산업용 통신 프로토콜에 대하여

산업용 통신 프로토콜은 공장, 발전소, 빌딩 등 산업 현장에서 사용되는 다양한 장치들(PLC, HMI, 센서, 액추에이터, 인버터, 로봇 등)이 서로 데이터를 교환하고 제어 신호를 주고받기 위해 사용되는 통신 규약입니다. 일반적인 사무 환경과 달리, 산업 현장은 실시간성, 높은 신뢰성, 열악한 환경(노이즈, 온도, 진동 등)에 대한 강인성 등이 중요하게 요구됩니다.

 

주요 산업용 통신 프로토콜은 다음과 같이 분류할 수 있습니다.

 

1. 필드버스 (Fieldbus - 시리얼 기반)

디지털 시리얼 통신 기반으로, 과거 아날로그(4-20mA) 신호 전송을 대체하며 널리 사용되었습니다. 현재도 특정 분야나 기존 설비에서 많이 사용됩니다.

• Modbus RTU: 구현이 간단하고 로열티가 없어 매우 광범위하게 지원됩니다. 마스터-슬레이브 방식으로 동작하며, 주로 저속/간단한 데이터 교환에 사용됩니다.
• PROFIBUS DP: 고속(최대 12Mbps) 통신이 가능하여 공장 자동화(FA) 분야에서 널리 사용되었습니다. 특히 Siemens PLC 환경에서 많이 쓰였습니다.
• DeviceNet: CAN 프로토콜 기반으로, 높은 노이즈 내성과 네트워크 전원 공급 기능(일부)을 특징으로 합니다. Rockwell Automation(Allen-Bradley) PLC 환경에서 주로 사용됩니다.
• CC-Link: Mitsubishi Electric 중심으로 개발되어 아시아 지역에서 높은 점유율을 가지고 있으며, 비교적 고속 통신을 지원합니다.

2. 산업용 이더넷 (Industrial Ethernet)

표준 이더넷(IEEE 802.3) 기술을 기반으로 산업 환경의 요구사항(실시간성, 결정성, 신뢰성 등)을 만족시키도록 발전된 프로토콜입니다. 현재 신규 시스템 구축의 주류를 이루고 있습니다.

• Modbus TCP: Modbus 프로토콜을 TCP/IP 이더넷 네트워크 상에서 사용하는 방식으로, 가장 보편적이고 구현이 쉽습니다. 실시간성은 보장되지 않습니다.
• EtherNet/IP™: ODVA에서 관리하며, 표준 이더넷 상에서 CIP(Common Industrial Protocol)를 사용합니다. 실시간 데이터(Implicit Messaging)와 비실시간 데이터(Explicit Messaging)를 모두 지원하며, 북미 및 전 세계적으로 널리 사용됩니다. IGMP 스누핑 기능이 있는 관리형 스위치가 권장됩니다.
• PROFINET®: PI(PROFIBUS & PROFINET International)에서 관리하며, 표준 이더넷을 사용하지만 실시간 통신을 위한 메커니즘(RT, IRT)을 제공합니다. 특히 고속 모션 제어 등 높은 실시간성이 요구되는 애플리케이션에 적합하며, 유럽을 중심으로 전 세계적으로 널리 쓰입니다.
• EtherCAT®: Beckhoff에서 개발했으며, "Processing on the fly" 방식으로 매우 높은 속도와 정밀한 동기화(마이크로초 단위)를 제공합니다. 고성능 모션 제어 및 I/O 제어에 탁월한 성능을 보입니다.
• CC-Link IE: Mitsubishi Electric의 산업용 이더넷으로, 기가비트 통신 기반의 CC-Link IE Field, 컨트롤러 간 통신용 CC-Link IE Control, TSN 기술을 접목한 CC-Link IE TSN 등이 있습니다.
• POWERLINK: 오픈 소스 기반의 고속 실시간 이더넷 프로토콜입니다.

