오늘날 장비 개발자들은 다양한 어려움을 겪고 있다. 개발자들이 겪고 있는 어려움에는 어떤 종류가 있는지 알아본다. 또 개발자들이 경쟁우위를 확보할 수 있는 방법 및 솔루션을 제시한다. 그래픽 시스템 디자인과 맞춤형 상용 하드웨어가 설계 과정 및 비즈니스에 어떤 영향을 미치는지 살펴볼 수 있다.  
 

 ③ 메카트로닉스 설계방식

 ④ 재구성 가능한 모션컨트롤

 ⑤ 재구성 가능한 아키텍처 Vs. 기존 아키텍처

 ⑥ 머신비전

 ⑦ 장비 개발자들을 둘러싼 환경의 변화

3. 응용 사례

  1. 스마트 머신 산업
최근 스마트 머신 시스템의 확산에 대한 논의가 활발하게 이어지고 있다. 스마트 머신 시스템은 반복적인 작업을 신속하고 정확하게 수행한다. 뿐만 아니라 작업 조건이 바뀌면 독자적으로 상황에 적응할 수도 있다. 
 

큰 변화를 일으켰던 이전 세대 기술과 마찬가지로 스마트 머신 또한 우리 삶의 모든 영역에 영향을 미칠 것으로 보인다. 스마트 머신은 제품을 생산하는 방식부터 의사가 수술을 집도하는 방식·재고관리 방식·미래의 교육방식까지 많은 것들을 변화시킨다.
 

스마트 머신과 관련해 단순노동 일자리가 사라질지 모른다는 우려부터 인건비가 높은 나라에서는 다시 한 번 제조업의 전성기가 찾아올 것이라는 희망에 이르기까지 그 의견이 분분하다. 연구기관·경제학자·언론 등 여러 계층에서 논의가 활발하다. 이들은 현재 정보 기술과 장비가 결합했을 때 어떤 변화가 일어날 것인지에 대해 논의하고 있다.
 

기술자들과 과학자들은 한층 유연하고 다양한 기능을 제공하는 생산시스템을 개발하기 위해 노력하고 있다. 제조업계 또한 새로운 생산시스템을 사용해 재품 다양성에 대한 소비자 요구를 충족하고 점차 짧아지는 소비재 수명주기에 대처할 수 있는 지속적인 고민이 필요하다.

  ① 스마트 머신 특징

제조장비 혁신을 이끄는 요소로 두 가지를 꼽을 수 있다. 첫째는 제조 상품의 특성과 복잡성이고, 둘째는 높아지는 생산성과 품질 기준이다. 
 

장비 개발자들은 더 이상 한 가지 기능만 수행하는 장비를 설계하지 않는다. 소규모 생산 단위, 다양한 고객 맞춤형 제품, 한 장치에 다양한 기능을 결합한 통합형 제품 등 오늘날 제조업계의 요구에 부합하는 유연한 범용 장비를 제작하는 추세다.

최신 장비는 기존 장비들보다 한층 독자적으로 작업을 수행한다. 따라서 원재료의 조건 변화와 온도 조건 변동 또는 기계부품 마모 및 파손 등과 같은 방해요소로 인해 일어나는 작업 오류를 방지 및 수정할 수 있다. 스마트 머신은 광범위한 센서 네트워크를 활용해 작업과정과 장비 상태 그리고 환경에 대한 정보를 획득한다. 이를 통해 구동시간과 품질 수준을 높인다. 뿐만 아니라 최신 시스템은 시간이 흐름에 따라 성능을 향상시킬 수 있다. 데이터 수집과 시뮬레이션 모델 활용 그리고 전용 학습 알고리즘 적용 등을 통해 스마트 머신은 점차 작업에 최적화된다.
 

스마트 머신은 다른 자동화 시스템과 정보를 교환할 수 있다. 이를 통해 보다 상위 레벨의 제어 시스템에 상태 정보를 업데이트한다. 이를 통해 실시간으로 변화하는 조건에 빠르게 적응하고, 장애가 발생하기 전에 담당자에게 알려주는 지능형 공장 및 지능형 자동화 생산 라인을 구축할 수 있다.

