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‘지멘스 이노베이션 투어 2021 버추얼 컨퍼런스’ Day-2 최교식 기자입력 2021-10-07 16:21:38

 

 

 

 

 

. Smart Data, Industrial EdgeIIoT - 정성엽 부장

 

 

둘째 날 행사에서는 첫 번째 순서로 한국지멘스 정성엽 부장이 산업용 엣지컴퓨팅과 SCADA를 통한 스마트 데이터 활용을 주제로 발표를 진행했다.

정 부장은 지난해 행사에서 Visualization of the future, Edge computing을 소개한 데 이어, 올해는 산업현장에서 발생되는 데이터의 관리와 나아가 인더스트리얼 엣지 및 IIoT와 관련해 좀 더 구체화된 솔루션을 소개했다.

최근 수년 사이에 데이터의 중요성은 계속 강조되어왔다. 4차산업혁명, 인더스트리4.0 시대에 데이터의 중요성은 엄청나게 강조가 되고 있다. 특히 산업현장에서의 데이터가 점점 중요해지고 있으며, 이 데이터들은 단순한 빅데이터로부터 시각화되고 분석돼서 의미있는 데이터가 되어 추가적인 액션을 가능하게 한다.

 

IT/OT integration : 모든 영역 및 계층에 걸친 정보 기술과 운용 기술의 통합

 

데이터를 스마트하게 관리해야만 하는 시대가 됐다. 4차산업혁명과 함께 ITOT의 융복합 콘셉트가 자주 얘기가 되고 있다. 가장 말단에 있는 필드 디바이스의 데이터에서부터 컨트롤 레이어의 데이터 및 상위 IT 레이어 영역의 소프트웨어들과 상호 데이터를 주고받으면서 통합이 이루어진다는 콘셉트다.

 

 

<그림1> IT/OT integration

 

 

 

지멘스는 특히, 이런 계층구조에서 클라우드 기반의 시스템 플랫폼을 가장 먼저 제안한 선구자적인 기업이다. 마인드스피어(MindSphere)라는 클라우드 시스템을 산업현장에 도입하고, 한 단계 높은 수준의 시스템 제안과 준비가 수년째 이루어지고 있다. 이를 뒷받침하고 있는 연결성, 통신 플랫폼, 보안, 사이버 시큐리티가 함께 제안이 되고 있다.

스마트한 제조환경을 만들어 나가기 위해서는 OTIT의 통합이 중요하며, 서로 간의 데이터를 이용해 계속적인 진화가 가능해질 수 있다. 그러나 이러한 데이터의 중요성을 알고 있음에도 불구하고, 연결성이 좋지 못할 경우 데이터의 손실이 발생되고 있다.

이제까지 고객사는 OT라고 불리는 Shopfloor 현장과 상위 시스템인 IT Top floor간이 연결되지 않거나 협업이 부족한 부분이 많이 있었다. 특히 이기종으로 구성된 환경이거나 연결되지 않은 오래된 기계의 경우에는 더욱 어려움이 많이 있어서 스마트 데이터를 구현하기에 어려움이 많았다. 이런 어려움을 극복하기 위해서 때로는 SCADA 시스템을 이용해서 상위단과 현장을 연결하면서, 각종 데이터를 처리하고 데이터베이스화하고 시각화하는 역할까지 담당했다. 작년 행사에서는 지멘스의 SCADA 시스템인 WinCC Unified로 새로운 시각화 솔루션을 제안한 바 있다.

그리고 OPC UA 통신은 이기종 간 통신의 어려움을 극복하기 위한 도구로 사용이 되고 있다.

이제는 엣지 시스템을 통해서 투명한 데이터 사용이 가능해진다. 특히 엣지 시스템은 CICD( Continuous Integration, Continuous Deployment, Delivery)라고 하는 콘셉트에 최적화된 시스템이다.

최근 시스템은 계속적인 변경과 업그레이드를 통해서 개별 고객사의 시스템을 최적화해야 하는 요구사항이 발생하기 때문에, 수시로 업데이트 변경이 필요하다. 이 때문에 이런 부분을 얼마나 쉽고 편리하게 작업할 수 있는지도 큰 관심사가 되고 있다.

궁극적으로는 커넥티비티, 스카다 시스템, 인더스트리얼 엣지 및 클라우드 등을 통해 공장 모든 영역에서 스마트 데이터를 이용해 분석하고 시각화해서 빠른 의사결정이 가능해질 수 있게 해준다. 이 과정을 거쳐서 사용자는 생산성을 향상하고, 자신의 시스템을 최적화할 수 있도록 도움을 준다.

