5G 통한 EtherNet/IP와 CIP 세이프티 통신(3편)

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이번 호에서는 CIP Safety의 5G 전송 측정 구성 및 조건을 설명하고, 제조 장비 간 5G 기반 CIP Safety 통신 평가 결과에 대해서도 함께 다룬다.

그림 1. 다중 전송(Multicast) 및 VPN을 통한 Safety Controller 간 5G 기반 CIP Safety 전송 측정 구성도

CIP Safety의 5G 전송 측정 구성 및 조건

측정 구성의 변형은 그림 1과 2에 제시돼 있다. 성능 측정 조건은 다음과 같다.

그림 2. 단일 전송(Unicast Only)을 통한 Safety Controller 간 5G 기반 CIP Safety 전송 측정 구성도

· CIP Safety 연결 수: 안전 라인 컨트롤러를 대상으로 하여 세 개의 안전 컨트롤러가 송신자로 동작하며, 반대로 각 안전 컨트롤러가 대상이 되고 안전 라인 컨트롤러가 송신자가 되는 형태로 CIP Safety 연결을 구성했다.

· EPI (CIP Safety 통신 주기): 안전 프로세스 통신의 EPI는 60ms로 고정 설정했다.

· 데이터 크기: 본 용도에 필요한 CIP Safety 패킷은 46바이트로 설정했다.

· 통신 부하: 실제 사용 환경을 시뮬레이션하기 위해, CIP Safety 통신 외에 표준 프로세스 통신을 통해 통신 부하를 추가했다. 각 안전 컨트롤러 간(안전 라인 컨트롤러 포함)에는 송신자와 수신자 역할로 각각 최대 12개씩, 총 24개의 표준 프로세스 통신 연결을 구성했다. RPI(Request Packet Interval)는 1ms, 5ms, 20ms, 50ms, 100ms, 200ms로 변화를 주며 부하를 가하고, CIP Safety 패킷의 손실과 지연 시간을 측정했다.

· 유선 LAN 측정: 측정을 위해 안전 라인 컨트롤러와 세 개의 안전 컨트롤러를 Ethernet 케이블로 L2 스위치(CISCO: CBS350-16T-E-2G-JP)에 연결하고, 패킷 캡처 방식으로 수행했다.

· 안전 반응 시간: 비상 정지 버튼을 눌렀을 때 연결된 전원 공급 장치의 전압이 떨어지는 시점까지의 반응 시간을 측정했다. 해당 측정은 비상 정지 회로와 안전 릴레이 회로 간(★→★)의 전압 변화를 오실로스코프로 측정했다. 시스템 구성 및 통신 흐름은 그림 3에 나타나 있다.

그림 3. CIP Safety 반응 시간 측정을 위한 시스템 구성 및 통신 흐름도

· 측정 횟수: ISO13855:2010 기준을 참고하여, 표준 편차를 사용하지 않고 최악의 시나리오 기준으로 10회 측정을 실시했다.

이와 더불어 CIP Safety over 5G 통신의 안정성을 검증하기 위해, 안전 라인 컨트롤러와 로봇 셀의 안전 컨트롤러 간 24시간 연속 통신 시험을 수행했다. 시험 조건은 아래와 같다.

· 타임아웃 조건: 타임아웃 임계값은 120ms로 설정했으며, 이는 Omron 안전 컨트롤러 기본 설정값인 EPI × 2에 해당한다.

· CIP Safety 연결 수, EPI, 데이터 크기, 통신 부하: 앞서 설명한 성능 측정 조건과 동일하게 설정했다.

제조 장비 간 5G 기반 CIP Safety 통신 평가 결과

표 1은 5G 및 유선 LAN 환경에서 CIP Safety 패킷의 손실률과 지연 시간(평균값) 측정 결과를 나타낸다. 5G와 유선 LAN에서 멀티캐스트와 유니캐스트 방식 모두 비교했다.

표 1. 제조 장비 간 CIP Safety 전송 시 5G 및 유선 환경에서의 패킷 손실률 및 지연 시간 측정 결과

5G 멀티캐스트에서는 표준 프로세스 통신 부하 RPI가 200ms일 때만 패킷 손실이 발생했지만, 5G 유니캐스트에서는 모든 조건에서 손실이 발생했다. 반면, 유선 LAN 환경에서는 어떠한 조건에서도 패킷 손실이 나타나지 않았다.

