘 알려진 모델인 OSI(개방형 시스템 간 상호 접속) 표준(1984년에 제정됨)의 분류에 따라 정리된 다양한 네트워킹 프로토콜이 표시되어 있습니다. (이미지 출처: Design World)

M2M 기능에 일반적으로 사용되는 프로토콜 중에 웹 브라우저와 서버 간의 메시지 구조를 정의하는 애플리케이션 계층 HTTP(하이퍼텍스트 전송 프로토콜)가 있습니다. HTTP는 일반적으로 World Wide Web에 부여하는 하이퍼링크 및 기타 구조와 관련이 있습니다. 브라우저가 애플리케이션을 제공하는 서버에서 정보를 요청하는 클라이언트 역할을 하므로 M2M 응용 분야에서 HTTP의 기능도 유사합니다.

MQTT(메시지 큐잉 원격 측정 전송)도 M2M 기능에 사용됩니다. TCP/IP 기반 메시징 프로토콜은 경량 M2M 통신에 사용됩니다. 일부 설정에서는 여러 클라이언트가 MQTT를 통해 중개된 정보를 교환합니다. 이러한 브로커 기능은 수신기, 게이트웨이 또는 서버에서 실행됩니다. 브로커는 클라이언트가 게시하는 메시지를 받습니다. 결과적으로 클라이언트는 자신이 구독한 메시지를 수신할 수 있습니다.

M2M 기능에 사용되는 또 하나의 프로토콜은 산업 자동화를 위한 개방형 OPC UA(OPC 통합 구조) 프로토콜입니다. 또 다른 개방형 표준 옵션은 애플리케이션 간 메시지 전달을 위한 AMQP(고급 메시지 큐잉 프로토콜)입니다. 이 표준은 많은 엔터프라이즈 애플리케이션의 비즈니스 메시징에 사용됩니다. 반면에 MTConnect(ANSI/MTC1.4-2018에 정의됨)는 공장 장치와 애플리케이션 간에 제어 데이터가 교환되는 방식을 지정하는 제조 표준입니다. 공장 장치는 장비일 수도 있고 공구 및 센서일 수도 있습니다. MTConnect는 XML 형식으로 추출된 데이터를 표준화된 부품 설명을 사용하여 표준화합니다.

이 기사의 범위를 벗어나고 기존 OSI 네트워크 모델에 제대로 매핑되지 않지만, Amazon Web Services(AWS) IoT Core는 M2M 및 IoT 응용 제품에 점점 더 많이 사용되는 관리형 클라우드 서비스입니다. 이 서비스는 HTTP 및 MQTT를 지원하고 수십억 개 현장 장치와 AWS 종단점 사이에서 수조 개에 이르는 메시지를 안전하게 처리 및 라우팅합니다.

M2M 통신 및 제어를 위한 다음 영역

엔터프라이즈에서 데이터 액세스의 이점을 활용하고 있으므로 M2M 네트워크는 계속 확산될 것입니다. 실제로 M2M 지원 하드웨어, 소프트웨어 및 네트워크 통신은 산업 및 기타 업계에 전례 없는 기능을 제공하도록 발전하고 있습니다. 따라서 M2M 네트워크는 계속해서 데이터를 송신, 수신 및 통신하는 강력한 수단이 될 것이며, 때에 따라서는 IoT 설치를 보완하거나 촉진할 것입니다.