[헬로티]
디지털 트윈이 구현되기 위해서는 XR(실감 기술)을 기반으로 해야 한다. 그 배경 가운데는 △저숙련 노동자 훈련 △암묵지 전달을 위한 시청각 정보 △HMD의 대중화 시작 △5G 대역폭의 네트워크 등장 등을 들 수 있다. XR 협업 시스템은 스마트 팩토리 보급에 있어서 큰 게임 체인지 역할을 할 것이다. 지난 9월에 개최된 ‘제4회 스마트 제조 베스트 프랙티스 컨퍼런스’에서 CPS와 연동된 XR 기반 언택트 제조 협업 시스템에 대해 유비씨 송영빈 상무가 강연한 내용을 정리했다.
그림 1. 디지털 트윈(CPS)의 전형적인 예
CPS(Cyber Physical System)는 디지털 트윈이다. 그림 1은 전형적인 디지털 트윈의 예로, 왼쪽 부분은 배터리팩 하나만을 보여주고 있는 반면에 오른쪽 부분은 배터리팩 내에 있는 각종 평가 태그를 보여주고 있다. 이 같이 디지털 트윈은 현실에 있는 사물을 디지털로 쌍둥이처럼 묘사하는 것으로, 사이버 세계에서는 들입다운이 자유롭다.
유비씨는 CPS에서 피지컬(Physical)에 해당하는 부분과 사이버(Cyber)에 해당하는 부분 사이에 연결 관계를 VR(가상현실), AR(증강현실)로 상정하고 있다.
그 이유는 CPS를 도입했을 때 어떤 효율성이 있을까를 고민해보면 가장 먼저 떠오르는 부분은 ‘가상화로 얻는 이점’이고, 그 이점은 시뮬레이션에 있을 것으로 생각했기 때문이다. 물론 시뮬레이션이라는 게 여러 가지의 가능성이 있다. 예를 들어 공학 분야에서 해석 영역을 보면, 강체해석이 있고, 연체해석이 있다. 또 반도체 분야에서는 수율(생산품 대비 양품의 비율)이라는 부분도 있는데, 수율을 높이는 데 있어서도 여러 시뮬레이션 방향이 있을 것이다. 이처럼 다양한 가능성 즉, 다양한 스펙트럼이 있는 것이다.
또 한 가지 주목해야 할 관점은 시뮬레이션 시나리오를 “사람 입장에서 어떻게 시각화 할 것인가”라는 부분이다. 그 시각화를 가장 효과적으로 할 수 있는 방안이 VR과 AR이라고 판단된다.
그림 2. 디지털 트윈(CPS)을 제조업에 적용했을 때
VR과 AR일 수밖에 없는 배경
그림 2는 CPS를 제조업에 적용했을 때를 예로 든 것으로, 게임 엔진에서 사용하는 툴 중 하나이기도 하다. 가상으로 로봇팔을 적용했는데, 유비씨는 가상화된 세계를 통제하는 단위로서 ‘어드레스 스페이스’를 제시한다. 어드레스 스페이스는 ‘태그들의 집합’이라고 보면 된다.
그림 2에서 로봇팔의 각 관절의 각도를 디지털 세계에 똑같이 묘사하기 위해서 노드라는 단위로 ‘맵핑을 했다’라고 생각하면 된다. 그림의 빨간 점선은 맵핑된 관계를 보여준다.
그림 3. 생산 현장에서부터 클라우드까지 연결되는 전송의 피라미드
OPC UA
OPC UA는 국제산업 표준 프로토콜이다. 그림 3은 생산현장에서부터 클라우드까지 연결되는 전송의 피라미드로, 가장 아래에 필드 레벨 있고, 바로 위에 컨트롤 레벨이 있고, 그 다음에 오퍼레이션 레벨, 매니저먼트 레벨, 마지막에 ERP(Enterprise Resource Planning) 레벨이 계층화 돼 있다.
가장 아래의 필드 레벨은 말 그대로 제조업에 있어 산업라인 즉, 어셈블리 라인이다. 어셈블리 라인에서는 많은 데이터가 발생되는데, 그 데이터를 발생시키는 주체를 태그라고 보면 된다. 그 태그들을 OPC UA라는 프로토콜이 데이터로 관리하기 위해 노드라는 것으로 관리를 한다라고 이해를 하면 된다.
그림 3을 보면, 필드 레벨을 제외하고는 모두 다 OPC UA로 연결이 된다. 반면, 필드 레벨 같은 경우에는 OPC UA가 적용되지 않는 것이 일반적이다. 하지만 최근에는 필드 레벨도 OPC UA를 지원하고 있는 추세다.
예를 들어 산업로봇 기업 쿠카(KUKA) 같은 경우에는 필드 레벨에서 산업로봇이 데이터를 직접 OPC UA로 전송해 준다. 이는 컨트롤러에 소프트웨어를 교체하는 것만으로도 구현이 가능하다.
