커넥티드 센서부터 적응식 제조 시스템까지 포함

개요

컨수머 IoT와 비교해서 산업용 IoT는 훨씬 더 높은 가치를 창출하고 더 근본적인 변화를 가져올 것이다. 데이터를 수집하고 분석함으로써 제조 공정과 설비를 최적화하고 수익성을 높일 수 있다. 결함을 미리 예측하고, 장비를 최적화하고, 새로운 수익원을 창출하고, 기업 전반에 걸친 운영을 분석할 수 있다.

그러려면 공장에 설치되는 자동화 시스템의 변화가 요구된다. 시스템이란 작고 지능적인 커넥티드 센서와 에지 상의 분산 제어 시스템에서부터 임베디드 하드웨어 보안과 적응식 제조 시스템에 이르기까지 다양한 것들을 포함한다. 이 글에서는 다양한 산업용 IoT의 사례를 통해 시스템 상에 어떤 변화가 요구되는지 살펴볼 예정이다.

제조의 디지털화가 빠르게 진행되고 있다. 제조 과정에서 수집되는 데이터 양이 폭발적으로 증가하여 데이터 분석을 통해 효율의 증대, 가동률의 극대화, 새로운 수익원 창출이 가능해졌다.

시장 조사 회사인 ARC의 보고서에서는 이렇게 적고 있다. “디지털화가 가속화되는 것은 사업을 대대적으로 개선하거나 근본적으로 변화시킬 수 있다는 가능성에 기반한다. 응답자의 절반 가량은 업무 대처 능력과 민첩성이 향상될 뿐만 아니라 새로운 사업 모델이나 매출 향상의 기회가 된다고 응답했다.”[1]

이러한 디지털화는 산업용 IoT, 인더스트리 4.0(독일에서 탄생한 용어), 산업용 인터넷(GE에서 사용하는 용어)이라고 하는 여러 이름으로 불린다. 하지만 크게 보면 다른 분야와 마찬가지로 디지털화를 통해서 제조 분야가 더욱 지능적이고 민첩하게 된다는 것은 비슷한 맥락이다. 최근 들어서야 산업용 인터넷 컨소시엄(Industrial Internet Consortium)과 플랫폼 인더스트리 4.0(Platform Industrie 4.0)이 협력하기 시작했다. 두 기관은 2017년 후반에 각자 레퍼런스 아키텍처를 어떻게 조율할지에 관한 공통 백서를 발행했다.[2]

용어보다 중요한 것은, 어떻게 제조 프로세스로부터의 방대한 양의 데이터를 활용해서 실질적인 목표를 달성하느냐 하는 것이다. 다시 말해서 결함을 예측하고, 장비 수명을 극대화하고, 새로운 수익원을 창출하고, 시장의 요구에 따라서 생산 프로세스를 신속하게 변경할 수 있게 하는 것이다. 그러려면 이러한 모든 데이터를 포착하고 적절한 곳으로 보내서 분석을 해야 한다. 그리고 또 데이터 분석을 통해서 에지 디바이스나 컨트롤러를 최적화하는 것과 같은 조치를 취할 수 있도록 피드백 경로가 필요하다.

대량의 데이터를 수집하고, 형식화하고, 활용하기 위해서는 산업 자동화 시스템으로 근본적인 변화가 요구된다. 산업 자동화 시스템의 스펙트럼 전반에서 극적인 소형화가 에지 프로세싱의 발전이 결합되는 모습을 볼 수 있다. 이것은 차세대 산업 자동화 시스템의 부품 사양은 물론 아키텍처에도 영향을 미친다. 이 글에서는 이러한 시스템들의 설계 동향을 살펴보고, 어떻게 하면 성능은 높이면서 크기는 줄일 수 있을지 설명한다.

디지털 제조 설비를 구축하거나 업그레이드하기 위해서는, 달리 말해서 미래의 산업용 IoT를 실현하기 위해서는, 성능이 높으면서 크기가 작고 견고한 차세대 자동화 시스템을 개발해야 한다.

커넥티드 센서

디지털 공장의 근간은 에지 센서와 컨트롤러로부터 수집되는 데이터이다. 기존의 어셈블리 라인을 완전히 교체한다는 것은 현실적으로 어려운 일이므로, 기존의 어셈블리 라인 안에 들어갈 수 있도록 작고, 지능적이고, 연결성을 갖춘 에지 센서를 개발해야 한다.



그림 1에서 보듯이, 데이터를 수집하는 것만 아니고 표준 통신 링크를 통해서 전송할 수 있도록 데이터를 간추리기 위해서 실시간으로 약간의 프로세싱을 할 수 있는 센서 시스템이 필요하다. 그러면서 또 크기가 작아야 한다. 그래야 기존의 제조 라인으로 돌출되지 않게 통합할 수 있다.

