지금은 그 누구도 부정할 수 없는 4차 산업혁명 시대다. 스마트 팩토리 기반의 제조 환경을 구현함으로써 제조 회사들은 기존의 생산 시스템을 업그레이드하여 생산성을 향상시키고, 불량율을 감소시키며, 공장 가동율을 높이기 위해 다양한 노력과 시도를 하고 있다. 여기에 빠질 수 없는 요소 중 하나가 바로 제조 설비 모니터링 시스템이다.

현장 작업자의 수작업에 의존하는 생산량 집계나 불량품 파악 방식은 신속성뿐만 아니라 작업의 일관성이나 정확성도 담보하기 어렵다. 센서, 네트워크 인프라 및 클라우드 플랫폼과 같은 산업 IoT(IIoT) 기술을 제조 현장에 도입하면 제반 설비 자산의 디지털화가 가능하고, 각 장비를 통해 수집되는 데이터들을 분석하고 가공하여 자동화된 설비관리 시스템 구축이 가능하다.

본고에서는 기존의 전통적인 제조 현장을 위한 효과적인 설비관리 시스템을 구축하는 데 있어서 고려되어야 할 사항과 몇 가지 사례를 기반으로 한 구축 사례를 소개하고자 한다.
작업자에 의해 수작업으로 관리되고 있던 설비를 자동화된 시스템으로 구축하기 위해서는 기술적으로 크게 3단계의 과정이 필요하다.

첫 번째 단계로, 제조 현장의 다양한 장비들을 상호 연결(Connected)하는 시스템을 구축한다. 이는 투명한 데이터 확보가 가능할 뿐 아니라 가시적인 제조 현황 파악의 기본 토대를 마련한다.

두 번째 단계는 데이터 수집과 통합 과정이다. 이 과정에서는 기초 데이터에 대한 수집뿐만 아니라 다양한 데이터 가공을 통해 사용자가 원하는 핵심 정보를 확보하는 것이 가능하다.

마지막 세 번째 단계에서는 자동화된 시스템을 기반으로 지능형 설비 모니터링 및 제어시스템을 구축하고, 예지보수 기능과 같은 부가가치 서비스를 구현한다.

이러한 과정을 거쳐 제조사는 다음과 같은 핵심적인 스마트 팩토리 솔루션을 구축할 수 있다.
① 머신 자동화 : 머신 비전 및 머신 모션을 통합하며, 로봇이나 AGV를 활용하여 인력 의존도를 최소화할 수 있으며, 더 나아가 무인 생산이 가능하다.

② 예지보수 : 장비의 상태를 모니터링하기 위한 센서를 활용하여 수집된 데이터를 저장하거나 실시간으로 서버 혹은 클라우드에 전송하고 분석함으로써 예지보수를 가능하게 한다. 이를 통해 최적의 가동률을 달성하고, 유지보수 비용은 최소화할 수 있다.

③ 설비 모니터링 : 생산 현황을 집계할 수 있는 센서를 활용하여 OEE 시스템을 구축하여 장비 효율성, 생산량, 품질 등을 실시간으로 파악할 수 있다.

④ MES 연계 : 자동화되어 수집되는 생산 데이터를 MES 시스템과 연동하여 생산 현황 정보의 가시적인 표시와 재고 관리 등 지능화된 생산 계획 수립이 가능하다.

⑤ 공장 환경 모니터링 : 공장 내 환경 감시를 위한 온/습도, 분진, 유해가스, CO2 데이터를 수집하고, 공조 설비 등과 연계하여 최적의 작업 환경을 유지할 수 있다.

⑥ 공장 에너지 관리 시스템 : 공장의 전력 사용 현황을 IoT 기술을 통해 관리함으로써 실시간 에너지 사용 현황을 파악할 뿐 아니라 설비 가동 시간과 운용 환경을 최적화하여 에너지 소비를 최소화할 수 있다.

설비관리 시스템 구축 시 필수적으로 적용될 플랫폼에 대해 자세히 살펴보자.

설비관리 시스템 필수 자동화 플랫폼

1) 데이터 수집 시스템
 대기업의 MES 시스템은 수백 명이 넘는 엔지니어가 투입되어 고도의 자동화 시스템을 구현한다. 하지만 아무리 고도화된 자동화 시스템이라도 그 시작은 시스템 하부의 데이터 수집 장치로부터 시작된다.
데이터 수집 장치는 온도, 습도, 진동, 압력, 소리와 같은 물리적인 현상을 디지털화하여 측정하는 기능을 담당한다. 여기에는 센서, DAQ 장치, 사용자 애플리케이션으로 구성된다. 특히 데이터 수집을 담당하는 하드웨어는 현장의 다양한 장치와 연동될 수 있도록 여러 하드웨어 인터페이스를 제공하며, 다수의 센서 데이터 정보를 수집할 수 있도록 확장성이 우수해야 한다.
어드밴텍의 ADAM-3600 디바이스는 이러한 다양한 사용자 필요를 충족할 수 있는 데이터 수집 장치이다.
시리얼, 이더넷, 무선 인터페이스를 통해 700여 개의 IO 모듈로부터 동시에 데이터 수집이 가능함으로써, 하나의 ADAM-3600 장치당 최대 3,000 태그의 정보를 수집하고 전송할 수 있는 확장성을 지원한다.
또한 미쯔비시 등 250여 종류의 PLC 장치 드라이버와 함께 모드버스(Modbus), Restful, DNP3, BacNet, OpenVPN을 포함한 다양한 통신 프로토콜을 지원하여 기존에 운영 중인 장비나 소프트웨어에 대한 통합이 매우 용이하다.

