과거와의 연결

인더스트리 4.0의 기준에 맞는 공장을 텅 빈 들판에 세울 수는 없다. 문제를 인식하고, 자동화 업체 및 소프트웨어 업체들은 이러한 설비 구축과 확장, 교체를 위한 제품으로 새로운 사업영역을 확장하였다.

슈테파니 미헬 & 시모네 캐퍼(Stefanie Michen & Simone Käfer)

디지털 워크플로우를 구현하고 기계를 네트워크로 연결하기 위해 공장전체를 새로 설계하고 장비를 새로 구입하는 기업은 없다. 독일의 전형적인 중견기업들은 일반적으로 오래된 공장과 서로 다른 이질적인 장비를 갖추고 있는 경우가 많다. 기계의 연식뿐만 아니라 제조사마저 제각각인 경우가 대부분이다. 현재 기업들은 모든 기계를 네트워크로 연결하고, 프로세스를 디지털화하는 인더스트리 4.0을 향한 커다란 과제를 안고 있다.

Deloitte 설문조사에서 49%의 중소기업만이 인더스트리 4.0과 관련된 프로젝트를 실시해야 한다고 답변하였다.

기업들은 디지털 변화를 놓쳤거나 이행하기가 어려울 것이라고 판단하는 경우가 많다. 지난 해 Deloitte가 실시한 „중견 기업의 인더스트리 4.0“ 연구를 살펴보면 차별화된 그림이 도출된다. 중견 기업 중 28%는 완벽한 네트워킹을 경험하고 있었지만, 그 가운데 29%는 아직도 네트워크 연결 없이 많은 것을 하고 있었다. 이는 분야나 제품에 따라 다를 수 있고, 조사 대상에 포함되지 않았지만 대답해야 할 두 가지 큰 질문으로 요약할 수 있다.

■ 기존의 기계들을 네트워크로 상호 연결할 수 있도록 확충하고 개조할 수 있는가?

■ 시간과 비용 효율적으로 디지털 프로세스를 설치하기 위해 어떻게 과제를 구현하고 있는가?

어려운 과제 중에 하나는 기계장치와 소프트웨어의 „수명“이 서로 다르다는 것이다. 기계 안의 장치나 부품은 수 년 내지 수십 년을 보고 설계하지만, 소프트웨어와 IT 시스템은 얼마 지나지 않아 효율이 급격히 떨어진다. 오래된 공장이나 생산라인을 네트워크로 연결하고 프로세스를 디지털화려면, 부가가치를 만들 수 있는 지능형 소프트웨어가 들어가야 하고, 기존 컨트롤 시스템도 업그레이드하거나 확충해야 한다. 따라서 레트로핏 솔루션에 대한 시장성이 크다는 것은 놀라운 일이 아니다.

센서 네트워크 연결

Pepperl+Fuchs의 스마트 브리지는 기계 컨트롤 시스템에서 센서를 상위 시스템과 연결한다.

자동화업체들은 일찌감치 이러한 틈새를 발견하고 이른바 „인더스트리 4.0을 레트로핏“할 수 있는 제품을 공급하고 있다. 기계를 디지털 수단에 연결하기 위한 첫 번째 요소 가운데 하나로 Pepperl+Fuchs의 스마트 브리지가 있다. 구형 센서들이 이 어댑터를 이용하여 프로세스 데이터를 기계 컨트롤 시스템에 전송할 수 있으며, 상위 정보시스템과 블루투스로 통신하고 관련 데이터를 평가할 수 있다. 어댑터는 센서와 기계 컨트롤 시스템 사이의 배선에 연결하여, 반작용 없이 센서 데이터를 수집하고, 이동식 단말기와 무선으로 연결한다. 어댑터는 전류가 필요 없어, 센서 공급라인을 통해 에너지를 사용한다. 판독된 센서 데이터는 스마트브리지 앱을 통해 태블릿이나 스마트폰에 확인할 수 있다. 사용자는 스마트브리지를 통해 연결되는 센서의 작동 매개변수를 변경할 수 있다. 데이터 교환은 블루투스 연결을 통해 이루어지기 때문에, 추가의 배선이나 컨트롤 시스템에 개입할 필요가 없다.