② 설계 방식 및 도전과제

오늘날 장비 제어 시스템은 환경과 작업상태 그리고 장비 패러미터에 대한 자료 및 정보를 활용한다. 이를 통해 변화하는 조건에 적응하고 더욱 복잡한 작업을 수행하며 효율성 및 성능을 한층 높인다. 
 

센서와 측정기술의 역할이 점점 중요해지고 있다. 장비 개발자들이 ▲센서 및 측정기술을 활용해 환경을 인지하고 ▲실시간으로 작업상태를 관찰하며 ▲중요한 기계 부품 상태를 파악하고 ▲이 정보들을 적응형 제어(Adaptive Control)에 사용하는 시스템을 구축하기 때문이다. 이를 실현하려면 센서 데이터를 통합하고 실시간으로 정보를 수집하며 여러 센서로부터 받은 정보를 고속 제어 루프에 동시다발적으로 활용하는 제어 시스템이 필요하다. 
 

산업용 수준의 견고함을 갖춘 임베디드 시스템은 모듈러 I/O 장치를 통해 센서와 직접 연결할 수 있다. 오늘날 장비 개발자들은 까다롭고 복잡한 응용사례를 구축하기 위해 실시간 처리 및 프로그램이 가능한 하드웨어를 결합한 이기종 컴퓨팅 아키텍처를 사용한다.
 

장비 개발자들은 오늘날 제조업체가 필요로 하는 시스템을 제공하기 위해 고도의 모듈형 시스템을 설계한다. 모듈형 시스템은 고객의 구체적 요구사항을 만족시킬 수 있도록 확장할 수 있거나 운영자가 개입하지 않아도 현장에서 여러 제조과정 및 제품에 적용할 수 있어야 한다. 모듈형 접근 방식은 시스템 개발자가 여러 장비에서 재사용이 가능한 구성요소를 개발하는 데 도움을 준다. 또 상용 부가 구성요소를 간단하게 통합할 수 있도록 만든다. 
 

하지만 시스템 개발자가 모듈형 접근방식을 사용하기 위해서는 시스템 설계방식을 바꾸어야 한다. 기계적 시스템 모듈화를 제어 시스템 아키텍처에 반영할 필요가 있는 것.
 

오늘날 스마트 장비들은 기존에 활용하던 획일적인 시스템을 사용하기보단 제어 시스템 네트워크에 기반을 두는 것이 좋다. 긴밀한 통신 인프라는 반드시 정해진 시간 내에 처리해야 하는 자료뿐 아니라 우선순위가 낮은 자료 그리고 상태 정보 및 관리 시스템과의 통신 처리까지 실현할 수 있는 편이 바람직하다. 또한 장비 개발자들은 점점 복잡해지는 분산형 임베디드 시스템을 다루기 위해 소프트웨어를 중심으로 한 시스템 설계방식을 채택할 수 있다.
 

지금까지 설계팀은 각자 개별적 설계 작업에 초점을 둔 기계·전기·제어 기술자들로 구성되는 것이 일반적이었다. 하지만 오늘날 주로 쓰이는 최신 스마트 머신을 개발하기 위해서는 각 기술자들이 서로 긴밀히 협업하는 새로운 형태의 설계팀이 필요하다.
 

메카트로닉스를 기반으로 한 설계 툴은 설계과정 전반에 걸쳐 기계적 시스템과 전기적 시스템 사이의 상호작용을 촉진함으로써 장비를 효율적으로 개발할 수 있도록 지원한다. 
 

지금까지는 다양한 분야의 전문 기술자들이 개별적으로, 그리고 순차적으로 개발을 진행해왔다. 하지만 설계와 관련한 의사결정도 각 기술자들마다 서로 다른 방식으로 수행하는 것이 문제로 대두되었다. 이로 인해 개발 시간이 길어지고 많은 비용 지출이 생겨났다. 
 

반면 메카트로닉스 방식을 활용하면 개발을 능률적으로 진행하기 위해 여러 팀이 병렬적으로 작업하며 설계·시제품 제작·개발 단계 등에서 서로 긴밀하게 협업하게 된다. 
 

또 메카트로닉스 방식은 버추얼 프로토타입을 제작할 수 있다. 기술자와 과학자가 실제로 장비를 구축하기 전에 버추얼 프로토타입을 통해 장비를 검토해볼 수 있게 된 것. 
 

