현대 시스템에서 결정론적 제어가 필수적인 이유

작성자: 브라이언 맥모리스 | 주제: 이더캣(EtherCat) | 댓글: 0

결정론적 제어에 대한 축적된 근거

작성: 데이브 퍼콘(Dave Perkon), 기술 편집장
컨트롤 디자인(Control Design) 재인쇄, 2019년 6월 27일

https://www.controldesign.com/articles/2019/the-accumulating-case-for-deterministic-control/

기계 제작자, 시스템 통합업체, 제조업체는 시간 민감 네트워킹(TSN)에 대해 무엇을 알아야 할까요? 가장 간단히 말하면, 더 나은 이더넷입니다.

성능 요구사항을 충족하기 위해 과거에는 많은 네트워크와 게이트웨이가 필요했지만, 이제는 단일 케이블로 결정론적 제어와 정보를 전송할 수 있습니다.

더 나은 성능 외에도 사용이 쉬울 것이지만, 통합업체와 최종 사용자는 현재 솔루션을 지원하게 되어 기쁩니다.

"TSN이 첨단 제조 및 로보틱스에 관여하는 통합업체들에게 복잡하게 만들지는 않을 것이라고 생각합니다."라고 애리조나주 스코츠데일의 퓨처 오토메이션(Futura Automation) 사장 브라이언 D. 맥모리스(Brian D McMorris)는 말합니다. "우리는 공장 현장 통합업체입니다. IT 세계에 대해서는 잘 모르지만, 우리 회사 구조와 비전은 공장 현장에서 실행되는 인더스트리 4.0의 많은 부분에 초점을 맞추고 있습니다. 예를 들어, 우리는 툴립 인터페이스(Tulip Interface) 소프트웨어 라인과 함께 애플리케이션 수준에서 제조실행시스템(MES) 세계에 있습니다. 우리는 현장 서비스 역량을 제공하고 고객이 MES, 전산화 유지보수 관리 시스템(CMMS), 품질 관리 시스템(QMS)의 이점을 구현하도록 돕습니다."

퓨처 오토메이션은 주로 보안 측면에서 IT와 협력합니다. 클라우드 기반 솔루션과 클라우드 앱이 어떻게 보호되는지 측면에서입니다. "IEEE가 이더캣(EtherCAT)과 같은 회사 후원 프로토콜을 산업 협회의 후원 하에 글로벌 개방 표준으로 전환하는 것은 좋은 일이겠지만, 현재 이더캣의 단점은 장치당 라이선스 비용 외에는 보이지 않습니다."라고 맥모리스는 말합니다.

맥모리스는 네트워킹 기술 발전을 지지하지만, 이더캣으로는 많은 한계를 보지 못했습니다. "우리는 서보트로닉스(Servotronix) 드라이브와 함께 오픈 디자인 로봇(카르테시안 및 델타)의 다축 제어에 이더캣을 사용합니다. 지터가 1마이크로초 미만으로 매우 빠른 독점 네트워크이지만, 자동화 기술에서 특정 하드 및 소프트 실시간 컴퓨팅 요구사항에만 적합합니다."

캘리포니아 프리몬트의 오웬스 디자인(Owens Design) 소프트웨어 개발 디렉터 더그 퍼트남-파이트(Doug Putnam-Pite)는 이더캣과 CC-Link IE 같은 독점 네트워크가 실시간 통신을 제공한다는 점을 높이 평가하지만, 그 한계도 인정합니다. "이 기술들의 단점은 프로토콜을 지원하는 제어 장치에서만 작동한다는 것입니다."라고 퍼트남-파이트는 말합니다. "이는 프로토콜을 지원하지 않는 장치를 같은 네트워크에 둘 수 없음을 의미합니다. 이러한 필드버스 네트워크는 툴 내의 다른 이더넷 네트워크와 분리되어야 합니다."

TSN은 현재 실시간으로 통신할 수 없는 장치들이 그렇게 할 수 있게 할 수 있습니다. "시간 민감 네트워킹은 통합업체에게 제어 시스템을 아키텍처하는 더 많은 옵션을 제공합니다."라고 퍼트남-파이트는 말합니다. "시간 민감 네트워크를 갖춘 툴은 제어를 분산화하여 개별 장치들이 실시간으로 직접 통신할 수 있게 하여 일부 제어 수준을 중앙 툴 컨트롤러에서 오프로드할 수 있게 합니다. 또한 PC가 시간 민감 네트워크 장치들과 준실시간 방식으로 통신할 수 있게 될 수 있습니다."