2) 데이터 처리 및 가공
최근 엣지 컴퓨팅 기능에 대한 필요와 수요가 증대되고 있다. 단순히 센서 데이터를 상위 서버로 전송하는 수준이 아닌 자체 데이터 처리 로직을 통한 유의미한 데이터를 추출하여 서버와 네트워크의 부하를 분산하는 효과를 얻기 위함이다. 뿐만 아니라 현장의 다양한 장치나 프로토콜을 단일의 포맷으로 변환하여 서버에 전송할 수 있는 프로토콜 게이트웨이의 기능 또한 매우 유용하게 활용될 수 있다.
ADAM-3600은 수천 개에 달하는 외부 데이터의 실시간 수집뿐만 아니라 자체 데이터 프로세싱 기능을 통해 별도의 소프트웨어 개발 없이 사용자 설정만으로 원시 데이터를 유의미한 데이터로의 가공이 가능하다. 우선 로컬 데이터 프로세싱 기능으로 스케일링 기능과 연산 기능을 사용할 수 있다. 스케일링 기능은 외부 센서 장치에서 입력 받은 값(ex 10mA)을 사용자 친화적인 형태(ex 100W)로 변환하도록 해준다.

연산 태그는 여러 태그 값을 입력으로 받아 산술/수학 연산을 수행할 수 있는 기능이다.

기존의 단순한 데이터 취득 장치에서는 이러한 연산 기능을 지원하지 않았기 때문에 불필요하게 많은 데이터가 서버 측에 전송되는 문제점을 초래할뿐더러 데이터 처리 기능을 구현해야 하는 개발 부담을 떠 앉을 수밖에 없었다.
로컬 데이터 처리 기능 외에도 ADAM-3600은 다양한 통신 프로토콜을 제공하기 때문에 이기종의 장비를 손쉽게 통합할 수 있는 프로토콜 컨버터로서의 기능도 훌륭히 소화할 수 있다.
4차 산업혁명 시대의 큰 트렌드 중의 하나는 IT와 OT의 통합을 들 수 있다. 더 이상 제조 데이터가 현장에만 국한되지 않고, 기업의 ERP 혹은 MES 시스템과 연동됨으로써 작업자와 운영자, 경영자 모두에게 신속하고 가시적인 관리가 가능하다.
최대 3,000여 개의 태그로부터 수집되는 실시간 데이터는 IT 친화적인 Restful API나 MQTT 혹은 OPC UA 방식으로 기존 IT 시스템에 제공될 수 있으며, 데이터베이스, 파일서버, 클라우드 서버, 스카다 시스템과의 연동성을 통해 어떤 형태의 솔루션 구축에도 활용될 수 있는 이점을 제공한다.

3) 지능형 설비 모니터링 시스템 구축 

지능화된 데이터 취득 시스템을 통해 구축할 수 있는 대표 적용 사례

1) 공장 에너지 관리시스템
한 제조사의 경쟁력은 우수한 품질의 제품을 생산해 내는 역량이 무엇보다 중요하겠지만, 오늘날과 같은 치열한 경쟁 구도 속에서 보다 높은 비교우위를 점하기 위해서 공장의 에너지를 최소한으로 절감시키는 시스템을 생산 시스템과 접목하여 운영할 수 있는 역량이 새로운 관건으로 떠오른다. 이는 FEMS(Factory Energy Management Solution)을 통해 구현될 수 있는데, 어드밴텍의 FEMS 솔루션을 통해 7~10% 정도의 에너지 절감 효과를 얻을 수 있다.
스마트 미터기를 통해 수집되는 데이터에 기초하여 F EMS 시스템은 실시간으로 전력 소비 현황을 비용에 기초하여 보여줄 뿐만 아니라 지능형 에너지 관리 기능을 통해 비용이 가장 저렴한 시간대에 에너지 사용을 유도하는 다양한 서비스를 제공한다.

 2) 하수처리 모니터링 시스템
지역적으로 넓게 분포되어 있는 하수처리장에서는 보다 효율적인 데이터 전송을 위해 무선 통신 사용을 고려할 수 있다. 펌프장에서 수집되는 pH, 온도, 유량계 등 다양한 센서 정보들은 ADAM-36 00 컨트롤러에 의해 수집되며, 최소/최대/평균 수질 상태 파악이 가능해진다.
저전력 프로세서 기반의 -40~70℃ 온도 범위에서 동작하는 ADAM-3600은 옥외 환경에서 운용할 원격 모니터링 시스템으로 적격이다.
뿐만 아니라 현장의 데이터가 사용자 프로그램 없이 직접 클라우드 서버에 전송될 수 있는 기능은 최적의 타임 투 마켓(Time-to-Market)을 보장한다.

맺음말

앞으로의 제조 현장은 단순히 장비를 운영하는 차원에서 그치지 않고 제조 비용을 절감하는 노력들이 더욱 활발하게 시행될 것이다. 이익과 시장 경쟁력을 극대화하기 위해서는 에너지 소비 절감을 통한 제조원가 감소가 효과적인 방법 중 하나가 될 것이다.

전통적인 제조 현장에서는 이러한 비용 절감을 달성할 수 있는 효과적인 방법이 부족하였으나, 어드밴텍의 ADAM-3600과 같은 올인원 패키지 제품을 도입하면 다양한 PLC와 통신 프로토콜과의 연동이 가능하고, IT 시스템과의 연계를 통해 기업의 효과적인 성공 파트너로 자리매김할 것이다.

Joseph.Baek@advantech.co.kr