산업용 무선 프로토콜

WirelessHART는 HART 통신 프로토콜의 무선 확장 표준이다. HART 통신 재단(HCF)에 의해 개발되었으며, 2007년에 IEC 62591(Ed.1.0)로 국제 표준으로 채택되었다. 유선 HART 시스템과의 완벽한 호환성을 제공하는 것이 핵심 목표로, 기존 HART 장치, 명령어, 도구를 그대로 활용할 수 있도록 설계되었다.

이 프로토콜은 IEEE 802.15.4 표준의 2.4 GHz ISM 대역을 사용하며, TDMA(시분할 다중 접속) 방식으로 동작한다. 모든 통신은 미리 정해진 시간 슬롯에 예약되어 발생하여 예측 가능한 대기 시간과 높은 신뢰성을 보장한다. 네트워크는 자가 구성(self-organizing) 및 자가 치유(self-healing) 메시 네트워크를 형성한다. 각 장치는 인접한 여러 장치에 대한 경로를 유지하며, 주 경로에 장애가 발생하면 자동으로 백업 경로로 전환한다.

WirelessHART의 보안은 여러 계층에서 적용된다. 네트워크에 참여하기 위해서는 사전 공유 키를 사용한 인증이 필수적이다. 모든 메시지는 AES-128 블록 암호를 사용하여 암호화되며, 메시지 무결성 검사와 순차 번호 확인을 통해 재전송 공격을 방지한다.

이 프로토콜은 주로 공정 변수(온도, 압력, 유량 등)의 모니터링, 환경 데이터 수집, 회전 장비의 상태 기반 유지보수와 같은 공정 자동화 분야에 널리 적용된다. 배터리로 수년간 동작 가능한 저전력 설계 덕분에 유선 배치가 어렵거나 비용이 높은 지점에 이상적으로 적합하다.

ISA100.11a는 ISA(국제자동화협회)가 주도하여 개발한 개방형 산업용 무선 네트워크 국제 표준이다. 공식 명칭은 'Wireless Systems for Industrial Automation: Process Control and Related Applications'이며, 주로 공정 자동화 분야의 다양한 애플리케이션을 지원하기 위해 설계되었다. 이 프로토콜은 IEEE 802.15.4 표준을 물리 계층과 데이터 링크 계층의 기반으로 사용하며, 그 위에 산업용 요구사항을 충족시키는 네트워크 및 전송 계층을 구축한다.

이 프로토콜의 핵심 설계 목표는 상호운용성, 확장성, 그리고 강력한 보안이다. 이를 위해 TCP/IP 스택을 완벽하게 지원하여 기존 유선 이더넷 기반 시스템과의 원활한 통합을 가능하게 한다. 네트워크 토폴로지는 스타 토폴로지, 메시 토폴로지, 또는 이 둘을 혼합한 형태를 유연하게 구성할 수 있다. ISA100.11a는 다양한 산업용 트래픽(예: 주기적인 제어 데이터, 비주기적인 알람, 파일 전송 등)에 대해 서비스 품질을 보장하는 품질 보장(QoS) 메커니즘을 제공한다.

보안 측면에서는 AES-128 암호화, 인증, 키 관리, 데이터 무결성 보호 등을 종단간(end-to-end)으로 적용하여 산업 환경의 위협으로부터 네트워크를 보호한다. 또한, 스펙트럼 확산, 채널 호핑, 시간 동기화 기술을 활용하여 무선 환경에서 발생할 수 있는 간섭과 충돌을 최소화하고 높은 신뢰성을 확보한다. 이 표준은 센서, 밸브, 게이트웨이 등 다양한 무선 장치들이 하나의 통합된 네트워크에서 안정적으로 동작할 수 있는 프레임워크를 정의한다.

WIA-PA는 한국에서 주도적으로 개발된 산업용 무선 통신 국제 표준이다. 정식 명칭은 'Wireless Networks for Industrial Automation – Process Automation'이며, IEC 62601과 ISO/IEC/IEEE 21451-1-4로 표준화되어 있다. 주로 공정 자동화 분야의 감시, 계측, 제어 애플리케이션을 위한 저전력, 고신뢰성 무선 센서 네트워크 기술이다.

