지금까지 ISA-95 기준으로 Level1, Level2 즉, OT(Operation Technology) 영역 중심으로 설명을 했습니다. 이번에는 RTDB에 대해서 설명드리겠습니다. RTDB는 Level2 or 3로 분류가 되는 영역입니다. 과연 RTDB는 다른 제조 시스템과 어떤 측면에서 역할이 다를지 확인해보겠습니다. 

스마트팩토리에서 RTDB(Real-Time Database, 실시간 데이터베이스)는 제조 공정에서 실시간으로 발생하는 데이터를 수집, 저장, 처리, 분석하여 의사 결정을 지원하고, 생산 시스템을 제어하는 데 필요한 정보를 제공하는 데이터베이스 시스템입니다.

■ 스마트팩토리 RTDB의 주요 기능 및 특징

1. 데이터 수집 (Data Acquisition)

- 다양한 센서(온도, 압력, 진동 등), PLC(Programmable Logic Controller) 등으로 부터 데이터를 수집

- OPC UA, MQTT, Modbus, Ethernet/IP 등 다양한 산업용 통신 프로토콜을 지원함

2. 데이터 저장 (Data Storage)

- 시계열 데이터(Time-Series Data) 처리에 특화된 경우가 많음. 시계열 데이터는 시간 순서대로 기록되는 데이터로, 스마트팩토리에서 발생하는 대부분의 데이터가 이에 해당함

- 대용량 데이터를 효율적으로 저장하고, 빠른 검색 및 조회를 지원함

3. 실시간 처리 및 분석 (Data Processing and Analysis)

- 실시간 데이터 스트림 처리, 복합 이벤트 처리(CEP, Complex Event Processing), 이상 감지, 예측 분석 등의 기능을 제공함

- 머신러닝, 딥러닝 알고리즘을 통합하여 데이터 분석의 정확도와 효율성을 높일 수 있음

4. 데이터 시각화 (Data Visualization)

- 실시간 대시보드, 차트, 그래프 등을 통해 데이터의 시각적 표현을 제공하여 사용자가 쉽게 데이터를 이해하고 분석할 수 있도록 도움

- 웹 기반 인터페이스, 모바알 앱 등 다양한 플랫폼을 지원함

5. 시스템 연동 (System Integration)

- MES 등 다른 제조 시스템과 연동하여 데이터의 흐름을 원활하게 하고 정보 공유를 촉진함

- API(Application Programming Interface)를 제공하여 외부 시스템과의 통합을 용이하게 함

6. 보안 (Security)

- 데이터 암호화, 접근 제어, 인증 등 다양한 보안 기능을 제공하여 데이터의 기밀성, 무결성, 가용성을 보장함

- 산업 제어 시스템 보안 표준을 준수함

■ RTDB의 종류

1. 사용 RTDB

- OSIsoft PI System: 산업 현장에서 널리 사용되는 대표적인 RTDB

- GE Digital Predix: GE의 산업용 플랫폼 Predix의 핵심 구성 요소임

- Siemens MindSphere: 지멘스의 클라우드 기반 개방형 IoT 운영체제

- Rockwell Automation FactoryTalk Historian: 로크윌 오토메이션의 산업자동화 솔루션

- AVEVA Historian (Wonderware Historian)

2. 오픈 소스 RTDB

- Apache Kafka: 분산 스트리밍 플랫폼으로, 실시간 데이터 파이프라인 구축에 사용됨

- InfluxDB: 시계열 데이터 처리에 특화된 오픈 소스 데이터베이스

- TimescaleDB: PostgreSQL 기반의 오픈 소스 시계열 데이터베이스

■ RTDB의 구성 요소 = DB + AP + α

RTDB는 단순히 데이터를 저장하는 데이터베이스(DB)의 역할뿐만 아니라, 애플리케이션(AP서버)와 같은 기능을 포함하는 경우가 일반적임. 좀 더 넓은 의미로, RTDB는 실시간 데이터 처리 플랫폼이라고 보는 것이 더 적합함

1. 데이터베이스(DB)

- 데이터를 저장하고 관리하는 핵심 기능임

- 일반적인 관계형 데이터베이스(RDB)보다는 시계열 데이터(Time-Series Data)처리에 특화된 데이터베이스를 사용하는 경우가 많음

- 빠른 쓰기 및 읽기 속도를 제공하여 실시간 데이터 처리를 지원함

- In-memory 데이터베이스를 사용하여 성능을 극대화하기도 함

2. 애플리케이션 서버(AP Server)