데이터를 각종 레이어에서 추출해서 모델링하고, 데이터베이스화해서 통신을 통해서 데이터를 상위로 보내주고, 시각화를 하고 분석을 하게 되는 일련의 과정을 통해서 스마트 데이터로 사용하게 된다.

 

Industrial Edge & IIoT

 

엣지와 IIoT는 오래전부터 얘기가 되어왔다. AR, VR, 인공지능, 블록체인 기술은 이미 산업계에서 널리 채용되어 사용되고 있으며, 최근에는 메타버스(Metaverse) 등이 새로운 이슈가 되고 있다.

자율주행 콘셉트는 지멘스에서도 여러 가지 형태로 시스템 제안이 이루어지고 있으며, 자율주행 로봇, 자율주행 AGV에서도 적용이 되고 있다. 이런 자율주행 차의 운전기능이 클라우드에서 수행이 된다면 어떻게 될까? 자율주행 차의 하드웨어 외에 소프트웨어 및 각종 변수, 운전시스템 등은 빈번하게 업데이트되고, 정보들도 클라우드에서 관리가 된다면 여러 가지 불안한 부분이 발생할 것으로 예상이 된다.

지멘스에서는 오랜 시간 동안 마인드스피어를 통해 클라우드 기반의 시스템 제안을 해왔고, 많은 부분에서 성과가 나오고 있다. 하지만 이런 클라우드 시스템은 자율주행차량의 예와 같이 어려움이 발생되는 경우도 있다.

인더스트리얼 엣지는 엣지단, 즉 말단에서 기계장비 등과 가장 가까운 곳에서 데이터를 처리하겠다는 콘셉트다. 컨트롤 레벨과 클라우드 컴퓨팅의 중간에서 이러한 어려움을 해결하는 역할을 하게 된다.

컨트롤 레벨과 클라우드 사이에 인더스트리얼 엣지 시스템을 추가함으로써, 클라우드 시스템의 장점과 엣지 시스템의 장점을 함께 얻을 수 있는 시스템의 제안이 가능해진다. 기존의 클라우드 시스템을 통해서 사용이 가능했던 중앙 인프라에 대한 구현을 엣지 매니지먼트 시스템을 통해 구현해서 엣지앱의 관리, 버전관리, 일괄설치 및 삭제 기능구현이 가능해진다.

엣지 앱에서는 각종 데이터를 분석하고 관리하고 부가적인 기능구현 등을 다양한 앱을 통해서 관리하게 만들어 준다. 엣지 디바이스에서는 앱을 실행시켜주는 기반을 제공하며, 다양한 형태의 디바이스에서 앱 운용이 가능하게 된다.

 

<그림2> Siemens Industrial Edge는 OT 세계에 IT 메커니즘을 제공한다

 

 

, 인더스트리얼 엣지는 현장에 있는 데이터들을 말단에서 직접 수집하고 분석 저장하여 상위 시스템과 교환할 수 있으며, 현장에서 더욱 빠르고 안정적으로 소프트웨어를 배포하고 통합할 수 있다. 산업/제조 현장에서 대규모로 장치 및 애플리케이션을 중앙에서 관리할 수 있으며, On-Premises 또는 클라우드 형태로 스케이러블하게 시스템을 구성할 수도 있다.

 

전통적인 IoT 게이트웨이 대 Industrial Edge

 

전통적인 IoT 게이트웨이와 Industrial Edge를 비교하면, IoT 게이트웨이가 데이터의 수집에서부터 처리까지 담당하는데 비해, Industrial Edge는 추가적으로 디바이스, 데이터 및 사용자 관리 기능도 포함할 수 있다. 부가적으로 앱의 운용 및 CICD 같은 기능까지 가능하다.

 

 

<그림3> 전통적인 IoT 게이트웨이 대 Industrial Edge

 

 

SCADA(WinCC/WinCC OA) Industrial Edge 비교를 하면, 이 두 가지는 많은 부분에서 공존을 하고 공유가 된다. 다만 Industrial Edge의 경우 SCADA 시스템 조작과 모니터링 기능 외에 분석으로서의 기능이 강조될 수 있고, 앱 형태로 좀 더 가벼운 실행이 가능하다. 최근 출시한 WinCC Unified 경우에는 또 다른 차별점이 있다.

 

 

<그림4> SCADA(WinCC/WinCC OA) 대 Industrial Edge

 

 

정 부장은 지멘스에서는 어떤 방식으로 인더스트리얼 엣지와 IIoT를 제안할 수 있는지에 대해 설명했다.

