현대 산업 애플리케이션을 제어하기 위해 실시간 데이터 활용의 중요성

Windows나 macOS와 같은 기존의 고수준 운영 체제(OS)의 스케줄러는 CPU 사용률을 극대화하는 것을 목표로 합니다. 이 시나리오에서 여러 사용자가 한 번에 많은 응용 프로그램을 실행하려고 할 수 있습니다. 모든 기본 프로세스와 스레드는 CPU 시간을 공정하게 공유해야 합니다.

그림 1 . 산업용 운영 체제의 묘사. 픽사베이 제공 이미지 사용

반면에 실시간 OS는 다른 목표를 가지고 있습니다. 이 운영 체제는 각 스레드가 이전에 결정된 시간 프레임 내에서 유효한 순서로 엄격하게 실행되도록 해야 합니다. 산업 애플리케이션에서 흔히 볼 수 있는 실제 시간 제약을 처리할 때 타이밍 및 실행 순서에 관계없이 CPU 사용률과 데이터 처리량을 최대화하는 것만으로는 충분하지 않습니다.

이 기사에서는 높은 데이터 처리량, 정확한 대기 시간 및 지터 제어가 필요한 애플리케이션을 설계할 때 엔지니어가 수행할 수 있는 작업을 조사합니다.

다양한 시스템 및 네트워킹 요구 사항

순수한 실시간 시스템은 나머지 환경과 격리된 단일 장비를 볼 때 종종 솔루션입니다.

그러나 현대적인 공장 현장은 생산 홀의 기계 그 이상으로 구성되어 있습니다. 산업용 사물 인터넷(IIoT), 인더스트리 4.0, 엣지 컴퓨팅이 지난 몇 년 동안 꾸준히 증가함에 따라 단일 생산 홀 내의 통신 요구 사항이 더욱 복잡해지고 있습니다. 이는 부분적으로 연결된 장치의 증가 때문이지만 각 장치의 서로 다른 통신 요구 사항도 중요한 역할을 합니다.

이러한 맥락에서 엔지니어는 종종 운영 기술(OT) 및 정보 기술(IT)이라는 용어를 사용하여 네트워크 통신의 두 가지 주요 범주를 분류합니다. OT는 예를 들어 부품을 픽업할 준비가 되면 한 기계에서 로봇 팔로 전송되는 시간이 중요한 트래픽입니다. 여기에서 정보는 주어진 시간 내에 모든 수신자에게 도달해야 합니다.

그림 2 . 기계의 산업 네트워크입니다.

반면 IT는 더 높은 데이터 처리량을 요구하는 경우가 많습니다. 일반적으로 이것은 예를 들어 보안 카메라 또는 전자 메일과 같은 사무실 응용 프로그램의 비디오 스트림과 같은 데이터입니다. IT에서는 처리량이 중요합니다. 안정성, 대기 시간 및 지터는 종종 부차적인 문제입니다.

엔지니어는 너무 많은 복잡성과 비용을 추가하지 않으면서 IT 및 OT 트래픽의 요구 사항을 모두 충족할 수 있는 단일 네트워크를 설계하려고 합니다. 이전 기사에서는 두 개념에 대해 자세히 설명했습니다. 또한 시간에 민감한 네트워킹(TSN)이 동일한 네트워크에서 IT 및 OT 트래픽 병합 문제를 해결하는 데 어떻게 도움이 되는지 조사하고 Layerscape LS1028A와 같은 네트워킹 하드웨어가 엔지니어가 현대 산업 솔루션을 설계하는 데 어떻게 도움이 되는지 조사합니다.

OT와 IT가 협력하는 이유:적용 사례

실시간 및 비실시간 기능은 더 이상 현대 산업 제어 시스템 환경에서 분리되지 않습니다. 대신 실시간 기능과 비실시간 기능이 함께 작동하여 생산 시설이 효율적이고 올바르게 작동하도록 해야 합니다.

발전소는 서로 다른 표준을 사용하여 모두 연결될 수 있는 수백 개의 장치로 구성된 구체적인 예로 볼 수 있습니다. 예를 들어 다양한 센서는 판독값을 실시간으로 주기적으로 보고합니다. 이러한 센서에는 온도 센서, 압력 센서 및 공정에서 생성할 수 있는 유해 가스를 감지하는 장치가 포함될 수 있지만 이에 국한되지 않습니다.