장비 개발자들은 핵심 기술을 적용한 기술 및 장비를 구현함으로써 자사의 스마트 머신을 차별화할 수 있다. 핵심 기술이란 다음과 같다.
·여러 제어 시스템과 이기종 컴퓨터 아키텍처의 조합

·하드웨어와 소프트웨어 플랫폼

·신호 분석 툴·고속 제어 루프·알고리즘

·시뮬레이션 툴 및 모델링 툴

·네트워크 통신 기능

·더욱 복잡해지는 시스템에 대응하기 위한 소프트웨어 중심의 설계방식

  2. 주요 기술

① 분산형 협력 제어 시스템

오늘날 스마트 머신은 모듈형 방식을 주로 사용한다. 현대 스마트 머신은 지능적 부가시스템 네트워크를 구축하고 있다. 네트워크를 통해 모든 자동화 작업을 장비 내에서 공동으로 수행하며, 상위 레벨 제어 시스템과 통신한다. 지능형 공장을 구축할 수 있다.

손쉽게 응용 및 확장할 수 있는 시스템을 제작하기 위해서는 제어 시스템 아키텍처에도 모듈형 방식을 사용하는 것이 바람직하다. 

산업통신용 프로토콜은 부가시스템을 서로 연결하고 타이밍과 동기화를 관리하기 위해 필요한 요소다. 하나의 설계 툴을 활용해 다양한 자동화 작업을 구현할 수 있는 소프트웨어 중심 설계방식과 프로그래밍 툴이 보편화 되었다. 사용자들은 기계적 시스템의 모듈성을 자사의 제어 소프트웨어에 반영할 수 있게 되었다.
 

단순한 시스템은 전통적인 구조, 즉 분산형 I/O가 단일 중앙 컨트롤러에 연결되어 있는 구조만으로도 충분히 구축할 수 있다. 하지만 보다 복잡한 현대의 스마트 머신은 계층형 구조로 된 제어 아키텍처를 채택한다. 계층형 아키텍처는 자동화 작업을 수행하는 하위 컨트롤러가 상위 레벨 제어 시스템에 연결되어있는 형태를 취한다.
 

기존의 PLC 제어기는 이런 계측 구조에서도 중요한 역할을 한다. 특히 로직 또는 안전 기능을 구현할 때 PLC 제어기가 유용하다. 하지만 스마트 머신 제어 시스템은 여기서 한 걸음 더 나아간다. 임베디드 제어와 모니터링 시스템을 통합한 것. 이를 통해 고급 제어·머신비전·모션제어 혹은 장비 상태감시 기능까지 구현한다. 지능형 부가시스템은 메인컨트롤러와 연결해 작동할 뿐 아니라 같은 레벨의 시스템과도 상호작용한다. 작업을 트리거 및 동기화해 고성능 비전 가이드 모션 혹은 위치기반 트리거링 및 데이터 수집 등을 활성화할 수 있다.
 

오늘날 장비 개발자들이 겪는 어려움 중 하나가 임베디드 기술 적용이다. 촉박한 시장출시기간과 치열한 경쟁 속에서 맞춤형 임베디드 하드웨어를 개발할 만한 충분한 시간 및 자원을 확보하기 어렵다. 업체 중에서는 임베디드 엔지니어가 없어 이 분야의 인력을 외부에서 구해야 하는 경우도 많다.
 

장비 제어 시스템에 사용하는 하드웨어를 선택하는 작업은 퍽 까다롭다. 시스템 엔지니어링 팀은 사용하기 편하고 위험이 상대적으로 낮은 블랙박스 솔루션과, 성능 및 가격 면에서 이점이 있는 맞춤형 임베디드 시스템을 놓고 고민하곤 한다.

맞춤형 임베디드 시스템을 사용하면 시장에서 자사 장비의 성패를 좌우할 수 있는 차별화된 기능을 내장하게 된다. 하지만 현재 많은 설계팀이 맞춤형 솔루션에 익숙하지 않아 결국 상대적으로 잘 알고 있던 전통적 솔루션을 선호하는 경향이 있다. 그러나 기존 솔루션만으로 장비의 차별화된 기능을 구현하는 데에는 한계가 있다.
 