이 프로토콜은 IEEE 802.15.4 물리 계층을 기반으로 하며, 2.4GHz ISM 대역을 사용한다. 네트워크 토폴로지는 스타 토폴로지와 메시 토폴로지를 혼합한 형태로, 게이트웨이, 라우터 장치, 필드 장치로 구성된다. 시간 동기화된 TDMA 방식과 주파수 호핑 기술을 결합하여 공장 환경에서 발생할 수 있는 전파 간섭과 데이터 충돌을 최소화하며 높은 신뢰성을 보장한다.

보안 측면에서는 AES-128 암호화를 적용하여 데이터의 기밀성과 무결성을 유지한다. 또한 장애 허용 설계를 통해 네트워크 내 일부 경로에 장애가 발생하더라도 대체 경로를 통해 데이터 전송이 지속될 수 있도록 한다. 이러한 특징은 화학 공장, 석유 정제소, 발전소 등과 같이 연속 운전이 필수적인 중대형 공정 산업의 무선화 요구에 적합하다.

WIA-PA는 한국전자통신연구원을 중심으로 한 국내 산학연 컨소시엄에 의해 개발되었으며, 국제 표준으로 채택되어 중국, 유럽 등 해외 시장에도 진출하고 있다. 이는 산업 현장 통신망 분야에서 국제적으로 경쟁력을 갖춘 대표적인 한국 기술 표준의 사례이다.

IO-Link Wireless는 유선 IO-Link 통신의 무선 확장 버전으로, 센서와 액추에이터 같은 현장 장치를 제어 시스템에 연결하는 데 특화된 저전력 무선 프로토콜이다. 이 프로토콜은 기존의 유선 IO-Link 시스템과 완벽하게 호환되도록 설계되어, 사용자가 기존 장치와 토폴로지를 크게 변경하지 않고도 무선화를 쉽게 도입할 수 있게 한다. 주로 공장 자동화 분야에서 짧은 거리 내에서 신뢰성 높은 실시간 통신이 요구되는 지점 간 연결에 적합하다.

이 프로토콜은 ISM 밴드 중 2.4 GHz 대역을 사용하며, 타임 슬롯 기반의 TDMA 방식을 채택하여 통신 충돌을 방지하고 예측 가능한 통신 지연 시간을 보장한다. IO-Link Wireless는 하나의 마스터 장치가 최대 40개의 무선 현장 장치와 통신할 수 있는 스타 토폴로지를 기본으로 지원한다. 데이터 전송률은 2Mbps 수준으로, 일반적인 센서 데이터 읽기와 액추에이터 제어 명령 전송에 충분한 대역폭을 제공한다.

주요 특징은 다음과 같다.

이러한 기술적 특성 덕분에 IO-Link Wireless는 로봇의 엔드 이펙터, 이동형 장비, 회전체 장치처럼 케이블 배선이 어렵거나 마모 문제가 있는 공장 내 국소적인 무선화 요구에 효과적으로 대응한다. 또한, 무선 통신을 도입하면서도 기존의 유선 IO-Link 시스템이 가지는 단순성과 실시간성을 유지하는 것을 핵심 목표로 삼고 있다.

Bluetooth Low Energy Mesh는 저전력 블루투스 기술을 기반으로 한 메시 네트워킹 프로토콜이다. 기존의 스타 토폴로지 구조를 넘어, 각 노드가 서로 중계 역할을 수행하는 메시 네트워크를 구성하여 통신 범위를 확장하고 네트워크 신뢰성을 높이는 데 중점을 둔다. 이 기술은 SIG(Bluetooth Special Interest Group)에 의해 표준화되었으며, 비교적 낮은 데이터 전송률과 저전력 특성을 가진 센서 및 액추에이터 네트워크에 적합하다.

