[첨단 헬로티]

공장 안에는 수많은 에셋(Asset)들이 있다. 이러한 에셋들에 CPS와 IoT 기술로 지능과 소통 능력을 부여하면 제조 시스템 전체가 자율적으로 움직이는 스마트 제조가 된다. 그리고 그 기반은 표준화이다. 기술의 표준화를 이루는 작업이 스마트 제조 구축을 위한 첫 단계이다. 스마트 제조 기술 및 표준화 동향에 대해 지난 6월5일 열린 ‘스마트 제조 국제표준화 세미나’에서 한양대학교 홍승호 교수가 발표한 강연 내용을 정리했다. [편집자 주]

▲ 한양대학교 홍승호 교수

스마트 제조는 공장 내에 사람과 기계, 기계와 기계가 자율적으로 소통하면서 전체 제조시스템을 운영하는 개념이다. 즉, 각각의 장비, 설비, 공정을 포함한 모든 에셋에 지능을 부여하고, CPS 기술이 탑재된 이 에셋들을 IoT 기술로 통합하여 개체 간 정보교환을 가능케 함으로써 제조 시스템 전체가 자율적으로 움직이도록 하는 공장을 스마트 제조라고 한다.

스마트 제조의 정의

그러면, 미국은 스마트 제조를 어떻게 정의하고 있는가. NIST 8107에서 제시한 스마트 제조 에코시스템을 보면, 그 모습이 중앙에 오토메이션 피라미드를 두고, Product(제품 설계 정보), Production(공장 설계 정보), Business(수주 정보)라는 3개의 밸류체인이 관통하는 것으로 나타내고 있다. 그리고 이들 밸류 체인은 단일 공장 내에 머무는 것이 아니라 다른 공장이나 다른 기업과 연결되어 있다.

그런데 현재 공장에서는 이미 네트워크 시스템이 사용되고 있다. 제조업체들은 그들만의 공장에 특화된 네트워크 시스템들을 사용하고 있기 때문에 문제가 되는데, 이런 것들을 IoT 기술이라는 인터넷으로 묶어야겠다는 것이 미국에서 생각하는 스마트 제조이다.

독일에서는 좀 더 구체적으로 개념화했다. 바로 RAMI4.0 모델을 통해서이다. RAMI4.0 모델은 스마트 제조에 필요한 기술들을 다 담아 놓고, 그 기술들을 표준화할 때 어떠한 과정을 통해서 표준화되는가를 보여주기 위한 그릇이다. 예를 들어, 집을 짓기 위해서는 기둥을 세우고 구조물을 만들어 그 안에 흙과 같은 재료를 채워나가는 작업을 해야 한다. 마찬가지로 스마트 제조 시스템 역시 그런 기술을 확보하기 위해서는 프레임업을 만들어가야 한다.

여기서 프레임업을 보게 되면, Architecture라는 하나의 축이 있고, 그 다음에 피라미드 구조의 Hierarchy와 3차원 구조의 Life cycle 축이 있다. 제품을 기획하고 생산해서 배송하는 Product 라이프 사이클, 공장을 설계하고 운영하는 Production 라이프 사이클, 그 외 머신에 관련된 라이프 사이클, 컴포넌트 관련된 라이프 사이클 등, 이러한 수많은 라이프 사이클을 다 포함하도록 만들었다. 따라서 RAMI4.0 모델은 보기에 3차원 모델이지만, 4차원, 5차원 한없이 늘어날 수 있는 구조이기도 하다. 즉, 공장에 필요한 모든 기술, 또는 표준들을 다 담을 수 있도록 만들어 놓은 모델이다.

RAMI4.0 컴포넌트들은 기본적으로 Adminstration Shell(Digital Twin)을 가지며 이를 통하여 사물들 간의 연동을 가능하게 한다. 공장 안에는 에셋(Asset)들이 많이 있다. 이러한 에셋들에 지능과 소통 능력을 부여함으로써 사이버 피지컬 시스템(CPS)이 구현된다. 즉, Adminstration Shell이라고 불리는 디지털 트윈은 에셋들을 사람처럼 인격화하는 작업이다. 모든 기계와 장비들이 디지털 트윈을 갖도록 만드는 작업이 스마트 제조 구축을 위한 첫 단계인 것이다.