전통적으로 자동화 계층은 <그림5>의 왼쪽과 같은 피라미드 형태로 설명이 되어왔지만, 4차산업혁명에서는 모든 계층들이 상호연결돼서 데이터를 주고받는다. 예를 들면 PLC 데이터들이 MQTT 라이브러리를 이용해서 곧바로 ERPMES로 연결될 수 있다.

 

 

<그림5> 자동화 피라미드가 네트워크로 변화했다.

 

 

지멘스에서는 다양한 종류의 레이어에서 IIoT와 관련된 시스템 제안이 가능하다. 필드레벨, 제어 레벨, 엣지컴퓨팅, 서비스 및 최근 합류한 Low-code 플랫폼 Mendix까지 다양하게 제안이 가능하다.

 

<그림6> Siemens IIoT 스택

 

 

Industrial Edge 가격 책정

 

하드웨어의 경우에는 초반에 1회 구매해서 설치하는 방식으로 전통적인 자동화 방식과 유사하다. 소프트웨어인 엣지 런타임은 구독기반으로 월 또는 연 단위로 라이선스를 구매하게 되고, 앱의 경우에는 다양한 방식으로 엣지허브에서 구매가 가능하다. 이러한 형태의 가격방식 역시 실제로 IT 시스템에서 적용되는 방식과 유사한 콘셉트다.

 

Industrial Edge3가지 주요 구성요소

 

크게 엣지허브와 엣지 매니지먼트, 엣지 런타임으로 구성된다.

엣지허브는 지멘스에서 관리하는 것으로 안드로이드의 플레이스토어나 애플의 앱스토와 같은 개념이다. 엣지 매니지먼트는 개별고객이 구매한 로컬 앱을 관리해주는 저장소이며, 엣지 런타임에서는 개별적으로 반영한 앱들이 실행되는 곳이다.

 

 

<그림7> Industrial Edge의 3가지 주요 구성요소

 

 

Siemens Industrial Edge 디바이스 장치 개요

 

엣지 디바이스는 엣지 전용제품과 엣지 기능을 지원하는 산업용기기로 구분할 수 있다.

산업용 PC 및 게이트웨이가 전용 엣지 디바이스로 사용이 가능하며, S7-1500 PLC, 유니파이드 컴포트 판넬 등의 HMI 장치와 같은 자동화 관련 제품들도 기존의 기본기능 외에 엣지기능까지 구현할 수 있다.

엣지 앱은 현재 지멘스에서 개발한 앱도 있고, 고객이나 제3의 업체에서 개발하여 배포한 앱도 계속 등록이 되고 있다. 유료 앱은 물론 무료로 사용이 가능한 다양한 앱들이 사용 가능하다.

 

<그림8> Siemens Industrial Edge App

 

 

 

이 가운데 Performance Insight는 기계, 라인 및 플랜트의 생산성 향상을 위한 앱으로서, 기계 상태를 계산하고 시각화해서 자산의 최적화를 도모할 수 있다. 에너지 사용량이나 모터의 상태, 알람 상태 등을 확인해서 기계, 라인 등의 퍼포먼스에 대한 인사이트를 제공할 수 있다. Notifier는 엣지앱 뿐만 아니라 다른 형태의 앱으로도 많이 소개가 되고 적용이 되고 있다. 개별 알람이나 메시지들을 관련직원들의 모바일 장치에 푸시하여 빠른 대응과 다운타임 감소를 가능하게 한다. 이외에도 여러 가지 앱들이 계속 개발이 되고 추가가 되고 있다.

Industrial Edge Hub는 지멘스에서 직접 운영하는 앱들을 구매할 수 있는 포털이다. 지멘스뿐만 아니라 전 세계 고객들이 만든 앱을 확인하고, 필요한 앱을 구매해서 사용할 수 있는 허브다.

Industrial Edge Management는 현장에 설치 되어있는 모든 장치, 어플리케이션 및 사용자를 관리하는 제어 판넬의 역할을 한다. 등록되어있는 앱에 대한 업데이트나 관리를 일괄적으로 처리하는 등의 유용한 기능이 가능하다. 동영상을 통해 엣지 매니지먼트에서 다른 나라에 있는 각 공장의 설비를 선택해서 일괄적으로 관리가 가능하다는 것을 보여줬다.

Industrial Edge Runtime은 엣지 디바이스에 설치되어 있으며, 다양한 모든 종류의 앱 간에는 데이터버스를 통해서 상호 연결되고 통합할 수 있는 개방성을 가지고 있다. 또한 산업용 통합 보안 기능과 사용자 관리 기능도 포함되어 있다.

