자동화는 그 어느 때보다 빠르게 성장하고 있다. 공장자동화의 세계화 및 전문화는 비단 어제오늘 일이 아니다. 이러한 급류 속에서 최선의 자동화 전략을 찾을 수 있는 방법은 무엇일까? 어떤 업체와 손을 잡는 것이 바람직할까? 산업자동화를 바꿀 수 있는 주류 기술로는 어떤 것이 있을까? 자료｜비앤알 산업자동화(www.br-automation.com)

무어의 법칙(마이크로칩 기술의 발전속도에 관한 것으로, 마이크로칩에 저장할 수 있는 데이터의 양이 18개월마다 2배씩 증가한다는 법칙이다. 출처 두산백과)이 공장자동화 분야에도 손을 뻗치고 있다. 바야흐로 고급 자동화 기술이 기존 PLC·PAC·HMI·I/O·CNC·안전 및 모션 관련 기술을 뛰어 넘는 순간이 도래했다.

선진시장의 핵심적인 변화 중 하나는 산업자동화 관련 인구 통계에서 찾아볼 수 있다. 오늘날 북미에서 성장하고 있는 특수 목적 PLC, 래더 로직, 공급업체 기반 드라이브 버스, 휴먼 머신 인터페이스 그래픽 분야 등은 현재 은퇴를 준비하고 있다. 

이들을 대체하고자 하는 시장은 현재 양극화되고 있다. 자동화 기술을 적용한 컴퓨터 과학자들 혹은 교육을 받지 못한 기계공들로 나뉘는 것.

한편, 세계화라는 추세는 자동화 기술을 표준 및 숙련된 기술자들이 없는 신흥시장으로까지 넓어졌다. 이제 제조업체에게는 국제적 표준을 위한 전략이 필요한 시점이 다가왔다. 국제 표준은 신흥시장과 선진시장 모두에서 각종 비용을 조절하고 생산성을 최대화하는 데에 도움이 된다.

두 시장 모두에서 첨단 기술을 적용하고자 하는 움직임이 자연스럽게 일어나고 있다. 첨단 기술은 사용 편의성을 수십 배나 올려주는 효자다. 

자동화는 마치 자동차 분야에서 일어난 ‘진화’처럼 여러 다양한 기술들을 포함하게 될 것이다. 각종 최신 기술을 통해 교육이나 훈련을 받지 않은 사용자도 작동은 물론 유지 및 관리까지 실현할 수 있다.

변화를 선도하는 요소로는 국제 표준을 기반으로 통합 제어 기능의 일환으로 단일 HMI 대시보드에 여러 기능을 융합하는 것을 들 수 있다. 3차원 애니메이션부터 네트워크 안전, 에너지 감시 및 상태 감시 기술, 주요 소비자 및 IT 플랫폼에 이르기까지 다양한 신기술을 활용할 수 있다.

생산성 향상의 열쇠는 융합이다. 융합은 많은 장점을 가지고 있다. 더 안전하고 사용이 간편한 장비를 통해 설비종합효율(OEE)을 높인다. 설비종합효율을 높이면 에너지 소비를 줄일 수 있으며, 더 나은 지속 가능성이라는 결과를 낳는다. 지속 가능한 작업은 또한 폐기물 감소나 제품의 품질 향상 등 여러 장점을 불러온다. 위에서 이야기한 지표들은 모두 수익 창출 및 수익성 증가와 직접적으로 연관되어있다.

자동화의 미래

자동화의 미래를 엿보기 위해, 조금은 뜬금없지만 자동차 분야를 들여다보자. 1960년대의 자동차는 단순했다. 셰이드트리 메카닉(도로변 혹은 주거지 근처에서 최소한의 장비 및 소모품만으로 수리해주는 이를 말함. 출처 위키백과)이 힘겹게 엔진 수납부를 고치던 시기다. 말 그대로 농장 일꾼의 기술을 통해 부품 조정 및 교체 작업이 이루어졌던 것. 하지만 타이밍 설정이나 플러그·포인트·밸브 등을 교체하는 규칙적인 유지보수 작업이 이루어지지는 않았다.