그런데 Adminstration Shell에 어떤 정보가 들어가야 할지는 아직 표준화가 안 되어 있다. 앞으로 계속 연구 중이다. Adminstration Shell의 주요 구조는 Identification(주민번호/여권번호와 같은), Communication(기계가 갖는 언어의 엔지니어링), Configuration, Engineering, Condition Monitoring으로 나누어지며, 어떤 에셋이나 피지컬 시스템을 표현할 수 있는 모든 정보들을 다 집어넣어서 의인화하는 작업을 먼저 진행해야 한다. 이러한 각각의 작업을 통해 Adminstration Shell을 갖게 되면 우리가 어떤 공장을 설계하더라도 Adminstration Shell에 있는 정보만으로 충분히 설계할 수 있다. 또한, 에셋과 에셋 간의 커뮤니케이션도 쉽게 가능해진다.

▲ Platform Industry 4.0 : Communication Layer

표준화가 필요한 이유

그러면 스마트 제조를 위한 국제 표준으로는 어떤 게 있을까. 언어가 서로 다른 프로토콜을 연결하는 국제 표준으로서 OPC UA가 주목받고 있다. 실제로 공장을 보게 되면 수없이 많은 프로토콜이 사용되고 있다. 소프트웨어 하나만 보더라도 장비 관련 소프트웨어, 셀 관련 소프트웨어, 스테이션 관련 소프트웨어, 레이어 관련 소프트웨어 등이 있듯이, 각각의 층들이 여러 가지 기능을 수행하기 위해서는 수많은 소프트웨어를 필요로 한다. 문제는 이러한 소프트웨어를 만드는 벤더들이 다 다르다는 것이다. 따라서 어떻게 통합할 것인가가 중요해졌다. 표준화가 필요한 이유이다.

OPC UA는 통신에 의한 공유를 위해 연결하는 기술이다. 즉, 다양한 프로토콜 간의 언어를 통일함으로써 디바이스와 디바이스, 디바이스와 엔터프라이즈 간의 상호동작성을 확보할 수 있다. 이러한 시스템을 구축하면 비용은 물론 제품 투자비용도 줄일 수 있는 여러 가지 장점이 있다.

OPC UA는 과거에 클라이언트 서버 모델로 동작되었다. 그러나 이게 문제가 되다 보니 Pubsub이라는 방식으로 해서 성능을 향상시키는 기술이 개발되고 있다. 내후년 정도면 Pubsub 기술이 시장에서 사용될 수 있을 것으로 예상된다.

또 하나 국제 표준으로 관심을 받는 것이 AutomationML이다. 기본 개념은 이렇다. 예를 들어, 시뮬레이션 툴이 있고 일렉트리컬 디자인 툴이 있다고 하면, 툴 자체에 데이터베이스가 있고 데이터 모델이 있을 것이다. 이 각각의 툴들은 따로 운용되지만, 이 두 개의 툴이 서로 연동해서 운용할 필요가 있을 경우에는 AutomationML이라는 표준화된 툴을 사용한다.

AutomationML은 IEC 표준(IEC 62714)에서 표준화됐다. 현재 AutomationML은 제조 시스템 토폴로지, 기하학과 운동, 논리 정보에 관한 기술 정보를 지원한다.

또 하나는 TSN(Time-Sensitive Networking) 기술이다. 처음 TSN이 개발될 때는 오디오/비디오 시그널 실시간성을 보장하기 위해 개발됐다. 그다음으로 자동차에 상당히 많은 전자장비가 들어가게 되면서 실시간성이 필요해졌고, 자동차 안에 이더넷 기반 실시간 프로토콜로써 한 단계 더 발전시켰다. 그러다가 최근 공장자동화 시스템에 실시간 데이터 정보가 요구되면서 공장 내에서 사용되는 모든 디바이스 데이터에 대한 실시간성을 보장할 수 있는 프로토콜로서 개발되고 있다.

