Harting, 오래된 중고장비를 IoT 재설정으로 인더스트리 4.0이 가능하다.

기계 운영자는 OEE 값을 포함하여 시스템의 사용과 가용성에 대해 신뢰할 만한 데이터가 필요하다. 하지만 중고 기계인 경우 문제의 소지가 많다. 이에 한 도어 피팅 제조사가 IoT 재설정으로 중고 기계를 업그레이드하였다.

마틴 오르트기스(Martin Ortgies): 프리랜서 저널리스트

핵심 내용

  • 폴딩 기계에 다섯 개의 센서를 부착해 Modbox가 센서 데이터를 harting의 에지 컴퓨팅 시스템 Mica로 전송한다.
  • 무선 버전 Mica를 이용하여 데이터가 축소되고 AWS(Amazon 웹 서비스) 클라우드로 전송된다.
  • 전송된 데이터는 이곳에서 소프트웨어에 의해 자동으로 평가된다.

가구 및 도어용 피팅 제조사인 Häfele SSJ는 18년 된 폴딩 중고 기계를 가동하며 늘 어려움을 겪었다. 판재 부품 제조 과정에서 갑자기 멈추기도 하고, 자재 공급이 원활하지 않아 불량품이 계속 발생하여 기계를 자주 정비해야 했다. 장애 원인은 항상 원인 불명이었다. “기계 가용성과 가동률, 효율성에 대한 신뢰할 만한 데이터가 없었습니다. 우리는 기계 데이터를 수집하고 평가하여 시스템 효율성을 개선할 방법을 찾고 있습니다.”(슈테판 호프만, Häfele 기술 매니저)(그림 2)

그림 2: Häfele 기술 매니저 슈테판 호프만, “우리는 간단한 방법으로 기게 데이터를 수집하고 평가하여 시스템 효율성을 개선할 방법을 찾고 있습니다.”

수동으로 수집한 장애 및 셧다운 시간은 신뢰할 수 없어, 자동화 방법을 찾아야 했다. 데이터를 이용하여 비용과 이익을 계산하고, 새로운 기계에 대한 장기 투자 가이드라인도 마련해야 했지만 컨트롤에 개입하거나 기존 IT 인프라에 개입하는 것은 피해야 했으며, 중요한 기계 데이터를 수집하고 전송하는 것은 기존 인프라와 상관없이 독립적으로 이루어져야 했다.

레트로핏을 위한 IoT

폴딩 기계에 센서 다섯 개를 부착하고, 온도 센서가 유압 오일을 모니터링하고 주변 온도를 수집한다. 가속도 센서는 기계 움직임을 기록하고, 흐름 센서는 몇 개의 공작물이 움직이고 처리되는지 확인한다. 이렇게 모든 센서 신호는 Modbox를 통해 모인다. “현장에서 센서 장치와 거리가 10m가 넘었지만 모드 박스에서 센서 데이터와 전류 공급을 위한 케이블을 설치하여 반나절 만에 설치를 완료하였습니다.”(레이코 엔츠, SIC Software 기술 매니저 및 이사)

센서 데이터는 모드 박스에서 Harting의 에지 컴퓨팅 시스템 Mica로 전송된다. 이 시스템은 네트워킹이 가능하고 안전한 미니컴퓨터이다. Mica 역시 모드 박스와 마찬가지로 거친 산업 환경에 적합하게 설계되어 분진, 충격, 진동, 습기로부터 보호되고(IP65/67), 높은 EMC 부하와 온도 부하로부터 안전하게 보호된다(그림 3).

그림 3: 에지 컴퓨팅 시스템 Mica와 모드버스 센서 박스는 거친 산업 환경에서 사용할 수 있도록 고안되었다.

데이터가 사전 처리된다

레이코 엔츠는 에지 게이트웨이의 핵심 기능과 유연하고 편리하게 자체 소프트웨어로 확장할 수 있는 Mica의 개방형 소프트웨어 아키텍처를 다음과 같이 설명하였다. “Harting의 에지 컴퓨팅 시스템 Mica는 설치된 기계와 시스템을 IoT 레트로핏하기 위한 핵심 요소입니다. 이 시스템은 센서 데이터를 수집하고 처리합니다. 사용자는 Mica의 분석 기능 어플리케이션을 이용하여 확장하고 있으며, 대량의 데이터를 사전 처리할 수 있습니다.”

Mica는 리눅스를 기반한 운영 시스템과 가상화된 리눅스 컨테이너를 이용하여 작동하며, 여러 어플리케이션을 독립적으로 실행할 수 있다. 또한 사용자와 프로젝트 파트너는 기본 시스템과 통신하는 자체 컨테이너를 개발하였다. 레이코 엔츠에 따르면 SIC는 데이터 사전 처리를 위한 어플리케이션 컨테이너를 개발하였다고 한다. SIC Software는 엔지니어링 전문가이자 IoT 시스템 통합자이다. “Häfele는 여러 대의 센서를 통해 매월 많은 양의 데이터가 모이기 때문에 사전 처리가 매우 중요합니다. 자동화된 프로세스에서 평가에 필요한 신호만 선택하여 저장할 수 있으며, 이런 방식으로 데이터 크기가 2GByte에서 120MByte로 줄일 수 있습니다. 사전 처리는 외부로 노출되면 안 되는 민감한 데이터를 관리하는데 매우 적합합니다.”