유지보수 인력의 작업을 수월하게 하는 SKF의 Enlight Quick Collect는 설치하지 않고 작동한다. 이 제품은 휴대용 센서, 휴대용 단말기, Quick-Collect-App 등 3가지 콤포넌트로 구성된다. 센서는 진동값, 온도값과 같은 기계 데이터를 수집하고, 이를 종래의 이동식 무선기술을 이용하여 스마트폰이나 태블릿에 전송한다. 거기에 설치되어 있는 Quick-Collect 앱이 실시간으로 측정값을 분석하고 사용자에게 문제로 알린다. 이 앱은 자세한 분석을 위해 수집한 데이터를 저장하고 관련 정보를 전달할 수 있다.

기계가 말을 하다

Bosch Rexroth는 낡은 선반 같은 오래된 기계도 네트워크로 연결할 수 있다는 것을 입증하였다.

Bosch Rexroth의 IoT 게이트웨이도 컨트롤시스템에 개입하지 않고 작동한다. 이 게이트웨이를 이용하여 오래된 기계를 네트워크로 연결할 수 있다. 눈에 잘 띄지 않는 이 박스는 게이트웨이 소프트웨어를 실행하는 임베디드 컨트롤 Indracontrol XM으로 구성된다. 아키텍처는 리눅스를 운영체제로 하는 개방형 소프트웨어와 Java 어플리케이션을 제공할 수 있는 Java 가상머신을 기반으로 한다. Bosch의 센서패키지를 통해 실시간으로 온도, 압력, 진동, 전류 소비와 같은 프로세스 데이터를 수집할 수 있다. 사용자는 장치 앱 또는 프로세싱 앱과 같은 통합된 소프트웨어 앱 덕분에 IoT 게이트웨이를 간단하게 웹 기반으로 조정할 수 있다. IoT 게이트는 다양한 센서데이터와 제어데이터를 수집하고 분석을 위해 중앙 데이터베이스로 전달한다. IoT 게이트웨이는 구식 제어시스템의 프로그램을 변경하지 않고 구식 제어시스템에서도 기능하며, Beckhoff, Siemens, Rockwell과 같은 타사 제어시스템에서도 원활하게 작동한다. IoT 게이트웨이는 데이터로부터 정보나 권장사항을 얻기 위해 MES나 평가 소프트웨어 같은 기존 IT 시스템과 연결된다. 이 뛰어난 연결성을 통해 클라우드 플랫폼 등 많은 상위 IT 시스템과도 쉽게 통신할 수 있다.

Bosch Rexroth는 로르 공장의 자체 엔진을 이용하여 이러한 디지털화 어플리케이션을 구현하였으며, 예시적으로 다음 다섯 단계로 구분하였다.

  1. 영향 요인 결정: 기계를 최적화하려면 제품품질에 영향을 미치는 특정 매개변수가 중요하다.
  2. 센서 선택과 레트로핏: 기계 고장을 방지하기 위해 센서를 통해 기계 모니터링에 필요한 정보를 수집한다.
  3. IoT 게이트웨이에 센서장치 연결: 게이트웨이를 통해 수집된 센서 데이터가 상위 IT 시스템으로 전송된다.
  4. 상위 시스템의 IT 시스템 연결: 프로세싱 앱을 이용하여 데이터 전송이 정의된다.
  5. 개선 잠재력 활용: 데이터로부터 제조현장을 개선할 수 있는 새로운 조치를 도출할 수 있다.
개방형 플랫폼 PAC는 컨트롤 레벨을 MES 레벨과 ERP 레벨과 연결한다.

ZNT-Richter는 통신 인터페이스를 확충하는 또 다른 방법을 개발하였다. 이 업체의 PAC (Process Automation Controller)는 개방형 플랫폼으로, 이 플랫폼으로 제어레벨이 MES 또는 ERP와 연결된다. PAC는 데이터 수집과 집계 외에 작업레벨에서 자동화 업무도 처리할 수 있다. 여기에는 기계를 포괄하는 생산제어, 프로세스제어, 기계 프로그램관리, 재료흐름제어 등이 통합된다. 이 플랫폼은 필요한 경우 연결된 기계를 MES에서 분리할 수 있기 때문에 전체 생산프로세스를 정지시키지 않고 개별시스템의 유연한 시동과 정지 사이클이 가능하다. PAC를 통해 복잡한 평가를 실행할 수 있으며, 미가공 데이터는 바로 프로세스 데이터베이스에 기록할 수 있다.

