고속데이터전송을위한
산업용무선랜기술
김동성 금오공과대학교 전자공학부 교수(dskim@kumoh.ac.kr)
연재 3회까지는 산업용 제어망 기술에서 주로 저속의 근거리 대상인 IEEE 802.15.4 기반 Wireless HART와 ISA 100.11A 산업용 무선 프로토콜에 관해서 언급했다. 이번 4회에서는 신뢰성을 고려한 고속 데이터 전송을 위한 산업용 무선랜(IWLAN) 기술에 대해서 살펴보기로 한다. 먼저 현재 진행되고 있는 일반적인 동향을 알아보고 국내외 대표적인 사례를 통해 그 기술 적용 가능성을 살펴보고자 한다.
연구과 개발 동향
공장 자동화 같은 실시간성과 신뢰성이 요구되는 환경에서 산업용 무선 랜을 선정한 배경 요인에는 간섭에 대한 높은 내성과 검증된 네트워크 신뢰성 등이 포함되었다. 최대 54Mbps에서 100Mbps의 IEEE 802.11a/b/g/n 표준에 따른 산업용 무선랜(IWLAN)이 최근에는 생산라인, 크레인 시스템, 고층 창고, 심지어 지하철 터널에도 적용 되고 있다.
산업용 무선 LAN의 이러한 활용도 증가는 일반 무선랜 기기들이 공장 자동화와 발전소 같은 열악한 설치 환경을 버티지 못하는 상황에서 당연한 수순으로 보인다.
최근 들어 지멘스는 최대 450Mbit/s 의 IEEE 802.11n 표준이 적용된 새로운 모델과, 무선 노드 관리용 중앙 관리 스테이션인 Scalance WLC IWLAN 컨트롤러를 출시하고 적용 사례들을 설명하고 있다. 또한 공장뿐 아니라 그림 1, 2 처럼 소방용 로봇이나 교통 관제 시스템 등의 다양한 영역에 그 응용 분야가 확대되고 있다.
무선 통신은 산업 자동화와 이동기기가 많은 물류와 창고 관리 시스템에서 유선 케이블이 너무 비싸거나 설치하기 어려운 경우 또는 뛰어난 활용성이나 기기와 시스템 컴포넌트의 이동성이 필요한 경우에 사용된다.
이러한 애플리케이션에서는 PLC, 입/출력 모듈, HMI 시스템 간의 직접 통신과 더불어(IWLAN이 기업 네트워 크에 연결된 경우) 비디오 전송, 인터넷 데이터 통신, 음성 통신(Voice over IP) 등의 부가 서비스까지 점진적으로 구현되어야 한다.
이런 경우 데이터 속도는 가장 가혹한 산업 환경에서도 효과적인 무선통 신을 제공한다. 안테나 기술과 이중화 기술 등을 통해 넓은 대역폭을 제공할 뿐만 아니라, 여러 경로를 통한 신호 전파와 더욱 광범위한 서비스로 전송 중 에도 신뢰성을 높인다.
산업용 무선통신 기술 개발 사례
유선 필드버스 프로토콜은 매체접근 제어 방식(MediaAccess Control, MAC)으로 결정론적인 메커니즘을 사용한다. 이 메커니즘은 산업용 무선 매체에선 요구사항을 고려하면 적용하기 어렵다. 또한 반이중 무선 송수신기는 무선통신의 채널 상에서 동시에 송수신할 수 있어야 하므로 반이중방식의 통신 방법은 부적절하다. 이러한 문제 점들을 극복하기 위해서 수년간 무선 기반의 필드버스 적용 방법 예들이 연구되었다. 그중 대표적이 사례가 바로 산업용 무선랜 기술이라고 볼 수 있다.
1. 유무선 혼합 프로피버스 통신 기술
유무선 혼합 프로피버스 기술은 산업용 무선통신 기반의 환경설치를 하기 위한 기존 필드버스망과 연동한 무선 기술에 대한 다양한 장점들을 가지고 있다. 첫째, 스테이션들은 기존 케이블에 대한 설치 변경 없이 간단하게 추 가와 제거할 수 있다. 둘째, 무선 연결 을 이용하면 프로피버스 랜에서 프로 피버스 랜으로 스위칭 하는 것이 쉬우 므로 고장 나거나 파손되는 케이블이 없어서 생산 공정의 고장 가능성을 줄일 수 있다. 즉 무선 제어 기술을 이용 해 신뢰성을 보강할 수 있다는 것이다.
자동화의 가장 낮은 레벨에선 제어기와 센서 및 구동기 사이의 실시간 통신이 요구되면서, 이더넷과 같은 무선 네트워크가 관심 있는 해결책으로 제시되고 있다. 하지만 이러한 기술의 도입은 이미 적용된 필드버스와 호환성에서 많은 문제점이 있다. 따라서 이의 해결 방안으로 그림 1과 같이 프로피버스 DP 필드버스 프로토콜을 고려하여 이더넷과 무선랜/블루투스를 각각 기반으로 하는 하이브리드 유/무선 네트워크를 적용하는 기술들이 널리 사용 되고 있다.
