TI의 산업 이더넷에 대한 혁신은 향상된 산업 커뮤니케이션으로의 새로운 가능성을 열어주었다.

세계 전역을 걸쳐 제조 자동화의 발전이 이루어지고 있다. 네트워킹 분야의 새로운 정교화는 공장 작업장에 더 빠르고, 유연한 커뮤니케이션을 가져다 주어 제조자들이 더 효율적으로 생산하고 빠르게 변하는 시장환경에 더 잘 대응할 수 있도록 해준다. 한때 고립되어 있었던 통제 네트워크는 이제 프런트오피스와 현장에 연결되어 실시간으로 생산에 영향을 줄 수 있는 데이터를 가져온다. 이 변혁은 종종 “스마트팩토리”로 불리며 이것이 의미하는 바는 혁신적이다. 이것이 의미하는 바는 너무 커서 독일에서 시작된 이니셔티브는 증기기관, 대량생산, 자동화의 3가지 산업혁명을 잇는 동등한 중요성을 가진 이 제조의 새로운 시대를 “Industry 4.0”으로 명명했다. 미래의 스마트팩토리를 가능하게 하기 위한 기술혁신은 통제 지능과 하부구조에의 투자를 의미하며, 회사는 투자하기 전에 실질적인 투자 회수에의 확신이 있어야 한다. 발전된 자동화를 위한 새로운 솔루션은 커뮤니케이션을 향상시켜야 할 뿐만 아니라 비용 측면에서 감당할 수 있어야 한다. 오늘날 이러한 솔루션은 시장에서 나타나고 있다. 텍사스 인스트루먼트는 이 기술을 제공하는 데에 선구적인 역할을 하고 있으며 미래의 수요에 맞추기 위해 개발을 계속하고 있다. TI의 네트워크 통신 분야, 많은 장비 제조자들과의 업무 관계, 규격 구조에의 참여는 이 회사가 공장 자동화를 위한 발전된 네트워크에 필요한 회로를 만드는 분야에 잘 자리잡고 있음을 알려준다. 산업 커뮤니케이션에 혁신과 이익을 가져다 줄 중요한 솔루션은 이미 TI에 의해 나타나고 있다.

무엇이 현재 제조에 혁신을 가져오고 있는가? 스마트 팩토리가 가진 장점은 많지만, 그 중에서도 가장 큰 장점은 이제 전세계가 네트워크로 연결되었고, 공장들은 사용 가능한 정보에서 더 큰 이익을 얻게 될 것이라는 사실이다. 많은 회사들은 데이터베이스를 이용해 소비자 선호와 제품의 성공과 실패, 배송 정보, 수리와 유지 피드백, 자재 보유량의 변화와 디자인과 제조에 영향을 끼치는 다른 요소 등을 이해할 수 있을 것이다. 이러한 정보는 이전부터 회사 절차에 스며들어 생산에 간접적으로 영향을 끼쳤다. 네트워크를 동해 자동화된 공장으로 직접 이 정보를 보내면 어떨까? 만약 판매 정보가 56퍼센트의 소비자가 녹색 제품을 선호하고 44퍼센트의 소비자가 적색 제품을 선호한다고 나타냈을 때, 네트워크 자동화로 생산 비율을 즉시 바꿀 수 있음에도 50-50 생산을 바꾸는 데에 일주일을 소모할 것인가?

발전된 통신은 복잡한 오늘날의 제조에서 필수적인 요소이다. 예를 들어 자동차 공장은 100,000개가 넘는 전자 통신을 필요로 하는 노드를 가지고 있다. 이러한 모터, 센서, 실행기, 카메라, 스캐너, 로봇과 다양한 통제 장비는 생산성을 극대화시키고 비용을 최소화시키기 위해 조정되어야 한다. 공장 작업 현장에서의 정교한 통신은 기계들이 가능한 한 많은 시간 동안 가동될 수 있도록 문제를 빨리 보고할 수 있다. 스마트팩토리는 더 많은 양의 더 다양한 제품을 생산할 수 있고 각 제품마다 더 적은 전력을 사용한다. 크게 보았을 때, 비용 효율은 에너지 효율로 이어지고 공장 설비간의 더 정교한 통신과 제어는 제조과정을 더 저렴하고 친환경적으로 만들어준다.