- 데이터 수집: 다양한 소스(센서, OPC UA 서버 등)로부터 데이터를 수집하는 기능 제공

- 데이터 처리: 수집된 데이터를 변환, 필터링, 집계, 분석하는 기능을 제공

- 실시간 분석: 복합 이벤트 처리, 이상 감지, 예측 분석 등 기능을 제공

- API 제공: 외부 시스템과의 연동을 위한 API를 제공함

- 알람/경보: 특정 조건 발생 시 사용자에게 알림을 보내는 기능을 제공함

3. α (추가 기능)

- 데이터 시각화: 실시간 데이터를 차트, 그래프 등으로 시각화하여 사용자에게 제공함

- 데이터 관리 도구: 데이터베이스 관리, 사용자 관리, 보안 설정 등을 위한 도구를 제공함

- 엣지 컴퓨팅 기능: 엣지 디바이스에서 데이터를 처리하고 분석하는 기능을 제공함

- 머신러닝/딥러닝 통합: 머신러닝, 딥러닝 모델을 RTDB에 통합하여 실시간 에측 및 분석 기능 강화

4. 대표적인 예시

1) OSIsoft PI System

- PI Data Archive (데이터베이스)

- PI Asset Framework (데이터 모델링 및 관리)

- PI Vison (데이터 시각화)

- PI Integrators (외부 시스템 연동)

- PI Event Frames (이벤트 관리)

- PI Notifications (알림 기능)

2) GE Digital Predix Time Series

- Time Series Database (데이터베이스)

- REST API (데이터 접근 및 관리)

- Edge Software (엣지 컴퓨팅)

- Analytics Services (분석 기능)

■ RTDB의 데이터 저장 구조

[개념적 모델]

1. 측정값: 수집되는 데이터의 유형(예: temperature, pressure, speed 등)

2. 태그: 데이터의 출처를 식별하고 Context를 제공하는 key-value 쌍, 필터링 밑 그룹화에 사용됨

- sensor_id = sensor_001

- location=factory_floor_a

- equipment_type=pump_01

3. 필드: 실제 측정 값, 단일 측정 값에는 여러 필드가 있을 수 있음

- value=25.5(온도 측정의 경우)

- rpm=1750(속도 측정의 경우)

- status=OK(상태 표시 - 숫자 또는 문자열일 수 있음)

4. 타임스탬프(Timestamp): 측정이 수행된 시간, 일반적으로 Unix 에포크 시간으로 저장됨

[텍스트 표현 예시]

- 라인 프로토콜(InfluxDB): InfluxDB에 데이터를 쓰는 일반적인 텍스트 기반 형식

temperature,sensor_id=sensor_001,location=factory_floor_a value=25.5 1678886400000 temperature,sensor_id=sensor_002,location=factory_floor_b value=28.2 1678886400000 temperature,sensor_id=sensor_001,location=factory_floor_a value=25.7 1678886460000 pressure,sensor_id=pressure_001,unit=psi value=14.7 1678886400000 speed,equipment_id=motor_001,unit=rpm rpm=1745 1678886400000 speed,equipment_id=motor_001,unit=rpm rpm=1750 1678886460000

■ RTDB와 타 제조시스템과의 연계 관계

1. 일반적인 구조

- Sensor/Actuator > PLC > TC/EC/EAP > RTDB > MES

2. 변형된 구조 (PLC → RTDB 직접 연결)

- Sensor/Actuator > PLC > RTDB > MES

3. 변형된 구조 (Edge Computing 활용)

- Sensor/Actuator > PLC > Edge RTDB > RTDB > MES

지금까지 RTDB에 대해서 알아보았습니다. 다음 부터는 본격적으로 Smart Factory Level3 관점으로 설명드리도록 하겠습니다. 앞서도 자주 언급되었던 TC/EC/EAP 그리고 MES 관점으로 설명드리겠습니다.

지금까지 SmartFactory의 수직적 구조의 Level0의 센서와 엑츄에이터, Level1의 PLC, DCS에 대해서 정리를 해보았습니다. 이번에는 Level2 단계를 HMI(Human Machine Interface) 중심으로 설명드리겠습니다.

HMI(Human Machine Interface)는 스마트팩토리에서 사람과 기계 간의 소통을 가능하게 하는 핵심적인 인터페이스 입니다. 작업자가 HMI를 통해 생산 설비를 실시간으로 모니터링하고 제어하며, 데이터를 분석하여 생산 효율성을 높이는 데 활용됩니다.