Industrial Edge가 실제 제조현장에 적용되어 있는 사례가 동영상으로 소개됐다.

첫 번째는 독일 지멘스 암벡 공장의 분산IO 제품 조립라인에 엣지가 적용이 된 사례다.

다음은 SAM(Speech Assistant for Machines) 으로, 이것은 장비에서 AI 음성인식 시스템을 가능하게 만들어보면 어떨까 하는 고민에서 나왔다. 요즘 소비재 제품에서 음성인식 AI 시스템이 많이 나오고 있는데, 이러한 것들이 조만간 인더스트리얼 엣지 앱 형태로 제공이 될 것이다.

지멘스는 특히 자동차회사들과 협업을 많이 한다. 폭스바겐 자동차는 생산성 향상을 위해 데이터 투명성 및 분석을 위해 지멘스의 AI 및 머신러닝 영역의 엣지 시스템 및 IoT 시스템을 실행하고 있다. 특히 용접과정에서의 품질개선을 위해서 데이터를 처리하고 현장 엣지에서 분석하여 클라우드단까지 전송을 한다. 이런 노력들은 계속적으로 추진될 것으로 보인다.

이어서 지멘스에서 생각하고 있는 인더스트리얼 엣지 생태계가 설명됐다.

클라우드 레벨에서 엣지 허브에서는 각종 엣지 소프트웨어와 시스템 업데이트 등의 정보를 제공한다. 공장레벨에서는 엣지 매니지먼트 시스템이 있어서 샵플로어의 관리를 책임진다. 이를 통해 개별 엣지 디바이스에서 필요로 하는 앱을 설치하거나 보안 업데이트, 펌웨어 관리 등의 기능이 가능하다. 필요한 경우에는 라인증설이 엣지 디바이스를 확장함으로써 유연하게 대처 가능하고 이러한 엣지 앱들은 전용 엣지 디바이스 뿐만 아니라 PLC, HMI 등의 자동화 장치에도 설치가 가능하며, 필요한 앱들은 사용자들의 요구에 의해 자유롭게 개발해서 사용할 수 있다. 이러한 모습이 지멘스에서 생각하는 인더스트리얼 엣지 에코시스템이다.

 

 

<그림9> Industrial Edge 생태계

 

 

 

 

. 다가오는 무선통신의 가능성과 고려사항-박주경 부장

 

 

정성엽 부장에 이어서 박주경 부장이 다가오는 산업용 무선통신의 가능성과 고려사항, 산업용 무선통신 기술과 사용법, 제반 고려사항을 주제로 발표를 진행했다.

무선통신의 기술은 선이 없는 장점으로 인해 산업계와 일반생활에서 많이 사용되고 있다. 그러나 구조물, 전파에 의한 간섭이라는 취약점 그리고 작은 대역폭, 지연이라는 이유 때문에 사용에 조심스러운 것이 사실이다.

다중접속, 넓어진 대역폭의 장점, 기존 어플리케이션에서 더 좋은 동작을 만들 수 있는 무선기술이 발달되면서, 앞으로는 더 많은 어플리케이션에서 무선을 적용할 수 있을 것으로 보인다.

 

1. 무선통신과 발전

 

현재 무선통신 기술이 적용되는 산업 어플리케이션에는 EMS, Lifter(수직이송), AGV나 스태커 크레인 같은 물류설비, 플랜트에서 1백 미터나 2백 미터 원거리 통신, 더 멀리 있는 원격접속을 이용한 리모트 액세스 기술이 있다.

Wifi-65G 기술이 발달되면서 앞으로는 모바일 장비나 일을 도와줄 수 있는 구글 카메라(구글렌즈), 백호울(Backhaul), 예를 들어서 태양광발전이나 수처리 시설처럼 원거리에서 통신을 하면서 관리를 해야 하는 시설물, 그리고 협업로봇, 자율주행로봇, 공장에 있는 설비의 데이터를 선이 없이 클라우드 등 상위로 올릴 수 있는 Assisted System에 적용이 될 수 있을 것으로 보인다.

 

이동 통신 기술의 발전

 

이동통신 표준의 진화는 70년대 첫 번째 표준개발로 시작이 됐다. 그 이후 거의 매 10년마다 크게 개선이 됐고, 모든 주요 단계에서는 수많은 새로운 이점을 가져왔다.

