최근 몇 년 동안 TSN(Time-Sensitive Networking)은 학문적 기술에서 현실 세계의 실제 애플리케이션으로 도약하는데 성공했다. 이 혁신적 기술의 이점을 활용하고자 하는 기업들은 관련 업계의 요구사항을 바탕으로 TSN 적용이 가능한 시스템을 구축하기 시작했다.

 

Moxa는 IEEE TSN 작업 그룹이 구성되기 전부터 업계 파트너들과 협력하여 산업화 4.0(Industry 4.0)으로 잘 알려진 제조 분야의 디지털화와 산업 자동화를 위한 모든 핵심 기술을 촉진시키는데 주력해 왔다. TSN은 Moxa가 널리 기여하고 있는 산업 디지털화 애플리케이션의 중요 원동력이기도 하다. 실제로 Moxa는 수많은 업계 이해관계자들과 협력하여 TSN이 적용된 시스템을 구축하고, 실제 애플리케이션 및 여러 기술적 발전을 통해 입증된 TSN의 이점을 공장 현장에 제공하고 있다.

 

그동안 산업 자동화 애플리케이션은 각기 다른 장비와 인터페이스 및 프로토콜로 인해 적시에 대량의 데이터를 전송, 수신 및 처리하는데 상당한 어려움이 있었다. TSN은 연결된 모든 장치들이 공통의 시간 레퍼런스를 공유하여 특정 작업을 위한 특정 시점에 모든 데이터를 이용할 수 있도록 네트워크상의 시간 동기화를 지원함으로써 이러한 문제를 해결한다. 이처럼 TSN 적용 시스템은 제한적인 짧은 지연시간의 결정론적 네트워킹(Deterministic Networking) 환경을 구현함으로써 뛰어난 안정성과 최적화된 성능 및 보안을 제공할 수 있다.

 

기술적 성과

 

기술적 측면에서, Moxa는 NXP와 협력하여 주요 TSN 이중화(Redundancy) 프로토콜인 802.1 CB의 뛰어난 신뢰성을 입증했다. 또한 Moxa는 인텔 및 키사이트와 협력하여 미래 무선 TSN 네트워크의 실현 가능성을 입증하는데 성공했다.

 

1. 입증된 네트워크 이중화

IEEE 802.1 CB FRER(Frame Replication and Elimination for Reliability)은 높은 수준의 신뢰성을 달성하기 위해 분리된 여러 경로를 통해 각 프레임의 복제본을 전송하기 때문에 부분적인 네트워크 장애가 발생하더라도 사전 예방적 이중화를 통해 통신을 원활하게 유지할 수 있다.

 

Moxa는 2022년 대만 자동화 전시회(Taipei Automation 2022) 기간 동안, 네덜란드 반도체 설계 및 제조업체인 NXP 반도체(NXP Semiconductor) 및 포트 인더스트리얼 오토메이션(port Industrial Automation GmbH)과 협력하여 NXP 장비를 연결하는데 이용된 Moxa 스위치에 대한 802.1 CB 기반 링 토폴로지(Ring Topology)의 신뢰성 테스트를 수행했다. 엔지니어들이 네트워크 장애를 시뮬레이션하기 위해 특정 네트워크 케이블의 플러그를 뽑았지만, 중요 장비를 제어하는 데이터 패킷은 여전히 동기화되고, 정상적으로 동작했다. 또한 이 테스트를 통해 견고한 네트워크 이중화는 단일 장애 지점뿐만 아니라 여러 장애 지점을 복구하는데 도움이 된다는 사실도 입증했다.

 

2. 무선 TSN의 실현 가능성

TSN을 산업 자동화에 구현하기 위한 또 다른 중요한 단계는 무선 애플리케이션에서도 데이터가 전송되도록 보장하는 것이다. 많은 산업용 장비들이 모바일로 운영되기 때문에 보다 폭넓은 TSN 무선 애플리케이션이 구축되지 않는다면, 진정한 IIoT는 실현되기 어렵다.

 

2021년 타이베이 자동화 전시회에서 Moxa는 인텔 및 포트 인더스트리얼 오토메이션과 함께 업계 최초로 실제 사용이 가능한, 즉각적인 데이터 전송을 위한 애플리케이션 간(application-to-application) TSN 솔루션을 시연하는 플랫폼을 개발했다.