BLE Mesh 네트워크는 게시(publish)/구독(subscribe) 모델을 사용한다. 노드는 특정 주소로 메시지를 게시하고, 해당 주소를 구독하는 다른 노드들이 메시지를 수신한다. 네트워크 내에서 메시지는 여러 노드를 거쳐 전달될 수 있으며, 이를 통해 물리적 장애물을 우회하거나 더 먼 거리까지 통신이 가능해진다. 보안은 128비트 AES 암호화와 여러 키 유형(예: 네트워크 키, 애플리케이션 키)을 활용하여 관리된다.

이 프로토콜의 주요 장점은 스마트폰, 태블릿 등 범용 BLE 호스트 장치를 네트워크 구성 및 제어에 직접 활용할 수 있다는 점이다. 이는 프로비저닝과 유지보수를 간소화한다. 주로 건물 자동화(조명 제어, 환경 센싱), 에셋 트래킹, 산업 환경의 상태 모니터링과 같은 응용 분야에서 사용된다. 그러나 실시간성과 매우 높은 데이터 처리량이 요구되는 까다로운 공정 제어 애플리케이션에는 한계가 있을 수 있다.

산업용 무선 프로토콜은 일반적으로 ISM 대역을 사용하여 운영된다. 대부분의 프로토콜은 2.4 GHz 대역을 공유하지만, 일부는 지역별 규제에 따라 900 MHz나 1.8 GHz와 같은 다른 대역을 사용하기도 한다. 2.4 GHz 대역은 전 세계적으로 허용되지만, 전파 간섭이 발생할 가능성이 높은 환경이다. 이에 대응하여 주파수 홉핑이나 채널 블랙리스트 관리와 같은 기술을 통해 신뢰성을 확보한다.

데이터 속도는 프로토콜마다 상당한 차이를 보인다. 높은 데이터 전송률은 실시간 제어나 대용량 데이터 수집에 유리하지만, 일반적으로 전력 소모가 증가하고 통신 범위가 짧아지는 경향이 있다. 반면, 낮은 데이터 속도를 사용하는 프로토콜은 장거리 통신과 긴 배터리 수명을 실현하는 데 중점을 둔다.

주요 프로토콜의 주파수 대역과 데이터 속도는 다음과 같이 비교할 수 있다.

이러한 속도는 실제 네트워크 환경에서 오버헤드, 네트워크 혼잡, 재전송 등의 요인으로 인해 낮아질 수 있다. 특히 메시 네트워크에서 데이터는 여러 홉을 거쳐 전달되므로, 종단 간 처리량은 더욱 감소한다. 따라서 시스템 설계 시 명시된 최대 속도보다는 안정적으로 유지되는 실효 속도를 고려해야 한다.

산업용 무선 프로토콜은 각각 고유한 네트워크 토폴로지를 채택하여 다양한 현장 환경과 요구사항에 대응한다. WirelessHART와 ISA100.11a는 주로 메쉬(mesh) 토폴로지를 기반으로 하여, 각 장치가 중계기 역할을 수행함으로써 네트워크 범위를 확장하고 신뢰성을 높인다. 이는 복잡한 공장 환경에서 장애물을 우회하는 강력한 통신 경로를 제공한다. 반면, IO-Link Wireless는 간단한 스타(star) 토폴로지를 주로 사용하여 낮은 지연 시간과 예측 가능한 통신을 보장하며, Bluetooth Low Energy 메쉬 네트워크는 장치 간 다중 경로 연결을 가능하게 하는 유연한 메쉬 구조를 지원한다.

보안은 산업용 무선 통신의 핵심 요소이다. 대부분의 프로토콜은 인증, 암호화, 무결성 검사 등을 포함한 다층 보안 체계를 갖추고 있다. 예를 들어, WirelessHART와 ISA100.11a는 AES-128 블록 암호화를 표준으로 채택하여 데이터 기밀성을 보호한다. 또한 네트워크에 가입하는 모든 장치의 신원을 확인하는 강력한 인증 메커니즘을 통해 무단 접근을 차단한다. WIA-PA 역시 중국 국가 표준으로서 유사한 수준의 보안 기능을 제공하며, 주기적인 키 갱신 등의 방법으로 보안을 유지한다.