1G에서는 음성통화를 도입했고, 2G에서는 문자메시지를 도입했다. 3G에서는 모바일과 인터넷이 가능하게 됐고, 4G에 서는 모바일 스트림 및 IoT 기술을 도입했다. 마지막으로 5G에서는 고화질 스트림을 사용할 수 있게 됐다.

무선 LAN 기술은 1997년부터 시작이 됐다. 변조기술의 발달로 통신속도는 2Mbps에서 현재는 9608Mbps까지 높아졌다. IEEE802.11a, 802.11n, 802.11ac, 802.11ax가 있는데, 현재 시장에서 많이 사용하고 있는 802.11n은 와이파이 4세대, 802.11ac는 와이파이 5세대, 802.11ax는 와이파이 6세대 기술이라고 표현이 되고 있다.

Wi-Fi 6는 현재 사용되고 있는 Wi-Fi 4보다 이론적으로는 속도가 약 16배가 높다. 그리고 현재 Wi-Fi 6E 버전이 준비가 되고 있다. 이 익스텐션 버전은 지금 Wi-Fi 6 버전이 사용하는 5GHz에서 6GHz까지 영역을 넓힘으로써, 채널사용에 대해 조금 더 유리한 장점을 가지게 된다.

기존의 Wi-Fi 6 기술까지는 무전기를 사용할 때 한쪽에서 얘기하는 동안에는 반대쪽에서는 수신만 되는 것처럼 반 이중화 통신이었다. 그러나 Wi-Fi 7은 동시에 통화가 가능하다. 이를 풀 디플렉스(Full diplex)라고 하는데, Wi-Fi 6 에서는 속도도 빨라지겠지만 이런 풀 디플렉스의 기술을 사용함으로써, 좀 더 효율적이고 가능성이 더 높은 어플리케이션에 적용할 수 있게 된다.

 

 

 

<그림1> 이동 통신 기술의 발전

 

 

전자기파의 분류

 

<그림2> 전자기파의 분류

 

전자기파 중에서 과학적으로 기술적으로 사용할 수 있는 건 전파 스팩트럼 3kHz에서 300 GHz까지다. 이 중에 전파가 건물을 지나갈 수 있느냐, 지나갈 수 없느냐에 따라서 적용되는 기술에 차이가 있다. 인공위성, AM/ FM 래디오, TV, 핸드폰, 와이파이 이런 모든 기술이 이 해당 전파 스팩트럼에서 사용이 되고 있다,

전파 스펙트럼의 용도별 분류를 살펴보면 공공, AM 래디오나 GPS. 블루투스, 무선전화기, 기상청 라디오, 그리고 경찰에서 공익의 이익을 위해 사용하는 레이더 같은 경우가 비면허로 사용이 가능하다.

두 번째, 세 번째의 경우는 면허, 돈을 지불하고 사용해야 하는 경우로, 예를 들어서 지상파방송이나, 위성케이블 방송, 위성TV 방송 경우는 해당 방송 공급자가 해당 주파수를 사용하겠다고 돈을 지불하고 사용하는 형태로 이루어진다.

최근 2년 사이에 국내에서도 와이파이 면허를 이용하기 위해 KTSK 같은 이동통신사들이 해당 대역폭에 대해 구매를 했었는데 이건 대표적인 면허 주파수다.

 

<그림3> 전파 스펙트럼 – Wifi & 사설 5G

 

전파 스팩트럼을 모아놨을 때는 우리가 사용하고 있는 주파수는 다양하게 존재를 하는데, 우리가 가장 많이 사용하고 있는 것은 중간 부분이다. Wifi2.4GHz5GHz를 사용하고 있고, 사설 5G, Sub 6 같은 경우는 3.8GHz, 사설 5G36GHz 대역이다. 선진국의 경우에는 사설 5G에 대해 어느 정도 정리가 됐고, 국내는 해당영역에 대해 사용하는 것을 검토 중이다.

무선통신 기술의 거리와 속도를 비교해 보자.

보여주고자 하는 것은 WLAN 와이파이 기술과 사설 5G 기술이다. 사설 5G의 경우는 수백미터부터 수키로미터까지 커버가 가능하고, 와이파이 기술은 수백미터 미만이다. 따라서 해당용도에 맞춰서 선택을 해야 한다. 블루투스나 지그비, UHF 기술의 경우는 백미터 미만이다.

 

 

<그림4> 무선 기술의 거리 및 속도 비교

 

 

2. 5G ‘release 16’이 필요한가?

 

현재 우리가 사용하고있는 것은 5G에서 릴리즈 15버전이다.

