스마트 머신이 떠오른다 (2)
스마트 머신이 떠오른다 (2)
  • 윤진근 기자
  • 승인 2018.11.08 14:43
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주요 기술부터 응용 사례까지 한눈에
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.  
 
☞ 지난호에서 계속
 
3. 메카트로닉스 설계방식
오늘날 장비를 설계할 때에는 모든 결정에 파급효과가 따른다는 점을 기억해야 한다. 장비팀이 재료 혹은 장비 구성요소의 무게를 변경하면 장비를 효율적으로 작동하기 위해 필요한 모터 크기 및 종류에까지도 그 영향이 미친다. 만약 스테퍼 모터를 서보 모터로 바꾸면 제어 알고리즘은 물론이고 알고리즘을 처리하는 임베디드 시스템의 성능 요구사항에 이르기까지 여러 부분이 복잡해진다. 따라서 팀 내의 의사소통 개선 및 기계·전기·제어 기술자들 사이의 협업이 매우 중요하다. 기술자들이 긴밀한 통합 기능을 통해 모든 개발 주기 단계에 걸쳐 자료와 정보를 공유할 수 있는 도구를 사용하면 보다 효율적인 협업을 실현할 수 있다.
 
현대 장비의 설계과정을 개선하기 위해 산업 전반에 걸친 노력의 결실이 바로 메카트로닉스다. 메카트로닉스는 설계·시제품 제작·개발 과정을 간소화하기 위한 개발 방법 및 기술을 통합한 것이다.

소프트웨어 툴이 메카트로닉스 설계방식 채택에 핵심적인 역할을 한다. 소프트웨어 툴은 다양한 연산 모델을 제시하고 기술자들이 각자의 작업에 가장 적합한 방식을 선택하도록 도움으로써 비용을 절감하고 장비 설계 과정에서의 위험을 낮출 수 있도록 돕는다. 
 
LabVIEW는 협력 제어 시스템을 개발하고 구현하는 데에 유용하게 사용할 수 있다. 직관적인 타이밍 및 동시 실행 구조 위에 여러 연산 모델을 결합한다. 시스템 개발자들은 이러한 개발환경을 통해 데스크탑 시뮬레이션에서 실시간 프로토타입 제작으로, 하드웨어 인 더 루프(HIL) 시뮬레이션에서 배포로 순조롭게 이행할 수 있다. 마이크로프로세서와 FPGA 그리고 GPU와 같은 이기종 하드웨어를 사용할 경우 각 사례에 가장 적합한 연산 요소를 적용할 수 있다.
 
장비 제어에 유용한 연산 모델로는 데이터 흐름·상태 차트·ANSI C와 VHDL 코드·문서 수식·멀티레이트·시뮬레이션·피드백 제어 등이 있다. 데이터 흐름 프로그래밍은 통신·모니터링·제어 등 병렬 작업을 신속히 생성한다. 프로그래밍을 위한 추가적 연산 모델에 물리적 시스템의 다양한 구성요소에 사용하기 위해 개발한 맞춤형 .m 파일을 적용할 수 있다. 멀티레이트 연산은 디지털 신호 작업을 신속하게 처리할 수 있다. 다이내믹 시스템 시뮬레이션과 피드백 제어는 신호 흐름을 보여주는 별도의 연산 모델로 나타낼 수도 있다. 상태 차트는 이산 로직을 나타내는 데에 사용하는 연산 모델이다. 
 
연산 모델은 주로 설계작업 초기에 데스크탑 컴퓨터에서 실행한다. 하지만 시스템 개발 환경 측면에서는 이런 모델을 임베디드 제어 및 모니터링 플랫폼에도 쉽게 배포할 수 있도록 지원해야 한다.
 
다른 설계 툴과의 상호호환성 역시 중요한 요소다. 다양한 소프트웨어 및 하드웨어 구성요소와 상호호환을 실현할 수 있다면 시스템 확장 및 재구성에 큰 도움이 된다. LabVIEW는 기계적 설계 및 시뮬레이션을 위한 CAD 소프트웨어 툴에서 전자 시뮬레이션과 레이아웃 그리고 다중 물리 시뮬레이션 패키지에 이르기까지 일반적인 파일 포맷 혹은 통합 시뮬레이션을 사용해 보편적인 엔지니어링 툴과 상호호환할 수 있다.

