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지능적인 IoT 게이트웨이로 미래의 변화에 대비한 데이터 프로세싱 솔루션 설계

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글/Johnny T.L. Fang, Product Manager, Moxa

머리말

산업용 IoT(IIoT)가 가속화되면서 점점 더 많은 디바이스가 인터넷으로 연결되고 있다. 이 글에서는 이들 디바이스로부터 어떻게 정보를 효율적으로 수집하고 또한 수집된 대량의 데이터를 어떻게 처리할지 살펴본다. 산업용 IoT 솔루션은 다양한 데이터 수집 요구를 충족하고 수집된 데이터를 의사 결정을 돕기 위한 유용한 통찰로 변환해야 한다. 따라서, 훌륭한 산업용 IoT 솔루션은 데이터의 유연한 처리를 제공할 수 있어야 한다.
산업용 IoT 솔루션으로 효율적이고, 신뢰할 수 있고, 유지관리가 용이한 방식으로 데이터를 처리하기 위해서는 많은 과제들을 해결해야 한다. 현행 데이터 관리 솔루션은 주로 IT(information technology) 애플리케이션 용으로 설계되었기 때문이다. 시스템 통합회사가 산업용 IoT 환경으로 IT 솔루션을 구축하고자 할 때는 산업용에 맞는 고유한 요구사항들을 충족해야 하며 특정한 산업 자동화(IA) 애플리케이션에 적합하게 맞춤화를 하기 위해서 상당한 시간과 비용이 들어가야 한다.

IT 솔루션과 IIoT의 융합

그러면 IT 솔루션을 산업용 IoT와 융합하기 위해서 어떤 과제들을 해결해야 하는지 살펴보자.

(1) 산업용 IoT 용으로 애플리케이션 맞춤화
대부분의 솔루션 통합회사들은 산업 자동화에 사용되는 다양한 필드버스 프로토콜에 대해서 익숙하지 않다. 이들 업체들이 개발하는 표준적 데이터 관리 솔루션은 IT 애플리케이션에는 잘 맞으나 산업 자동화 솔루션의 데이터 수집, 저장, 프로세싱, 전송, 데이터 분석 요구를 충족하기에는 미흡할 수 있다. 그런데다가 많은 솔루션 통합회사들은 이러한 데이터 관리 솔루션을 산업용 IoT 용으로 적합하게 맞춤화하기 위해서 필요한 역량이 부족할 수 있다. 그러므로 IT와 IA 애플리케이션 사이의 간극을 메울 수 있는 맞춤화된 솔루션이 필요하다. 주로 업무용 애플리케이션에 익숙해져 있는 IT 전문가들이 산업용 IoT 솔루션에 적합한 데이터를 구축하기 위해서는 산업용 애플리케이션의 고유한 요구사항들을 이해할 필요가 있다.

- 맞춤환 된 산업용 IoT 솔루션
어떤 식으로든 컨트롤러, 데이터 로거, 라우터를 맞춤화하기 위해서는 상당한 시간과 비용이 들어간다. 임베디드 컴퓨터는 고도로 맞춤화가 가능하지만, 모든 것을 처음부터 개발해야 하는 어려움이 있다. 컨트롤러, 데이터 로거, 라우터 기능을 겸비한 중간적인 솔루션에 맞춤화된 소프트웨어를 사용함으로써 개발 시간을 대대적으로 단축할 수 있다. 

- 손쉬운 GUI를 사용한 데이터 수집
데이터 수집용으로 손쉽게 구성 가능한 GUI(그래픽 사용자 인터페이스)를 사용하여 IT 전문가들이 추가적인 프로그래밍을 익힐 필요없이 산업 자동화 애플리케이션 용으로 널리 사용되는 Modbus 프로토콜들을 다룰 수 있다. 그러므로 필드 엔지니어들이 학습 부담을 덜고 본연의 업무에 좀더 집중할 수 있다.

