공정자동화의 열쇠, 인더스트리 4.0·IIoT
화학 산업에 종사하는 전문 기업들은 네트워크 기술에 이골이 나 있다. 많은 기업들이 원료와 에너지 관련 정보를 네트워크화해 활용하고 있기 때문. 이러한 네트워크 정보는 이제 전체 데이터를 아우르는 수준으로, 최소한 측정값(Measured Value) 수준으로까지 확장된다.
이러한 상황에서 미루어보았을 때, 공장 내에서 아날로그 방식으로 측정한 값을 전송하는 것은 미래의 제조환경에 대처하기에 적합한 방식이 아니다. 공정 산업에서 현재 인더스트리 4.0과 이더넷 기술을 활용하는 것을 공개적으로 논의하고 있는 이유다.
자료 | Profibus International(www.profibus.com)
공정 산업 내에서 경쟁력에 대한 압력이 증가하고 있다. 제조업체 전반적으로 생산을 보다 효율적으로 바꾸기 위한 새로운 방법을 모색하고 있다. 여기에 생산 추세 역시 변화하고 있다. 일괄처리 시설 및 고객 맞춤형 제품 생산이 증가하고 있으며, 한편으로는 지능형 공정 제어를 필요로 하는 업체가 늘고 있다.
이러한 변화에 능동적으로 대응하기 위해서는 새로운 접근법이 필요하다. 제어 루프를 최적화하기 위한 장비의 원격 매개변수 지정 및 ERP 시스템의 일련의 자동 데이터 수집 등을 예로 들 수 있다. 또한 기존 자동화 기술로는 모듈화된 공장과 관련한 커다란 문제 중 일부만을 해결할 수 있다.
앞서 기술한 산업현장에서의 변화는 지난 2년 간 인더스트리 4.0과 제조 네트워크화 그리고 지능형 통신 등에 대한 논의가 증가하는 주요 요인으로 작용했다. 이러한 생각의 연장으로 업계에서는 공정산업에 이더넷 기술을 활용하는 것을 고려하고 있다.
PROFINET은 백본을 통해 구체화된다. 따라서 다양한 산업분야에서 인더스트리 4.0을 구현하는 데에 적합하다. 제조업체는 PROFINET 인터페이스를 적용한 보다 많은 산업용 장비들을 생산하고 있다. 유량계부터 데이터 기록장치까지 그 범위 또한 넓다. 이러한 방식으로 PROFINET의 포트폴리오는 점차 확장되고 있다.
인더스트리 4.0으로의 점진적 변화
공장자동화 분야에서 PROFIBUS DP는 이미 PROFINET으로 대체되고 있다. 공정자동화 분야에서도 이와 유사한 경향이 나타나고 있다.
하지만 공정 분야에서는 그 장애물이 다소 높은 편이다. 연속적으로 쉬지 않고 작업이 이어지는 제조공정은 쉽게 멈춰서는 안 되며, 문제가 발생하면 인간과 환경에 위해를 가할 위험성이 높다. 위험은 차치하더라도, 의도치 않은 장비 정지는 높은 재정적 손실로 다가온다.
따라서 공정자동화 분야에는 사용하기 쉬운 솔루션, 구체적으로 높은 성능, 유연한 토폴로지, 견고한 연결 기술, 이중화, 일관성 등의 특징을 자랑하는 솔루션이 필요하다. 통신거리가 멀어저도 이 성능에는 저하가 없어야 한다.
동시에 이러한 기술은 방폭 기능 및 긴 서비스 수명이 필수적이다. 장기적으로 보았을 때 20년 이상의 수명주기를 가지고 있는 것이 바람직하다.
인더스트리 4.0을 완전하게 구현하는 것은 생각보다 요원하다. 최근 수년간 PROFIBUS & PROFINET International은 사용자들의 이러한 요구를 충족할 수 있는 다양한 기술 개발을 촉진해왔다. 공정산업을 위한 PROFINET 개발은 물론, 진단 및 상태 모니터링, FDI와 PROFIenergy 그리고 PROFINET Security 등과의 통합 등이 대표적이다.
현재 PROFIBUS & PROFINET International은 지속가능성에 큰 의미를 두고 있다. 기술 및 제품이 지금부터 수십 년이 지난 뒤에도 여전히 사용 가능하고, 유용해야 한다는 것. 이는 개방형 기술이라는 특징과, 초기 단계에서부터 사용자와 제조업체 그리고 여타 기관들의 협업을 통해 달성할 수 있다.
모든 요구사항을 충족할 수 있는 유일한 방법은 다양한 주체가 함께 만드는 ‘공동 표준 개발’이다. 이러한 관점에서 참조 아키텍처 모델 인더스트리 4.0, 즉 RAMI 4.0이 주도적인 역할을 수행하고 있다. RAMI 4.0은 ▲BITKOM, VDMA, ZVEI, 그리고 VDI 등의 협회와 ▲IEC 및 SIO 표준화 조직 그리고 ▲국가기관인 DKE와 DIN 등이 모여있다. RAMI 4.0은 인더스트리 4.0의 개발을 보다 단순화하기 위해 도입되었다. 이러한 참조 아키텍처 모델을 도입한 배경에는 작업 및 시퀀스를 관리가 가능한 부품(Manageable Parts) 내로 분리할 수 있다는 점이 있다.