 

이 새로운 플랫폼은 다양한 통신 프로토콜과 호환되도록 설계되어 유연성과 확장성이 뛰어나기 때문에 차세대 스마트 제조 및 물류 솔루션을 구현하는데 사용할 수 있으며, 특히 실제 모바일 장치가 필요하거나 요구되는 경우 적용이 가능하다. 모든 유형의 트래픽이 공존할 수 있는 완벽하게 통합된 고성능 네트워크 인프라인 TSN의 잠재력을 극대화하기 위해서는 무선 TSN의 실현이 매우 중요하다.

 

한 단계 더 발전된 기술

 

Moxa는 기술 구현을 입증한 것 외에도, 기업들이 실질적인 비즈니스상의 이점을 얻을 수 있도록 다수의 실제 애플리케이션에 TSN을 구현했다.

 

1. 웨이퍼 제조 분야의 총 소유비용 절감

Moxa는 대만의 선도적인 리소그래피 솔루션 공급업체인 ELS 시스템 테크놀로지(ELS System Technology)와 협력하여 웨이퍼 제조 공정에 TSN을 통합하는데 성공했다. 이 시스템은 웨이퍼 오정렬 보정 시스템에 머신 비전을 통합하기 위한 것으로, 높은 신뢰성의 온디맨드 모션 제어 CC-Link IE TSN을 통해 고대역폭 비디오 애플리케이션에 TSN 기술이 성공적으로 통합되었다. 이 솔루션은 오정렬 보정 시스템을 위해 머신비전 기능을 완전히 갖춘 안정적인 모션 제어 시스템을 제공한다.

 

또한 Moxa의 TSN 솔루션은 요구사항이 각기 다른, 다양한 유형의 트래픽을 지원할 수 있으며 동일한 개방형 및 표준 네트워크를 이용해 네트워크 트래픽에 대한 정확한 모션 제어 데이터를 실시간으로 제공한다. 특히 TSN 솔루션은 인프라의 유지보수 및 확장이 용이하여 네트워크의 경제성을 높이고, 총 소유비용(TCO, Total Cost of Ownership)을 절감하는데 기여할 수 있다.

 

2. 비디오 컴포넌트 로깅을 통해 다운타임으로 인한 불편 최소화

실시간 비디오 모니터링은 상당히 많은 데이터와 대역폭을 사용하는 것으로 잘 알려져 있다. TSN은 매우 높은 수준의 신뢰성과 제한된 짧은 지연시간으로 네트워크상에서 라이브 비디오를 녹화하고, 스트리밍하는 융합 애플리케이션을 실현할 수 있도록 지원한다.

 

Moxa는 일본 산업 분야의 대기업인 미쓰비시 전기(Mitsubishi Electric)가 육안 검사 중 모든 시스템 컴포넌트에 대한 로깅을 개선하고, 필요 시 사용자가 신속하게 문제를 해결할 수 있도록 비디오 스트림, 파형 및 관련 정보를 기록할 수 있는 모듈을 구현했다. 이를 통해 엔지니어들은 더 이상 각기 다른 장치나 네트워크를 일일이 확인할 필요 없이 동기화된 중요 시각적 데이터에 안전하게 액세스하고, 저장 및 보호할 수 있는 TSN 기반 통합 시스템을 통해 포렌식 조사를 수행할 수 있게 되었다.

 

TSN의 이점

 

TSN은 결정론적, 실시간 통신을 통해 각기 다른 장비들이 상호 원활하게 동작할 수 있도록 지원하는 스마트공장 자동화의 핵심이다. 네트워크의 규모와 복잡성이 증가함에 따라, TSN을 통해 트래픽 관리를 구현하고, 시스템 리소스의 우선순위를 지정하여 중요 데이터가 적시에 전달되도록 함으로써 네트워크의 안정성과 보안을 더욱 강화할 수 있다.

 

이제 TSN의 이점을 보여주는 두 가지 적용 사례를 살펴보고, TSN을 통해 더 나은 성과를 달성하기 위해 Moxa가 시스템 통합업체, 머신빌더 및 최종 사용자와 어떻게 협력하고 있는지 알아보도록 하자.

 

적용 사례 1: 기계장비 제조업체

기계장비 제조업체들은 고도로 자동화된 첨단, 통합 기계장비에 대한 시장의 요구에 대응하기 위해 통합 확장성과 가속화된 감지, 복잡한 레이저 및 장비 제어 애플리케이션을 갖춘 기계장치를 제공하는데 주력하고 있다. 그러나 최적의 성능을 제공하기 위해서는 각기 다른 구성요소에 적용되는 다양한 독점 네트워크와의 원활한 통신 및 통합이 필요하다. 더욱이 기계장비가 해외로 수출되고, 운영자를 위한 교육이 제공되지 않는 상황에서 이러한 네트워크의 유지보수는 운영자에게 어려운 과제가 될 수 있다.

