[첨단 헬로티]
5G는 IoT가 하지 못했던 많이 연결하고 빠르며 초고신뢰 저지연 통신을 지원한다. 그동안 AR이나 VR 시장에서 무선은 사용되어 왔지만, 속도가 느리고 랙이 걸리면 끊기는 등 취약했다. 또한, 로봇을 클라우드로 관리할 수 있으려면 지연속도 문제 등이 해결되어야 한다. 모션컨트롤 역시 미션 크리티컬 서비스를 위해서는 초고신뢰 저지연 통신이 매우 중요해지고 있다. 이러한 이유 때문에 5G가 중요한 기술 요소로 주목받고 있다. 5G 기술을 통한 스마트공장의 미래에 대해 지난 11월 27일 열린 ‘스마트팩토리 & 5G 기술’ 세미나에서 스마트제조혁신센터 송병훈 센터장이 강연한 내용을 정리했다. [편집자 주]
▲ 스마트제조혁신센터 송병훈 센터장은 “5G는 기존 통신기술이 할 수 없었던 많이 연결하고 빠르며 초고신뢰
저지연 통신을 지원하기 때문에 스마트팩토리의 중요한 기술 요소로 주목받고 있다”고 말했다.
데이터 관점에서 공장 지능화는 공장의 데이터가 모이고 이 데이터가 얼마만큼 지능화가 되느냐에 달려있다. 데이터가 지능화되는 과정은 크게 5단계로 얘기할 수 있다. △데이터(Data)가 모이고 △그 데이터가 의미 있는 작업이 되어서 인포메이션(Information)화가 되고 △놀리지(Knowledge)가 되고 △위즈덤(Wisdom)화가 되는 과정을 거쳐 결국 △의사결정(Decisions)이 가능하게 된다.
여기서 데이터와 인포메이션이 인더스트리4.0의 1단계라면, 놀리지와 위즈덤은 2단계, 위즈덤과 의사결정이 3단계에 해당된다. 그런데 중요한 건 데이터와 인포메이션이다. 그 이유는 연결(Connected)이 어렵기 때문이다. 제조환경에서 연결 문제 때문에 지난 수년간 많은 사람들이 연구를 했고 그 이슈가 지금까지 이어오고 있다.
오늘날의 구조를 보면, 피라미드 형태로써 필드 레벨, 컨트롤러 레벨, 비즈니스 레벨로 되어 있는 공장 운영 시스템 안에 지멘스, 로크웰, 미쓰비시 등과 같은 기업들이 있다. 이 벤더 강자들이 시스템 호환성을 위해 좀 더 유연해지면 어떨까. 이게 스마트공장이 얘기하는 커넥티비티의 핵심이다. 여기서 한 발 더 나아가 최근에는 5G 기술로 무선을 시도해 보려는 움직임이 일고 있다.
그러면 제조업이 왜 갑자기 5G에 주목을 하게 된 것일까. 그간의 비즈니스 모델로는 제조업에 적용하기가 충분치 않기 때문이다. 그동안 AR이나 VR 시장에서 무선은 사용되어 왔지만, 속도가 느리고 랙이 걸리면 끊기는 등 취약했다. 또한, 로봇을 클라우드로 관리할 수 있으려면 지연속도(latency) 문제 등이 해결되어야 한다. 이외에도 모션 컨트롤 미션 크리티컬 서비스를 위해서는 초고신뢰 저지연 통신(Ultra - Reliableand Low Latency
Communications)이 가능해야 한다. 5G는 IoT가 하지 못했던 많이 연결하고 빠르며 초고신뢰 저지연 통신(URLLC)을 지원한다.
산업 자동화에 필요한 성능 요건
5G ACIA(Alliance for Connected Industries and Automation)가 2018년 4월에 만들어졌다. 미래 산업의 인프라 연결을 위해 스마트팩토리 영역과 5G 기술이 연합해서 얼라이언스가 구성됐고, 현재 독일을 포함한 유럽, 일본, 한국, 중국 기업들이 참여하여 성능 요건을 위한 유스케이스를 만들고 있다.
모션 컨트롤의 경우 응용에 따라서는 2ms 사이클타임 성능을 얘기하지만, 사실 1ms 이하를 어느 정도 지켜줘야만 사용할 수 있는 영역이 많다. 모바일 로봇은 모션 컨트롤보다 조금 낮다. 로봇을 컨트롤하려면 경우에 따라서는 사이클타임이 1ms이나, 비디오 작동식 원격제어를 위해서는 10~100ms가 되어야 한다. 그 외 세이프티 기능을 가지는 모바일 로봇도 매우 중요한 응용 중 하나이며, 석유화학 플랜트와 같은 프로세스 오토메이션에서도 사용될 수 있다.