진행 상황 보고

"기계 제작자, 시스템 통합업체, 제조업체가 TSN을 배포하려면 산업 자동화 프로토콜에 통합되고 시스템을 구성할 수 있을 만큼 충분한 공급업체들이 지원해야 합니다."라고 산업 인터넷 컨소시엄(IIC, www.iiconsortium.org)의 TSN 테스트베드 코디네이터이자 시스코(Cisco)의 IoT 솔루션 아키텍트 폴 디디에(Paul Didier)는 말합니다. "아직 그렇지는 않지만, 업계가 그 목표에 도달하기 위해 열심히 노력하고 있습니다(그림 1)."

그림 1: 네트워킹, 자동화, 전자 분야의 업계 리더들에 의해 TSN의 수많은 부분에 대한 테스트가 순조롭게 진행 중입니다. (출처: 산업 인터넷 컨소시엄)

ODVA(www.odva.org) 회장 알 베이둔(Dr. Al Beydoun) 박사는 결정론과 서비스 품질을 다루기 위한 약 12개의 IEEE 802 표준 세트 정의 작업이 진행 중이라고 말합니다. "또한 상호운용성이 유지되어야 합니다. TSN을 위한 IEC/IEEE 60802 산업 프로파일 완성이 핵심이며, 이는 2021년 중반을 목표로 합니다."라고 그는 말합니다. "그동안 이더넷/IP 사양 같은 네트워크 사양 업데이트는 TSN의 근본 표준이 완료될 때까지 마무리되지 않을 것입니다."

PI 북아메리카의 전무이사 마이클 보우네(Michael Bowne)는 표준 이더넷은 설계상 결정론적이지 않다고 말합니다. "시간 민감 네트워킹은 표준화된 결정론적 이더넷을 생성하는 약 24개 IEEE 표준의 툴킷입니다."라고 그는 설명합니다. "이제 산업 자동화 외의 다른 산업들도 결정론적 이더넷에 관심을 갖게 되어 하드웨어 시장이 더 커졌습니다. 궁극적으로 이 기술이 상용 기성품(COTS) 칩에서 제공될 것이라는 생각입니다. TSN 툴박스의 IEEE 표준 중 약 반다스가 산업 자동화에 특히 관련이 있다고 확인했습니다. 이 표준들은 동기화, 낮은 지연시간, 고가용성, 견고성 같은 기능으로 결정론을 다룹니다."

표준을 올바르게 정하는 것이 중요하며, 이는 시간이 걸립니다. "위에서 언급했듯 TSN은 하나의 것이 아니라 많은 다른 표준들의 툴박스입니다."라고 보우네는 말합니다. "일부는 산업 자동화에 관련되고 일부는 그렇지 않습니다. 산업 자동화에서 TSN의 다른 플레이버가 생기지 않도록 하기 위해 IEC/IEEE 60802로 알려진 노력이 시작되었습니다. 현재 자동화 벤더들의 엔지니어들이 크고 작은 기업에서 참여하여 기업 간 조화를 보장하고 있습니다."

디지털 공장은 통신의 상호운용성과 단순성을 요구한다고 릴리움(Relyum)의 시스템 온 칩 엔지니어링 CEO 아르만도 아스타로아 쿠에야르(Armando Astarloa Cuéllar)는 말합니다. "TSN은 이러한 요구사항을 충족하도록 명시적으로 설계된 차세대 이더넷입니다."라고 그는 말합니다. TSN의 도입은 부문별로 점진적일 것이지만, 철도, 자동차, 항공우주 같은 일부 중요한 부문에서는 신규 플랫폼에서 표준 IT/OT 네트워크로 TSN을 채택하고 있습니다.

왜 TSN에 관심을 가져야 할까요?