그럼 우선, HMI의 주요 기능과 종류에 대해서 먼저 설명드리겠습니다.

[HMI 주요 기능]

- 실시간 모니터링: 생산 설비의 작동 상태, 생산량, 오류 정보 등을 실시간으로 표시하며 작업자가 설비의 상황을 빠르게 파악할 수 있도록 도움

- 제어 및 조작: 작업자는 HMI를 통해 설비의 작동을 제어하고, 설정을 변경하며 필요한 조치를 취할 수 있음

- 데이터 분석: 생산 데이터를 수집하고 분석하여 생산성 향상, 불량률 감소, 설비 유지보수 등에 활용할 수 있는 정보를 제공함

- 시각화: 다양한 그래프, 차트, 이미지 등을 활용하여 데이터를 시각적으로 표현하여 작업자가 데이터를 더 쉽게 이해하고 분석할 수 있도록 도움

- 알람 및 경고: 설비에 이상이 발생하거나 특정 조건이 충족되면 작업자에게 알람이나 경고를 제공하여 즉각적인 대응을 가능하게 함

[HMI의 종류]

- 터치스크린 HMI: 터치스크린을 통해 직관적으로 조작할 수 있는 HMI임

- 패널 HMI: 버튼이나 스위치 등을 사용하여 조작하는 HMI임

- 소프트웨어 HMI: PC 기반으로 운영되는 HMI 소프트웨어임

그렇다면 HMI 개발은 주로 어떻게 진행이 될까요? 주로 소프트웨어 개발과 하드웨어 개발로 이루어지는데 대체로 설비 회사, HMI 전문 업체, SI(System Integration) 업체 중심으로 이루어집니다.

[설비 회사에서 제작하는 HMI]

- 설비 회사는 자신들이 제작하는 설비에 최적화된 HMI를 함께 제작하여 제공하는 경우가 많습니다. 이러한 HMI는 해당 설비의 특성에 맞춰 설계되었기 때문에 설비와 완벽하게 호환되며 안정적인 작동을 보장합니다. 주로 설비와 함께 패키지 형태로 판매되며, 설비 설치 시 함께 설치되는 경우가 많음

[HMI 전문 업체에서 제작하는 HMI]

- HMI 전문 업체는 다양한 HMI를 개발하여 판매합니다. 이러한 HMI는 다양한 설비와 호환될 수 있도록 설계되었으며, 다양한 기능을 제공합니다. 사용자는 자신의 설비와 필요에 맞는 HMI를 선택하여 사용할 수 있습니다. 대표적인 HMI 전문 업체로는 Siemens(WinCC, TP Comfort Panel), ABB(Automation Builder, Panel 800), Schneider Electric(EcoStruxure Operator Terminal, Magelis), Rockwell Automation(FactoryTalk, View SE/ME), Mitsubishi Electric(GOT Series, iQ Works) 등이 있음

[시스템 통합 업체에서 제작하는 HMI]

- 시스템 통합 업체는 고객의 요구사항에 맞춰 맞춤형 HMI를 개발하여 제공합니다. 이러한 HMI는 특정 설비나 시스템에 특화된 기능을 제공하며, 고객의 생산 환경에 최적화된 솔루션을 제공합니다. 주로 대규모 생산 시스템이나 복잡한 공정에서 사용됨

위와 같은 HMI를 선택할 때는 다음과 같은 요소를 고려해야 합니다.

- 설비와의 호환성: HMI가 설비와 정상적으로 통신하고 데이터를 주고받을 수 있는지 확인해야 함

- 기능: 필요한 기능을 제공하는 HMI를 선택해야 함. 예를 들어, 데이터 분석, 시각화, 알람 관리 등의 기능

- 사용 편의성: 작업자가 쉽게 이해하고 사용할 수 있는 인터페이스를 제공하는 HMI를 선택해야 함

- 가격: 예산에 맞는 가격대의 HMI를 선택해야 함

- 기술 지원: HMI 제조사의 기술 지원을 받을 수 있는지 확인해야 함

지금까지는 HMI 중심으로 설명을 드렸습니다. 그렇다면 과연 HMI(Level2)는 PLC, DCS(Level1)과 어떤 관계로 연계되는지 설명드리겠습니다. 그리고 향후 MES(Level3) 설명 시에는 HMI와의 연계관계를 설명드릴 예정입니다.