가장 아래부터 가장 상위까지 OPC UA로 통신이 된다는 것은 중요한 의미를 갖는다. OPC UA는 다른 산업 프로토콜과 다르게 스스로 자신을 설명할 수 있는 프로토콜이다. 다시 말해, 로봇팔을 만드는 기업과 그 로봇팔에 데이터를 수집하는 기업이 서로 다르다 할지라도 OPC UA 프로토콜은 자기 스스로를 설명할 수 있는 프로토콜이기 때문에 기계 간 통신이 가능하다는 말이다.
이러한 기계 간 통신은 사람의 개입 없이 또는 제조라인의 중단없이 기계의 부품 교체나 확장, 이전 등이 가능하다는 말이다. 이를 제조라인의 ‘플러그앤플레이(Plug And Play)’라고 표현한다.
컴퓨터를 예로 들어보면, 부품을 ‘플러그앤플레이’ 방식으로 교체하면 특정 설정이나 소프트웨어까지 자동으로 세팅되면서 즉시 동작을 하는데, 이와 같은 형태라고 보면 된다. 산업 라인에서는 OPC UA가 제조라인 자체에서의 플러그앤플레이를 가능하게 한다.
다만 OPC UA는 아직 도입 단계에 있다. 하지만 앞으로 OPC UA는 스마트팩토리에 다양한 구성요소들을 조합하는 데 있어 접착제 같은 역할을 할 수 있을 것으로 판단된다.
그림 4. CNC를 OPC UA로 모델링 후 CPS로 구성한 사례
OPC UA 사례
그림 4는 CNC를 OPC UA로 모델링 후 CPS로 구성한 사례다. 그림 왼쪽 부분(물리 세계)은 CNC 구성요소를 계층구조화(Hierarchy) 한 것으로, 구성요소를 보면 컨트롤러, 축(Axis), 커팅 툴이 있다. 다시 축의 구성요소를 보면 X,Y 그리고 스핀들로 구성돼 있다.
CNC를 OPC UA로 모델링 하게 되면, 오른쪽 부분(가상세계)처럼 모델링이 가능하다. CNC 타입이라는 것도 OPC UA에 오브젝트 타입으로 구현을 한 것이다.
XR 확대의 조건
XR(실감 기술)을 기반으로 한 디지털 트윈이 구현되어야 하는 배경 가운데 첫 번째는 ‘저숙련 노동자의 상시적 훈련 필요성’이다. 관련 설문조사에 따르면 상시적 직업훈련을 받지 못하는 가장 큰 이유는 시간이다. 만약 실감기술을 이용하면 시간의 제약으로부터 어느 정도 벗어날 수 있다고 본다.
두 번째는 ‘암묵지 전달에는 시청각 정보가 용이하다’라는 측면이다. 먼저 용어를 살펴보면, 숙련 노동자가 가지고 있는 숙련의 정도를 글로 표현할 수 있는 경우 이를 ‘명시지’라고 하며, 글로 표현 못하지만 어떤 오래된 습관이나 흔히 ‘스킬’이라고 표현하는 형태의 경우 이를 ‘암묵지’라고 한다. 몇 달을 같이 일해서 전수받을 수 있는 숙련공의 기술을 얼마나 빨리 비숙련자에게 전달할 수 있느냐가 스마트팩토리나 제조업의 문제점 해결하는 데 있어서 중요한 요소라고 본다. 따라서 암묵지를 어떻게 용이하게 전달할 것인가에 대해 많은 고민을 했다.
세 번째는 ‘HMD의 대중화 시작’이다. 이는 간단하게 AR 글래스라고 생각하시면 된다. 요즘에는 AR 글래스가 많이 나오고 있고, 코로나19와 겹쳐 중요성이 점차 높아지고 있다. 기술적 발전도 대중화를 이끄는 요소 중 하나다.
과거에는 시각화하기 어려운 이유가 모델링 비용이 비싸서였는데, AR 기술의 발전으로 모델링을 구축하는 비용을 줄일 수 있게 됐다. 이 부분이 XR이 보급되는 데 있어서 강력한 기술적 요인이라고 보고 있다. 5G 대역폭의 네트워크 등장 또한 XR 협업시스템 기술적 기반이 되는 핵심 요인 중 하나다. 4G까지는 사람 간의 통신이었다고 하면 5G부터는 사물 간 통신이다. 사물 간 통신이 중요한 이유는 사물 간의 통신이 기계 간 통신으로 이어지고, 이는 자동화라는 주제로 연동되기 때문이다.
다음 XR 협업시스템 기술적 기반은 웹RTC 기술이다. 웹RTC는 클라우드 게임(Google Stadia)을 가능하게 하는 기술이다. 구글 스테디아 같은 경우는 유튜브로 게임을 시청하다가 시청자가 게임에 즉각 참여할 수도 있다는 것인데, 이 구조가 제조 현장에서 협업하는 데 있어 중요한 역할을 할 수 있다. 이 같이 스마트 팩토리 보급에 있어서 XR 협업 시스템이 큰 게임 체인저 역할을 할 것으로 보고 있다.
