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공정 자동화에 완벽한 통신용 솔루션을 제공하는 fido5000

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글/토마스 브랜드(Thomas Brand), FAE, 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)

산업 자동화 분야에서 인더스트리 4.0과 산업용 IoT(IIoT)가 가속화하고 있다. 제조 현장에 근본적인 변화가 일어나고 있는 것이다. 개별 제조 사이트들은 네트워크를 통해 연결된다. 장비와 장비 간에는 물론, 기업 내 다른 부서, 심지어는 다른 기업들과도 통신이 이루어진다. 이러한 환경에서는 기계 설비와 기술 시스템에 대한 상태 모니터링과 최적화를 통해 전반적인 생산 효율을 크게 높일 수 있다. 이를 위해서는 인간과 기계를 포함해서 기업 전반에 걸쳐서 모든 당사자들 사이에 수 없이 많은 데이터와 다양한 파라미터들을 교환하기 위한 지속적인 통신이 필요하다.

[그림 1] 공장에서 네트워크로 연결되는 다양한 설비와 장치들

[그림 2] 단순한 아날로그 센서에서 스마트 센서로 전환. 스마트 아날로그 센서는 포괄적인 신호 체인과 프로세싱 유닛을 포함한다.

이전에는 연결이 비교적 간단하게 처리되었는데, 다양한 시스템들로부터 수집된 아날로그 센서 신호는 중앙의 컨트롤러로 보내져 디지털화가 이루어졌다. 인더스트리 4.0 시대에는 센서쪽으로 디지털화가 옮겨지고 있다. 복잡하게 얽힌 네트워크의 어디에든 통합할 수 있는 지능형 스마트 센서를 구현하면 디지털 형식으로 기록된 데이터를 네트워크를 통해 전달할 수 있다. 그림 2에서 보듯이, 이러한 지능형 센서는 상당 수준의 신호 컨디셔닝과 프로세싱을 단일 하우징에 통합할 수 있다.
또한 스마트 센서는 버스 인터페이스를 이미 갖추고 있는 경우가 많다. 측정된 파라미터들을 디지털화 함으로써 훨씬 많은 데이터를 더 빠른 속도로 전송할 수 있다. 또 다른 이점은, 신호 전송이 훨씬 더 견고하다는 것이다. 디지털 신호 전송은 신호 변화나 간섭을 줄이거나 아예 방지할 수 있다. 이상적인 경우에는 버스 연결이 가능한 센서를 플러그-앤-플레이 방식으로 네트워크에 연결할 수도 있다. 즉, 제어 유닛이 센서를 자동으로 인식할 수 있다는 뜻이다. 또한 어느 한 센서에 결함이 발생하더라도, 다른 센서들은 계속해서 동작할 수 있다.
이것이 가능하려면 센서와 액추에이터에서부터 기계 장비, 궁극적으로 전체 시스템에 이르기까지 보편적이고 매우 신뢰성이 높으면서 실시간 성능을 지원하는 네트워크가 필요하다. 이를 위해 이더넷, 특히 산업용 이더넷이 중요한 통신 표준의 하나로서 부상하고 있다. 이전의 필드 버스 기술들에 비해서, 산업용 이더넷은 공유 전송 매체를 통해서 더 많은 양의 데이터를 효율적으로 동시 전송이 가능하다는 점에서 확실한 이점을 제공한다. 또한 산업용 이더넷은 일관된 토대 위에서 전체적인 통신을 구축할 수 있다. 따라서 실시간 기능을 추가하여 기존 이더넷을 보완함으로써 확정적인 성능을 달성할 수 있다.
바로 이러한 용도에 사용하도록 아나로그디바이스(Analog Devices)는 지난 해에 실시간 이더넷 다중프로토콜(REM) 스위치 칩 제품인 ‘fido5000’ 제품군을 출시했다. 이들 제품은 TSN이 가능한 2개의 이더넷 포트를 제공하므로, 예컨대 라인, 링, 스타, 이중 스타 네트워크 토폴로지를 구현할 수 있다. 또한 구성이 가능한 메모리 버스 인터페이스를 이용하면 어떤 호스트 프로세서와도 이 스위치 칩과 연결할 수 있다. 또한 fido5000 REM 스위치는 모든 현행 산업용 이더넷 프로토콜을 지원하고 유연성이 뛰어나므로 개발자는 끊임없이 변화하고 진화하는 표준에 대비할 수 있다.
이 제품군을 채택한 한 사례로 독일의 JUMO 그룹을 들 수 있다. 이 회사는 독일의 풀다(Fulda)에 위치한 가족 경영 중소기업이다. JUMO는 식품, 공조, 기계 엔지니어링, 화학 및 제약, 패키징, 상하수도 등 다양한 산업 분야에서 물리적 및 화학적 특성들을 측정, 제어, 분석하기 위한 제품과 시스템 솔루션을 개발하고 제조한다. 이들 산업 분야는 모두 다양한 공정 데이터의 대규모 네트워크를 통한 통신을 필요로 한다. fido5000은 바로 이러한 용도에 사용하도록 설계된 제품으로서, JUMO가 최근에 개발한 DICON 터치(DICON touch)에 채택되었다.