5G의 주요 특성은 크게 대역폭, 연결된 장치의 개수, 지연/신뢰성 이 세 가지다.

이 전체적인 내용을 다 사용할 수 있는 것이 아니라 각 릴리즈 버전 그리고 칩 메이커들이 어떤 식으로 만드느냐에 따라서 사용할 수 있는 부분들은 약간씩 차이가 있고, 제한이 있을 수 있다.

예를 들어서 퍼블릭 이동통신사가 사용하는 모바일은 높은 속도와 한꺼번에 연결될 수 있는 장치의 개수가 중요하다. 그러나 산업용의 경우에는 많은 클라이언트와 스테이션이 연결되는것도 중요하고 대역폭도 중요하겠지만 지연/신뢰성 부분이 우선돼야 한다.

산업용 어플리케이션 별로 요구하는 네트워크 기술의 특성의 차이가 있다. 예를 들어서 공정자동화의 클로즈 루프 컨트롤의 경우에는 매우 낮은 지연율을 요구하고 있고 좀 더 많은 개수의 장비 연결이 필요하다. 그리고 HMI 경우에는 이와 달리, 보다 넓은 대역폭을 이용해서 정보를 많이 받고 뿌리는 형태다.

이런 산업에서 요구되는 특성의 교집합이 5G 릴리즈 16버전에서 구현이 될 예정이다.

 

<그림5> 5G 의 주요 특성

 

 

<그림6> 네트워크 요구 사항에 따른 어플리케이션 분류

 

<그림7> 5G 릴리즈 16 및 17, 18 버전 구분

 

 

왜 산업용 통신을 하기 위해 Release 16을 기다려야 하나? 산업에 적용하기 위해서는 10ms 미만의 지연과 신뢰성이 필요하기 때문이다.

<그림7>16버전을 포함해서 17, 18버전 별로 구분해 놓은 표다.

저지연은 릴리즈 16버전부터 일부 만족을 할 것이고, 17버전부터는 완벽하게 만족을 하게 될 것이다. 지멘스에서도 향후 2~3년 내에 16버전을 기준으로 사설 5G 장비를 준비하고 있다.

 

3. Wifi-6 : Wifi-6 기술과 Scalance WxM766 시리즈

 

지난 5월에 Wifi-6 기술을 기본으로 한 스케일런스 기술이 출시가 됐고, 해당제품은 국내에서도 인증을 준비 중이다.

 

Wi-Fi 6/ IEEE 802.11ax 표준 장점

 

Wi-Fi 6 표준의 첫 번째 장점은 OFDMA(Orthogonal FrequencyDivision Multiple Access)라고 해서 동시에 여러 개의 장치가 통신을 할 수 있다는 것이다. 기존에 와이파이 4세대 기술은 한 번에 한 개의 장치만 통신을 했었는데, 지금은 이동식에서 사용하고 있는 OFDMA 기술이 와이파이 6세대 기술에 도입이 되면서 동시에 여러 개의 장치와 통신하게 됐다. 두 번째 장점은 Downlink(DL)uplink(UL)multi-user(MU)가 사용할 수 있는 MIMO 방식이 도입이 됐다는 것이다. 세 번째 장점은 공간을 재사용할 수 있는 다른 채널의 신호를 구분하고 관리하는 BSS에 해당내용의 정보를 실어서 보낼 수 있는 기술(Spatial reuse)이 도입이 됐다는 것이다.

그리고 속도와 가장 관련이 있는 1024-QAM-높은 통신속도를 위한 변조방식-이 도입되면서 지금과 같은 높은 대역폭을 사용할 수 있게 됐고, 특별히 이동식 장비에 좋은 기능 중의 하나가 에너지절감 기능이다. AGV나 자율주행로봇이 사용하지 않고 정지해 있을 때 PC에서 사용하고 있는 절전모드를 도입하게 되면서, 해당 장비의 하위에 있는 컨트롤러들의 전원을 차단한다든가, 무선통신만 살아있고 무선통신 자체도 최대한 낮은 전력소모를 한다든가 함으로써 에너지를 절감할 수 있다.

  <그림8> Wi-Fi 6/ IEEE 802.11ax 표준 장점

 

 

핵심 기술: OFDMA를 이용한 Multi-user 기능

 

기존 IEEE 802.11 표준은 하나의 무선 채널당 11 통신밖에 안됐었는데, 와이파이 6세대 기술인 IEEE 802.11ax는 하나의 채널에서 9개 서브채널(Resource Unit)을 나누어 동시에 통신이 가능하다. 따라서 한 번에 하나의 AP9개의 클라이언트와 동시에 통신을 한다. 단 동시에 9개라고 하지만, 이건 실제로 칩을 가져다가 어떤 식으로 제품을 만드느냐에 따라서 9개가 될 수도 있고 4개가 될 수도 있고 차등은 있기 때문에, 제품을 선택할 때 해당부분에 대해 확인하고 사용을 해야 한다.