사전 처리를 위해 센서 데이터는 다른 메타 데이터와 결합된다. 기계 운영자는 이 메타 데이터를 위해 네 개의 버튼이 있는 태블릿으로 장애, 정비, 부가 활동 또는 조정 작업이 있는지 알릴 수 있다. 이 상태 정보는 센서 데이터와 결합되어 자동으로 사전 처리된다. 데이터는 Mica 무선 버전으로 Häfele의 기존 IT 인프라와 상관없이 LTE 통신으로 Amazon 웹 서비스(AWS)의 클라우드로 전송된다. 자동화된 프로세스로 평가에 필요한 신호를 필터링한다(그림 4).

그림 4: 자동화된 프로세스에서 미가공 데이터(아래)가 상태 정보와 결합되어(초록색 및 빨간색 선), 평가에 필요한 신호(위)가 필터링 된다.

SIC는 클라우드와 동기화를 위해 AWS IoT Greengraass로 Mica에 ‘클라우드 기능’을 구현한다. Amazon 웹 서비스 소프트웨어 Greengrass는 IoT 어플리케이션과 에지 어플리케이션을 위해 특별히 고안된 서비스이며, Mica 에지 게이트웨이를 매끄럽게 AWS 클라우드에 통합한다. “AWS IoT Greengrass로 분석과 시각화 기능 그리고 클라우드에 저장하는 것이 매우 간단합니다. 이 서비스는 기계 학습 모델과 예측 기능도 포함됩니다. 또한 AWS Labmda를 통해 추가의 관리 없이 작동합니다. 따라서 사용자는 웹서버, 운영 시스템, 업데이트, 패치 등을 신경 쓰지 않아도 됩니다.”(파비안 한, AWS Solutions Architect)

클라우드와 지속적으로 동기화된다

파비안 한은 Greengrass의 가장 중요한 장점으로 Mica와 클라우드의 지속적인 동기화를 꼽았다. 게이트웨이가 오프라인이 되면 데이터는 소프트웨어 기능을 통해 버퍼링 된다. 오프라인이 되어 어플리케이션 상태에 변화가 생기더라도 연결 구조에 따라 어플리케이션은 올바르게 작동한다. 또한 Greengrass는 암호화된 데이터 교환과 안전한 무선 업데이트를 보장한다. Greengrass는 Mica에서 데이터 사전 처리를 담당하고 필요한 데이터만 클라우드에 전송하여, 데이터양을 줄이고 전송 비용을 줄일 수 있다. 하지만 이 프레임 워크를 Mica에 맞추어 설정해야 한다. SIC 이사인 레이코 엔츠는 Greengrass와 Mica 컨테이너 기술 간의 초기 비호환성을 언급하였다. “Mica는 매우 유연한 구조를 가지고 있어, AWS IoT Greengrass를 Mica의 개념에 쉽게 통합할 수 있습니다.”

폴딩 기계의 센서 데이터는 이제 상태 정보(메타 데이터)와 함께 클라우드에서 자동으로 평가된다. Häfele는 압축된 생산 시간, 고장 및 장애 시간, 부가 활동 및 조정에 대한 개요와 사용 계획과 비교되는 전체 사용 시간에 대한 개요를 매월 받는다. 이러한 평가는 비용 이익 계산과 OEE 값 산출에 대한 수치와 팩트를 제공하고, 현재 기계 상태는 대시보드에서 실시간으로 확인할 수 있다.

18년 된 폴딩 기계가 데이터를 정상적으로 출력한다

“센서 장치와 Mica 그리고 AWS IoT Greengrass를 이용한 IoT 레트로핏은 다양한 평가에 적합합니다. Häfele의 폴딩 기계 프로젝트는 합리적인 평가를 위해 먼저 충분한 기계 데이터를 수집해야 합니다. 처음 3달 동안 두 건의 장애가 발생하였지만 이러한 데이타로는 신뢰할 만한 논의를 할 수 없습니다.”(레이코 엔츠)

데이터가 충분히 모이면, 기계 학습 알고리즘을 통해 평가를 더욱 확장할 수 있다. 레이코 엔츠는 정상 거동과의 오차를 감지하기 위한 이상 감지를 예로 들어 설명했다. 이제 이상이 감지하면 기계의 오작동이나 장애를 조기에 막을 수 있다.

기계 데이터가 중요한 인식을 제공한다

Häfele 기술 매니저인 슈테판 호프만은 초기 결과에 매우 만족했다. “우리는 IoT 레트로핏으로 기계 데이터 평가에 진입하고, 이제 기계 사용 실태와 장애 요소를 활용할 수 있습니다.”

슈테판 호프만은 가속도 센서 데이터를 떠올렸다. 가속도 센서 데이터를 통해 가동 중 진동으로 고무 블록 위에 있는 폴딩 기계가 몇 cm 이동했다가 원위치로 돌아온다는 것을 확인했다. 이 움직임으로 인해 자재 공급이 중단될 수도 있다. SIC는 이 장애 원인을 정확하게 점검하기 위해 추가의 변위 센서를 설치하였다.

도어 피팅 기술 만이 아니다

Häfele는 국제적으로 활동하는 가구 피팅, 전자식 개폐 시스템, 출입문 관리 기술을 가지고 있는 업체이다. 1923년에 설립된 이 기업은 전 세계 7,600명의 직원이 근무하고 있으며, 160,000여 고객을 관리하고 있다. 여기에는 가구 산업과 수공예 분야의 고객뿐만 아니라 건축가, 기획가, 건축업자가 포함된다.