기계가 외국어를 배우다

네트워크로 연결된 공장을 위한 통신표준을 OPC UA가 개발하고 있다. 하지만 모든 기계가 이 언어를 구사하지는 않는다. 프라운호퍼 IOSB 연구원들이 Codewerk사와 협력하여 이 문제를 집중 연구하였다. 이후 나온 결과가 레트로핏 상자 플러그앤워크큐브(Plug-and-Work-Cube)이다. 이 솔루션은 Siemens-IPC „Nanobox“와 생산장비를 설명할 수 있는 어시스턴트 시스템으로 구성된다. 나노박스에는 자동화 ML을 정보 델로 사용하는 집계 OPC-UA 서버가 있으며, Siemens PLC와 하위 OPC-UA 서버에 연결할 수 있다. 이 어시스턴트툴은 플러그인으로서 공식적인 자동화-ML 에디터에 통합하는 Windows 어플리케이션이다. 이를 이용하여 집계 OPC-UA 서버를 위한 구성을 작성할 수 있다. 하지만 간단한 지점에서 걸리는 경우가 있다. 제어밸브의 진단데이터는 어떻게 얻을 수 있는가? 또는 완전한 자동화 구조를 구축하지 않고 건조유닛에서 제품을 언제 어떻게 꺼낼 수 있을까?

조금 변경하여 크게 수월해지다

오래된 공작기계가 네트워크로 연결된 센서장치와 새로운 소프트웨어로 최신 테스트 벤치로 탈바꿈하였다.

센서와 보안기술 제조업체인 Turck는 개별 솔루션에 대해 연구를 진행해왔다. 제어밸브는 로터리 액추에이터에 속한다. 여기에서 밸브가 열려 있는지 또는 닫혀 있는지 여부, 즉 밸브가 장착된 순간부터 „밸브가 열려 있다“는 신호까지의 시간을 중심으로 돌아간다. Turck는 „Field logic controler“ 기능이 있는 TPM 모듈을 제공한다. 이 모듈은 밸브를 열어 두어야 하는 시간을 측정한다. 이 데이터를 통해 몇 가지 관련정보가 발생한다. 사용자는 정비가 필요한지 여부를 식별할 수 있다. 분석 데이터는 곡선으로 표시되고, 이 곡선은 직접 모듈에서 평가할 수 있다. 추가의 컨트롤 유닛은 필요하지 않다. 간단한 해결책은 플러그 커넥터 제조에서 건조시간을 모니터링하는 것이다. 이 업체는 건조실을 자동화하지 않았다. 플러그 커넥터 적재가 언제 완료되는지는 직원의 손에 달려 있었다. Turck는 신호 라이트, RFID 읽기/쓰기 헤드 그리고 소형 모듈을 설치하였다. 이러한 장치를 설치한 목적은 언제 어떤 트롤리가 도착하고, 그 트롤리가 얼마나 오래 스테이션에 있는지를 기록하고, 이 값을 프로그래밍 된 대기시간과 비교하기 위함이다. 이는 플러그 커넥터의 품질을 보장하기 위해 필요한 건조시간에 따라 다르다. 사용자는 트롤리를 건조실에서 언제 꺼낼 수 있는지를 터미널의 신호 라이트에서 확인할 수 있다. 이를 위해 제어 시스템이나 완전한 자동화 구조가 필요하지 않다.

Contact Software와 프라운호퍼 IPK는 장비를 교체하면 광범위한 결과를 얻는다고 생각하였다. 이 팀은 공작기계를 레트로핏하였다. 그러나 작업은 개조작업이 되었고, 기계는 테스트 벤치가 되었다. 기초는 MEMS를 기반으로 하는 센서 네트워크로, 런타임에 대한 데이터를 수집하고 평가한다. 또한 이 기계는 Contact Element 플랫폼에 연결되었다. 이를 통해 테스트 벤치와 시험편의 라이브 모니터링과 구성 상태에서 나오는 작동 데이터를 디지털 트윈으로 결합할 수 있다. 이는 디지털 로그북을 통해 보완된다. 디지털 로그북은 구성 상태를 기록하고 시험 절차를 디지털 방식으로 지원한다. 측정 데이터 분석을 위해 추가의 소프트웨어가 작동하였다. 결국 레트로핏에서 중요한 것은 네트워크로 연결된 센서장치와 연속적인 통신이다. 자동화 업체와 연구기관들은 이 두 주제에 착수하였고, 기존 시스템에 대해 합리적으로 이행 가능한 레트로핏 솔루션을 거듭해서 연구하고 있다.