제조자들은 그들의 장비에 네트워크에 연결된 제어 시스템을 수년간 도입하려 노력해왔으나 기술과 시장 환경은 이러한 독점적이고, 종종 호환되지 않는 네트워크가 이제 상호 연결되어야 하고 더 중앙화된 통제에 반응해야 함을 의미한다(Figure 1). 데이터 네트워크에 가장 많이 선택된 이더넷 또한 산업 통신에 적합하다. 이더넷은 쉽게 이해되고 지지되며 넓은 범위의 주소를 제공하고, 많은 장비에서 사용되던 구식 시리얼 통신보다 높은 비트레이트의 전송으로 더 정교한 통제가 가능하다. 이더넷의 사용은 공장과 데이터 네트워크 사이의 인터페이스를 단순화시키며 이는 발전된 자동화의 특징이다.

그러나 산업 이더넷은 이것의 적용 요구사항에 맞추기 위해 변형되어야만 한다. 결정론적인 데이터 전달, 시간에 의해 유발된 이벤트에 대한 지원, 거리에 구애받지 않는 공장간 연결, 안전과 신뢰성을 보장하는 토폴로지와 같은 요소들은 산업 이더넷을 위해 특화되었다. 지금까지, 장비 제조업자들은 이러한 특징을 맞추기 위해 그들만의 방법을 찾아왔는데 이것은 제조과정에서 필수적이다. 해결해야 할 문제는 이미 산업 전반에서 쓰이고 있는 이더넷 실행의 개발을 단순화시킬 수 있는 많은 기본적인 하드웨어와 소프트웨어 기술과 함께 통신과 기존의 시리얼 네트워크를 도입하는 것이다.

충돌 감지와 재전송에 의지하는 패킷 전송과 함께, 전통적인 이더넷은 특정한 타임프레임에 의존하지 않는 비결정론적인 전달 메커니즘을 제공한다. 그러나 장비간의 패킷 통신은 결정론적으로 작동해야 하며 좁게 정의된 시간 제한을 가져야 한다. 예를 들어, 벨트에 의해 움직이는 조립 라인의 모터들은 종종 생산라인의 센서에 의한 시간에 따른 투입 조화를 이루며 행동해야 하고, 그렇지 않으면 전체 생산 라인의 흐름이 붕괴될 수 있다. 산업 이더넷이 결정론적 전달을 요구하기 때문에, 개발자들은 패킷 플로우와 스케쥴링을 조정하기 위해서는 특정 데이터 링크 레이어의 경계에 접근 권한이 있어야 한다. 데이터 링크 레이어에 대한 이러한 “hook”는 프로그래밍 전송이 나노초 단위로 가능하게 해야 하며 메시지가 가늠할 수 없는 지연이 없이 보내고 수신될 수 있게 해야 한다.

산업 전반에서 많은 일들은 시간에 구애받는 경우가 많아서 데이터 처리 속도가 명시되어야 한다. 이러한 사건들에서 요구되는 정밀한 시간의 명시는 생산 프로세스의 소요 시간이 더 신경써서 정의되어야 하고, 더 높은 생산 산출로 이어져야 함을 의미한다. 결정론적인 전송 시간을 제공하는 것을 떠나서 위에 언급한 것처럼 산업 이더넷을 위한 솔루션은 특정 수의 센서로부터 데이터를 읽는 것 등 시간에 구애받는 사건의 명시가 필요하다.