 
4. 재구성 가능한 모션컨트롤
개별 모터든 다차원적으로 조율된 동작을 수행하는 모터들이든 간에, 모션은 일반적으로 장비 기능에 있어 중요한 부분을 차지한다. 
내쇼날인스트루먼트는 LabVIEW를 통해 모션 제어를 LabVIEW와 LabVIEW RIO 아키텍처의 핵심적인 요소로 제공한다. 그래픽 프로그래밍을 활용해 고급 모션 프로파일을 설계 및 검증하고, 이를 임베디드 제어와 모니터링 하드웨어에 신속하게 배포할 수 있다. 표준 인터페이스를 스텝·방향·p-command·아날로그·산업 프로토콜과 같은 드라이브나 모터에 사용할 수 있다. LabVIEW NI SoftMotion 모듈이 제공하는 임베디드 NI C 시리즈 제품군 드라이브와 모션 IP를 활용하면 임베디드 모션 제어 시스템과 뛰어난 유연성 및 맞춤 기능을 구현할 수 있다.
 
5. 재구성 가능한 아키텍처 Vs. 기존 아키텍처
기능이 고정된 컨트롤러와 드라이브는 펌웨어와 함께 제공된다. 컨트롤러와 드라이브를 최적화해 CNC 엔드밀 기계축 구동 등 특수한 목적을 위해 사용하거나 최대한 보편적으로 설계해 여러 산업에 두루 쓰이는 다양한 종류의 애플리케이션을 수용하도록 만들 수 있다. 설계 바탕이 된 기존 사례와 동일한 범위 내에서 사용한다는 전제 하에, 고정 기능 컨트롤러와 드라이브를 사용해서 응용사례를 효과적으로 구현할 수 있다. 고급 필터링·자동 튜닝·테스트 패널·진단 툴·여타 펌웨어 내에 탑재된 기능 등 해당 제품에 포함된 설계작업과 기능을 모두 활용할 수 있다.
 
하지만 장비 개발자들이 모션컨트롤러와 드라이브 펌웨어가 제공하는 것 이외의 기능을 필요로 할 때에는 고정 기능 컨트롤러를 사용하는 데에 문제가 발생한다. 장비가 더욱 전문화되고 정밀화되면서 이러한 사례도 점차 늘어나고 있다. 
 
제조 관련 응용사례에서 볼 수 있는 일반적인 요구사항은 I/O와 모션 데이터(가장 흔한 데이터는 위치·속도·가속도 등이 있다)의 동기화다. 이와 관련된 I/O 타입은 응용사례에 따라 크게 달라질 수 있으며, 정밀도와 측정 속도 역시 마찬가지다. 응용사례 요구사항이 내장 I/O 채널의 개수를 초과하지 않는 경우, 많은 고정 기능 장비가 디지털 트리거링과 같은 단순한 측정 타입을 활용하고 있다. 
 
보다 복잡한 측정 장비는 속도 및 I/O 타입을 처리하기 위해 전용 데이터 수집 시스템을 추가해야 한다. 데이터 속도가 빠를수록 수집 및 모션 데이터의 동기화가 어렵다. EtherCAT과 같은 결정성 있는 버스에서 2~3㎑ 이상의 속도를 처리하려면 강력한 마스터 컨트롤러가 필요하다. 그렇지 않을 경우 특수 수집 및 데이터 부분 제거 작업에서 문제가 발생한다. 속도가 10㎑를 넘어가면 디지털 버스를 사용하기 어렵다. 
 
한편 전용 트리거 라인은 10㎑ 이상의 속도에서도 시스템간 동기화에 사용할 수 있다. 하지만 설정이 까다롭다. 장비에 탑재된 인라인 프로세싱과 저장을 위한 맞춤 데이터 트리거링 그리고 여러 유용한 기능들이 오히려 그 복잡성으로 인해 병목현상을 일으키는 것.
 
이 경우 장비 개발자들이 자주 사용하는 대안으로 맞춤형 설계가 있다. 맞춤형으로 만들어진 모션컨트롤러 혹은 드라이브를 사용해 원하는 시스템 동작을 정확히 정의할 수 있기 때문이다. 그러나 맞춤형 설계를 실현하기 위해서는 비용과 시간이 많이 소요되며, 그밖에 많은 단점들도 있다. 
 
설계 및 제작을 외주 업체에 맡기는 것도 대안이다. 하지만 비용이 많이 들며 장비를 경쟁 제품들과 차별화하는 요소인 핵심 IP가 노출될 가능성도 있다.
 
기존 제품을 사용해 개발한 시스템에 사용자 정의 기능을 추가하기 위해서는 장비 개발자들이 최대한 기성품의 기능을 활용해 개발을 진행함과 동시에 수많은 반복 작업을 통해 정형화된 구조를 만들어야 한다. 이 구조에는 복잡한 응용사례 요구를 충족하기 위해 사용자가 원하는 대로 구성요소를 정의할 수 있는 모듈형 방식을 채택하는 것이 바람직하다.
 