시스템 폼팩터는 계속해서 작아져 왔으며, 산업용 IoT의 요구를 충족하기 위해서 이러한 추세는 점점 더 빨라지고 있다. 실제로 다양한 산업 설비에 사용되는 산업용 센서들이 기능은 높이면서 크기는 꾸준히 소형화되어 왔다. 그림 2는 지난 50년 사이에 산업용 라이트 커튼 장비가 어떻게 진화해 왔는지 보여준다.



산업용 센서는 비좁은 장비에 집어넣거나 밸브나 엑추에이터 같은 곳에도 통합해야 하므로 크기를 소형화하는 것이 매우 중요하다. 예를 들어서 Balluff사는 자사의 센서 제품이 높은 성능을 제공하면서도 크기가 작다는 점을 강조하고 있다. “장비들이 갈수록 소형화됨에 따라서 갈수록 더 크기는 작고 그러면서도 높은 성능을 제공하는 부품들이 요구된다. Balluff사의 미니 센서는 바로 이와 같은 요구를 충족한다. 작은 크기로 최상의 성능을 제공하므로 자유로운 설계를 가능하게 하며 훨씬 더 다양한 애플리케이션에 적용될 수 있다.”[4] 그림 3은 Balluff사의 광전 미니 센서를 보여준다.



분산 제어와 컨트롤러 크기 소형화

첨단 제조 설비로 지능적인 커넥티드 센서의 사용이 폭발적으로 늘어남에 따라서 분산적인 데이터 수집과 프로세싱이 일반화 되고 있다. 중앙집중적 대형 PLC 대신에, 제조 공정 곳곳에 산재되어 있는 분산적인 컨트롤러들이 사용되고 있다. Siemens의 암베르크 공장은 가히 인더스트리 4.0의 전시장으로서, 곳곳에 산재한 PLC들이 고도로 자동화된 생산 설비의 각기 공정을 맡고 있다. Siemens는 자사 보도자료에서 이렇게 언급하고 있다. “생산 라인의 이쪽 끝에서 저쪽 끝까지 대략 1천 개의 이러한 컨트롤러들이 일하고 있다.”[5]

이러한 분산적인 컨트롤러들이 크기는 점점 작아지면서 갈수록 더 많은 기능을 집어넣고 있다. 역사적으로 되돌아보면, PLC의 크기가 1970년대에는 한 방/캐비닛만한 크기에서 2000년대에는 손바닥 안에 들어갈 만한 크기가 되었다. 그림 4는 1990년대의 데스크톱 PLC를 보여준다. 오늘날 PLC는 크기가 더 작아졌다. 그러면서도 놀랄 만큼 뛰어난 프로세싱 성능과 인터페이싱 능력을 제공한다.



소형화에 따른 과제 - 열 발생과 폼팩터

산업용 시스템은 견고성이 높아야 한다. 55℃~75℃ 주변 온도로 동작해야 하기 때문이다. 대부분의 경우에 수동 냉각을 사용하며, 팬을 사용한 능동 냉각은 사용하기가 어렵다. 그러므로 시스템을 설계할 때 각각의 부위에서 소모되는 전력을 고려해야 한다.

예를 들어서 다중의 디지털 입력을 사용하는 컨트롤러를 보자. 산업용 PLC가 흔히 그렇다. 그림 5는 각기 입력 채널로 디스크리트 소자와 절연을 위한 옵토커플러를 사용한 기존의 구현 방식을 보여준다. 이 디자인은 그렇게 통합적인 디자인이라고 할 수 없으며, 각기 채널로 소모되는 전력을 중요하게 고려해야 한다.



2.2KΩ 입력 저항에 24V Vin이면, 입력 전류는 11mA이다. 그러면 입력 채널당 전력 소모는 264mW이다. 이 정도면 별로 높지 않다고 생각될 수도 있으나, 최신 PLC는 8개, 16개, 심지어는 32개까지의 디지털 IO 채널을 사용한다는 점을 감안하면 생각이 달라질 것이다.



표 1에서는 PLC의 디지털 I/O 모듈로 소모되는 전력이 채널 수에 따라서 급격히 증가한다는 것을 알 수 있다. PLC 크기는 갈수록 축소되는데다 수동 냉각만을 사용할 수 있기 때문에 디지털 입력 부에서의 전력 소모만으로도 문제가 될 수 있다.

이에 대한 대안은 입력 전류 제한을 설정 가능한 통합적인 IC를 사용하는 것이다. 많은 솔루션들이 최대 입력 전류를 예를 들어서 2.5mA 등으로 설정할 수 있다. 2.5mA로 제한한다면 전력 소모를 1/4로 줄일 수 있다. 32채널이라고 한다면 디지털 입력 부의 전력 소모가 2W 미만이 될 것이다. 또한 디스크리트 구현의 매 8개 채널을 그림 6에서와 같은 크기의 단일 IC로 교체할 수 있다.



산업용 시스템을 기능성은 높이면서 크기를 축소하기 위한 효과적인 방법은 가능한 곳마다 통합적인 솔루션을 사용하는 것이다. 그러면 솔루션 크기를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 전력 소모 또한 대폭적으로 낮출 수 있다. 이는 다시 열 발생을 줄이는 것으로 이어질 것이다. 그러려면 기능 집적도가 높은 칩 제품을 사용해야 한다. 그럼으로써 외부적으로 필요로 하는 소자를 제거할 수 있다.