(2) 매끄러운 데이터 통합
엣지 디바이스를 사용해서 현장에서 정보 틈새를 메울 수 있다. 이러한 디바이스들은 다양한 Modbus 프로토콜을 사용해서 동작하거나 경우에 따라서 고유한 프로토콜을 사용할 수 있다. 이러한 엣지 디바이스를 사용함으로써 전통적인 엔터프라이즈의 경계를 이전에 상상할 수 없던 영역으로 확대할 수 있다. 중앙집중식 데이터 관리 시스템은 이들 디바이스들로부터 상이한 유형의 데이터들을 통합해야 하며 이 데이터로 적절한 맥락적 차원을 더해서 가동을 전체적으로 파악하고 시스템을 효과적으로 관리할 수 있어야 한다. 엣지 디바이스들로부터 발생되는 데이터량이 기하급수적으로 증가하고 있다. 산업용 IoT 솔루션은 이러한 다량의 데이터를 처리하기 위한 전략을 갖춰야 한다. 문제에 빠르게 대응하기 위해서는 중앙의 데이터 관리 시스템으로 데이터를 전송할 필요 없이, 현장에서 바로 문제를 감지하고 디바이스 차원에서 적절히 조치를 취할 수 있어야 한다. 데이터 처리를 위해서 중앙의 시스템으로 데이터를 전송하기 위해서는 수분까지 걸릴 수 있다. 그러면, 중요도 높은 산업용 프로세스와 관련있는 데이터를 처리하는 데는 너무 늦을 수 있다.

- 로컬 지능과 엣지 컴퓨팅
빠른 응답 시간을 달성하기 위해서는 빅데이터 솔루션을 사용할 수 있는데, 빅데이터 솔루션을 구축하기 위해서는 비용이 비싸고 전문적인 인력을 필요로 한다. 또 다른 방법으로는 IoT 게이트웨이나 디바이스 차원에서 로컬에서 더욱 신속하게 데이터를 처리하고 의사결정을 할 수 있다. 로컬에서 데이터를 처리한 후에 중요한 데이터만 중앙의 시스템으로 전송할 수 있다. 이와 같이 로컬 지능을 사용함으로써 산업용 네트워크로 데이터 전송 부담을 덜 수 있다.

(3) 온디맨드(On-demand) 통신
산업용 IoT 게이트웨이는 효과적인 산업용 IoT 솔루션을 위해서 핵심적인 요소이다. 게이트웨이를 사용해서 필드 차원에서 디바이스들을 대량으로 구축하고, 이들 디바이스로부터 데이터를 수집하고, 이 데이터를 필요에 따라서 중앙의 시스템이나 다른 디바이스나 다른 원격지로 전송할 수 있다. 하지만 네트워크로 상이한 유형의 데이터들을 전송하기 위한 복잡성과 네트워크 링크의 안정성이 솔루션 구축에 걸림돌이 되고 원격 데이터 전송에 있어서 병목지점이 될 수 있다. IoT 솔루션은 가장 보편적인 Modbus 프로토콜을 이용하는 장비들로부터 데이터 수집을 간소화하고, 내장된 4G LTE 통신 기능으로 이 데이터를 전송함으로써, 효율적인 on-demand 데이터 전송과 빠른 대응을 가능케 한다.

(4) 미래의 변화에 대처 가능한 솔루션 개발
산업용 IoT 분야가 나날이 빠르게 변화하고 있기 때문에, 새로운 기술에 적응하고, 적용할 수 있는 확장 가능한 솔루션을 사용함으로써 투자 회수를 높일 수 있다. 예를 들어서 통신 서비스 사업자가 4G LTE 같은 새로운 기술로 업그레이드하기로 결정하면, 기본적인 커넥티비티를 유지하기 위해서 네트워크 인프라로 상당한 변화가 필요하게 될 것이다. 3G 같은 이전 세대 통신 표준을 더 이상 지원하지 않게 되면 새로운 기술로 업그레이드해야만 한다. 점점 더 많은 서비스 공급자들이 4G LTE로 전환함에 따라서 되도록 신속하게 이 신기술로 이전하는 것이 사업상 유리할 것이다. 변화가 밀어닥칠 때까지 기다리고 있기 보다는, 적극적으로 미래의 변화에 대비한 시스템과 솔루션을 추구하는 것이 바람직하며 그렇게 함으로써 최소한의 변화만으로 새로운 기술로 이전할 수 있다. 새로운 기술을 도입함으로써 더욱 효율적인 시스템을 구축하고 다양한 측면에서 향상을 이룰 수 있다. 산업용 IoT 솔루션의 이점은 다음과 같은 새로운 기능을 통해 볼 수 있다.
• 패킷 루팅 및 로깅 서비스 기능 내장으로 무선 네트워크 가능
• LTE 관리를 지원함으로써 디바이스를 매끄럽게 구축 및 보다 용이하게 관리 가능
• MQTT 지원으로 머신-대-머신 통신이 가능하고, 원격지 디바이스가 클라우드와 직접 통신 가능
• RESTful API를 지원하여 다른 시스템과도 데이터 통합 가능