 

Moxa는 카메라와 센서, 장비 컨트롤 간의 결정론적 통신을 지원하는 통합 TSN 네트워크를 개발했다. Moxa의 완벽한 기가비트 관리형 스위치(Managed Switch)인 TSN-G5008 시리즈는 다중 I/O로 서보 드라이버 및 머신비전 카메라를 연결할 수 있다. 이더넷은 ‘FIFS(First-In, First-Served)’ 특성으로 인해 동일 케이블 상에서 중요 데이터를 전송하는 것은 불가능했다. 그러나 표준 이더넷 TSN 인프라를 사용하면, 트래픽 관리를 통해 중요 데이터가 네트워킹 리소스를 공유하고, 데이터 패킷을 전달하는 것이 가능하다. 이 스위치는 TSN과 호환되는 제조 네트워크를 구축할 수 있도록 설계되어 기계장치 제조업체 등이 인더스트리 4.0의 이점을 누릴 수 있도록 지원한다.

 

적용 사례 2: 대량 맞춤 생산 시스템

생산 주기가 짧아지면, 효율성이 높아져 비용을 절감하고, 유연성을 향상시킬 수 있어 기업에 매우 유리하다. 또한 기업들이 변화하는 시장에 대응하고, COTS(Commercial-Off-The-Shelf) 제품과 같이 대체로 마진이 더 높은 대량 맞춤형 제품을 공급할 수 있도록 해준다. 제조업체들에게 이러한 효율성과 유연성은 생산, 조립 라인 및 물류 등의 다양한 시스템을 단일 네트워크로 통합할 때만 달성할 수 있으며 단기간에 보다 효과적으로 생산 및 유통 프로세스를 변경 및 조정이 가능하다.

 

제조업체들은 Moxa의 TSN-G5004 및 TSN-G5008 시리즈 이더넷 스위치를 배치하여 기존의 독점 네트워크를 단일 TSN 지원 네트워크에 통합함으로써 대량 맞춤 생산을 가능케 하여 효율성을 높일 수 있다. 가장 중요한 점은 제조업체들이 IT(Information Technology) 및 OT(Operational Technology)를 융합하여 제품을 만드는데 필요한 공정 수를 줄일 수 있다는 점이다. 따라서 결정론적 통신으로 제조 공정 전반을 효과적으로 제어할 수 있는 TSN 지원 네트워크를 통해 자산을 관리함으로써 적응형 생산, 대량 맞춤 생산 및 생산 최적화를 실현할 수 있다.

 

또한 네트워크 토폴로지가 간소화됨에 따라 유지보수가 보다 용이하고, 비용 효율적이기 때문에 운영자에게 여러 이점을 제공할 수 있다. 운영자들은 프로토콜 및 요구사항이 각기 다른 여러 네트워크 대신 통합 네트워크를 구축하여 트레이닝을 간소화하고, 배선 또한 단순화할 수 있어 유지보수 비용을 절감할 수 있다.

 

 

무한한 이점

 

TSN은 산업 자동화 분야에 효율성과 유지보수 간소화, 경제성 등 다양한 이점을 제공한다. 유·무선에서 모두 지원되는 TSN의 결정론적 통신은 위험성이 높고 요구사항이 많은 산업 시스템에 필요한 높은 수준의 신뢰성을 달성하는데 기여할 수 있다. TSN은 각기 다른 장치에 대한 표준화된 통합 네트워크를 필요로 하기 때문에 IT와 OT 융합으로 노드 수를 줄이고, 배선을 간소화하는 것은 물론, 보다 용이한 유지보수가 가능하다. 이러한 이점은 머신빌더에서 시스템 통합업체 및 최종 사용자에 이르기까지 다양한 이해관계자들에 의해 실현될 수 있다.