1970년대 및 1980년대로 넘어가보자. 배기가스 규제와 영구 윤활 동력 전달 부품 등이 등장함에 따라 자동차의 유지보수가 복잡해졌다. 또한 3세대 차량을 위한 토대를 마련한 시기이기도 했다. 엄격한 제작 공차와 고급 소재 및 정교한 온 보드 제어 시스템 등의 기원이 된 것. 이로 인해 오늘날 우리는 5만 마일(약 80467㎞) 간격으로 점화 플러그를 바꿀 정도로 진보한 기술의 혜택을 누리게 되었다. 

산업자동화의 발전은 자동차 진화과정과 닮아있다. 과거 공장에 버튼이 있었다면 지금은 터치스크린이 그 자리를 대신하고 있다. 첨단 기술이라 여겨졌던 마이크로프로세서는 이제 입출력 장치에 이르기까지 널리 퍼졌다. 네트워크에서 I/O 장치 통신을 실행한다. 더 이상 I/O·모션·머신비전·로봇·안전·자료 수집 등을 한 선에서 작업하기 위해 대역폭을 확보하느라 진땀을 흘리지 않아도 된다. 동일한 소프트웨어 프로젝트의 활용에 대해선 언급할 필요조차 없다. 이제 명령을 내리는 것부터 안전을 유지하는 작업까지 동일한 프로세서 내에서 실행할 수 있게 되었다.

무슨 일이 일어난 것일까? 소비재 및 IT 시장에서 자주 쓰이던 무어의 법칙을 산업 제어로 적용했을 뿐이다.

지금까지 공장 및 공정에서 활용하던 제어 플랫폼은 최신 아톰·코어 i5·i7 프로세서를 제공하는 대신 저용량의 특정 작업 전용 마이크로프로세서를 제공하는 경우가 대부분이다. 이들 장비는 개방형 시스템이 난무하는 이 시대에 특정 소유주가 있는(즉, 개방형이 아닌) 장비나 기술을 사용하는 경향이 있다. 하지만 지금, 기존의 제어 플랫폼은 보다 진보된 기술과 정면으로 마주하고 있다. 변화는 필연적이다.

현재에 도전한다

현재의 상황을 유지하고자 하는 사람들, 즉 새로운 기술을 도입하기 꺼려하는 이들이 있다. 이들은 제어 플랫폼을 변경하기 위한 학습 곡선(Learning Curve), 구매 비용 및 유지보수를 위한 재고 부품에 대한 비용 증가, 사람들의 변화에 대한 심리적 반발 등을 근거로 들며 도입을 반대한다.

이런 논리는 장치 기능 면에서의 심각성을 희석시키고 있다. 오늘날에는 각 표준을 기반으로 한 규격통제가 최종사용자들을 중심으로 가속화되고 있다. 최종사용자가 첨단 기술을 제공하는 업체의 손을 들어주면 기계 제조업체와 시스템 통합 업체가 최고 수준의 자동화 기술을 도입하고 자사의 상품을 차별화할 수 있는 자신감을 얻을 수 있다. 자동화 공급업체들은 현재 두 자릿수 성장을 거듭하며 세계적으로 족적을 남길수 있는 새로운 수준에 다다랐다.

1960년대 및 1970년대의 IT 분야를 살펴보자. ‘IBM 제품을 사서 해고당한 사람은 아무도 없던(No one ever got fired by buying IBM)’ 시절이었다. 이 극단적 보수주의의 얼굴은 오늘날 산업자동화 사용자들 사이에 여전히 남아있다. 이들의 주 목적은 시스템이야 어떻게 되든 상관없이 그저 멈추지 않고 생산을 반복하는 것이다. 인식이 조금도 달라지지 않은 셈이다.

