[헬로티]

IoT가 스마트제조에 사용되려면 앞으로 5~10년 정도는 더 걸릴 것 같다. 많은 다른 언어들이 한 공장 내에서 사용되고 있기 때문이다. 이러한 문제들을 풀고 시스템을 통합해서 자율적으로 운영하기 위해 현재 기술개발과 표준화 작업이 진행되고 있다. 스마트 매뉴팩처링 기술 및 표준 동향에 대해 한양대학교 홍승호 교수가 ‘스마트공장 표준 세미나’에서 발표한 강연 내용을 정리했다.

▲ 홍승호 한양대학교 교수

스마트제조란 에너지 공급 조달, 재료 조달, 스마트공장, 비즈니스, 물류센터, 고객까지 모든 것을 다 통합해서 관리하는 것을 의미한다. 그리고 제조 생태계를 이루는 다양한 요소들은 사물인터넷(IoT) 기술을 이용하여 통합하고, 통합된 시스템은 사이버물리시스템(CPS) 기술을 이용하여 자율적으로 공장을 운영하게 된다. 

IoT와 표준화

IoT 관련해서는 현재 많은 기업이 IoT 컨소시엄에 들어와 표준화 활동을 하고 있다. 이중 제조 관련 가장 활발하게 움직이고 있는 그룹이 OneM2M과 IIC(Industrial Internet Consortium)이며, 두 그룹은 IoT 기술을 표준화하고 보급하는 데 앞서 있다. 

IoT는 인터넷을 기반으로 하는 시스템이다. 스몰 디바이스, 모바일 디바이스, 무선 통신 디바이스를 구축하기 위해서는 인터넷을 사용한다. 띵(Things)을 위한 시스템을 구축하기 위해서는 TCP, UDP, 도메인 서버, XML 등 프로토콜들을 이용하여 시스템을 구축할 수 있는데, 기존 시스템은 Physical 레이어에서 애플리케이션 레이어까지 특정한 소프트웨어를 가지고서 시스템을 구축해야 한다. 그러나 IoT를 기반으로 하게 되면, IoT에 들어가는 프로토콜들은 인터넷에서 대부분 다운받을 수 있기 때문에 시스템 구축비용이나 시스템 운용 관련 비용들이 적게 들어가 기존 시스템보다 많은 장점이 있다.

그러면 지금의 IoT 기술이 스마트제조에서 바로 쓰일 수 있는 것일까. 제조 분야에서 IoT 기술은 스마트제조에서 요구하는 실시간성을 아직 만족하지 못하고 있다. 기존의 산업통신망들, 즉 공장자동화를 위해 만들어진 커뮤니케이션 프로토콜들은 실시간성을 만족시키기 위해서 많은 노력이 이루어졌지만, 아직은 공장에서 요구하는 실시간성을 못 따라가고 있다.

그리고 세이프티와 보안 문제도 해결되어야만 한다. 이 부분에 대해 확신이 서지 않으면 IoT 기술을 제조에 도입하기 어렵다. 현재 인터넷 기술로는 이러한 문제를 해결할 수 없다.

IoT가 스마트제조에 사용되려면 앞으로 5~10년 정도는 더 걸릴 것 같다. 이를 위해 현재 기술 개발과 표준화 작업이 진행 중이다.

미국 NISTIR에서는 스마트 매뉴팩처링 생태계를 구축하기 위해 크게 3가지, 제품, 생산, 비즈니스로 접근한다. NISTIR 보고서를 보면, 제품을 설계하고 생산하는 라이프 사이클이 있는데, 이러한 각각의 라이프 사이클에 대한 표준에는 어떤 것들이 있는지를 보여준다. 그리고 제품, 생산, 비즈니스가 만나는 지점에서 피라미드 계층, 즉 필드 디바이스, HMI/DCS, MOM, ERP 등 각각의 시스템을 통해서 어떤 표준들이 있는지를 정리한 문건이 나와 있다. 

좀 더 재미있는 내용은, 그러면 앞으로 제조는 어떻게 진화될 것인가에 관한 부분이다. 디지털 테크놀로지가 들어옴으로써 이러한 시스템들을 운용할 수 있는 PLM, SCM, DSFCM, CPI, CCX, DFMA, FMS/RMS 등 이런 새로운 기술들을 이용해서 공장 전체를 디지털화하는 환경이 될 수 있다. 디지털 팩토리는 실제 공장을 컴퓨터 안에 그대로 묘사하는 것이다. 실제 공장에서 기계가 움직이고 생산이 이루어지는 것을 컴퓨터 모니터링을 통해서 실시간으로 파악할 수 있는 그러한 형태의 기술을 디지털 팩토리라고 한다. 이러한 디지털 팩토리 개념을 통해 공장에서 일어나는 모든 일을 손바닥 보듯이 들여다볼 수 있는 환경을 만들어 놓겠다는 것이 미래 공장이 가져야 할 표준이다.

