아우디 스마트 팩토리에 레이저 시스템 연결하기

디지털화가 진척되고 있는 가운데, 레이저 시스템도 인더스트리 4.0 아키텍처에 통합되어야 한다. OPC-UA 인터페이스를 탑재한 장비가 이를 위한 효과적인 방법을 제공한다.

Dr. 알렉산더 아른트(Alexander Arndt): Laserline GmbH 디지털화 및 프로세스 디자인 매니저 겸 매니지먼트 어시스턴트

핵심 내용

  • OPC-UA 인터페이스를 통해 레이저 시스템을 인더스트리 4.0 프로세스 아키텍처에 효과적으로 통합할 수 있다.
  • 이로 인한 장점은 정비 분야에서 나타난다. 데이터의 투명성이 높아지고 효율적인 전략을 세울 수 있다.
  • 인공 지능을 이용하여 실시간 기반 데이터와 상태 메시지를 근거로 예측 정비와 상태에 따른 정비를 실현할 수 있다.

산업용 레이저 분야에서 디지털 변환이 포착되고 있다. 프로세스 참여자가 네트워크에 모두 연결되어 있고 지속적으로 정보가 교환되는 스마트 팩토리에서 산업용 레이저 시스템이 배제되면 곤란하다. 이제 산업용 레이저는 공작기계, 관리 시스템, 컨트롤 시스템, 서비스 기사와 통신하며 효율과 비용이 극대화된 인더스트리 4.0 프로세스에 효과적으로 기여하고 있다. 이는 디지털화가 프로세스 자동화 정도를 나타내는 자동차 산업과 반도체 산업의 생산 라인에만 해당되는 것은 아니다. 레이저 산업 분야는 이제 대규모 산업과 마찬가지로 절차와 비용 상의 이유로 디지털 방식으로 모니터링하고 제어하려는 중소 제조업체에도 똑같이 해당된다. 이런 업체에도 산업용 레이저를 디지털 프로세스에 원활하게 통합되어야 하고, 인더스트리 4.0의 혜택을 누릴 수 있는 방법을 제공해야 한다. 이러한 기술적 요구는 디지털화된 프로세스에 적응할 수 있는 산업용 레이저에 미래가 있다는 점은 분명하다.

핵심 과제는 IP 기반 M2M 커뮤니케이션이다

선도적인 레이저 제조사들은 레이저 시스템을 지능형 공장에서 사용할 수 있도록 준비하고 있다. 핵심 과제는 IP 기반 M2M(machine to machine) 커뮤니케이션으로, 레이저 시스템과 다른 기계 또는 컨트롤 유닛 간에 인터넷 프로토콜을 기반으로 자동으로 정보가 교환되도록 만드는 것이다.

이를 위해서는 다음 3가지 전제 조건을 충족해야 한다.

• 첫 번째, IP 가능한 기계 데이터를 설명해야 하고, 이 설명을 레이저 측에서 기계 판독이 가능해야 하고, 다른 기계나 컨트롤 시스템 측에서 가공이 가능해야 한다.

• 두 번째, 이러한 의미론적인 설명을 공정 안정성을 위협하는 일 없이 다른 기계와 컨트롤 시스템과 교환할 수 있어야 한다. 처리 관련 지연이나 심각한 데이터 보안 위험이 없어야 한다.

• 세 번째, 대부분의 제조사가 여러 관련 기계 및 컨트롤 유닛에서 각기 다른 운영 시스템과 프로그래밍 언어를 사용하여, 데이터 교환이 방해를 받으면 안 된다. 내용 상 신뢰할 수 있고, IT 기술적으로 안전하며, 운영 시스템과 프로그래밍 언어를 포괄하는 데이터 교환이 가능해야 한다.

AUDI의 OPC UA 기반 레이저 상태 모니터링 스크린 샷.

실제로 이 핵심 과제를 실무에서 해결하기 위해 기본적으로 몇 가지 방법을 생각할 수 있다. 업계에서는 가장 효과적인 접근법 가운데 하나로, 플랫폼에서 독립적인 데이터 교환 표준 OPC UA(Open Platform Communication Unified Architecture)이 주목받고 있다. OPC UA 표준은 개방형 프로토콜 표준 모음으로, 기계가 판독할 수 있는 기계 데이터 설명이 가능하고 안전하게 정보를 교환할 수 있으며, 통상적인 모든 운영 시스템과 프로그래밍 언어에서 사용할 수 있다. 프로토콜과 함께 제공되는 통합 보안 메커니즘은 대상 암호화와 액세스 제어를 지원하여 무단 액세스를 배제할 수 있다. 또한 OPC UA는 확장성이 뛰어나 거의 모든 크기의 애플리케이션에 적합하다. 사용 영역은 임베디드 컨트롤러에서 완전한 클라우드 인프라까지 있으며, 대규모 산업 생산 시스템과 마찬가지로 중간 규모의 계약 제조 시설에서도 사용할 수 있다.

이러한 장점과 광범위한 사용으로 OPC UA를 사용하는 것은 레이저 시스템을 ‘스마트 팩토리에서 바로 사용할 수 있도록 준비된 상태’로 만드는 접근 방식이다. 예를 들어, 다이오드 레이저 제조사 Laserline도 이러한 방향으로 추진하고 있다. 이 업체는 LDF 고성능 다이오드 레이저에 OPC-UA 인터페이스를 탑재하고, 이전 타입의 레이저 시스템에는 레트로핏 서비스를 제공한다. Laserline-LDM 시리즈의 콤팩트한 19” 플러그인 시스템에 인터페이스 솔루션을 사용하여 다이오드 레이저를 OPC-UA 표준을 기반으로 하는 모든 인더스트리 4.0 프로세스 아키텍처에 통합할 수 있다.