[HMI - PLC,DCS의 기능적 관계 ]

- PLC와 DCS는 HMI를 통해 제어 및 감시됩니다. 작업자는 HMI 화면을 통해 PLC나 DCS에 연결된 센서의 값, 장비의 작동 상태 등을 실시간으로 확인하고, 필요한 경우 제어 명령을 내릴 수 있음

- PLC와 DCS는 HMI에 데이터를 제공합니다. PLC나 DCS는 센서로부터 수집한 데이터, 제어 결과 등을 HMI로 전송하고, HMI는 이 데이터를 시각적으로 표현하여 작업자에게 제공함

- HMI는 PLC나 DCS의 기능을 확장합니다. HMI는 PLC나 DCS의 기능을 시각적으로 표현하고, 작업자가 더 쉽게 접근하고 사용할 수 있도록 도와줌

[HMI - PLC,DCS의 연계 방식 ]

- HMI와 PLC 중심의 연계 방식은 크게 직접 연결과 네트워크 연결로 나눌 수 있음

1) 직접 연결

- HMI와 PLC를 직접 케이블로 연결하는 방식으로 주로 소규모 시스템에 활용됨

- 장점: 시스템 구성이 간단하고 비용이 저렴하며 HMI와 PLC 간의 통신 속도가 빠름

- 단점: 시스템 확장에 제한이 있으며, 케이블 관리가 필요함

- 주로 사용되는 통신 방식: RS-232C, RS-422/485 (시리얼 통신 방식)

2) 네트워크 연결

- HMI와 PLC를 이더넷, Wi-Fi 등의 네트워크를 통해 연결하는 방식으로 대규모 시스템에서 사용됨

- 장점: 시스템 확장이 용이하며, 다양한 기기를 네트워크에 연결하여 통합 관리 할 수 있음, 원격지에서 HMI에 접속하여 설비를 모니터링하고 제어할 수 있음

- 단점: 시스템 구축 비용이 비교적 높으며 네트워크 상황에 따라 통신 속도가 느려질 수 있음

- 주로 사용되는 통신 방식: TCP/IP, Modbus TCP, Ethernet/IP, PROFINET (산업용 이더넷 프로토콜)

- 최근에는 OPC US와 같은 표준 통신 프로토콜을 사용하여 HMI와 PLC를 연동하는 방식이 많이 사용되고 있음, OPC UA는 다양한 제조사의 장비와 시스템 간의 호환성을 높여부며, 보다 효율적인 데이터 교환을 가능하게 함

지금까지 HMI의 주요 기능, HMI 개발 주체, PLC/DCS와의 연계 관계에 대해 설명드렸습니다.

HMI는 하위 단에는 PLC, DCS와 관련이 있지만 상위 단에는 TC/MC/EAP라고 불리는 설비제어시스템과, MES(생산실행시스템)과의 연계 관계도 존재합니다. 해당 부분은 상위 시스템에서 다시 한 번 자세히 설명드리도록 하겠습니다.

오늘은 스마트팩토리의 수직적 구조 중 Level1에 해당하는 DCS에 대해서 설명하려고 합니다. 

지난 포스팅의 PLC가 제어기 중심이라면, DCS는 단순 제어기가 아닌 전체적인 시스템 관점으로 접근해야 할 것 같습니다. 그리고 쉽게 생각하면 DCS는 여러 PLC들의 집합체로 분산제어를 하는 시스템이라고 이해하면 접근이 쉬울 것 같습니다. SCADA와 비교했을 때는 SCADA는 감시와 데이터 수집에 중점을 두고 있다면 DCS는 실시간 제어에 더 집중하고 있다는 점에서 차이가 있습니다. 

그럼 DCS에 대해서 자세히 설명드리겠습니다.

1. DCS(Distributed Control System) 이란?

- DCS는 생산 공정을 효율적으로 제어하고 관리하는 핵심 시스템이다. DCS는 공장 전체에 분산된 센서, 액추에이터, 컨트롤러 등을 네트워크로 연결하여 실시간 데이터 수집 및 분석, 자동 제어, 원격 감시 등을 가능하게 한다.

- DCS는 연속공정에서 주로 활용된다. 석유화학, 발전, 제철 등과 같은 원료가 연속적으로 투입되고 제품이 끊임없이 생산되는 공정으로 온도, 압력, 유량 등 공정 변수의 실시간 제어 및 감시가 중요하다.

- DCS는 주로 PID 제어와 같은 연속적인 제어 방식을 사용하여 공정 변수를 안정적으로 유지한다.