이번에는 제어 시스템에 사용되는 디지털 출력 모듈을 보자. 디지털 출력 모듈은 모터, 솔레노이드, 릴레이 같은 엑추에이터를 구동한다. 이러한 많은 부하는 특성적으로 인덕티브이다. 그림 7에서 보듯이, 이것은 스위치가 열렸을 때 인덕터가 계속해서 전류를 흐르게 하려는 성질을 말한다. 그러므로 역 EMF 억제와 MOSFET 보호를 위해서 인덕터 상으로 프리휠링 다이오드를 사용해야 한다.



최근에 출시되는 디지털 출력 드라이버는 FET 스위치를 내부적으로 포함함으로써 외부적인 프리휠링 다이오드가 필요하지 않다. 내부 클램핑 다이오드가(VDD - VCL)로 음이 되는 것을 막고 프리휠링 전류가 인덕티브 부하를 재빨리 탈자화하도록 한다. 그럼으로써 그림 8에서 보듯이 보드 공간을 상당히 줄일 수 있다.



갈수록 소형화되는 센서

센서 역시도 갈수록 더 많은 신호 컨디셔닝과 정교한 통신 기능을 통합하면서 크기는 점점 더 작아지고 있다. 그러므로 새로운 센서 디자인을 설계하기 위해서는 요구되는 크기와 전력 소모에 따라서 부품을 신중하게 선택해야 한다. 그림 9는 소형 M8 크기 근접 센서로 Maxim의 Himalaya 스위칭 레귤레이터 IC와 인덕터를 탑재한 것을 보여준다. 이와 같은 극소형 센서를 설계하기 위해서는 DC-DC 스위칭 레귤레이터와 인덕터의 크기가 중요한 고려사항이다.



많은 센서들이 IO-Link를 채택하고 있다. IO-Link는 센서가 컨트롤러와 디지털적으로 통신할 수 있게 하는 공개 통신 프로토콜이다. IO-Link 가능 센서는 거리 한계를 넘었다는 것을 알려줄 뿐만 아니라 정확히 얼마나 넘었는지도 알려줄 수 있다. IO-Link 트랜시버 역시도 크기가 점점 작아지고 전력 효율이 높아지고 있다.

센서의 사용이 빠르게 늘어남에 따라서 센서의 크기를 소형화하고 전력 효율을 높여야 할 필요성 또한 높아지고 있다. 이러한 센서를 설계하기 위해서는 크기가 작고 최소한의 전력을 소모하는 부품을 선택해야 한다.

맺음말

이 글에서 살펴본 것은, 산업용 IoT에 필요로 하는 차세대 자동화 시스템을 설계할 때 고려해야 할 극히 일부분에 불과한 것이다. 기존의 제조 프로세스로 갈수록 더 높은 지능을 통합하기 위해서 솔루션 크기와 전력 효율이 중요한 문제가 되고 있다.

전통적으로 산업용 시스템은 전력이 그렇게 중요한 문제로 여겨지지 않았다. 하지만 전력은 열 발생과 직결된다. 산업용 시스템은 수십 년에 달하는 수명 동안 고온의 혹독한 환경을 견뎌야 한다. 크기 역시도 산업용 시스템으로는 중요한 문제로 여겨지지 않았으나, 이제는 산업 제어에 사용되는 에지 센서나 에지 컨트롤러까지도 크기가 중요한 문제가 되었다.

미래의 산업용 IoT를 실현하기 위해서 산업용 시스템의 설계와 부품 선택에까지도 근본적인 변화가 요구되고 있다.

참고문헌
1. Digital Transformation of Manufacturing Industries ? ARC Advisory Group https://www.arcweb.com/blog/digital-transformation-industry?_cldee=c3VoZWwuZGhhbmFuaUBtYXhpbWludGVncmF0ZWQuY29t&recipientid=contact-779e76bac09de311a7b30050569d01fc-b1729f706b764fe882ea7e4269e1ee48&utm_source=ClickDimensions&utm_medium=email&utm_campaign=Industrial%20IoT%20and%20Industrie%204.0%20Viewpoints&esid=bea5f6be-0ef6-e711-8127-e0071b6aa031
2. Architecture Alignment and Interoperability: An Industrial Internet Consortium and Platform Industrie 4.0 Joint Whitepaper - http://www.iiconsortium.org/pdf/JTG2_ Whitepaper_final_20171205.pdf
3. https://www.sick.com/media/dox/2/12/712/Special_information_Smart_Sensor_Solutions_en_IM0018712.PDF
4. Miniature Sensors: Compact sensors for factory automation by Balluff - http://usa.balluff.com/OTPDF/231399_ Mini-Sensors_A15.pdf
5. Siemens showcase "digital factory" celebrates 25th anniversary - https://www.siemens.com/press/en/ pressrelease/?press=/en/pressrelease/2014/industry/i20140912.htm