하지만 오늘날 기업의 의무는 단순히 라인 생산을 유지하는 수준을 넘어섰다. 지속 가능성과 세계적 경쟁력 그리고 린 제조방식 등을 예로 들 수 있다. 이를 위해 한층 발전한 처리량은 물론이고 재료·에너지·물·여타 천연자원의 사용량을 줄여야 하는 숙제도 남아있다. 이를 해결함으로써 제조방식에 대한 일방통행을 바꿀 수 있다.

오늘날 업계의 요구사항은 명확하다. 제조업에 쓰이고 있는 기술을 단순화해야 하는 것. 이로 인해 단순화에 대한 필요성이 분명하게 증가하고 있다. 경제적으로 한층 발전한 지역에서는 지속적인 교육에도 불구하고 확실하게 증명된 기계작업 숙련공 및 유지보수 기술자를 찾기 어려워지고 있다. 상대적으로 교육수준이 낮은 구직자가 더 많은 임금을 받고 있는 실정이다.

반면 신흥시장은 시장 자체가 새로이 생겨난 셈이다. 그러므로 아직까지는 기술이랄 것이 없다. 전문적인 교육은 물론 교육 기초 시설조차 없는 형편이다. 따라서 고용주가 직접 직원들을 기술적으로 교육 및 훈련시켜야 한다. 기술 교육에 대한 요구가 점차 증가하는 이유다. 

소비재 시장은 현재 시장이 형성되고 있는 지역에서의 동반성장을 요구하고 있다. BRICs(브라질·러시아·인도·중국의 신흥 경제 4개국) 및 여타 제3 국 등을 의미한다. 따라서 이 지역에서의 생존 및 성장 전략이 중요하다.

단기적으로는 린 제조업에서 보다 효율적인 공정 및 노동력을 필요로 한다. 장기적으로는 전 셰계가 점차 고령화 사회로 진입함에 따라 노동 기술의 격차가 심화될 것으로 보인다. 이 모든 것의 해답은 더 효율적인 자동화 기술뿐이다.

노동자 및 노동력과 관련한 문제는 메카트로닉 설계 원칙 중에서도 중요한 측면이다. 

기계 윤활 시스템을 만들어야 한다고 가정해보자. 저크 접속이 원활하지 않으면 그리스를 통한 윤활이 원활하게 이루어지지 않는다. 

기계 관리자들은 원활한 작업을 위해 윤활유 도포에 관심을 돌리기 시작했다. 비록 값은 비쌌지만 유용한 투자였다. 그 다음 단계는 진동 펌프를 설치해 윤활 작업을 자동화하는 것이었다. 이후 HMI에 윤활 급유 및 비축량을 표시하는 작업이 이어졌다. 전 급유 과정 중 수동 작업을 거치는 경우는 부족한 기름을 보충할 때뿐이다. 펌프나 모터가 가열로 인해 고장을 일으키면 장치가 급유 과정을 비활성화하고 망가진 장비와 결함 내용을 확인해 HMI에 표시한다. 또 교체 방법에 대해 영상이나 애니메이션으로 설명하고, 부품을 자동으로 주문할 수도 있다.

위와 같은 작업은 작업자(사람)의 실수를 미연에 방지함으로써 일관된 작업을 달성하며, 6시그마(품질혁신과 고객만족을 달성하기 위한 경영혁신 운동이자 품질경영 혁신기법. 출처 시사상식사전 및 두산백과) 및 의약품 제조업의 우수제조관리기준(GMP)을 충족한다. 작업자의 기술 숙련도에 상관없이 인간의 노동력을 아낄 수 있다는 것 역시 장점이다. 또한 린 제조업체가 공급자 재고관리를 구현하는 데에 이상적인 방법이다.

예측 정비(Predictive Maintenance)를 실현하기 위해서는 각종 기계 및 부품의 상태를 활발하게 감시 및 관찰하는 장치가 필요하다. 예를 들어 베어링의 마모 및 손상 징후를 감지하기 위해 진동 해석(振動解析)을 사용할 수 있다. 예측 정비를 통해 상태 감시 기술을 실현하며 산업 자동화에 한발짝 더 다가서게 되었다.