2. 사례Ⅰ : 지멘스 산업용 무선랜
유연성과 효율성 측면에서 실질적인 혜택을 제공한다. 지멘스의 산업용 무선랜은 IEEE 802. 11의 WLAN 무선 전파표준을 기초로 개발되어 생산 현장의 설비들을 무선으로 제어할 수 있다. 아울러 산업용 애플리케이션의 특수한 요구조건을 충족하기 위해 WLAN 표준에 더하여 부가기능을 갖추고 있는데 바로 iFeatures라는 특수 사양으로 실시간성이 요구되는 명령 수행을 위한 전용 데이터 전송 속도나 고속 로밍 등이 이에 포함된다. 지멘스는 무선 긴급차단 기능을 포함한 산업용 무선랜 기능을 제공한다.
기존에는 긴급차단 기능을 구현하기 위해 별도의 배선이 필요했지만, iFeatures를 적용하여 긴급차단 기능을 무선으로 구현했다. 지멘스 테크놀로지의 우수성은 도요타뿐만 아니라, 이 시스템을 채택한 아우디와 폭스바 겐 등 유수의 자동차 회사들을 통해서도 입증된 바 있다. 최신 개발된 산업용 무선랜의 포트폴리오는 분산 스테이션 과 iHOP 기능을 포함하고 있다.
특히 iHOP 기능은 해당 구역에 무선 전파간섭이 있는 경우, 이때 해당 액세스 포인트와 그 액세스 포인트와 접속 된 무선 리시버에 안정적인 무선 채널로 자동으로 변경해준다. 개방형 산업 통신인 프로피넷, 고장 안전 감시 시스템, 무선 네트워크 등이 통합적으로 구동되는 네트워크를 구축하고 있다.
산업용 무선 LAN의 적용분야가 점차 넓어지고 있다. 생산라인을 넘어 크레인, 자동창고, 지하철 터널에 이르기 까지 다양한 분야에서 산업용 무선 LAN이 주목받기 시작했다. 산업용 솔루션이 고속성을 제공하면서도 에러 없는 정보전달을 통해 시스템의 안정성을 확대해 주기 때문이다
Simatic Microbox 하드웨어를 기반으로 한 이 중앙 스테이션은 최대 32개 액세스 포인트를 지원하며, 중앙 위치 에서 이들을 구성, 모니터링 및 제어를 수행한다. 이로써 시운전과 작동을 크게 단순화하고 비용 효율성을 높일 수 있다. 2개의 컨트롤러를 사용하는 이중화 동작에서는 컨트롤러당 액세스 포인트를 64개까지 지원할 수 있기 때문에 네트워크 가용성이 더욱 향상된다. 이와 같은 개선으로 IWLAN은 점점 증가하는 네트워크 요구사항을 만족하고 항상 절대적으로 믿을 수 있는 통신을 보장한다.
3. 사례 Ⅱ : 삼성전자 산업용 무선랜 장비 독자 개발
삼성전자가 네트워크 사업의 경쟁력을 강화하기 위해 독자적으로 산업용 무선랜 액세스포인트(AP)를 개발하고 있다. 산업용 무선랜 AP는 가정용 제품과는 달리 커버리지가 넓고 접속 수용 인원도 많다. 관리 용이성을 확보하 기 위해 여러 AP를 하나로 묶어 조작하고 제어하는 무선 컨트롤러(APC)가 포함되는 것도 특징이다.
삼성전자 네트워크 사업부가 이 같은 산업용 무선랜 AP를 독자 개발하는 이유는 기업과 공공기관이 모바일 오 피스 환경의 필요성을 인식함에 따라 유무선통합(FMC Fixced Mobile Convergence) 인프라 구축 시장이 활기를 띠고 있기 때문이다.
결 론
최근 들어 10Gbps까지 확대되고 있는 산업용 이더넷 기술과 더불어 산업 용 무선랜 기술이 공장 자동화에 널리 사용되리라는 것은 2012년에 독일에서 개최된 IEEE workshop on Factory Communication System의 논문 리스 트를 보아도 확연하게 예측할 수 있다. 이 분야에 연구들을 확인할 수 있는 대표적인 국제학회들은 앞서 소개한 WFCS와 함께 IEEE가 주관하는 ETFA, INDIN 등을 들 수 있다.
이들 학회는 특히 필드버스 및 관련 된 유무선 제어 기술에 대한 학계와 산업계의 논문들이 집중적으로 발표되므 로 관련 업체들이 차세대 제품을 설계 할 시에 참고할 수 있으리라 생각한다. 2011년과 2012년에 걸쳐 열린 이 학회 내용을 살펴보면 산업용 무선랜 응용 기술과 적용 사례들이 증가하리라는 것을 쉽게 예측할 수 있다.
국내 업체의 경우 산업용 무선랜 시장을 겨냥한 AP와 부가 장치를 개발하기 위해서는 Access Point 모드에서 동작 시 WiFi 네트워크의 기본 Unit으로 동작과 더불어 MODBUS/TCP 및 CAN 계열 프로토콜 같은 유선 필드버스를 지원할 수 있는 브리지 등의 기능이 필요 하다. 또한 기존 유선망과 연동 시 신뢰성을 증가시킬 수 있는 이중화 및 경로 라우팅 기법들과, 물리적 오류가 발생 시 무결점 동작성과 신뢰성 향상 기법 등이 중요한 설계 기준이 될 것이다.