실제 사례

산업용 IoT로 어떤 변화들이 일어나고 있는지 더 잘 이해할 수 있도록 전력 회사의 경우를 예로 들어서 살펴보자. 전력망의 안정성을 유지하기 위해서 전력회사는 이상이 감지된 전력망 부위를 격리시키거나 차단하는 방법을 쓴다. 그러기 위해서는 현장에 설치된 센서가 문제를 감지하고 WAN을 통해서 중앙의 전력 SCADA 시스템으로 이상이 발생되었다는 것을 통보해야 한다. 그러면 이 시스템이 해당 부위의 회로 차단기로 신호를 전송해서 그 부위의 전력 송신망을 차단할 수 있다. 이 전체적인 과정에 최대 30초까지 걸릴 수 있는데, 전력 송신망의 경우에는 이 시간이 너무 늦을 수 있다. 상황이 악화되는 것을 막기 위해서는 문제 부위를 즉시 격리시켜야 한다. 이럴 때 엣지 디바이스(이 경우에는 센서)의 로컬 지능을 활용해서 이상이 감지되었을 때 회로 차단기를 작동하기 위한 신호를 센서 자체로부터 즉시 처리하고 전송할 수 있다.
그러므로 지능적인 IoT 게이트웨이나 지능적인 엣지 디바이스를 사용해서 더 신속하게 의사결정을 할 수 있다. 위 그림에서 보듯이, 데이터를 전력 SCADA 시스템으로 전송해서 처리하는 중앙집중식 아키텍처는 이처럼 빠르게 응답하지 못한다.
전력 회사는 또 정전이 발생된 지역의 고객들에게로 백업 전력을 제공해야 한다. 그러기 위해서는 전력 송신 시스템 상태가 변화되었을 때 즉시 고객과 가까운 곳에 설치된 백업 발전기를 작동시켜서 백업 전력을 제공하도록 해야 한다. 그러다가 상황이 복구되면 백업 발전기로 설치된 센서가 상태가 변화된 것을 감지하고 전력 공급을 다시 전력망으로 전환할 수 있다. 이 전체적인 솔루션을 산업용 IoT 게이트웨이와 센싱 디바이스로 이루어진 산업용 IoT 시스템을 사용해서 손쉽게 구현할 수 있다.

Moxa의 솔루션

Moxa의 ThingsProⓇ 소프트웨어는 IIoT 분야로 일대 변화를 가져올 것으로 기대된다. 산업 자동화에 익숙하지 않은 IT 전문가들이 ThingsPro를 사용해서 데이터 지향적인 산업용 IoT 애플리케이션을 편리하게 구현할 수 있다. Moxa의 IoT 게이트웨이 솔루션은 IIoT를 손쉽게 구축할 수 있도록 강력한 컴퓨팅 플랫폼을 제공하기 때문에, 시스템 통합 회사들이 최소한의 수고만으로 빠르게 솔루션과 서비스를 제공할 수 있다. Moxa의 IIoT 게이트웨이 솔루션은 다음과 같은 이점을 제공한다:
• 손쉬운 구성 가능 GUI를 사용한 데이터 수집, 가장 널리 사용되는 Modbus 프로토콜 및 LTE를 사용한 루팅 지원
• 확장 솔루션을 통해 로컬 지능에 대한 미래 기술 변화에 대비 가능
• MQTT를 지원으로 이종 애플리케이션 간에 경량, 비동기 데이터 교환 프로토콜 가능
• RESTful API 지원함으로써 HTTP 방법을 활용하여 애플리케이션 유연성과 통찰력을 제공하는 IIoT 게이트웨이 구성 가능
Moxa는 순수 컴퓨팅 플랫폼 성능에 데이터 로거와 LTE 라우터를 결합한 솔루션을 제공하고자 한다. ThingsPro 소프트웨어는 Modbus 데이터 수집과 무선 관리 요구(특히 LTE)를 충족하므로 귀중한 셋업 시간을 절약할 뿐만 아니라, 사용자의 자체적인 애플리케이션으로 IIoT 게이트웨이의 기능을 확장할 수 있는 유연성을 제공한다. ThingsPro 소프트웨어에 관한 추가 정보는 www.moxa.com/ThingsPro에서 확인할 수 있다.