내쇼날인스트루먼트는 이런 문제점을 해결하기 위해 각 영역의 전문가들이 모듈형 임베디드 시스템을 설정하고 하나의 그래픽 설계 툴로 다양한 자동화 작업을 프로그래밍할 수 있는 플랫폼 기반의 개발 방식을 제공한다. 
 

선도적인 장비 개발자들은 이미 이러한 그래픽 기반 시스템 설계방식을 채택하고 있다. NI LabVIEW 그래픽 프로그래밍 및 LabVIEW RIO(재구성 가능한 I/O) 아키텍처를 사용한다. LabVIEW 그래픽 프로그래밍은 장비 개발자들이 더욱 복잡해지는 시스템을 쉽게 이해할 수 있도록 돕는다. 
 

장비 개발자들은 LabVIEW를 사용해 개발 툴체인을 통합하고 모션제어·머신비전·제어 설계 및 시뮬레이션용 애드온 모듈·장비 예측 및 상태 관찰 기능·I/O 하드웨어 및 통신 프로토콜을 위한 포괄적 지원 등을 도입해 설계과정을 더욱 단순화할 수 있다. 
 

또 LabVIEW RIO 아키텍처는 하이브리드 방식을 채택하고 있다. 사용자가 직접 설정할 수 있는 상용 플랫폼과 프로그램 가능한 FPGA를 결합해 내쇼날인스트루먼트뿐 아니라 다른 여러 업체가 제공하는 다양한 기존 I/O 모듈에 접근할 수 있다. 

장비 개발자들은 오랜 시간을 들여 하드웨어를 설계하거나 해당 사례에서만 활용할 수 있는 블랙박스 솔루션을 개발할 필요가 없다. LabVIEW FPGA 모듈이 제공하는 기능 및 IP를 활용해 맞춤형 알고리즘 설계 및 최적화에만 집중하면 된다. 하드웨어 입출력을 사용자가 정의할 수 있는 보드형 버전은 한층 유연한 솔루션이다.

  ② 이기종 컴퓨팅 아키텍처

장비 제어 관련 응용사례가 점차 복잡해짐에 따라 요구사항이 갈수록 까다로워지고 있다. 동시에 설계시간 역시 증가한다. 

이러한 요구사항을 만족하고 동시에 설계시간을 최소화하기 위해서는 하드웨어 아키텍처와 임베디드 시스템 설계 툴도 함께 진화해야 한다.
 

지금까지의 대다수 임베디드 시스템이 단일 CPU를 채택했다. 따라서 시스템 개발자들은 복잡한 응용사례 구동에 필요한 작업처리량을 확보하기 위해 CPU 클럭 속도를 개선하거나 멀티코어 컴퓨터로 전환하거나 여타 혁신적 기술을 사용하는 식으로 대처했다. 하지만 최근 대다수 시스템 개발자들이 처리량과 대기시간 그리고 유연성과 비용 등을 최적화하기 위해 서로 다른 CPU를 통합하는 컴퓨팅 아키텍처를 선택하고 있다.
 

이기종 컴퓨팅 아키텍처는 다양한 장점을 가지고 있다. 특히 고급 장비 응용사례를 위한 고성능 임베디드 시스템을 구현하기 위해서는 필수적 역할을 한다.
 

이기종 컴퓨팅 아키텍처가 제공하는 몇 가지 장점을 설명하기 위해 CPU·FPGA·I/O로 구성된 아키텍처를 예로 들 수 있다. FPGA는 병렬 제어 루프, 여러 데이터 채널에 걸친 신호 처리 작업, 단일 시스템 내에서 독립적 작업 실행 등 병렬 연산을 처리하는 데에 이상적이다. FPGA는 하드웨어에 직접 연산을 구현하므로 맞춤형 트리거링이나 고속 폐루프 제어와 같은 작업을 처리할 때 대기시간을 줄일 수 있다. 
 

FPGA를 컴퓨팅 아키텍처에 통합하면 임베디드 시스템의 유연성이 높아진다. 따라서 로직이 고정되어있는 시스템보다 업그레이드가 용이하며, 변화하는 I/O 요구사항에도 쉽게 적응할 수 있다. 시스템 개발자들은 CPU와 FPGA를 통합한 이기종 아키텍처를 통해 FPGA와 CPU의 장점을 모두 활용할 수 있다.
 