"사용자 관점에서 현재 시간 민감 네트워킹의 상태는 약간 정체되어 있습니다."라고 로크웰 오토메이션(Rockwell Automation)의 네트워크 비즈니스 개발 매니저 폴 브룩스(Paul Brooks)는 말합니다. "IEEE 802의 TSN 표준들이 발표되었지만, 이들은 기능 수준의 상호운영성만 제공할 뿐 시스템 수준의 상호운영성은 제공하지 않습니다."라고 그는 말합니다. "따라서 공급업체 관점에서 산업 자동화 커뮤니티인 우리는 TSN을 위한 산업 자동화 프로파일을 결정하여 이 시스템 수준의 상호운영성을 제공할 IEC/IEEE 60802를 개발하고 있습니다."

이 표준들이 확정되면 ODVA 같은 프로토콜 기구들이 그 프로파일을 사양에 게시할 수 있게 될 것이라고 브룩스는 계속합니다. "일부 회사들이 사전 표준 제품을 출시했고, 이들이 사용자 가치를 제공하겠지만, 최종 표준과 호환될 것이라는 보장은 없습니다."라고 그는 말했습니다.

2018년 11월, OPC 재단은 ABB/B&R, 벨덴(Belden), 시스코, 화웨이, 인텔, 미쓰비시, 목사(Moxa), 로크웰 오토메이션, 슈나이더 일렉트릭, 지멘스 등 매우 광범위한 산업 및 IT 플레이어들이 지원하는 필드 레벨 통신 이니셔티브를 발표했습니다. 시스코의 디디에가 말합니다. "비전은 센서, 액추에이터, 컨트롤러, 클라우드 간의 개방적이고 통합된 표준 기반 IIoT 통신 솔루션을 목표로 하여 산업 자동화의 모든 요구사항을 해결하는 것입니다."라고 그는 말합니다. "이 이니셔티브는 OPC의 퍼브/섭(pub/sub) 및 TSN 통신 작업을 통합할 것입니다(그림 2)."

그림 2: OPC UA와의 TSN 통신은 제어 애플리케이션이 다양한 다른 트래픽 및 애플리케이션과 함께 개방형 표준 네트워크에서 작동하도록 합니다. 센서에서 클라우드까지. (출처: 힐셔(Hilscher))

TSN은 모든 제어 애플리케이션이 개방형 표준 네트워크에 의존할 수 있게 합니다. "그 네트워크는 또한 다른 유형의 트래픽과 애플리케이션의 거대한 다양성을 지원할 수 있습니다. 이 수렴성과 센서에서 클라우드까지 통신할 수 있는 능력이 핵심 개선사항입니다."라고 디디에가 말합니다.

"TSN은 표준 이더넷 위에서 결정론적 메시징과 실시간 능력을 제공하도록 설계되어 정보를 고정되고 예측 가능한 시간 내에 통신하도록 보장합니다."라고 베이둔은 설명합니다. "TSN의 핵심 애플리케이션은 정밀 타이밍 제어와 결정론적 네트워크 동작을 요구하는 것들이 될 것입니다. 그러나 이더넷 TSN은 오디오와 비디오 정보를 전달하는 네트워크 애플리케이션의 경우처럼 더 높은 대역폭과 더 빠른 네트워크 응답이 원하는 모든 산업 애플리케이션에서 바람직합니다. TSN의 확장성은 기가비트 전송 속도에서 보장된 지연시간으로 고대역폭 패킷 스트리밍을 허용할 것입니다."

왜 TSN이 필요한가요?

"많은 통합업체와 기계 제작자들은 TSN의 필요성에 의문을 제기하며 기존 산업용 이더넷과 이더넷/IP, 이더캣, 프로피넷 같은 관련 프로토콜이 그들의 필요를 충족시킨다고 주장합니다. '왜 TSN이 필요한가?'는 흔한 질문입니다."라고 PI 북아메리카의 보우네는 말합니다. "특히 TSN이 사용하는 많은 기법들(동기화, 대역폭 예약, 스케줄링)은 프로피넷에서 15년 이상 사용해온 것들이기 때문에 타당한 질문입니다. 만약 TSN이 그때 존재했다면 우리는 그것을 채택했을 것이고 많은 엔지니어링 노력을 절약했을 것입니다. 그럼에도 프로피넷은 항상 고속 제어 관련 트래픽이 다른 정보 관련 트래픽과 평범하게 공존하도록 허용해왔습니다."