JUMO의 DICON 터치

JUMO의 DICON 터치는 2채널 프로세스 및 프로그램 컨트롤러로서, TFT 컬러 그래픽 스크린을 제공하므로 사용자는 터치를 통해 직관적으로 작동할 수 있다. 기존에 사용하던 RS-422/RS-485 MODBUSⓇ RTU, 이더넷, PROFIBUSⓇ DP 인터페이스뿐 아니라 PROFINET 컨트롤러와도 연결 및 통신이 가능하다. fido5000 2포트 스위치를 통합한 덕분에, 사용자는 간편하게 네트워크 토폴로지를 구축할 수 있다. 이 네트워크 애플리케이션에는 등록 데이터 평가, 셋업 설정, 온라인 시각화를 위한 웹 서버 같은 기능들이 포함되며, 이들은 PROFINET 실시간 데이터 교환과 함께 활용할 수 있다. PROFINET 표준에 대한 적합성과 다양한 제조사의 애플리케이션과의 호환성은 인증을 통해 보장된다.

[그림 3] DICON 터치 2채널 프로세스 및 프로그램 컨트롤러는 PROFINET 인터페이스를 제공하는 JUMO의 첫 번째 제품이다.

ADI와 JUMO는 오랜 협력관계를 이어오고 있다. ADI는 2016년에 Innovasic을 인수하면서 자사의 산업용 이더넷 포트폴리오를 확장했다. 이로써 고객에게 다양한 산업용 이더넷 애플리케이션을 지원할 수 있게 되었다. 이는 JUMO와의 협력관계에서도 확인할 수 있다. ADI는 단순히 개별 부품을 공급하는 차원을 넘어서 진정한 설계 파트너가 되는 것을 추구한다. JUMO의 클라우스 오토(Klaus Otto) 제품 매니저는 “아나로그디바이스는 경쟁력 있는 파트너로서, 우리가 다채널 프로세스 및 프로그램 컨트롤러인 DICON 터치를 위한 PROFINET 인터페이스를 개발할 수 있도록 전문적으로 지원해주었다”고 말했다.
ADI는 앞으로도 이러한 협력관계를 더욱 강화해 나갈 것이다. 이러한 협력관계는 각자의 강점을 결합해서 더 큰 시너지를 낼 수 있다. 일례로 아나로그디바이스는 인더스트리 4.0 분야에 대한 포괄적인 전문성을 바탕으로 파트너들에게 필요한 최신 기술을 제공하고 까다로운 과제들을 조기에 해결할 수 있도록 돕는다.
ADI는 전통적인 반도체 회사라는 관념을 넘어서 단지 실리콘 기술만이 아니라 소프트웨어와 시스템 전문성을 강화하기 위해서 적극적으로 투자하고 있다. 센서에서부터 클라우드에 이르기까지 신호 체인 전반에 걸쳐서 타의 추종을 불허하는 기술력을 갖추고 있다. 시스템 차원에서 문제에 접근함으로써 고객들이 개발 기간을 단축하고 보다 빨리 제품을 출시할 수 있도록 돕는다. 이로써 고객들은 새로운 세대의 제품을 더 빨리 시장에 내놓고 시장을 선점하여 경쟁력을 높일 수 있다. ADI는 앞선 기술력과 쌓아온 전문성을 바탕으로 고객들이 필요로 하는 것을 제공한다.
DICON 터치 개발을 위해, ADI는 이더넷 프로토콜인 PROFINET을 기반으로 하는 모든 디바이스 설계에 필요한 솔루션을 제공했다. DICON 터치 개발과 관련한 JUMO의 과제는, 고객들에게 보다 많은 가능성을 제공할 수 있도록 디바이스를 가능한 범용으로 개발하는 것이었다. 또한 DICON 터치는 모듈형으로 개발해야 했다. 표준 이더넷을 위해서는 PHY를 통합한 간단한 플러그인 카드를 사용하고, PROFINET 기능을 위해서는 확장 플러그인 카드를 사용하는 것이다. 클라우스 오토 매니저는 “이 개발을 위해서 특히 중요했던 것이 PROFINET 솔루션이었다. 당시에는 그러한 기능을 제공하는 솔루션이 시장에 나와 있지 않았다”고 설명했다.
DICON 터치 개발에는 fido5000 REM 스위치 칩과 함께 통합 RapID 플랫폼이 사용되었다. RapID 플랫폼은 임베디드 디자인으로서 fido5000에 기반한 통합 솔루션을 제공한다. 단일 보드 상에 fido5000 스위치 칩, 통신 프로세서, JTAG 인터페이스, PHY, 그리고 플래시, SDRAM, EEPROM 등 다양한 메모리를 탑재했다. 차세대 RapID 플랫폼은 통신 프로세서로서 보다 강력한 절전형 ARMⓇ CortexⓇ-M4 프로세서를 채택할 계획이며, 설계 필요에 따라 추가적인 프로세스가 이를 기반으로 실행될 것이다. DICON 터치 개발 당시, 일반적인 산업용 이더넷 프로토콜을 사전 인증을 통해 지원하는 것 같은 기존 RapID 플랫폼의 특성들이 JUMO의 관심을 끌었다. 회로 다이어그램과 레이아웃 데이터를 비롯한 모든 필요한 정보를 RapID 플랫폼 상에 다운로드할 수 있다는 특성은 개발 시간을 크게 줄여주었다. RapID 플랫폼의 또 다른 특징은, 역동적인 웹 서버를 통합함으로써 네트워크 파라미터뿐만 아니라 입력과 출력 데이터까지도 매우 간편하게 읽고 변경할 수 있다는 것이다. 또한 RMII와 I2C 인터페이스를 통해서 PHY를 설정할 수도 있다. 뿐만 아니라 DICON 터치로 펌웨어를 미러링할 수 있기 때문에 기동 시 PROFINET 모듈을 업데이트할 수 있다.