토폴로지와 보안 설계는 프로토콜의 신뢰성과 실시간 성능에 직접적인 영향을 미친다. 메쉬 네트워크는 경로의 중복성을 제공하여 단일 장치 고장 시에도 네트워크를 유지하지만, 복잡한 라우팅 관리가 필요하다. 보안 조치는 통신 오버헤드를 증가시킬 수 있으므로, 엄격한 실시간 요구사항과 보안 수준 사이의 균형을 고려하여 프로토콜을 선택해야 한다.

산업 무선 센서 네트워크에서 전력 소모는 배터리로 구동되는 장치의 수명과 직접적으로 연관되는 핵심 설계 요소이다. 대부분의 무선 센서 노드는 접근이 어렵거나 위험한 환경에 설치되며, 전원 공급을 위해 배터리에 의존한다. 따라서 프로토콜은 가능한 한 낮은 전력으로 동작하도록 설계되어, 배터리 교체 주기를 수년 단위로 연장한다. 이를 위해 Duty Cycle을 극도로 낮추고, 대부분의 시간을 절전 모드로 유지하며, 짧은 순간에만 데이터를 송수신하는 방식을 채택한다.

프로토콜별 전력 관리 방식과 예상 배터리 수명은 상이하다. WirelessHART와 ISA100.11a는 시간 동기화된 TDMA 방식과 효율적인 라우팅 알고리즘을 사용하여 통신 일정을 엄격히 관리함으로써 불필요한 무선 활동을 최소화한다. 이로 인해 일반적으로 AA 배터리 2개로 3~5년 이상의 수명을 기대할 수 있다. IO-Link Wireless는 낮은 지연 시간과 높은 데이터 처리량을 목표로 하여, 상대적으로 더 짧은 배터리 수명을 가지는 대신 빠른 응답성을 제공한다.

BLE Mesh 네트워크의 전력 소모는 노드의 역할에 크게 의존한다. 릴레이 노드는 메시를 유지하기 위해 지속적으로 수신 대기해야 하므로 전력 소모가 높은 반면, 엔드 디바이스 노드는 필요할 때만 깨어나 데이터를 전송할 수 있어 매우 낮은 전력을 유지한다. 따라서 배터리 수명은 노드 구성과 네트워크 트래픽에 따라 크게 달라진다.

배터리 수명을 최적화하기 위해서는 네트워크 토폴로지 설계, 데이터 보고 주기 설정, 환경적 요인(예: 극한 온도) 등을 종합적으로 고려해야 한다. 또한, 에너지 하베스팅 기술을 결합하여 태양광이나 진동 에너지로 배터리를 보조하거나 완전히 대체하는 솔루션도 점차 확대되고 있다.

공정 자동화는 화학, 석유화학, 제약, 정유 등의 연속 공정 산업에서 원료를 최종 제품으로 변환하는 일련의 과정을 자동으로 제어하고 관리하는 것을 말한다. 이 분야는 높은 신뢰성, 안전성, 그리고 실시간 데이터 수집이 필수적이다. 전통적으로 유선 필드버스 시스템이 사용되었으나, 설치 비용과 유연성 문제로 인해 산업용 무선 프로토콜의 도입이 활발히 진행되고 있다.

주요 적용 사례로는 탱크의 액위 또는 온도 모니터링, 파이프라인의 유량 및 압력 감시, 회전 기계의 진동 데이터 수집 등이 있다. 특히 접근이 어렵거나 위험한 지역, 또는 회전하는 장비에 센서를 설치해야 하는 경우 무선 기술의 이점이 두드러진다. WirelessHART와 ISA100.11a는 이 분야에서 가장 널리 채택된 표준으로, TDMA 기반의 예측 가능한 통신과 강력한 메시 네트워크를 통해 신뢰성을 보장한다.