RPI 20ms 조건에서의 CIP Safety 패킷 지연 분포는 그림 4에 히스토그램으로 정리돼 있다. 5G 멀티캐스트는 유니캐스트보다 지연 분포가 약간 넓은 경향을 보였으나, 두 방식 간 큰 차이는 없었다. 대부분의 CIP Safety 패킷은 30ms 이하의 지연 시간을 기록했다. 단, 멀티캐스트에서는 지연 값이 급격히 증가한 아웃라이어가 일부 존재했다. 이 원인은 분석되지 않았으나, VPN 서버의 멀티캐스트 성능(예: VPN 내 패킷 유지)의 영향으로 추정된다.

그림 4. 제조 장비 간 CIP Safety 전송 시 5G 및 유선 환경에서의 지연 시간 분포도 (통신 부하 RPI: 20ms 기준)

한편, 유선 LAN 환경에서는 멀티캐스트와 유니캐스트 모두에서 지연 시간이 1ms 이하로 일정하게 유지됐다.

그림 5는 안전 반응 시간 측정 결과를 보여준다. 최악의 조건 기준으로 10회 측정한 결과, 5G 환경에서는 멀티캐스트가 더 짧은 반응 시간을 보였고, 유선 LAN에서는 유니캐스트가 더 우수했다. 전반적으로 5G는 유선 LAN보다 높은 지연을 보여 반응 시간이 길어졌다.

그림 5. 제조 장비 간 CIP Safety 전송 시 5G 및 유선 환경에서의 Safety 반응 시간 측정 결과 (EPI: 60ms, 통신 부하 RPI: 20ms, 샘플 수: n=10)

그림 3의 시스템 구성과 그림 6의 측정 결과를 바탕으로 산정한 안전 반응 시간은 677ms였으며, 해당 용도에서 요구하는 허용 한계 800ms 이내이므로 5G 통신이 실제 활용 가능함을 확인했다.

또한, 제조 장비 간 CIP Safety 5G 전송 평가를 위한 시스템 구성으로 24시간 연속 동작 평가를 수행한 결과, 멀티캐스트 및 유니캐스트 모두에서 타임아웃 에러 없이 안정적인 통신이 유지됐다. 이는 CIP Safety가 5G 통신 기반으로도 장비 간 안전한 통신을 실현할 수 있음을 의미한다.

다만, CIP Safety 멀티캐스트 통신에서는 일부 패킷 손실과 지연 시간의 아웃라이어가 존재했기 때문에, 장시간 운영 시에는 타임아웃 발생 가능성이 있다. 이러한 문제로 인해 라인 전체의 안전 정지가 발생할 수 있으므로, 무선 통신 문제로 인한 사고를 방지하기 위해 패킷 손실률과 지연 아웃라이어를 더욱 줄일 필요가 있다.

결론

컨트롤러 간 통신에 5G를 적용하고 EtherNet/IP 성능, CIP Safety 반응 시간, 24시간 연속 가동 평가 등을 수행한 결과는 다음과 같다.

· 컨트롤러 간 암시적(Implicit) 통신에 5G를 적용한 경우, 컨트롤러 1에서 N개의 노드로 멀티캐스트한 결과 평균 지연 시간은 19.6~31.2ms였고, N개 노드에서 컨트롤러 1로 유니캐스트한 경우에는 16.9~22.2ms로 나타났다. 이는 NICT가 정의한 AGV 제어 수준의 성능 요건은 충족했지만, ‘기계 및 로봇 제어’에 요구되는 10ms 이하 지연 시간은 달성하지 못했다.

· 컨트롤러 간 EtherNet/IP의 5G 지연 측정 결과는, EtherNet/IP 멀티캐스트 통신 시 VPN 서버의 멀티캐스트 처리 성능이 시스템 성능의 병목으로 작용할 가능성이 있음을 시사한다.

· 로봇 셀 라인에서 안전 버튼 조작을 포함한 CIP Safety 활용 시, 안전 반응 시간 800ms 이내(실제 측정 163.2ms)를 충족함을 확인했다. 그러나 사람이 안전 판단을 하지 않는 조건(예: 안전 라이트 커튼)에 필요한 ‘비상 경고’용 10ms 이하 반응 시간은 충족하지 못했다.

· CIP Safety를 5G로 전송하는 시스템에서 24시간 동안 타임아웃 없이 안정적으로 동작함을 확인했다.

향후에는 5G Sub6의 TDD 방식에서 UL 성능 비율 개선, URLLC(초고신뢰·저지연 통신) 장비 도입, 5G 밀리미터파 기반 프라이빗 5G 기술, VPN 서버의 멀티캐스트 처리 성능 향상 등을 통해 10ms 이하의 저지연 무선 통신 실현이 기대된다. 특히 프라이빗 5G의 신뢰성이 높아지면 CIP Safety를 포함한 5G 기반 통신 애플리케이션의 안정성 역시 크게 향상될 수 있다.

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