그림 3. 우유 공장의 압력계.

이러한 센서의 데이터는 일반적으로 장치가 후속 판독값을 제공할 때까지 짧은 기간 동안만 유효하고 정확하며 유용할 수 있습니다. 따라서 센서 데이터를 수집하고 집계하는 첫 번째 진입점은 실시간으로 수행할 수 있어야 합니다.

이 예에서 센서는 멀리 떨어져 있고 접근하기 어려운 위치에 있습니다. 그들은 무선 네트워크를 통해 연결되며 센서와 통신하는 첫 번째 액세스 포인트는 실시간 기능이 있어야 합니다.

센서 외에도 공장 내의 기계에는 액추에이터에 연결하는 등의 다양한 입출력(I/O) 모듈이 포함되어 있습니다. 이 경우 발전소 엔지니어는 유선 네트워크를 사용하여 I/O 모듈과 PLC(Programmable Logic Controller)를 연결하기로 결정했습니다.

I/O 모듈, 액츄에이터, PLC는 모두 실시간으로 작동하며 장치를 연결하려면 실시간이 가능한 통신 브리지가 필요합니다. I/O 모듈에는 베어메탈 코드를 실행하는 마이크로컨트롤러가 필요할 수 있으며 PLC 및 통신 브리지는 NXP의 실시간 에지 소프트웨어와 같은 실시간 운영 체제를 실행하는 마이크로프로세서를 사용합니다.

상위 IT 시스템은 통계를 수집하고 전체 시스템을 모니터링하며 카메라에서 비디오 데이터를 전송합니다. 이러한 시스템은 실시간 OS를 실행하지 않습니다. 마찬가지로 IT 시스템과의 데이터 전송도 실시간으로 이루어지지 않습니다.

OT 및 IT를 지원하는 소프트웨어 솔루션

네트워킹 측면 외에도 단일 프로세서에서 IT 및 OT 작업을 병합하는 것이 좋습니다. 그렇게 하면 시간이 중요한 작업을 위한 전용 프로세서와 덜 중요한 다른 작업을 단독으로 수행하는 프로세서에 비해 전체 시스템 복잡성과 비용이 줄어듭니다. 실시간 OS는 시간이 중요한 애플리케이션에서 핵심적인 역할을 합니다.

그림 4. NXP의 실시간 에지 소프트웨어의 블록 다이어그램. NXP 제공 이미지 사용

일부 기존 소프트웨어 솔루션을 통해 엔지니어는 오픈 소스 Linux를 사용하여 안전하고 확장 가능하며 유지 관리가 가능한 시간이 중요한 애플리케이션을 구축할 수 있습니다. NXP는 실시간 에지 소프트웨어를 통해 결정적 대기 시간과 예측 가능한 지터가 필요한 애플리케이션에 안전하고 안정적인 실시간 환경을 제공합니다.

일반적인 애플리케이션에는 산업 제어, 빌딩 자동화, 자동차 제어, 안전 및 인포테인먼트 시스템과 같은 다양한 전문 분야의 연결된 장치가 포함됩니다.

요약

많은 상용 시스템은 다른 장비와 통신할 때 정확한 타이밍과 결정적 대기 시간이 필요합니다. 연결된 장치의 수가 증가함에 따라 엔지니어는 단일 네트워크에서 OT 및 IT 트래픽을 통합하는 방법을 찾습니다. OT 트래픽에는 안정적인 실시간 네트워킹 인프라가 필요한 경우가 많지만 IT 데이터에는 높은 처리 속도가 필요한 경우가 많습니다.

NXP의 실시간 소프트웨어는 TSN 이더넷을 사용하여 단일 회선에서 OT 및 IT 트래픽을 병합할 수 있는 네트워크를 생성합니다. 그렇게 하면 네트워크의 복잡성과 전체 비용을 줄일 수 있습니다. NXP는 또한 실시간 통신의 서로 다른 주요 측면을 지원하는 세 가지 주요 빌딩 블록으로 구성된 실시간 에지 소프트웨어를 제공합니다.