이러한 무선 기술의 도입은 공장의 운영 효율성을 높이고, 예측 정비를 가능하게 하며, 전반적인 안전 수준을 향상시킨다. 데이터는 DCS나 SCADA 시스템으로 전송되어 공정 최적화와 의사 결정에 활용된다.

산업용 무선 프로토콜은 스마트 팩토리 구현의 핵심 인프라로 작동한다. 유연한 공장 레이아웃 변경, 이동형 장비의 실시간 데이터 수집, 그리고 다양한 센서와 액추에이터의 신속한 통합을 가능하게 한다. 유선 네트워크로는 구현이 어렵거나 비용이 많이 드는 유연한 생산 라인과 AGV 같은 이동 장비의 제어 및 모니터링에 특히 유용하다.

주요 적용 사례로는 생산 장비의 상태 기반 예지 보전이 있다. 진동 센서, 온도 센서, 압력 센서 등을 무선으로 장비에 부착해 실시간 데이터를 수집하고, 이를 통해 장비의 이상 징후를 조기에 발견하여 계획되지 않은 가동 중단을 방지한다. 또한, 공장 내 자재와 공구, 완제품의 위치를 실시간으로 추적하는 실시간 위치 확인 시스템 구축에도 활용된다. 이를 통해 재고 관리의 정확성을 높이고, 물류 효율을 극대화할 수 있다.

이러한 무선 기술의 도입은 공장의 디지털 트윈 구축을 가속화한다. 물리적 공장의 모든 요소에서 발생하는 데이터를 무선 네트워크를 통해 실시간으로 수집함으로써, 가상 공간에서 공정을 시뮬레이션하고 최적화하는 사이버-물리 시스템의 기반을 마련한다. 결과적으로 스마트 팩토리는 더 높은 생산성, 유연성, 그리고 데이터 기반 의사 결정 능력을 갖추게 된다.

원격 모니터링은 산업용 무선 프로토콜의 주요 적용 분야 중 하나이다. 이는 물리적으로 접근하기 어렵거나 위험한 환경에 설치된 장비의 상태 정보를 안전한 거리에서 실시간으로 수집하고 분석하는 것을 의미한다. 전통적인 유선 방식은 설치 비용이 높고 유연성이 부족하여 광범위한 모니터링에 제약이 있었으나, 무선 기술의 발전으로 이러한 한계를 극복하게 되었다.

원격 모니터링 시스템은 일반적으로 센서 노드, 게이트웨이, 그리고 클라우드 기반의 데이터 분석 플랫폼으로 구성된다. WirelessHART나 ISA100.11a와 같은 프로토콜은 공장 내 가혹한 전자기 간섭 환경에서도 안정적인 데이터 전송을 보장하여, 펌프, 밸브, 모터 등의 상태 변수(예: 진동, 온도, 압력)를 지속적으로 모니터링한다. BLE Mesh는 비교적 단순한 데이터와 저전력 요구사항이 있는 건물 자동화나 에너지 관리 분야에서 활용된다.

이 기술의 적용은 크게 두 가지 방향으로 나뉜다. 하나는 예지 정비를 통한 설비 고장 방지이다. 무선 센서 네트워크를 통해 수집된 데이터를 분석하면 장비의 열화 징후를 조기에 발견할 수 있어 계획되지 않은 정지를 줄이고 유지보수 비용을 절감할 수 있다. 다른 하나는 분산된 자산의 운영 효율성 관리이다. 예를 들어, 광산, 농장, 풍력 발전 단지처럼 지리적으로 넓게 퍼져 있는 시설의 상태를 중앙에서 일괄적으로 관리할 수 있다[1].

이러한 원격 모니터링은 사물인터넷 및 빅데이터 분석 기술과 결합되어 디지털 트윈 구축의 기초 데이터를 제공하며, 보다 지능화된 산업 운영의 핵심 인프라로 자리 잡고 있다.