정확히 같은 원칙이 TSN에도 적용되므로, 다시 왜 필요한가요? "답은 미묘하며 네트워킹의 미래와 관련이 있습니다."라고 보우네는 말합니다. "인더스트리 4.0/산업용 사물인터넷(IIoT) 영역으로 이동함에 따라 점점 더 많은 정보가 상위 시스템에 제공될 것입니다. 결국 퍼듀 모델(Purdue Model)의 일부 평탄화가 일어날 것으로 보입니다. TSN이 이의 동력은 아닐 수 있지만, 이를 가능하게 하는 도구 중 하나가 될 수 있습니다."

미래에는 점점 더 많은 대역폭이 IT 프로토콜에 의해 활용됨에 따라, TSN은 다른 베스트 에포트 IT 트래픽으로 로드된 네트워크에서도 시간 민감한(이름의 유래) OT 트래픽이 필요로 하는 결정론을 보장받을 수 있게 할 것이라고 보우네는 설명합니다. "그들이 모두 공통의 TSN 기반을 공유하는 한, 제조업체들은 OT 트래픽이 IT 트래픽의 희생양이 되는 것을 걱정하지 않고 통합된 IT/OT 네트워크를 구현하기 시작할 수 있습니다."라고 그는 말합니다. "우리는 올바른 작업에 올바른 도구를 사용한다는 이 오랜 철학을 계속 유지하고 싶습니다: 데이터를 이동하기 위한 프로피넷 프로토콜, 정보를 이동하기 위한 다른 프로토콜(예: OPC UA), 이 모든 것이 단일 선로 위에서."

OT/IT 통합 로드맵은 이종 장치들이 게이트웨이를 통해 연결되는 중간 상황에서 끝나지 않는다고 쿠에야르는 말합니다. "대신 링크 레벨에서 두 세계 모두에 유효한 통신 기술의 채택을 높입니다."라고 그는 말합니다. "이렇게 하면 균일한 플랜트에서 모든 것을 모두와 데이터 교환하는 토폴로지가 가능해집니다. 기둥(Figure 3)과 유사합니다."

그림 3: 자동화 기둥은 플랜트 현장 I/O 장치와 컨트롤러부터 공장, 엔터프라이즈 레벨, 클라우드까지 명확한 고속 연결을 보여줍니다. (출처: 시스템 온 칩 엔지니어링을 통한 벨덴)

이 자동화 기둥은 르네 휴멘(René Hummen), 벨덴의 선임 아키텍트-기술 및 혁신이 작성한 블로그 게시물 "TSN이란? 미래 이더넷 네트워크에서의 역할 살펴보기"를 기반으로 합니다.

이 기둥 맥락에서 전통적인 계층 기반 통신 및 사이버 보안 체계는 더 이상 유효하지 않습니다. "필드 I/O에 포함된 요소들이 원격 클라우드에서 활성화된 애플리케이션 및 서비스와 직접 통신할 것입니다."라고 쿠에야르는 설명합니다. "따라서 서로 다른 장치 간의 통신 보안이 중요합니다. TSN의 실시간 요구사항은 기존 IT 사이버 보안 메커니즘이 필요한 지연시간으로 패킷 전송을 보장할 수 없기 때문에 이런 종류의 네트워크를 보호하는 데 있어 큰 도전 과제 중 하나입니다."

TSN은 프로토콜이 아닙니다

TSN은 단지 또 다른 더 나은 버전의 이더넷일 뿐, 프로토콜이 아닙니다. "개선되는 것은 모든 이더넷 기반 프로토콜이 존재하는 인프라입니다."라고 PI의 보우네는 말합니다. "TSN은 ISO/OSI 모델의 데이터 링크 계층(계층 2)에 존재합니다. 프로토콜은 ISO/OSI 모델의 애플리케이션 계층(계층 7)에 존재합니다. 게이트웨이는 서로 다른 프로토콜, 즉 언어 간에 데이터를 변환합니다."