다음으로 CDD(Common Data Dictionary)가 있다. CDD는 IEC 61360 시리즈의 방법론 및 정보 모델에 기반을 둔 일반 데이터 사전이다. CCD라는 사전을 만들게 되면 전기·전자 관련 모든 개념이 공통된 용어를 사용할 수 있게 되고, 정보 공유가 가능해진다. CDD는 이미 IEC에서 데이터베이스를 구축했다. 완전히 오픈된 자료이다. http://cdd.iec.ch/cdd/iec61360/iec61360.nsf 사이트에 들어가 보면 각각의 용어에 대한 모든 것이 DB로 저장되어 있다. 스마트제조를 구축하기 위해서는 이러한 DB 구축 작업부터 먼저 시작해야 하고 용어 통일부터 해야 다음에 표준을 얘기할 수 있다.

현재 TSN 기술은 12개 정도 스펙을 가지고 있으며, 그중 7개는 완성됐고 나머지 5개 정도는 계속 만들어지고 있다. 최근엔 시스코를 비롯한 NI, TTTech, 허쉬만, 보쉬렉스로스, B&R, 슈나이더 일렉트릭, 인텔, ADI 등 몇몇 업체들이 모여서 TSN 테스트베드를 만들어 운영하기도 했다.

마지막으로 5G 기술이다. 5G는 사람과 사람이 아닌 사람과 기계, 기계와 기계 간 커뮤니케이션을 위해서 개발됐다. 기술 스펙을 보면, 사이클 타임은 1ms, 응답 시간은 100us, 지터는 <1us...30ns, 스위치 대기 시간은 40ns, 시간 동기화 정확도는 100ns로써, 낮은 대기 시간과 높은 신뢰성이 장점이다. 현재 무선통신도 이런 기능에 맞출 수 있는 기술은 많지 않다. 왜냐 하면, 우리가 사용하고 있는 무선통신은 와아파이(Wi-Fi), ZigBee, 블루투스(Bluetooth) 등으로, 같은 2.4GHz 대역을 쓰고 있다. 따라서 통신 간 충돌이 일어날 수 있다. 하지만 5G는 아무도 안 쓰는 대역폭이어서 충돌이 일어날 수 없다.

앞으로 5G가 제공할 수 있는 서비스는 3가지이다. 첫째는 Enhanced Mobile Broadband이다. 4G보다 성능을 크게 높이기 위한 기술이다. 둘째는 Massive machine type communications이다. 매우 밀집한 곳에 사람이나 머신들이 있을 때, 그것들을 어떻게 커뮤니케이션 처리할 것인가에 대해 연구하고 있다. 셋째는 Ultra-reliable and low latency communications이다. 매우 안정적이고 대기시간이 짧은 통신을 보장하기 위해 개발되고 있다. 현재 Enhanced Mobile Broadband는 이미 개발이 완료됐으며, 나머지 2가지는 2020년까지 스펙을 끝내려는 목표를 가지고 있다.

TSN, 5G, OPC UA, AutomationML 등은 산업용 IoT 인프라 기술이다. 이런 인프라 기술들 위에 뭔가를 만들어야 하는데, 이런 기술들이 확보되면 인터페이스 보드가 하드웨어 형태로 나올 것이다. 예를 들어, 스마트폰의 경우, 스마트폰이라는 플랫폼이 이미 만들어졌기 때문에 앱을 개발하는 사람들은 플랫폼을 만드는데 시간을 투자할 필요 없이 앱만 개발해서 올리면 된다.

스마트제조도 마찬가지이다. 앞으로 우리가 해야 할 일은 여기에 들어가는 소프트웨어들을 앱 개발하는 식으로 개발해서 그냥 올려버리면 된다. 그렇게 되면 스마트 제조의 보급 속도는 더욱 빨라질 것이다.