[그림 4] fido5000 기반 RapID 플랫폼을 평가 키트로 사용할 수도 있다.

DICON 터치를 위한 RapID 플랫폼의 유연한 구성은 펌웨어 업데이트와 네트워크 액세스 또한 가능하게 한다. 이로 인해 DICON Touch를 개발할 때 어떠한 제약도 없이 창의적으로 제품을 개발할 수 있었다. 예를 들어 PROPINET의 중요한 기능인 표준 점멸 LED는 전자 기기에는 구현되지 않았다. 대신 DICON 터치의 전체 LCD 디스플레이가 깜박인다.
DICON 터치 개발에서는 사이버 보안도 중요한 역할을 했다. 산업용 컨트롤러의 사이버 보안에는 한 알의 만병통치약 같은 솔루션이란 존재하지 않는다. 해당 시스템에 대한 위험 요소들을 바탕으로 한 포괄적인 접근법을 취해야 한다. 아나로그디바이스는 자사의 보안 전략에 따라서 모든 이더넷 소자들에 대한 보안을 매우 중시한다. 따라서 이 산업용 이더넷 및 TSN 솔루션은 ADI의 보안 개발에 초점이 맞춰져 있다. fido5000 기반 RapID 플랫폼은 사이버 공격을 방어하기 위해서 키 관리, 보안 부트, 보안 업데이트, 보안 메모리 액세스 같은 보안 기능을 갖추고 있다.

맺음말

ADI의 fido5000 제품군과 RapID 플랫폼은 실시간 기능, 신뢰성, 보안 같이 지속적으로 진화하는 요구를 충족할 수 있도록 완벽한 솔루션을 제공한다. ADI는 단순한 부품 제공 수준을 넘어서 고객의 개발 작업을 돕도록 시스템 차원의 전문성과 지원을 제공하고자 한다. JUMO의 DICON 터치 프로세스 컨트롤러가 바로 이러한 사례일 것이다. 양사의 협력을 통해 계획한 일정 내에 보안 성능이 강화되고 신뢰할 수 있으며 미래지향적인 솔루션을 성공적으로 개발할 수 있었다.