스마트팩토리 Level 0 깊숙이 들여다보기: 센서와 엑추에이터의 세계
지난번 글에서는 스마트팩토리의 기본 뼈대인 ANSI / ISA-95 모델에 대해 알아보았습니다. 오늘은 그중 가장 밑바탕을 이루는 Level 0, 즉 실제 생산 공정에서 핵심적인 역할을 수행하는 센서(Sensor)와 액추에이터(Actuator)에 대해 자세히 이야기해보려 합니다. 마치 우리 몸의 감각기관과 근육처럼, 스마트팩토리의 이 두 요소에 대한 이해는 스마트팩토리 전체를 조망하는 데 필수적인 첫 걸음입니다.
스마트팩토리의 눈과 귀, 센서(Sensor)
산업 현장의 디지털 전환이 가속화되면서, 생산 라인부터 원자재 공급망 전체에 걸쳐 센서의 활용이 폭발적으로 증가하고 있습니다. 센서는 마치 우리의 눈, 코, 귀와 같이 다양한 물리적, 화학적 파라미터를 측정하여 디지털 데이터로 변환하는 역할을 합니다. 측정 대상에 따라 정말 다양한 종류의 센서가 활용됩니다.
- 기본적인 측정: 온도와 압력을 측정하는 센서
- 상태 감시: 장비의 진동을 모니터링하여 이상 징후를 감지하고, 주요 자산의 위치를 실시간으로 추적하는 센서
- 정밀 측정: 코일 내부의 센서로 모터의 상태를 정밀하게 파악하거나, 광 센서를 통해 절단 블레이드의 미세한 휨이나 로봇 팔의 정확한 방향을 측정하기도 함
- 비전 검사 및 로봇 유도: 이미지 센서는 광학 검사를 통해 제품의 불량 여부를 판단하고, 이미지 인식 소프트웨어와 결합하여 로봇의 움직임을 정밀하게 제어하는 데 활용됨
센서, 전력 효율성이 핵심이다
스마트팩토리 환경에서 센서 네트워크를 구축할 때 가장 중요한 고려 사항 중 하나는 바로 전력 문제입니다. 수많은 센서를 공장 곳곳에 설치하는 것은 추가적인 배선 공사를 필요로 하며, 이는 비용적인 부담으로 이어집니다. 또한, 수십만 개의 배터리를 배년 교체하는 것 역시 비효율적입니다.
따라서 센서 자체와 통신 트랜시버의 전력 소모를 최소화하는 것은 공장 전체의 운영 비용을 절감하는 데 매우 중요합니다. 이러한 이유로 현재는 배터리를 대체하기 위한 활발한 연구 개발이 진행되고 있으며, 그중 하나가 주변 환경에서 에너지를 수확하여 센서를 구동하는 에너비 하베스팅(Energy Harvesting)기술입니다. 온도 차이, 진동, 전파 등 다양한 형태의 에너지를 활용하여 센서에 필요한 전력을 공급하는 방식입니다.
지난 글에서 ISA-95 기준으로 스마트팩토리에 대해 설명을 드렸습니다. 이번에는 그 중에서 가장 하위 부분에 대해서 설명드리려고 합니다. 일반적으로 Level 0는 실제 생산 공정이 진행되는 물리적인 설비라고 생각하시면 될 거 같습니다. 어쩌면 설비의 세부 구성요소라고도 볼 수 있는 센서와 액추에이터 중심으로 설명드리겠습니다.
액추에이터의 다양한 종류
액추에이터는 센서로부터 수집된 정보를 마이크로 컨트롤러를 통해 생성된 전기 신호를 동작, 빛, 열 등 다양한 형태의 물리적인 움직임으로 변환합니다. 일반적으로 동력원에 따라 다음과 같이 분류할 수 있습니다.
- 유압식(Hydraulic): 물이나 기름과 같은 액체의 힘을 이용하여 실린더나 유체 모터를 구동하여 기계를 작동시킵니다.(예: 유압 실린더, 유압 모터) 강력한 힘을 낼 수 있어 중장비 등에 많이 사용됩니다.
- 공압식(Pneumatic): 액체 대신 압축된 가스를 사용하여 실린더나 모터를 움직입니다. (예: 공압 실린더, 공압 모터, 공압 인공 근육) 응답 속도가 빠르고 비교적 깨끗하게 사용 가능합니다.
- 전기식(Electric): 전기에너지를 기계적인 회전력(토크)으로 변환하는 모터를 구동합니다. (예: 직류(DC)모터, 동기형 교류(AC) 모터, 유동형 교류(AC) 모터, 스테핑 모터, 리니어 직류 모터, 리니어 동기 모터, 리니어 유도 모터, 리니어 스테핑 모터, 솔레노이드) 정밀한 제어가 가능하며 다양한 산업 분야에서 널리 사용됩니다.
- 기계식(Mechanical): 기어, 링크, 캠 등 기계적인 요소를 이용하여 움직임을 전달하거나 변환합니다.
Level 0 이해, 스마트팩토리 전문가를 향한 첫걸음
스마트팩토리의 각 Level은 서로 유기적으로 연결되어 있지만, 실제 산업 현장에서는 각 영역별로 전문화된 직업들이 존재하며 전체를 경험하기 쉽지 않습니다. 설비 엔지니어는 센서와 액추에이터에 대해 깊이 있는 지식을 가지고 있지만, 시스템 개발자는 상대적으로 경험이 부족할 수 있습니다.
하지만 상위 시스템에서 분석하는 데이터의 근본적인 출처가 어디인지, 설비에 명령을 내려 제어할 때 실제로 어떤 물리적인 움직임이 발생하는지를 이해하는 것은 스마트팩토리를 폭넓은 관점에서 바라보는 데 큰 도움이 될 것입니다. 마치 건물의 기초 공사가 튼튼해야 그 위에 견고한 건물을 지을 수 있는 것처럼, Level 0에 대한 정확한 이해는 스마트팩토리 전문가를 향한 여정의 든든한 첫걸음이 될 것입니다.
다음 글에서는 Level 1에 해당하는 PLC(Programmable Logic Controller)에 대해 더 자세히 알아보도록 하겠습니다.
(참고 Site)
센서 부분 : https://icnweb.kr/2020/44882/
[연재] 스마트 팩토리를 가능하게 하는 기술들 -(2) 센서
산업 분야로 디지털화가 가속화함에 따라 생산 라인에서부터 서플라이 체인 전반에 걸쳐 각종 센서의 사용이 늘고 있다.
icnweb.kr
액추에이터 부분: https://www.e4ds.com/sub_view.asp?ch=29&t=0&idx=12938
기획 - 우리 생활을 바꾸는 IoT, 첨단 기술이 구현(3)-액추에이터 - e4ds 뉴스
사물인터넷(IoT, Internet of Things)의 실질적인 구현을 위해서는 물리적 동작을 가능하게 하는 액추에이터(ac..
www.e4ds.com
[00] 스마트팩토리를 한 번 그려보자.
[01] 스마트팩토리의 수직적 구조
[02] 스마트팩토리(Level 0) - 센서 및 액추에이터
[03] 스마트팩토리(Level 1)- PLC 중심
[04] 스마트팩토리(Level 1)- DCS 중심
[05] 스마트팩토리(Level 2)- HMI 중심
[06] 스마트팩토리(Level 2/3)- RTDB 중심
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