그러면 5G의 운영 및 성능 요구사항으로는 어떤 게 있을까. 크게 4가지가 지켜져야 한다. 첫째는 신뢰할 수 있는 통신이어야 한다. 여기서 신뢰성은 5가지 속성들로 나뉜다. 안정성, 가용성, 유지보수성, 안전성, 무결성이다. 이 5가지 속성을 5G가 만족해야 OT에 사용될 수 있다. 둘째는 기능적 안전의 지원이다. 산업 자동화에서 5G가 적용되기 위해서는 안전 수준과 안전 조치를 결정하는 안전 설계가 있어야 한다. 셋째는 보안이다. 5G는 광범위한 종류의 공격에 대해 고려해야 하며, 산업 통신 시스템에서는 장치 인증 및 메시지 기밀성, 무결성이 매우 중요하다. 넷째는 비용 효율적이며 유연한 프로세스여야 한다.
그렇다면, 공장과 공장이 망으로 연결되어 있고 이 안에 어떤 공장은 센서로 모니터링하고 자동화 라인은 유선으로 만들어졌을 경우 5G는 어디에 사용될 수 있을까. 앞서 잠깐 언급했듯이 5G는 많이 연결할 수 있기 때문에 프로세스 오토메이션에서 센싱용으로 쓸 수 있다. 그리고 공장 안에 데이터를 주고받을 때 5G 기능을 넣으면 훨씬 더 유연하면서 다양한 연결을 할 수 있다.
또 하나는 네트워크 슬라이싱이다. 특정 서비스 및 애플리케이션 환경에 맞춤화된 가상화된 네트워크를 가지고 얼마나 품질 보증과 산업용 클라우드 서비스를 만들 수 있는가 인데, 이 문제가 매우 중요하다. 그 다음으로 미션 크리티컬 커뮤니케이션이다. 이것을 만들려면 기존 유선과 5G 무선이 같이 가야 한다. 왜냐하면 어떤 응용에서는 유선이 필요한데, 이때 적용되는 응용기술 중의 하나가 TSN이다. 이런 기술과 잘 융합이 되어야지만 제대로 만들 수 있다.
5G의 주요 특징
이러한 내용을 기반으로 5G는 5가지의 주요 특징을 가진다. 첫째, URLLC(초고신뢰 저지연통신)을 위한 대기 시간과 신뢰성이다. URLLC의 경우, 5G의 첫 번째 릴리스는 5G 무선 인터페이스를 통해 99.999%의 신뢰성으로 1ms의 대기 시간을 달성 할 수 있다.
둘째, eMBB(초광대역 이동통신)를 위한 데이터 속도이다. eMBB의 경우, 5G는 다운 링크에서 20Gb/s 및 업 링크에서 Gb/s의 최고 속도를 지원한다.
셋째, mMTC(대규모 사물통신)에 대한 낮은 복잡성, 배터리 수명, 적용 범위 및 장치 밀도이다. mMTC 사용량의 경우 5G는 ㎢당 1,000,000개 장치를 초과하는 연결 밀도를 제공한다. 또한, 20dB 적용 범위 및 10년 이상의 배터리 수명을 가진다.
넷째, 유동성이다. 5G는 다양한 시나리오에서 네트워크 전반의 원활한 이동성을 지원할 수 있는 견고한 이동성 메커니즘을 갖추고 있다. 예를 들면, 자율 안내 차량, 이동로봇 및 이동 제어 패널 등이다.
넷째, 서비스 품질이다. 5G 무선 인터페이스인 5G는 동일한 네트워크에서 다양한 QoS 요구 사항을 충족시켜 트래픽 흐름을 지원할 수 있는 유연한 QoS 프레임 워크를 제공한다.
다섯째, 보안이다. 5G는 장치와 네트워크 간의 상호 인증과 같은 강력한 E2 E 보안을 포함한다. 5G는 또 EAP(Extensible Authentication Protocol) 및 강력한 암호화 기능을 갖춘 유연한 인증 프레임 워크를 지원한다.
5G는 아직 표준화가 안 끝났다. 그래서 프로젝트를 통해 언제 무슨 기능이 중요한지를 봐야 한다. 또 하나는 5G가 실제 제조업에 적용되려면 여러 장비회사에서 개발할 수 있어야 하는데, 어떻게 개발해야 하는지에 대한 참조 모델이 없다. 쉽게 접근해 볼 수 있는 액추얼 그룹의 역할이 필요하다. 그 다음에 어디에 적용하면 좋을지, 어떤 것을 적용하면 좋을지, 그리고 안전과 보안 문제도 반드시 만족해야 한다. 산업에서 이런 부분들을 만족하지 않으면 사용할 수 없기 때문이다.
5G를 적용한 하나의 사례를 보겠다. 스마트제조혁신센터(SMIC)는 경기도 안산에 미래 공장 데모라인을 만들어서 신기술들을 적용해보고 프리테스트해 볼 수 있는 환경들을 구성했다. 실제 데이터를 넣어볼 수 있는 스마트공장의 고도화된 모습을 그릴 수 있는 작업을 했다. 데모 공장 안에 들어가 보면 5G 기술을 활용한 VR 글라스를 착용하면 기계가 얘기하는 여러 데이터들을 볼 수 있다. 가동률이나 에너지 사용량 등을 실시간으로 리얼리티하게 볼 수 있는 환경을 만들어 놓았다. 이것들 5G 기반 스마트공장의 모습이 아닐까 생각된다.