이러한 아키텍처는 용접, 납땜, 경화 또는 코팅과 같은 적용 사례에 다이오드 레이저는 자동차 산업 및 자동차 공급 업체의 생산 라인에 많다. 사실 Laserline 다이오드 레이저 시스템의 OPC-UA 연결은 실제로 이미 구현되고 있으며, 자동차 섹터의 생산 활동, 특히 AUDI AG 네카술름 공장의 차체 공장에서 사용되고 있다. 이러한 통합은 OPC UA로 작업하는 다른 모든 생산 환경에도 생각해 볼 수 있다. LDM 시리즈에 대한 파일럿 애플리케이션이 이미 계약 제조 시설에서 성공적으로 실행되고 있다.

OPC-UA 인터페이스를 통해 판독되는 데이터에는 레이저 성능, 작동 온도, 냉각수 유량, 이슬점 여유, 습도가 포함된다.

레이저 시스템을 자체적으로 독립된 구성 요소로 본다

인더스트리 4.0 프로세스 아키텍처에 OPC-UA를 통합하는 경우, 레이저 시스템은 컨트롤러와 광학 장치 그리고 냉각 장치 등 모든 관련 하위 시스템을 포함하여 자체적으로 독립된 구성 요소로 간주한다. OPC-UA 인터페이스는 레이저 값과 센서 값을 단방향 판독에 이용된다. 읽을 수 있는 값의 유형과 개별 시스템 사양에 따라 다르다. 판독되는 데이터는 예를 들어 레이저 성능, 작동 온도, 냉각수 유량, 이슬점 여유, 습도 등이다. OPC UA와 호환되는 레이저는 총 300개 이상의 값을 사용하고, 레트로핏 솔루션을 거친 레이저는 150개 이상의 값을 사용할 수 있다. 현재 판독되는 변수는 각각 고유한 Note-ID, 일반 텍스트 명칭, 타임스탬프, 상태 메시지 등의 정보와 함께 제공된다. 이를 통해 값을 명확하게 식별하고 로컬 및 연대순으로 할당할 수 있으며, 상태 메시지를 통해 값이 위험한 상황인지를 바로 확인할 수 있다.

OPC-UA 인터페이스의 안전한 작동은 암호화된 연결을 통해 보장되며, 암호화된 연결은 네트워크에서 빔 소스의 인증에도 사용됩니다. 또한 메시지 암호화 알고리즘으로 Basic256Sha256이 사용되고 지원됩니다. 레이저 시스템(OPC UA 서버)과 판독 장치(OPC UA 클라이언트)는 인증서를 사용하여 “공개 키”를 통해 상호 인증해야 한다.

OPC-UA 인터페이스를 통해 수집한 데이터는 다양한 분석을 위해 사용자들이 이용할 수 있다. 이로 인한 장점은 특히 정비 분야에서 나타난다. 데이터에 접근하여 투명성이 현저히 높아지고 보다 효율적인 전략을 세울 수 있다. 과거에는 대부분 시스템 연식이나 작동 시간을 기준으로 정기적인 정비를 실행하였다면, 앞으로는 실시간 기반 데이터와 상태 메시지를 근거로 또한 인공 지능(AI)를 이용하여 예측 정비 또는 상태에 따른 정비를 실시할 수 있다. 레이저 시스템은 이러한 정비 전략에 따라 현재 상태에 의해 정비가 필요하거나 데이터를 근거로 가까운 미래에 위험한 상태가 될 것으로 예상될 경우 정비를 실시한다.

이런 방식으로 접근하면 목적에 맞게 비용을 절약하는 정비 조치가 가능하며, 결과적으로 예상치 못한 가동 중단을 방지하고 프로세스 최적화에 기여하여 서비스 자동화를 구현할 수 있다. 서비스 업체가 사용자와 네트워크로 연결되면 정비가 필요할 경우 서비스 업체가 자동으로 정비 알림을 받을 수 있고 경우에 따라 정비 일정까지 약속이 이루어진다.

수집한 데이터는 분석과 다양한 특성의 애플리케이션에 사용할 수 있다. 이로 인한 장점은 정비 분야에서
나타난다.

중장기 데이터 분석 확인

중장기적인 데이터 분석으로 OPC-UA 인터페이스의 가치는 정비 분야를 훨씬 넘어선다. 이런 방식으로 사용자는 여러 지점에서 판독한 기계 데이터를 프로세스 최적화를 위해 사용할 수 있고, 온도, 성능, 습도에 대한 중장기 데이터를 분석하여 이상적인 레이저 작동 시간을 결정할 수 있다. 섬유 파손 또는 섬유 연결 풀림 등 중대한 시스템 장애도 확인할 수 있고 경우에 따라 시스템을 차단하여 상황에 대처할 수 있다. 어쨌든 OPC UA 인터페이스의 가용성은 산업, 생산 공정의 치수 또는 특정 응용 분야에 관계없이 레이저 시스템을 Industry 4.0 공정 아키텍처에 통합하기 위한 결정적인 전제 조건이며, 무엇보다 Industry 4.0 호환성은 산업 가용성을 보장한다. 많은 분야에서 입증된 다이오드 레이저 기술의 가용성. Bill Gates의 언급을 인용하면 멀지 않은 미래에 산업 4.0과 호환되는 산업용 레이저와 더 이상 존재하지 않는 두 가지 유형의 산업용 레이저로 나뉠 것이라고 분명히 말할 수 있을 것이다.