또 단일 요소 솔루션으로는 벅찬 응용사례에서 이기종 아키텍처를 대안으로 고려할 수 있다. 예를 들어 짧은 대기시간을 요구하는 병렬 작업을 실행할 때에는 하나의 FPGA가 여러 CPU만큼의 성능을 내기도 한다.
 

임베디드 시스템 설계는 다양한 프로세싱 요소를 탑재하고 있다. 여러 장점을 제공할 수 있는 비결이다. 하지만 소프트웨어를 개발하는 과정에 어려움이 있을 수 있다. 프로세싱 요소들이 각각 특화된 아키텍처를 보유하고 있기 때문이다. 
 

이런 요소들을 프로그래밍하기 위해서는 다양한 도구 및 전문 기술이 필요하다. 따라서 대규모의 설계팀이 필요한 경우가 많다. 예를 들어 FPGA를 프로그래밍하려면 일반적으로 VHDL 프로그래밍에 대한 지식이 필요한데, 이 기술을 확보하기 위해서는 교육에 상당한 투자를 실행하거나 많은 직원을 고용하거나 혹은 비용을 들여 외주 업체에 맡겨야 한다. 
 

이기종 아키텍처를 지원하기 위한 소프트웨어 스택을 개발하는 것 역시 어려운 작업이다. 드라이버 통합·보드 지원·구성 요소 사이의 통신을 위한 미들웨어·I/O 인터페이스 로직·그 외 요소 등을 통합하는 것이 까다롭기 때문이다.
 

시스템 개발자들은 표준 이기종 아키텍처와 상호 연동을 실현하는 I/O 그리고 상위 레벨 시스템 설계 소프트웨어로 구성된 ‘통합 하드웨어 및 소프트웨어 플랫폼’을 통해 이런 문제를 해결할 수 있다. 상위 레벨 설계 툴은 내부 하드웨어에 대한 지식을 바탕으로 개발 과정에서 시스템 아키텍처와 I/O를 모두 구상한다. 그 결과 시스템이 향상됨은 물론 시스템 개발자들이 하위 레벨 기능 구현에 필요한 세부사항까지 관리할 필요가 없다. 시스템 개발자들은 이기종 아키텍처를 기반으로 임베디드 시스템을 개발할 때 상위 레벨 시스템 설계 툴을 사용할 수 있다.
 

설계 툴은 FPGA와 개별 컴퓨팅 요소의 아키텍처를 구성하는 동시에 개발자들이 서로 다른 요소의 기능을 활용하는 데에 도움이 되도록 통합한 프로그래밍 모델을 제공한다. 나아가 상위 레벨 설계를 소프트웨어에서 구상하는 방식을 택하면 기능적인 동작을 간결하게 설명할 수 있는 것은 물론이고 하드웨어나 통신 인터페이스가 바뀌더라도 코드를 재사용할 수 있다.

현재 이기종 아키텍처를 기반으로 하는 상용 임베디드 시스템 플랫폼이 출시되어 있다. 따라서 처음부터 맞춤형 하드웨어를 설계할 필요가 없다. 

내쇼날인스트루먼트는 LabVIEW RIO 아키텍처를 바탕으로 보드 레벨 NI Single-Board RIO에서 산업용 패키지인 NI Compact RIO와 PXI에 이르기까지 다양한 폼 팩터와 성능 수준을 갖춘 상용 플랫폼을 제공한다. I/O 모듈의 폭넓은 개발환경은 아날로그와 디지털 측정 및 산업용 버스 연결을 포함하고 있어 기술자가 이러한 플랫폼을 스마트 머신 응용사례에 활용할 수 있도록 돕는다.
 

LabVIEW는 그래픽 기반 프로그래밍 방식을 사용해 이기종 하드웨어에서 CPU와 FPGA를 모두 프로그래밍할 수 있다. 또한 시스템 타이밍·I/O 접근·내부 통신 등을 통합하며 모션제어·머신비전·상태 감시·예측 및 진단·그 외 다양한 자동화 작업을 위한 폭넓은 IP 라이브러리를 제공한다.
 

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