 

와이파이 4세대 기술과 와이파이 6세대 제품의 비교

 

 

<그림9> SCALANCE WAM766-1 – W778-1 M12 기술비교

 

 

<그림9> 왼쪽 WAM766-1이 와이파이 6세대 제품이고, 오른쪽의 W778-1 M12가 와이파이 4세대 제품이다.

데이터 량에서 새로 나온 와이파이 6세대 제품은 1201bps를 사용할 수 있고, 기존제품은 450bps로 두 배 이상 차이가 있다.

지연은 새로 나온 제품은 초기모델이라 지연을 줄일 수 있는 iPCF 기능이 빠져 있다. 따라서 기존제품보다는 지연부분에서 단점이 될 수 있지만, 일년 내에 도입을 할 예정이라 일년 후에는 기존제품과 비교했을 때 지연이 낮지는 않을 것이다.

클라이언트 개수는 동시에 통신할 수 있는 방식이기 때문에, 클라이언트 개수는 더 늘어날 것이다.

보안의 경우 기존에는 WPA2를 사용했었는데, 새로 나온 제품은 WPA3가 들어오게 된다.

그리고 사용하지 않을 때 절전모드로 돌입하는 기능을 와이파이 6 제품은 지원을 하고 있고, 4세대는 지원을 하고 있지 않다.

 

와이파이6 적용 사례

 

지멘스 와이파이 6 기술의 적용사례가 소개됐다.

 

(1) 열차 이중화 연결

첫 번째는 런던 지하철에 사용된 예다. 유럽은 열차에 지멘스 무선제품을 많이 사용하고 있다. 이 사례의 프로젝트명은 DTUP Deep Tube Update Program으로, 고객은 기존에 와이파이 4 제품을 사용하고 있었는데, 중앙관제센터(OCC)와 열차 간의 데이터 전송의 이중화를 위해서 와이파이 6가 사용됐다.

철도 인증이 있는 SCALANCE WAM766-1 M12 EEC를 사용했으며, 병렬접속 이중화를 만들 수 있는 PRP 기술을 근간으로 하는 iFeature iPRP 기능을 이용해서 이중화를 구현할 수 있었고, 하나의 물리적 인프라에 두 개의 분리된 가상 네트워크를 사용했다. 또 무선을 관리하기 위해 네트워크 모니터링을 할 수 있는 네트워크 매니지먼트 시스템(SINEC NMS)을 같이 사용하고 있다.

 

<그림7> 와이파이 6룰 열차 이중화 연결에 적용한 사례

 

 

(2) 채광

마이닝 사례다. 지멘스는 대형 지하 채광현장의 인테넷 접속, 원격 접속, IoT, CCTV, AGV 사용을 위한 Wi-Fi와 관련해서 제품을 공급하고 테스트를 하고 있는 중이다.

채광현장은 깊고 유선을 깔기에는 쉽지 않은 환경이다. 현재 핸드폰 접속이라든지 IoT, CCTV가 달려있는 소형 자동차를 이용한 상태로 사용을 하고 있는데, 차후에는 무거운 짐을 이송하는 AGV 및 이동하는 현장설비 카메라가 있는 부분에서 원격접속으로 사용할 수 있는 커다란 대역폭을 이용해서 사용할 수 있는 어플리케이션이 추가될 예정이다.

 

(3) 이동식 장비를 위한 절전모드와 DI/DO

현재 지멘스 DI FA사업에서 테스트하고 있는 사례다.

AGV, AMR과 같은 이동식 장비의 충전 없는 미사용 시간 동안 절전모드가 적용이 됐다. SCALANCE WUM766-1 WLAN 디지털 출력 (DO)를 이용하여, 이동식 장비 내 드라이브나 컨트롤러 등 모든 제어장치의 전원을 차단할 수 있고, SCALANCE WUM766-1의 에너지 소비를 없애기 위해 절전모드로 작동한다. 절전모드에서의 전력 소모는 15mA @ 24.

 

(4) PROFINET

베를린에 위치한 Freiberger Lebensmittel 사에서는 중앙 PLC와 소량의 PROFINET 노드 간 중간 업데이트 시간 PROFINET 통신과 관련해서 테스트를 하고 있다.