* PID(Proportional-Integral-Derivative) 제어 상세 설명

 . 제어 시스템에서 가장 널리 사용되는 피드백 제어 기법 중 하나이다. 목표값과 현재값 사이의 오차를 이용하여 제어 신호를 생성하고, 이를 통해 시스템의 출력을 원하는 목표값으로 유지하거나 빠르게 도달시키는 역할을 한다.

 . PID 제어는 각 요소의 비율(P,I,D,Gain)을 조절하여 시스템의 응답 특성을 원하는 대로 조정할 수 있다. 이러한 Gain 조절 과정을 '튜닝' 이라고 한다. 예를 들어, 화학 반응기의 온도를 일정하게 유지하기 위해 PID 제어기를 사용하여 히터의 출력을 조절한다.

  1) 비례(P)제어 : 현재 오차에 비례하여 제어 신호를 생성한다. 오차가 클수록 제어 신호도 커지며, 시스템의 응답 속도를 높이는 역할을 한다.

  2) 적분(I)제어 : 과거의 오차를 누적하여 제어 신호를 생성한다. 정상 상태 오차를 제거하고, 시스템의 정확도를 높이는 역할을 한다.

  3) 미분(D)제어 : 오차의 변화율에 따라 제어 신호를 생성한다. 오차 변화가 클수록 제어 신호도 커지며, 시스템의 안전성을 높이며 진동을 감소시키는 역할을 한다.

2. DCS의 주요 기능

1) 데이터 수집 및 감시 : 센서를 통해 온도, 압력, 유량 등 다양한 공정 데이터를 실시간으로 수집하고, 중앙 제어실에서 한 눈에 감시할 수 있도록 한다.

2) 자동 제어 : 설정된 목표 값에 따라 공정 변수를 자동으로 조절하여 안정적인 생산 환경을 유지한다.

3) 알람 및 경보 : 비정상적인 상황 발생 시 즉각적인 알람 및 경보를 통해 신속한 대응을 가능하게 한다.

4) 데이터 분석 및 보고 : 수집된 데이터를 분석하여 생산 효율성, 품질, 에너지 소비량 등을 파악하고, 보고서를 생성하여 의사결정을 지원한다.

5) 원격 감시 및 제어 : 직접 현장에 가지 않고도 원격으로 공장 상황을 감시하고 제어할 수 있다.

3. DCS 구축을 위한 구성 요소

1) 컨트롤러(Controller) 

    . DCS의 핵심 장치로 공정 데이터 수집, 제어 알고리즘 실행, HMI와의 통신등을 담당

   . 컨트롤러는 Redundancy(이중화) 구성을 통해 시스템의 안정성을 높임

2) 입출력 모듈(I/O Module)

  . 센서 및 액추에이터와 연결되어 공정 데이터를 수집하고 제어 신호를 전송

  . 아날로그 입력/출력, 디지털 입력/출력 다양한 종류가 있음

3) HMI(Human Machine Interface)

 . 운전원이 공정 상태를 감시하고 제어할 수 있는 인터페이스를 제공

 . 터치스크린 방식의 모니터, 키보드, 마우스 등으로 구성됨

4) 네트워크 장비

 . 컨트롤러, I/O모듈, HMI 등을 연결하는 네트워크 스위치, 라우터 등을 포함

 . 산업용 이더넷(Ethernet)프로토콜을 주로 사용함

5) 서버(Server)

  . 데이터 저장, 히스토리 데이터 관리, 알람 및 이벤트 관리, 보고서 생성 등을 담당

  . 일반적으로 고성능 서버를 사용하며, Redundancy 구성을 통해 데이터 안정성을 확보

4. 주요 DCS 솔루션 업체

  . 에머슨(Emerson) : Ovation DCS(발전 및 수처리 산업 특화) 및 DeltaV DCS(다양한 산업 분야)

  . 요꼬가와(Yokogawa) : CENTUM VP DCS (다양한 산업 분야)

  . Honeywell : Experion PKS DCS (다양한 산업 분야)

  . Siemens : SIMATIC PCD 7 DCS (다양한 산업 분야)

  . Schneider Electric : EcoStruxure Foxboro DCS (다양한 산업 분야)

  . Eurotherm : 제어 및 데이터 관리 솔루션

  . Valmet : Velmet DNA : 제지 및 펄프 산업 특화

5. DCS 솔루션 교체 시 고려사항

- 제조시스템 개선 및 고도화를 위해 기존 DCS 솔루션을 교체하는 것은 쉽지 않다. 대부분의 기업들은 초기 선정되어 셋업된 솔루션에 Lock-In 되어 확산 및 개선 시에도 호환성 등의 이슈로 지속적으로 해당 솔루션을 사용하게 된다. 하지만 기존 시스템의 노후화와 제조시스템 혁신을 위해 DCS 솔루션을 교체할 시에는 하기 항목들에 대한 검토가 필요하다.