공장에는 많은 네트워크 통신을 사용하고 있다. 프로세스 오토메이션, 팩토리 오토메이션, 배치 오토메이션 등에서 사용되는 프로토콜이 다 다르며, 상호 통합되지 않고 운영되고 있다. 이런 것들을 그대로 통합하기에는 너무나 많은 시간과 비용이 드니 IoT 기술을 이용해서 전체 프로토콜을 수평적, 수직적으로 통합하자는 게 미국에서 제시하고 있는 IoT의 기본적인 개념이다. 여기서 가장 중요한 기술은 IoT 기반 서비스 시스템이다.

IoT는 공장에서 바로 사용할 수 있을 만큼 발전하지는 않았다. 그러나 독일, 미국 등 선진국에서 인터넷 기술을 이용해 미래의 IoT 시스템 구축하기 위한 기술 개발과 표준화가 진행되고 있다.

지금 IEC에서 개발하고 있는 스마트 매뉴팩처링을 위한 기술은 어떤 것들이 있으며 표준화는 어떻게 진행되고 있는지 알아본다.

스마트 매뉴팩처링 위한 표준들

공장에는 수많은 프로토콜이 사용되고 있다. 서로 다른 언어를 가진 프로토콜들이 사용되고 있기 때문에 이런 것들을 연결하기 위해서는 고가의 게이트웨이를 설치해서 시스템을 통합해야 한다.

그리고 공장은 맨 밑의 장비 레벨(로봇, 밸브, 센서 등)부터 해서 그 위 스테이션 레벨, 엔터프라이즈 레벨까지 여러 개의 레벨로 구성되어 있는데 각각의 계층에서 사용하고 있는 통신 프로토콜들이 다 다르다. 때문에 시스템들을 통합하는 데에는 많은 어려움이 있다. 이러한 문제들을 풀고 시스템을 통합해서 자율적으로 운영하도록 하자는 게 미래 스마트제조 시스템의 개념이다. 그것에 대해 여러 가지 기술들이 만들어지고 표준화하는 작업이 진행되고 있다.

그중 하나가 OPC UA이다. 공장을 예로 들면, OPC 이전에는 애플리케이션 X와 애플리케이션 Y에서 PLC, DCS, 컨트롤러들은 각각 다른 언어를 사용했다. 그래서 이러한 시스템을 통합하기 위해서는 중간에 통역 게이트웨이 장비를 두어야 했고, 게이트웨이 장비를 만들고 운용하는 데 상당히 많은 비용이 들었다. 그런 문제들을 해결하기 위해 나온 기술이 OPC이다.

OPC UA는 공장에서 다양한 언어들을 사용하지 말고 하나의 언어를, 예를 들어 영어를 쓴다고 할 때 모든 기계가 영어를 쓸 수 있는 능력을 갖도록 해서 하나의 언어로 통신이 가능하도록 환경을 만드는 기술이다. 이러한 시스템을 구축하면 비용은 물론 제품 투자비용도 줄일 수 있는 여러 가지 장점이 있다. 

OPC UA는 피라미드 구조의 디바이스 레벨, 서브시스템 레벨, 엔터프라이스 레벨 등 모든 레벨의 디바이스를 통합할 수 있고, 더 나아가 클라우드까지 OPC UA로 묶어서 공장 내, 공장 간에 필요한 하나의 언어로 통일하자는 것이 IEC에서 첫 번째로 중요하게 다루는 내용이다.

다음으로 CDD(Common Data Dictionary)가 있다. 전기·전자 산업의 비즈니스 프로세스가 내부 프로세스와 외부 파트너와의 상호작용을 위해 전자 방식으로 점점 더 많이 수행됨에 따라 필요한 정보교환을 지원하기 위해서는 공통 개념의 사용이 필수적이다. 그래서 IEC는 CDD를 개발했다. 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, 그럼으로써 에러 프리한 정보 공유가 가능해진다. CDD는 이미 IEC에서 데이터베이스를 구축했다. 완전히 오픈된 자료이다. http://cdd.iec.ch/cdd/iec61360/iec-61360.nsf 사이트에 들어가 보면 각각의 용어에 대한 모든 것이 DB로 저장되어 있다. 현재 DB는 영어, 불어, 독일어, 일본어, 중국어까지 지원되며 아직 한국어는 구축되어 있지 않다. 스마트제조를 구축하기 위해서는 이러한 DB 구축 작업부터 먼저 시작해야 하고 용어 통일부터 해야 다음에 표준을 얘기할 수 있다.