이동 장치에 SCALANCE WUM766-1 WLAN clientSCALANCE WAM766-1 access point 통신을 사용하고 있으며, 차후 펌웨어 업데이트와 iPCF를 이용해 PROFINET cycle times을 개선할 예정이다.

현재 초기 단계라 iPCF 기능이 없기 때문에 제한적으로 사용하고 있으나, iPCF 기능이 도입되면 프로피넷 사이클타임이 개선될 예정이라, 더 넓고 더 많은 어플리케이션에 적용이 가능할 것으로 보인다.

 

4. 무선통신의 취약점 및 고려사항

 

 

<그림8> 전파 스펙트럼

 

 

앞서 설명한 것처럼, 무선통신이 개발되었다고 하더라도 구조물이나 전파에 의한 간섭은 피할 수가 없다.

현재 사용하고 있는 와이파이나 사설 5G의 경우는 <그림8>과 같이 중간영역에 있다. 그래서 먼 거리를 갈 수 없고 다른 전파에 의해 간섭을 받을 수 있기 때문에, 처음에 프로젝트나 어플리케이션을 고려할 때 어떤 식으로 무선채널을 사용할 것이며 간섭이 없게 해야 되는지부터 시작을 해야 전파의 간섭이라든지 예상치 못했던 문제에서 탈피할 수 있다.

간섭영향을 일반적으로 사용하는 와이파이 안테나를 기준으로 설명을 하면, 일반적으로 집에서 사용하는 아이피타임 등의 안테나 자체가 데이터를 송신할 수 있는 이론적인 거리는 약 300m. 그러나 안테나가 벽면이나 구조물에 설치되는 순간 스스로 반사가 일어나기 때문에, 실제로 길이는 절반 정도로 줄어든다. 그리고 중간에 어떤 턱이나 벽 같은 구조물이 있는 경우에는 더 짧은 거리로 줄어들게 든다. 거기다가 동일한 채널을 사용하는 주변의 아이피타임이나 다른 무선장비가 있으면 채널중복에 의해서 반 정도 거리가 손실된다. 실제적으로 유용패킷을 달아봤을 경우는 100m 미만의 거리만 나갈 수 있는 구조다. 이처럼 이런 구조물에 의한, 다른 무선에 의한 간섭이 많기 때문에, 어플리케이션을 계획할 때 이런 부분에 대해 고려를 한 후에 시작을 해야 차후에 문제가 발생하지 않는다.

이에 대해서 지멘스에서는 산업용 무선 프로젝트의 실행 공정을 가지고 설명을 한다.

1. 무선계획. 거리나 주변, 주파수에 대해 고려한 구성계획 2. 거기에 맞는 제품선정 3. 그 이후의 실제 현장조사 4. 현장조사 이후의 무선계획 수정 5. 시운전 전에 현장조사 6. 시운전이 완벽하게 잘 끝났을 경우에 해당상황에 대해 무선기록을 하는 6가지 단계를 제안한다.

 

요약

 

무선통신 기술은 계속 발전하고 있다. 5G의 경우는 현재 릴리즈 15이고, 16, 17, 18까지 계속 버전이 나올 예정이다. 와이파이 66지만, 6E버전과 7세대 와이파이 7 기술이 나올 예정이다.

무선통신의 발전으로 적용할 수 있는 경우가 더 많아졌다. 구글 카메라든지 현장에서 생각하지 못했던 부분들이 하나둘씩 현실화 되고 있다.

5G 릴리즈 16 기술부터 산업용으로 적합하다.

어플리케이션 필요에 따라 기술을 차등 적용해야 한다. 무조건 와이파이 6가 좋다고 생각할 필요는 없고, 통신량이 그렇게 많지 않고 저지연이 필요하다고 하면 와이파이 4세대 기술을 사용해도 관계 없다.

기술의 발전에도 불구하고 무선통신의 취약점이 존재한다. 사용할 수 있는 무선주파수, 전파라고 하는 것은 제한되어 있기 때문에 무선의 취약점은 개선될 수가 없다. 그리고 무선 적용이 많이 지면서 취약점에 대한 인식과 거기에 대한 관리가 필요하다.

 

둘째날 행사에서는 이외에도 정성문 부장이 미래 자동화 네트워크를 위한 보안 서비스’, 유재형 과장이 전력 및 부하관리 더 간편하고 효율적으로라는 주제로 각각 발표를 진행했다.

 

 

 

최교식 기자
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