인더스트리 4.0으로의 전환은 점진적으로 일어날 것으로 보인다. 다양한 표준이 일원화되거나 유사한 모델을 참조삼음으로써 그 형태가 유사해진다면, 레퍼런스 아키텍처 모델을 활용한 바람직한 표준화를 논의할 수 있게 된다.
구체적으로 보면 다양한 지점에서 서로 다른 견해들이 존재한다. 예를 들어 데이터 이미지, 기술적 설명 및 해석(Functional Description), 통신 특성, 하드웨어 및 자산 관리, 비즈니스 프로세스 등이 모델의 세로축을 그리고 있다. 제품 수명주기는 가로축을 담당한다. 기능적인 측면과 공장 내에서 활용했을 때의 그 책임이 세 번째 축을 구성한다. 현재는 장비와 제품 그리고 공장 등을 구축·정의하는 여섯 개의 축이 존재한다.
계층별 설명
PROFIBUS와 PROFINET은 본질적으로 통신 계층(Communication Layer)에서 작용한다. 궁극적으로 PROFINET은 수평 및 수직축을 통합하고, 이를 이더넷 통신과 결합한다. 따라서 생산현장의 제품에서부터 기업 전체의 관리 수준까지 직접 통신 연결을 구현할 수 있다.
정보 계층(Information Layer)에서는 PROFINET이 담고 있는 서비스 및 유지보수 기능(I&M 기능)을 활용할 수 있다. 정보 층에는 서로 다른 프로파일이 연계되어 있다. 따라서 순수한 데이터를 전송할 수 있으며, 의미상 증가(Semantically Augment) 또한 가능하다. 이는 장비의 수명을 늘리는 역할을 한다. 이러한 방식으로 PROFIBUS PA 프로파일은 측정값은 물론, 장치 이름과 기능 그리고 제한요소 등을 정의한다. 이렇게 얻어낸 추가적 자료는 공정 관련 조건이나 상태 등을 지정하는 등, 예방정비에 중요한 역할을 한다.
기능 계층(Functional Layer)에서는 프로파일이 제조업체 및 장비와 독립적으로 매개변수 정보 및 진단 정보를 제공한다. 이러한 정보를 활용해 현장의 장비들이 실제 현장에서 일어난 사건(예를 들어 장치 결함 및 오작동 등)에 반응할 수 있게 되며, 디지털 세계에서의 명령을 통해 작업을 수행한다.
비즈니스 계층(Business Layer)은 궁극적으로 비즈니스 관련 공정들을 모델링할 수 있게 해주며, 다른 계층과 정보와 기능을 연결하는 방식을 규정한다. 이는 새로운 비즈니스 모델을 실현하기 위한 단초가 된다. 비즈니스 계층을 적용하면 회사와 서비스 제공업체가 교정 자료(Calibration Data)를 주고받을 수 있게 된다. 교정 자료 공급업체는 교정 작업을 거치고, 고객 시스템 내부에 새 교정 유효기간을 직접 저장한다. 실제 데이터를 포함하고 있기 때문에 각 장비 간의 우선순위를 매길 수도 있다.
정보를 안전하게 보호하라
어떤 자료를 어떤 형태로 수집하든, 수명주기가 다할 때까지 안전한 장소, 이를테면 밀폐된 컨테이너 같은 공간에 보관하는 것이 중요하다.
자료의 보안을 지키는 방법 중 하나로 여타 업체·장비·공장 등이 이 자료에 접속해도 반응하지 않도록(Reaction-Free) 하는 것이 있다.
FDI(Field Device Integration, 현장에서 사용하는 장비들을 통합하는 것. 편집자 주) 기술은 반응으로부터 자유로운 접속을 기능화할 수 있는 방법에 대한 아이디어를 제공한다. FDI는 현장에서 사용하는 장비들의 구성 및 진단 도구를 공장 자산 관리 시스템(Plant Asset Management System)으로 통합하는 과정을 표준화한다. 표준화를 통한 이점으로는 ▲단순성 ▲사용자 인터페이스 표준화 ▲특수 기능으로의 연결 ▲OPC UA를 활용한 빅 데이터 활용 등이 있다.
참조 아키텍처 모델은 FDI 기술 내에서도 효과적인 수단으로 알려져 있다. (IEC 62541-100에 의해 상세히 기술되어 있는)장비 정보 모델(Device Information Model)과 함께 활용함으로써 FDI 기술의 클라이언트/서버 구조는 사물 산업인터넷 내에 필요한, 실제 장비를 가상의 객체로 모델링하는 것과 관련한 모든 기능을 제공한다.