제조 작업은 시간과 물리적인 상호 연결에 엄격한 요구사항을 가진다. 이더넷 거리는 노드 사이에 100미터까지 가능하며 이것은 이미 널리 사용되고 있는 Control Area Network (CAN) bus의 한계인 40미터보다 더 길다. 이더넷은 제조 공장의 요구에 맞추기 위해 이 거리를 160까지 늘렸고 다른 건물이나 외부의 장비까지도 범위에 포함시킬 수 있다.

추가적으로 공장 설비의 네트워크는 안정하고 신뢰할만한 운영을 위해 몇 가지 다른 데이터 네트워크 토폴로지의 설정이 요구된다. 예를 들어 생산 라인을 돌리던 모터는 전통적으로 라인 토폴로지에 연결되어 왔는데 모두가 마스터 제어 유닛에 의해 제어된다. 어떠한 두 모터간의 통신 두절도 제어 유닛으로부터 모든 하부 모터로 통하는 통신을 차단하고 문제점이 고쳐지기 전까지 효과적으로 전체 라인을 멈춘다. 산업 이더넷은 각 노드에 양방향의 포트가 있는 링 토폴로지를 지원하고 단방향의 패킷 충돌을 막고 잉여 데이터를 링의 다른 방향으로 동시에 흐르게 한다.

보통의 링 기반 운영에서 노드는 한 방향에서 오는 패킷에 반응하고 다른 방향에서 오는 잉여 패킷은 무시한다. 두 노드 사이의 링 균열에 의해 긴급한 문제가 생기면 제어 시스템은 계속 같은 데이터를 각 방향으로 균열 지점까지 보낼 수 있다. 예를 들어 생산라인에서 균열의 한쪽에 있는 모터는 여전히 오는 데이터를 수신할 수 있고 균열의 반대쪽의 모터는 여전히 반대 방향에서 오는 데이터를 수신할 수 있다. 따라서 모든 모터는 계속해서 작동할 것이고 생산 라인은 멈추지 않을 것이다. 산업 이더넷은 안전성과 신뢰성이 크게 중요하지 않은 라인 토폴로지, 노드와 서브넷이 모두 중앙 시스템에 직접 연결되어야 하는 별형 토폴로지, 종속관계가 부적절할 때 사용되는 동등관계의 배열을 지원한다.

마지막으로, 산업 이더넷을 지원하기 위한 결합된 회로 솔루션은 실용적인 적용을 위해 몇 가지 특징을 제공한다. 산업 시스템에는 100개가 넘는 네트워크 프로토콜이 있으며 그중 다수는 연속된 네트워크 프로토콜에 기반한 기준을 따른다. 29개의 프로토콜은 이더넷 기반이며 위에 언급했던 몇가지 이슈를 다루기 위해 어느 정도의 고유 공학이 내재해있다.

오늘날의 산업 통신 시장에 제공하기 위해서는 IC 솔루션과 관련 소프트웨어가 보통 현존하는 프로토콜에 존재하는 기본 기술을 제공하야 하며 장비 제조자들이 그들의 지적 재산을 사용하는 시스템 안에 장비를 만들어야 한다. 게다가, 다중 프로토콜은 한 공장 안에 사용될 수 있으며 이는 오래된 연속 통신이 새롭게 배치된 산업 이더넷과 함께 존재할 때 더 두드러진다. 따라서 IC 솔루션은 한 디바이스 안에서 다중 프로토콜을 지원할 능력이 있어야 하고 레가시 장비들과 통신하고 현재의 제어 환경에서 계속 작동할 수 있게 하는 수단이 필요하다.

지금까지 고유 프로토콜과 경쟁하는 것은 전자제품의 통제에 산업 이더넷을 더하는 것이 독립된 모듈 또는 컨트롤러로부터 독립적인 FPGA나 ASIC 을 요구함으로써 시스템의 크기, 비용, 필요한 전력을 높인다. TI의 AM335x “Sitara” 마이크로프로세서(Figure 2)는 산업 이더넷을 위한 코어와 주변부, 플렉서블 하드웨어 지원을 하나의 디바이스에 결합함으로써 이 문제를 해결했다. 높은 성능과 결합 때문에 마이크로프로세서로 분류되었지만 AM335x는 마이크로컨트롤러 유닛에의 사용편의성을 제공한다. 이 디바이스의 특징은 결합된 Industrial Communication Subsystem (ICSS)이며, 이것은 TI의 결정론적 전달을 위한 고속 네트워크 통신 분야의 전문성으로부터 도움을 받고, 서로 다른 레가시 프로토콜과 고유 프로토콜의 보완을 위해 개방된 지적 재산을 제공한다.