1) 높은 비용 : DCS 솔루션 교체는 컨트롤러, 입출력 모듈, HMI 등 하드웨어 교체 뿐만 아니라 소프트웨어 ,네트워크, 데이터베이스 등 전체 시스템에 대한 변경을 수반한다. 이는 상당한 비용이 소요되는 작업이다.

2) 긴 작업 시간 : DCS 솔루션 교체는 단순히 하드웨어 및 솔루션 교체 뿐만 아니라 기존 시스템과의 데이터 연동, 새로운 시스템에 대한 사용자 교육 등 많은 시간과 노력이 필요한 작업이다.

3) 생산 중단 : DCS 솔루션 교체 작업은 생산 라인을 일시적으로 중단해야 하는 경우가 많다. 이는 생산 손실로 이어질 수 있으며, 특히 연속 공정 산업에서는 큰 문제가 될 수 있다.

4) 호환성 문제 : 새로운 DCS 솔루션이 기존 시스템과 호환되지 않는 경우, 추가적인 개발 작업이나 인터페이스 개발이 필요할 수 있다.

5) 기술적인 어려움 : DCS 솔루션 교체는 전문적인 기술 지식과 경험을 요구하는 작업이다. 숙련된 엔지니어의 지원이 필요하며, 기술적인 문제 발생 시 해결에 어려움을 겪을 수 있다.

6) 리스크 : DCS 솔루션 교체는 시스템 오류, 데이터 손실, 생산 중단 등 다양한 리스크를 수반한다. 교체 작업 전에 충분한 검토와 준비가 필요하다.

오늘은 스마트팩토리의 수직적 구조 중 Level1에 해당하는 PLC에 대해서 설명하려고 합니다. PLC(Programmable Logic Controller)는 산업 자동화 및 제어 시스템에서 주로 사용되는 컴퓨터의 일종입니다. PLC는 다양한 센서와 입력 장치로부터 데이터를 수집하고, 이를 기반으로 내장된 프로그램에 따라 출력 장치를 제어하여 제조 공장, 조립 라인, 로봇 기기, 공정 제어 등 다양한 기계적 작업을 지원합니다.

PLC와 관련하여 'PLC 구성 요소', 'PLC와 센서/액추에이터 연계 방안', '통신 네트워크', 'PLC I/O List', 'PLC Address Map'을 연계하여 설명드리겠습니다.

1) PLC는 어떻게 구성되어 있는가?

- CPU: 프로그램을 저장하고 실행하는 PLC의 두뇌 역할을 합니다. 입력 신호를 처리하고, 논리/제어 연산을 수행하며 적절한 출력 신호를 생성합니다.

- 메모리: 프로그램 코드, 작업 데이터 및 임시 데이터를 저장하는 데 사용됩니다. 일반적으로 RAM과 ROM으로 구성됩니다.

- 입력/출력(I/O) 모듈: PLC는 외부 세계와 인터페이스하는 데 사용되는 다양한 입력 및 출력 모듈을 포함합니다. 입력 모듈은 센서/스위치 등으로부터 신호를 받고, 출력 모듈은 액추에이터, 모터 등을 제어하는데 사용됩니다.

- 통신 인터페이스: PLC는 Ethernet, RS-232, RS-485 등 다양한 통신 프로토콜을 통해 다른 PLC, 컴퓨터 시스템, 네트워크 장비와 통신할 수 있습니다.

2) PLC와 Input/Output을 어떻게 연결할까요?

그렇다면 Input 모듈 → PLC → Output 모듈로의 통신은 어떤 방식으로 이루어지는지 알아보겠습니다. 연결 방법은 세가지(직접 연결, 필드버스 시스템, 무선 연결)가 있습니다. 

- 직접 연결: 가장 기본적인 통신 형태로, 센서와 액추에이터가 물리적 케이블을 통해 PLC의 입력 및 출력 모듈에 직접 연결하는 방식입니다.