3. 무선 산업용 통신 (Wireless Industrial Communication)

배선이 어렵거나 이동성이 필요한 장치에 적용됩니다.

• WirelessHART, ISA100 Wireless: 공정 자동화(PA) 분야에서 주로 사용되는 저전력 무선 센서 네트워크 기술입니다.
• 산업용 WLAN (Wi-Fi): 이동형 HMI, AGV, 설비 모니터링 등에 사용이 증가하고 있으나, 신뢰성 및 보안 설계가 중요합니다.
• 셀룰러 (LTE/5G): 원격지 설비의 광역 모니터링 및 제어, Private 5G(이음 5G)를 통한 스마트 팩토리 내 고속/저지연 통신에 활용됩니다. (2025년 현재 주요 동향)

4. IIoT / Industry 4.0 관련 프로토콜

스마트 팩토리 구현을 위해 설비(OT) 데이터와 정보(IT) 시스템 간의 연동 및 클라우드 연결에 중요하게 사용됩니다.

• OPC UA: 플랫폼 독립적이고 안전하며 확장 가능한 데이터 교환 표준입니다. Industry 4.0 및 스마트 팩토리의 핵심 통신 기술로, 수직적 통합(설비-상위 시스템) 및 수평적 통합(M2M)에 필수적입니다.
• MQTT: 경량의 발행/구독 메시징 프로토콜로, 센서 데이터 등 IIoT 데이터를 클라우드 플랫폼으로 전송하는 데 널리 사용됩니다.

산업용 통신 프로토콜 선정 시 주요 고려사항

1. 실시간성 및 결정성(Determinism): 제어 주기가 얼마나 빨라야 하는지, 정해진 시간 안에 데이터 전송이 보장되어야 하는지 여부 (예: 모션 제어).
2. 대역폭(Bandwidth): 전송해야 할 데이터의 양 (단순 상태 정보 vs 대용량 비전 데이터).
3. 신뢰성 및 강인성(Reliability & Robustness): 통신 오류 발생 빈도, 노이즈 환경에서의 안정성, 네트워크 이중화(Redundancy) 필요성.
4. 토폴로지 및 거리(Topology & Distance): 네트워크 구성 방식(스타, 라인, 링 등), 통신 거리(수십 m ~ 수 km). 광케이블 사용 여부.
5. 상호운용성 및 벤더 지원(Interoperability & Vendor Support): 연결하려는 장비들이 해당 프로토콜을 지원하는지, 여러 제조사 장비 간 호환성, 기술 지원 및 엔지니어의 숙련도.
6. 보안(Security): 네트워크 접근 제어, 데이터 암호화 등 보안 요구 수준.
7. 비용(Cost): 하드웨어(통신 카드, 스위치 등), 소프트웨어/라이선스, 엔지니어링 및 유지보수 비용.

최신 동향

• 산업용 이더넷의 강세: 신규 시스템은 대부분 산업용 이더넷 기반으로 구축됩니다.
• TSN (Time-Sensitive Networking): 표준 이더넷 상에서 실시간성과 결정성을 보장하기 위한 기술로, 여러 산업용 이더넷 프로토콜에 통합되거나 자체 표준으로 부상하고 있습니다.
• OPC UA 및 MQTT의 중요성 증대: Industry 4.0 및 스마트 팩토리 구현을 위한 OT-IT 통합, 클라우드 연동에 핵심적인 역할을 합니다.
• 무선 기술 및 Private 5G 도입 확대: 유연성 증대 및 새로운 애플리케이션 적용을 위해 무선 기술과 Private 5G(이음 5G)에 대한 관심과 도입이 증가하고 있습니다.

 

결론적으로, 산업용 통신 프로토콜은 자동화 시스템의 성능과 효율성, 확장성을 좌우하는 중요한 요소입니다. 따라서 시스템의 요구사항, 연결 장비, 환경 조건, 미래 확장 계획 등을 종합적으로 고려하여 가장 적합한 프로토콜(또는 여러 프로토콜의 조합)을 신중하게 선택해야 합니다.