산업 제어 시스템은 특정한 목적을 위해 쓰인다. 1980년대 후반, 작업자들은 공장에서 신뢰할 수 있는 모션 네트워크를 사용하는 것에 대한 필요성을 느꼈다. 이들은 특수한 목적의 광섬유 네트워크를 사용하고자 했다. 그 결과 현재는 Cat 5 이더넷 케이블을 사용하고 있다.

다년간의 산업 표준에 따른 업체 특유의 ‘향’이 있었다. RS-232 및 RS-485 시리얼 연결을 예로 들 수 있다. 과거 PLC는 산업용 PC와 다른 것으로 여겨왔으나 오늘날에는 거의 비슷한 것으로 굳어졌다. 실시간 운영체제를 탑재하고 IEC 61131-3 표준을 준수하는 프로그래밍을 사용한 PLC를 특수 목적 PLC 혹은 PAC라고 부른다.

PAC라는 용어를 처음 사용한 것은 한 자동화 분석 회사이다. 오늘날 PLC라고 부르는 제어방식이 로직보다 더 많은 일을 할 수 있다는 것이 회사측 설명이다. PAC란 프로그래밍 가능한 자동화 컨트롤러를 의미한다. 하지만 이제 와서는 불필요한 표현일 뿐이다. 이제 PLC라는 말은 기계 컨트롤러와 동의어가 되었다. 오늘날 PLC는 원래 내재한 처리능력보다 아주 높은 수준을 가진 것으로 인식되고 있다.

오늘날 인터넷은 우리가 정의한 제어 및 통신 구조 위에 새로운 표준을 만들었다. 온 보드 웹 서버와 인터넷 연결 그리고 VNC(가상 네트워크 통신)을 사용해 문제를 진단할 뿐 아니라 인트라넷 및 공장 내 와이파이 연결을 통해 현장과 멀리 떨어진 곳에서 자료를 업로드·다운로드함으로써 레시피를 관리하고 생산 자료 및 OEE 자료를 모을 수 있다. 또한 플래시 및 각종 고체 메모리(Solid state memory)를 활용한다.

최근에는 다중 터치스크린 기술과 사용자 경험(User Experience, UseEX) 기술을 사용해 편리함을 높였다. 전문가들은 비디오 게임이나 HTML5 프로그래밍에서 쓰이는 매력적인 기술들을 장비 작업 측면에 접목시킬 수 있는 방법에 대해 연구하고 있다.

자동화 기술에게 ‘융합’이란

융합(컨버전스)를 간단하게 설명하자면, 하나의 소프트웨어 개발 환경, 런타임 소프트웨어 애플리케이션, 제어 하드웨어 모듈, 다중 코어를 채택한 프로세서 및 네트워크가 모든 기능을 수행하는 것을 뜻한다. 네트워크는 이제 인간 대 기계 인터페이스·다축 모션·로직·로봇 공학·센서·머신비전·안전·에너지 및 상태 감시·자료 수집·레시피 관리·진단·사용자를 위한 설명 등의 작업을 수행한다.

10년 내지 15년 전만 하더라도 고속 모션 네트워크는 I/O나 변속 드라이브와 같은 여분의 접속을 허용하기 위한 대역폭을 갖고 있지 않았다. 장치 네트워크는 HMI 및 PLC와 분리되어있었으며 모션컨트롤러와도 떨어져 있었다. 따라서 네트워크 전용 연결을 활용하거나 PLC 백플레인을 통해 연결해야만 했다. 또한 안전 기능 역시 하드웨어 안에 내장되어 있었다. 머신비전을 도입하기 위해서는 전용 PC가 필요했다. 자료 수집을 위해서는 비결정성 이더넷 네트워크나 데이터 집중 PLC를 갖추어야 했다.

그런가하면, 로봇을 현장에 배치하기 위해서는 장치의 PLC와 동기화하기 위한 전용 컨트롤러 및 통신 소프트웨어가 필요했다. 하드웨어와 소프트웨어 라이선스 비용 그리고 설계 비용은 작업자에게 부담으로 다가왔다.