FDI 기술을 개발하기 위한 이니셔티브가 인더스트리 4.0 개념이 등장하기도 전부터 발족되었다는 사실은 흥미를 자아낸다. ‘인더스트리 4.0’이라는 용어가 등장하기 이전부터, 사용자의 필요성에 의해 많은 발명이 빈번히 일어나고 있음을 시사하기 때문이다.
PROFIBUS PA, 떠오르다
인더스트리 4.0의 토대가 되는 것은 다양한 이더넷 프로토콜 표준.
PROFINET은 작은 데이터를 빠른 속도로 전송할 수 있음은 물론, 대량의 데이터도 효율적으로 전송할 수 있다. 실시간성과 안전성을 동시에 추구함은 물론이다. 공정자동화 종사자에게 매우 중요한 사항으로 시설 내에 설치된 자동화 구성요소들의 물품 목록 보호(Inventory Protection)를 꼽을 수 있다. 이러한 이유로 개발 환경에서 특히 중요한 요소로 부각되는 것들이 있다.
-기존에 설치되어 사용하던 기계 및 장비들의 물품 목록 보호
-기존 PROFIBUS에서 PROFINET으로의 이행 전략
-공정 기술 내에서 이더넷 기반 장비의 연결 및 설치 기술
PROFIBUS & PROFINET International은 PROFIBUS PA를 현재 제조현장 통신 기술을 디지털화하는 과정에서의 핵심 기술로 보고 있다.
PROFIBUS PA는 다양한 환경에서 사용할 수 있도록 장거리 연결 및 방폭 기능을 탑재했다. 또한 현장에서 활용하는 장비들을 제어 및 자산관리 시스템으로 디지털적으로 통합할 수 있다. PROFIBUS DP를 기반으로 한 링크/커플러로 장비를 연결한다.
사용자가 PROFIBUS PA를 도입했을 때 얻을 수 있는 장점은 다양하다. 그 중 몇 가지를 꼽자면 ▲아날로그 통신 대신 디지털 통신을 활용할 수 있다는 점 ▲고유한 안전 구조에 대한 적합성을 검증받았다는 점(FISCO 모델) ▲PA 3.02 장치 프로파일이 가진 특성을 공정산업에 적용할 수 있다는 점 등이 있다.
PROFIBUS DP와 PA 필드버스 기술의 조합은 세계적으로 다양한 설비에서 활용하고 있으며, 고성능과 안정성을 동시에 갖춘 솔루션임을 계속해서 증명하고 있다.
오늘날에는 프록시를 바탕으로 다양한 설비 통합을 실현하고 있다(PROFIBUS DR·PA, HART 등). 나아가 향후 PROFINET 환경으로 이전하는 발판 역시 마련한다. 프록시를 활용함으로써 이미 수년간 그 능력을 입증받은 두 개의 기술, PROFIBUS PA와 PROFINET의 장점을 조합할 수 있게 된다. 장기적으로 장비 및 기술 설정에 따른 투자 보호(Invesment Protection)를 실현함은 물론이다.
앞으로의 전망
PROFINET은 고속 이더넷을 기반으로 한 개방형 솔루션 플랫폼을 제공한다. PROFINET은 현재 존재하는 기존의 기술들과 장기간 양립할 수 있도록 설계되었다. 향후 등장할 PA Device Profile 4.0을 활용하면 PROFIBUS와 PROFINET 시스템을 자유로이 오가며 사용할 수 있다.
이를 통해 최종사용자가 얻을 수 있는 이점의 예로 쉽고도 균일한 작업이 있다. 엔지니어링·설치·시운전·유지보수·장비 교체 등 다양한 단계에서 보다 손쉬운 사용을 보장하는 것. PA는 공급업체로부터 중립적인(Vendor-Neutral) 장비 구성을 실현하고, ‘중립 채널(Neutral Channel)’을 제공한다. 장비에 대한 구성 및 조합 정보를 확장 프로파일 GSD 형태로 제공하며, 이를 통해 장비의 기능을 쉽게 조합하고 설비를 통합할 수 있다.
또한 산업용 이더넷을 통해 다량의 데이터를 전송함으로써 기존의 데이터 교환에서 정보 교환으로 그 개념을 확장한다. 결과적으로 데이터 및 키워드뿐 아니라 공장 전체에서 얻을 수 있는 의미 있는 정보를 통합적으로 타인에게 전달할 수 있다.
PROFIBUS & PROFINET International은 또한 보안 분야에도 기여하고 있다. 보안 분야는 많은 전문가들이 예의주시하고 있는, 잠재력 있는 분야이기도 하다.
이처럼 다방면에서의 시도와 노력을 통해, 오늘날 존재하는 최신 기술의 도움으로 미래의 개념, 이를테면 인더스트리 4.0과 빅 데이터 등의 개념을 현실화할 수 있다.
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