그림 4: TSN은 ISO/OSI 모델의 데이터 링크 계층 2에 존재하며, 애플리케이션 계층 7에 존재하는 프로토콜이 아닙니다. (출처: PI 북아메리카)

TSN은 기존 네트워크 기능에 추가되도록 설계되었습니다. "오늘날 사용 가능하고 신뢰할 수 있는 운영을 제공하는 네트워크 기능들은 TSN 도입 후에도 같은 방식으로 사용 가능해야 합니다."라고 로크웰의 브룩스는 말합니다. "새로운 가치가 그 변화를 정당화하지 않는 한 어떤 행동 변화도 강제하지 않아야 합니다(그림 5)."

그림 5: TSN 도입 후에도 많은 네트워크 하드웨어와 기능적 신뢰성은 동일하게 유지되지만, 변화를 정당화하는 가치가 추가될 것입니다. (출처: 로크웰 오토메이션)

이더넷/IP에 초점을 맞추면, 시간 민감 네트워킹은 통신 프로토콜과 완전히 독립적입니다. 브룩스는 계속합니다. "ODVA와 OPC 재단 같은 프로토콜 기구의 과제는 단순히 그들의 프로토콜이 TSN과 어떻게 작동하는지 정의하고 TSN을 사용자에게 최대한 투명하게 만드는 것입니다."라고 그는 말합니다. "그리고 그들은 기계 제작자와 시스템 통합업체 대부분이 결코 이해할 필요가 없는 DSCP(차등 서비스 코드 포인트) 같은 기존 서비스 품질 메커니즘을 만들면서 이것을 해야 합니다!"

TSN이 애플리케이션에 어떻게 도움이 될까요?

"우리가 모두 일을 제대로 한다면, 기계 제작자나 시스템 통합업체는 TSN과 거의 상호작용하지 않아도 될 것입니다."라고 PI 북아메리카의 보우네는 말합니다. "그들의 프로피넷 관련 엔지니어링, 구성, 커미셔닝 작업에 쉽게 고용되고 투명해질 것입니다. 그냥 오늘날 사용되는 이더넷의 더 나은 버전일 뿐입니다."

시간 민감 네트워킹은 네트워크 평탄화를 더 쉽게 만드는 도구지만, 이를 가능하고 실용적으로 만드는 도구 중 하나일 뿐이라고 로크웰의 브룩스는 말합니다. "예를 들어, 네트워크 세분화는 안전한 네트워크 아키텍처의 핵심입니다."라고 그는 설명합니다. "시간 민감 네트워킹은 세분화에 도움이 되지 않습니다. 이를 위해서는 라우팅 프로토콜을 사용해야 하며, TSN은 라우팅을 지원하지 않습니다."

그러나 단일 케이블을 통해 여러 고대역폭 스트림이 지나간다면, TSN은 네트워크 링크가 예상대로 작동할 것이라는 것을 알기 위해 필요한 엔지니어링 노력을 확실히 줄일 수 있다고 브룩스는 설명합니다. "네트워크의 각 장치는 보낼 트래픽의 양과 주기적 비율을 네트워크 인프라에 알릴 수 있습니다."라고 그는 말합니다. "네트워크 인프라는 네트워크를 통과하는 전체 트래픽 양을 기반으로 네트워크 로딩을 계획할 수 있습니다. 또한 이 트래픽 양이 네트워크를 통해 흐를 수 있도록 네트워크 리소스를 보호할 수 있습니다."

TSN은 다양한 IE 프로토콜이 단일 상호연결 네트워크를 모든 산업 제어 애플리케이션(I/O, 안전, 모션 등)에 사용하고, 비디오 카메라 같은 다른 장치 및 애플리케이션과 공존하면서 제어 애플리케이션이 의존하는 결정론적 네트워크 요구사항을 유지할 수 있게 한다고 시스코의 폴 디디에가 말합니다. "이렇게 하면 산업용 IoT 애플리케이션이 게이트웨이에서 처리할 수 없는 매우 관련성 높은 데이터와 정보를 추출하기 위해 엔드 장치에 직접적이고 안전하게 접근할 수 있습니다."라고 그는 말합니다.

저자 소개: 데이브 퍼콘

데이브 퍼콘은 컨트롤 디자인의 기술 편집장입니다. 그는 의료, 자동차, 반도체, 방위, 태양광 산업의 포춘 500대 기업을 위한 자동화 프로젝트를 엔지니어링하고 관리했습니다.