자동화 장비에 단일 칩 마이크로프로세서의 산업 이더넷 솔루션이 가져온 혁신은 과장하기 어렵다. 이전에 제어 전자공학 기술이 보드 위에서 이루어졌다면 지금은 센서나 실행기 같은 작은 장비의 내부에도 포함될 수 있다. 이 디바이스는 기존에 다양한 칩에 사용 가능했던 솔루션의 비용의 작은 부분이다. 비록 전력의 실질적인 절약은 공장 자동화를 가능하게 하는 추가적인 전자기기 제어에서 비롯될 것이나 AM335x의 전력 요구량은 7 밀리와트 정도로 낮다.

더 작고, 덜 비싼 제어와 하이엔드 통신은 programmable logic controllers (PLCs), human machine interfaces (HMI), 산업용 드라이브와 센서, 공정과 시야 센서와 같은 주요 장비를 포함한 모든 기계에 가능해질 것이다. 제조업자들은 지금까지 그래왔던 것보다 더 많은 기능을 자동화 할 수 있을 것이며 생산을 더 빠르게, 더 유연한 생산량과 더 안전하고 신뢰성있는 프로세스를 통해 할 수 있다.

공장 바깥에서는 많은 적용이 일어나고 있다. 산업 이더넷은 속도, 신뢰성, 안전과 거리 등을 포함한 고려 사항이 많은 선적용 선박, 기차, 트럭 등의 큰 용량의 운송수단에게 소구한다. 거리는 고려 요소가 아닌 자동차에서도 속도와 신뢰성 때문에 산업 이더넷은 CAN과 같은 기존의 네트워크를 대체하고 있다. 자동차의 네트워크에 더 많은 모니터링 정보와 제어 정보가 전달될수록 더 많은 와이어와 기계적인 연결이 제거되어 차량이 더 가볍고 연료효율이 높게 만들 수 있다.

산업 이더넷은 큰 규모의 설치산업에도 적용사례를 가지고 있다. 전형적인 테마파크를 예로 들면, 전기적 통신을 필요로 하는 노드가 수만 개가 있고, 카지노를 가진 큰 호텔의 경우에도 비슷한 수의 연결이 있다. 변전소와 산업용 공급 시설의 스마트 그리드 통신도 전력 과부하의 예방과 탈중앙화된 신재생에너지 설치로 더 나은 에너지 분배를 이룰 수 있다.

발전된 센서들은 정교한 환경 상호작용과 기능성의 확대를 위해 TI의 기술에 의한 무선 센싱 노드를을 제공하기 위해 이러한 장비에 부착되고 있다(하지만 산업 이더넷에 의한 신뢰성 담보는 되지 않는다). 스마트팩토리들은 TI의 반도체 기술 발전에 기반한 산업 이더넷 적용의 한 사례일 뿐이다.

산업 자동화의 새 시대가 정말로 혁신이건, 아니면 혹자들이 말하듯 그저 단순히 진화적인 발전이건, 산업 자동화가 장비 통신에 중요한 새 지평을 열고 있는 것은 사실이다. 산업 이더넷을 사용함으로써 공장들은 산출물의 양과 종류를 늘리고, 더 안전하고 에너지 효율적으로 운영할 수 있다. 운송수단, 자동차 시스템, 전력 분배와 건설 등의 다른 분야 또한 같은 통신 기술로 이익을 얻고 있다. 산업 통신이 혁신적인 속도로 발전할 때 TI 기술은 가속도를 더하고 있다.