LabVIEW RIO 아키텍처와 LabVIEW NI SoftMotion 모듈을 사용하는 장비 개발자들은 상위 레벨의 모션 API로 모션 프로파일을 프로그래밍하고 고정 기능 스마트 드라이브에 연결함으로써 두 가지 장점을 모두 활용할 수 있다. 중요한 모터 제어 IP를 FPGA로 이동시킴과 동시에 특수 드라이브나 드라이브 인터페이스 또는 일반적인 I/O 모듈을 사용함으로써 상위 레벨의 모션 코드를 유지하면서 하위 레벨 IP를 맞춤화할 수 있다.
 
표준 프레임워크를 재구성해 필요한 부분만 맞춤화하고 나머지는 기존 기능을 사용할 수도 있다. 이런 소프트웨어 구조에서는 모션 작업이 개별 단위로 분해되어있기 때문에 기술자들이 응용사례의 요구를 충족하기 위한 작업을 어느 부분에서 실행할지 선택할 수 있다. 각각의 작업 혹은 영역이 공개되어있으므로 기능을 가장 하위 레벨까지 수정할 수 있다.
 
마지막으로 장비 제어 소프트웨어 패키지는 모듈 형태로 구성되어야 시스템의 다른 영역에 영향을 미치지 않고도 특정한 작업을 수정하고 맞춤화할 수 있다. 이러한 모듈형 방식은 대체적으로 하드웨어에 상관없이 사용할 수 있다. 이는 기술자들이 서로 다른 구성요소를 조합해 축의 개수·처리 능력·다른 I/O 서브시스템과의 통합·맞춤화 수준 등의 측면에서 서로 다른 요구를 충족할 수 있는 하드웨어 시스템을 제작할 수 있음을 뜻한다.
 
이런 방식의 장점은 강력한 유연성이다. 기술자들은 이 방식을 사용함으로써 서로 다른 업체가 제조한 FPGA 제어 드라이브와 외장 스마트 드라이브를 통해 손쉽게 모션을 조합할 수 있다.

또한 기존의 궤도 생성 혹은 이동 프로파일 소프트웨어를 변경하지 않고도 다양한 모터를 조합하고 각 모터에 서로 다른 유형의 피드백을 사용할 수도 있다. 한마디로 모듈형 I/O와 FPGA를 사용해 구현 가능한 어떤 기능이든 모션 축에 통합할 수 있으며, 이 모션 축 또한 전혀 다른 설정을 가진 타 축과 통합할 수 있다.
 
6. 머신비전
기계 산업에서는 지난 수십 년 동안 머신비전 기술을 폭넓게 채택하고 있다. 영상 수집 및 처리 기능을 도입하면서 품질 검수·로봇 안내·자동조립(픽 앤 플레이스) 작업·부품 분류 등이 비약적인 발전을 이루었다. 산업용 프로토콜을 통해 주요장비 제어 및 모션제어 시스템에 연결함으로써 머신비전을 기존 공정에 통합하고, 영상분석결과에 따라 의사결정을 내릴 수 있게 되었다. 
 
최신 프로세서와 FPGA 기술을 사용하는 임베디드 시스템은 보다 긴밀한 통합 및 단일 하드웨어 플랫폼에서 다양한 자동화 작업을 실현한다. 이를 통해 비전 서보 및 동적 조작과 같은 응용사례를 활용할 수 있다.
 
NI Vision Develpoment 모듈은 애드온 모듈의 형태로 수백 가지의 영상처리 함수와 머신비전 기능이 포함되어있는 포괄적 라이브러리다. LabVIEW 소프트웨어를 사용해 각종 기능을 프로그래밍하고 적절한 임베디드 및 모니터링 하드웨어에 배포할 수 있다.

 
장비 개발자들을 둘러싼 환경의 변화
오늘날에는 개발주기가 짧아지고 더욱 강력한 기능을 갖춘 복잡한 장비를 설계하고 있다. 이로 인해 설계방식에 근본적 변화가 일어나고 있다. 

오늘날 설계 툴은 유래 없는 수준의 유연성과 속도를 제공한다. 몇 년 전만 해도 정밀연구에나 사용할 수 있었던 알고리 등과 도구가 이제는 산업용 시장으로 진출했으며, 동시에 하드웨어와 소프트웨어의 개발주기를 단축하는 역량 또한 향상되는 추세다.

내쇼날인스트루먼트는 다른 설계 툴과 긴밀하게 상호작용하며 신속하게 프로토타입을 제작하고 다양한 컨트롤러 설정을 수정하는 데에 사용할 수 있는 소프트웨어 도구를 제공한다. 또한 추가 비용을 들여 코드를 다시 작성할 필요 없이 프로토타입 제작 과정에서 만들어진 모든 코드를 사용자 정의 방식의 유연한 플랫폼에 쉽게 적용할 수 있는 방법을 제시한다.
 