 (장점) 단순성/신뢰성▲, 적은 양 데이터 전송 적합, 연결 상태/신호 직접 확인 가능하여 문제 진단 용이

 (단점) 대규모 시스템에서 케이블 관리 복잡, 확장성 제한, 물리적 공간 많이 필요

- 필드버스 시스템: Modbus, Profibus, EtherNet/IP와 같은 산업용 통신 프로토콜을 사용하여 센서, 액추에이터, PLC등을 하나의 통신 네트워크로 연결하는 방식입니다.

 (장점) 여러 장치를 하나의 네트워크 연결: 케이블링 간소화, 시스템 확장성/유연성 향상, 네트워크 통한 중앙 집중식 데이터 관리 및 모니터링 가능

 (단점) 네트워크 구성과 프로토콜 설정에 복잡성 증가, 특정 프로토콜 전문 지식 필요, 네트워크 장애 시 전체 시스템 영향

- 무선 연결: Wi-Fi, ZigBee, Bluetooth 등의 무선 통신 기술을 사용하여 센서와 액추에이터를 PLC에 연결하는 방식입니다.

 (장점) 유연성과 설치의 용이성이 뛰어남, 물리적으로 접근하기 어렵거나 이동이 잦은 장치에 적합, 케이블링 비용과 유지 보수 비용 절감

 (단점) 무선 신호의 간섭, 범위 제한, 보안 취약성 측면 문제, 실시간 제어에 요구되는 낮은 지연 시간과 높은 신뢰성 보장 어려움

3) PLC를 필드버스 시스템을 통해 연결하는 Case로 자동화를 구축하는 방법을 알아 볼까요?

(단계별 상세 설명)

1. 시스템 요구사항 파악: 사용될 센서, 액추에이터, PLC 등 시스템의 구성 요소와 각각의 기능을 정의

2. 네트워크 토폴리지 결정: 시스템의 크기, 구성, 환경을 고려하여 네트워크 토폴로지(버스,스타,링 등) 결정

3. 필드버스 프로토콜 선택: 시스템 요구사항에 맞는 프로토콜(Profibus, Modbus, EtherNet/IP) 선택

4. 필드버스 마스터: 대부분의 경우 PLC가 필드버스 네트워크의 마스터 역할을 수행

5. 필드버스 슬레이브 장치: 센서와 액추에이터는 필드버스 네트워크의 슬레이브 장치로 동작

6. 리피터, 허브, 스위치: 필요시, 네트워크의 범위를 확장하거나 성능을 향상위해 추가 네트워크 장비 설치

7. 케이블 배선: 선택한 토폴로지에 따라 통신 케이블을 배선

8. 장치 연결: 센서와 액추에이터를 필드버스 인터페이스에 연결(필드 버스 네트워크에 통합)

9. PLC 연결: PLC를 네트워크의 마스터로 설정, 필드버스 네트워크에 연결

10. 장치 구성: 필드버스 네트워크에 연결된 각 장치를 구성함. 이는 주소 지정, 통신 속도 설정, 프로토콜 특정 파라미터 설정 등을 포함

11. 네트워크 테스트: 전체 네트워크의 통신을 테스트하여 모든 장치가 올바르게 연결되고 통신하는지 확인

12. PLC 프로그래밍: PLC에 필드버스 네트워크를 통해 수집된 데이터를 기반으로 제어 로직을 프로그래밍

13. 시스템 운영 및 모니터링: 시스템을 운영하고 필드버스 네트워크를 통해 성능 및 상태를 모니터링

실제 PLC 동작을 위해서는 PLC 프로그래밍이 중요합니다. PLC 프로그램 내에 Business Logic을 구현하기 위해서는 PLC I/O List와 PLC Address Map이 중요한 역할을 합니다. 이들은 시스템의 하드웨어 구성, 데이터 흐름, 그리고 프로그램 내에서 장치들을 어떻게 참조하는지에 대한 필수적인 정보를 제공하기 때문입니다.

4) 그렇다면 PLC I/O List는 어떤 구조로 이루어져 있을까요?