IEC는 또 AutomationML이라는 기술도 개발했다. 실제로 공장에서 엔지니어들은 그들의 작업을 돕는 고도의 엔지니어링 툴들을 개발해 사용하고 있다. 예를 들어, 시뮬레이션, Bus Configuration, Plant Planning, Mechanical Engineering, PLC 프로그래밍 등 매우 많은 툴들을 사용하고 있는데, 이러한 툴들에 대한 용어가 다 다르다. 그리고 데이터 모델도 다르고, 데이터 교환 방법 및 기술들도 다르다. 그래서 이러한 툴들 간의 인터페이스가 이루어져야 하는데 그들의 서로 다른 데이터 포맷을 가지고 있기 때문에 시스템 설계하는 데 빅데이터 포맷을 바꾸는 작업들이 상당히 많은 시간과 노력을 들게 한다.

그래서 IEC에서는 기존 문제점을 극복하는 표준화된 데이터 교환 포맷 방법인 AutomationML이라는 기술을 개발했다. 공장에서 또는 제조업에서 사용되고 있는 모든 툴에 대한 데이터 포맷을 서로 교환할 수 있는 공통 포맷으로 만들고자 하는 게 AutomationML의 기본 개념이다.

기본 개념은 이렇다. 예를 들어, 시뮬레이션 툴이 있고 일렉트리컬 디자인 툴이 있다고 하면, 툴 자체에 DB가 있고 데이터 모델이 있을 것이다. 

일렉트리컬 시스템에 대한 DB가 있고 모델이 있는데 각각의 툴들은 따로 운용되지만, 이 두 개의 툴이 서로 연동해서 운용할 필요가 있을 경우에는 AutomationML이라는 표준화된 툴을 사용한다.

AutomationML은 현재 IEC 표준(IEC 62714)에서 표준화됐다. 그것은 도메인 및 회사 이종 엔지니어링 툴 프리 생산 시스템의 설계 데이터를 전송할 수 있도록 하는 XML 기반의 데이터 교환 포맷이다. 현재 AutomationML은 제조 시스템 토폴로지, 기하학과 운동, 논리 정보에 관한 기술 정보를 지원한다.

또 하나는 TSN(Time-Sensitive Networking) 기술이다. 개발 배경을 보면, TSN은 처음부터 공장자동화를 위해 만들어진 표준 기술은 아니었다. 지금 우리는 Profinet, EtherCAT, EthernetIP 등 이더넷 솔루션을 많이 사용하고 있는데, 이들은 표준 이더넷 네트워크 및 장치와 결합할 때에는 한계가 있다. 또한, IoT 개념을 산업 시스템에 통합하여 생산성을 높이거나 가동 시간을 늘리거나 유지보수를 줄이려는 고객은 제한된 이더넷 액세스만으로는 충분하지 않았다. 이러한 이유로 IEEE TSN 작업 그룹은 2012년부터 이더넷의 실시간 기능을 표준화하는 작업을 해왔다.

당시 오디오/비디오 시그널들은 실시간성을 반드시 지켜야 애플리케이션이 동작되는 환경이었기 때문에 처음 TSN이 개발될 때는 오디오/비디오 시그널 실시간성을 보장하기 위해 개발된 기술이었다. 그 다음으로 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 프로토콜로써 개발되고 있다.

마지막으로 RAMI 4.0은 독일에서 제안한 커뮤니케이션 레이어이다. 표준으로 정해진 것은 아니고 이렇게 하면 어떻겠냐고 의견을 제안한 상태이다. 

구조를 보면, OSI 레이어에는 맨 밑에서부터 Physical, Data Link, Net-work, Transport, Session, Presen-tation, Application 레이어로 구성되어 있는데, 인더스트리 4.0에서는 Physical 레이어에는 유/무선이 붙고 데이터 링크 레이어에는 기존 이더넷, 또는 공장자동화 프로토콜을 사용할 수 있지만, 여기에 TSN도 넣을 수 있다. 그리고 Physical 레이어 부분은 실시간성을 보장해야 하기 때문에 TSN을 써야 하는 반면, 그 위에 있는 레이어들은 인터넷으로 완전히 개방해서 전 세계 있는 모든 장비가 연결되는 커넥티드 월드의 환경을 위해 IEC에서 표준화를 진행하고 있다.  

임근난  기자 (fa@hellot.net)