이전 설계보다 더 뛰어나고 빠르며 지능적인 고성능 장비를 사용하고자 하는 경우 고급 I/O·맞춤형 모션 제어·머신비전·정확한 타이밍과 동기화·특수 제어 알고리즘을 필요로 하는 사례를 접하게 될 가능성이 높다. 즉, 전통적인 장비가 정의하는 경계를 벗어나게 되는 것. 재구성 가능한 아키텍처를 사용하면 이러한 시스템을 효율적으로 구현할 수 있다.

3 응용 사례
앞서 설명했듯, 스마트 머신은 오늘날 산업현장에서 새로운 화두로 떠오르고 있다. 하지만 실제로 스마트 머신을 활용할 수 있는 분야로는 무엇이 있는지 알아보기에는 정보가 부족하다. 실제 스마트 머신 활용사례와 스마트 머신 도입으로 인해 어떤 효과를 얻게 되었는지에 대해 내쇼날인스트루먼트 제품의 도입사례를 위주로 살펴본다.

① 웨이퍼 가공
반도체 제조업계는 효율성을 높이고 반도체 공정 수율을 높이기 위해 노력하고 있다. 회로의 배선 폭이 줄어들고 세계적으로 가격 경쟁이 치열해짐에 따라 웨이퍼 공정은 장비 제조업체의 물리적 및 운영적인 한계를 시험하는 분야가 되었다. 그 결과 마스크나 에칭 등 민감한 작업 단계에서 사용하는 유입 웨이퍼의 물리적·전기적 패러미터의 허용 오차가 점점 낮아지고 있다.  Automation Works는 내쇼날인스트루먼트 모션 및 비전 툴을 사용해 최첨단 반도체 제조 장비를 개발하고 있다.
 
② 전자부품 제조
많은 광섬유 부품 제조업체들이 수작업으로 조립 과정을 수행하고 있다. LightPath Technologies의 앨버커키 연구소에서는 콜리메이터를 제작하는 과정을 통합하고 자동화하는 데 성공함으로써 조립을 자동화할 수 있게 됐다. 
콜리메이터란 광섬유 케이블에 융합되는 렌즈로, 빛의 방향 조절을 돕는다. 이런 복잡한 부품의 성능과 신뢰도는 통신시스템의 전반적 성능에 중요한 역할을 한다.

③ 자동 용접
첨단 기술을 갖춘 견고한 자동화 파이프라인 용접 시스템 개발이라는 과제를 접한 Serimax는 내쇼날인스트루먼트의 CompactRIO를 사용하기로 결정했다. 
 
Serimax는 NI 협력사의 도움을 받아 여러 고객 요구사항을 만족하고 긴 구동 시간을 제공하며 높은 수준의 신뢰성 및 품질 기준을 충족할 수 있었다. 나아가 전 세계적인 기술지원을 제공하는 것은 물론 향후 다양한 기존 장비 타입의 제어 및 감시 요구를 해결할 수 있는 유연한 하드웨어 및 소프트웨어 시스템을 구축했다.

④ 금속 가공 머신
바벨 기어와 원통형 기어는 자동차부터 비행기까지, 트럭부터 트랙터까지, 수천 가구에 전력을 공급하는 풍력 터빈과 잔디 깎는 기계와 가정용 전동 공구에 이르기까지 어디서나 찾아볼 수 있다. 기어의 이가 맞물린 표면 및 간격은 기어 운영상의 특징을 개선하기 위해 중요한 요소다. 
ViewpointSystems와 Gleason Corporation은 LabVIEW RIO 아키텍처를 사용해 기어 마감 장비에 새로운 기능을 추가했다. 이로써 제작시간을 30% 단축하면서도 한층 높은 품질의 기어를 만들 수 있게 됐다.

⑤ 제약 분야
신약 개발에서 중요한 요소 중 하나가 단백질 결정화다. 연구 중인 단백질을 다양한 조합의 시약과 혼합함으로써 단백질 결정 형성에 적합한 조건을 만들어야 한다. 이 레시피를 찾는 것이 의학 분야에서의 과제다. 
단백질 결정은 X-Ray 회절로 검사하게 되며, 가능한 혼합물의 조합은 수백만 개에 달한다. 따라서 최적의 레시피를 찾아내는 과정은 반복적이고 지루하다. 
Coleman Technologies는 NI 임베디드 컨트롤 및 모니터링 툴을 사용해 단백질 결정을 파악하는 과정을 완전히 자동화한 시스템을 구축했다.

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