다양한 제어를 위해 서로 다른 네트워크를 통해 소통하는 것은 결과적으로 시스템 전체를 느리게 만드는 원인이다. 또한 PLC가 저성능·중간·고급 플랫폼 사이를 오가면서 장치에 난조가 생기지 않으리라는 법은 없다. 저마다의 프로그래밍 환경을 필요로 했으며, 모션 장치 및 I/O 장치가 서로 달랐기에 애를 먹는 것.

위에 언급한 문제는 시간이 지남에 따라 점차 개선되고 있는 추세다. 하지만 상기 플랫폼은 여전히 현장에서 널리 쓰이고 있으며, 심지어 새로 만든 장비도 이런 플랫폼을 사용하고 있다. 기술 통합을 고려할 때에는 이러한 제약이 불필요하거니와 오히려 거추장스럽다는 것을 인식해야 한다.

이러한 융합은 오늘날 여러 기계 제조업체들이 앞다투어 채용하고 있으며, 업계 전문지들 역시 여러 차례 기사화한 바 있다.

2010년 이전, 즉 산업자동화 분야의 전략가들이 HMI의 청사진을 그리고 있을 무렵, 애플의 아이폰이 등장했다(오늘날엔 아이폰이 아이패드가 되었을 뿐, 현실은 크게 다르지 않다). 무릎을 탁 치는 순간이 스쳐 지나갔다. 이전까지는 자동화 공급업체 중 자사 소프트웨어를 급격히 간소화하기 위해 R&D 자원에 전념한 업체가 전무했던 것. 게다가 멀티터치 기능을 갖춘 산업용 컴퓨터는 아직 존재하지도 않던 시기였다.

기술자들은 아이폰 및 아이패드를 자사 제어시스템에 무선으로 연결할 수 있도록 개발하고 나서야 만족할 수 있었다. 기계 반대편 혹은 다른 지역 등, 어디에서든 무선으로 시스템을 관찰하고 다룰 수 있음을 증명한 것. 이로 인해 공장 직원은 기계 패널에 매어있지 않아도 작업할 수 있게 되었다. 작업자가 차고 다니는 목걸이 끝과 장치를 연결하는 것도 관절 등에 부착해 움직이는 HMI 패널 등도 필요 없게 되었다. 기계 주변을 돌아다니거나 생산라인을 오가면서도 접속을 유지할 수 있게 된 것.

하지만 게임은 끝나지 않았다. 진정한 도약은 아이폰의 시각 및 촉각적 체험을 통해 명쾌하고 간단한 운영 및 조작을 실현함으로써 접근 및 사용이 용이한 제어시스템을 만드는 데에 있다. 아이폰의 등장과 이로 인한 경쟁 확대는 전 세계의 예상과 기대를 완전히 바꾸어놓았다. 이제는 공장자동화 분야에 동일한 경험을 선사할 시간이다.

멀티터치 기능을 지원하는 고성능 산업용 컴퓨터가 현실로 다가왔다. IP65 등급의 인클로저는 물론이고 아이폰5만한 크기부터 2ft(약 61㎝)에 이르기까지 다양한 크기의 산업용 컴퓨터가 시장에 등장한 것. 산업용 소프트웨어 공급업체는 현재 멀티터치 응용프로그램을 제작하고 있다. 혁명은 느리게 하지만 확실히 일어나고 있다.

멀티터치 산업 제어를 필요로 하는 사람이 있을까? 사실 별 필요가 없을 수도 있다. SCADA 시스템은 공정을 더욱 사실적인 그래픽으로 묘사할 필요가 없다. HMI 패널은 정보를 초록색 글자로 출력하는 CRT 디스플레이보다 더 나은 표현이 불필요하다. 전기 기계를 제어하는 버튼들은 회색으로 에나멜 처리된 철제 캐비닛 안에 담겨있기만 하면 그만이다. 하지만, 누가 그 시절로 돌아가려 하겠는가?