 

1. 머신빌더

머신빌더는 TSN 기술을 통해 모션 버스와 네트워크로 전송되는 정보를 동일한 케이블에 융합할 수 있어서 경쟁력 있는 네트워크 인프라를 활용할 수 있다. 또한 아키텍처가 간소화됨에 따라 노드 수를 줄이고, 전반적인 비용과 유지보수 작업을 줄일 수 있다. 성능 측면에서도 제어 루프의 주기 시간을 단축함으로써 더 많은 장치를 제어할 수 있게 된다. 이와 함께, TSN 기술은 기가비트 네트워크상에서 실행되기 때문에 더 높은 대역폭을 제공함으로써 향후 더 많은 애플리케이션을 추가할 수 있다.

 

2. 시스템 통합업체

통합 TSN 네트워크는 배선과 엔지니어링 작업을 줄임으로써 네트워크 및 자동화 아키텍처를 간소화할 수 있다. 모든 독점 네트워크 기술을 하나의 단일 케이블로 융합할 수 있는 TSN의 능력은 네트워크 설계와 규모를 제어하고, 예측할 수 있어 총 소유비용을 절감하고, 유지보수 작업을 줄일 수 있다.

 

3. 최종 사용자

TSN은 기존 네트워크와 호환되기 때문에 각기 다른 독점 시스템을 연결하기 위한 네트워크 게이트웨이를 더 이상 추가로 사용하지 않아도 된다. 실제로 TSN은 기존 표준 네트워크와의 호환성을 통해 데이터에 쉽게 액세스할 수 있어 최종 사용자를 위해 보다 용이하게 시스템 리소스를 최적화할 수 있다.

 

기존의 다른 네트워킹 기술과 비교해, TSN은 중요하지 않으면서도 높은 대역폭을 소비하는 애플리케이션보다 더 중요한 패킷을 우선적으로 처리할 수 있는 기능을 갖추고 있기 때문에 전체적으로 시스템 가동중단 시간을 줄일 수 있다.

 

또한 표준 이더넷 기술을 활용함으로써 이더넷용으로 개발된 최신 사이버 보안 솔루션을 TSN 네트워크에서도 이용할 수 있기 때문에 끊임없이 변화하는 위협 환경에 대한 적응을 강화하고 더 강력한 보호 기능을 제공할 수 있다.

 

TSN 도입 준비

 

TSN 지원 애플리케이션을 구현하기 위해서는 기존 애플리케이션의 요구사항과 네트워크 토폴로지에 대한 철저한 이해가 선행되어야만 가장 적합한 프로토콜과 스위치 및 최종 장치에 대한 올바른 구성을 선택할 수 있다.

 

그렇다면, PLC 통신과 이미지 캡처가 모두 필요한 애플리케이션 사례를 생각해 보자. 이 애플리케이션은 두 가지 유형의 데이터를 동일한 호스트 컴퓨터로 전송해야 한다. 통합된 네트워크 토폴로지를 이용해 비디오 스트림은 포트 4에서 포트 1로 전송되고, 컨트롤러는 동기화 메시지를 포트 2에서 포트 1을 통해 마스터 서버로 전송할 것이다.

 

고대역폭 비디오 스트림으로부터 제어 패킷을 보호하기 위해서는 관련 구성요소와 포트의 시간 동기화(802.1 AS) 및 TAS(Time Aware Shaper, 802.1 Qbv)를 비롯해 네트워크상에 필요한 프로토콜을 구성해야 한다.

제어 패킷은 1초 주기로 전송되며, 여기에서 주기 데이타는 300ms, 시간 동기화 데이터는 200ms, 나머지 500ms는 비주기 데이터를 실행하게 된다. 이 장치는 주기 데이터가 영향을 받지 않도록 각 슬롯에 해당 VLAN ID를 할당할 수 있다.

 

애플리케이션의 동작이 명확해지면, 마지막 단계는 이더넷 스위치와 최종 장치에 필요한 구성을 설정하면 된다.

 

요약

 

Moxa는 TSN 기술의 진정한 잠재력을 실현하고, 산업 자동화 분야의 업계 선도 기업들이 디지털 혁신을 가속화할 수 있도록 지원하기 위해 오랫동안 노력해 왔다. 이 글에서 살펴본 적용 사례를 통해 Moxa가 신뢰할 수 있는 파트너 및 공신력 있는 이해관계자들과 협력하여 어떻게 각기 다른 디지털 혁신 단계의 고객들을 위한 미래 지향적 TSN 솔루션을 제공하는지 알 수 있을 것이다. Moxa의 TNS팀은 TSN 기술로 혁신을 가속화할 수 있는 애플리케이션을 지원하기 위해 고객들과 긴밀히 협력하고 있다.