1. PLC I/O List의 중요성

 - 시스템 구성 이해: PLC I/O List 통해 전체 시스템의 구성과 각 장치의 역할을 이해할 수 있음

 - 프로그래밍 참조: 개발자는 I/O List를 참조하여 각 입력 및 출력 신호가 프로그램 내에서 어떻게 사용되는지 결정하고, 이에 맞추어 로직을 구성함

 - 문제 진단 및 유지보수: 시스템의 문제를 진단하거나 유지보수를 수행할 때, I/O List는 연결된 장치들을 확인하고 문제의 원인을 파악하는데 도움이 됨

2. PLC I/O List에 포함되어야 하는 항목

 - I/O 번호 또는 주소: 각 I/O 포인트를 고유하게 식별하는 데 사용되는 번호나 주소

 - Tag 이름: 각 I/O 포인트에 할당된 의미있는 이름, 통상적으로 시스템 내 기능이나 연결된 장비를 반영

 - 설명: 각 I/O 포인트의 용도, 연결된 장비, 그리고 해당 포인트가 시스템 내에서 수행하는 기능 설명

 - 데이터 타입: I/O 신호의 종류를 나타냄 (디지털 입력/출력, 아날로그 입력/출력)

 - 논리적/물리적 위치: 시스템 또는 시설 내 물리적 위치 or 논리적 위치(설치/유지보수 참고)

 - 모듈 타입 및 모델: 해당 I/O 포인트가 연결된 I/O모듈의 종류와 모델 명시

 - 채널: 아날로그 입력/출력과 같이 다수의 신호를 처리하는 I/O 모듈에서, 각각의 신호가 할당된 모듈 내의 구체적인 채널 번호

 - 전기적 특성: 신호의 전압 레벨, 전류 요구사항 등과 같은 전기적 세부 사항

 - 상태 또는 초기값: 시스템 시작 시 또는 특정 조건에서 해당 I/O 포인트의 기대되는 상태나 초기값

5) PLC Address Map은 어떤 역할을 하며 어떻게 구성되어 있을까요?

 

1. PLC Address Map 주요 구성 요소

 - 입력 주소(Input Address): 외부에서 PLC로 전달되는 신호임. 이는 일반적으로 센서, 스위치 등의 물리적 장치로 부터 오는 신호를 말함. 입력 주소는 PLC 프로그램 내에서 해당 입력 신호를 읽기 위해 사용

 - 출력 주소(Output Address): PLC에서 외부 장치로 전달되는 제어 신호를 나타냄. 이는 모터, 릴레이, 램프 등의 액추에이터를 제어하기 위해 사용. 출력 주소는 PLC 프로그램 내에서 특정 출력을 활성화하거나 비활성화하기 위해 사용됨

 - 내부 또는 중간 레지스터: 중간 계산 값, 설정 값, 임시 데이터 저장 등을 위해 사용되는 메모리 영역임. 이 레지스터들은 프로그램 조직의 중간 단계에서 데이터를 저장하고 전달하는 데 사용

 - 타이머와 카운터 주소: 특정 시간 간격을 측정하거나 이벤트 발생 횟수를 세는 데 사용되는 함수. 각 타이머와 카운터는 고유한 주소를 가지고 있어, 프로그램 내에서 이를 설정하고 결과 값을 읽을 수 있음

 - 데이터 블록: 사용자 정의 데이터 구조를 저장하는 영역으로 복잡한 데이터 구조나 배열을 관리하는 데 사용됨. 데이터 블록은 특히 고급 프로그래밍에서 중요한 역할을 함

2. PLC Address Map 중요성

 - 프로그래밍 효율성: PLC Address Map을 명확하게 정의하고 문서화하는 것은 프로그래밍을 보다 쉽고 효율적으로 만들어줌

 - 시스템 통합: 다양한 장치와 시스템 간의 통합을 용이하게 하며, 다른 시스템 구성 요소와의 데이터 교환을 명확하게 정의함

 - 문제 해결: 시스템의 문제를 진단하고 해결하는 과정에서 주소 맵은 필수적인 참조 자료가 됨

 - 유지보수와 확장성: 시스템의 유지보수와 업그레이드를 위한 기반 정보를 제공하며, 시스템의 확장 시 필요한 변경 사항을 계획하는 데 도움을 줌

PLC는 스마트팩토리의 설비자동화 영역의 가장 기본적인 영역입니다. 최근에는 PLC를 대신해 PC를 활용하는 경우도 존재하지만, PLC만의 안정성과 신뢰성 측면의 강점 등으로 가장 보편적으로 활용되고 있습니다. 다음으로는 DCS(Distributed Control System) 영역에 대해서 설명하도록 하겠습니다.

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.

■ 센서 (Sensor)

산업분야의 디지털화가 가속화함에 따라서 생산라인에서부터 원자재를 공급하는 공급 채널 전반에 걸쳐서 각종 센서의 사용이 급증하고 있습니다. 센서는 측정하고자 하는 파라미터에 따라 적합한 것을 사용해야 합니다. 산업공정에서는 온도와 압력을 측정하는 것에서부터 장비로 진동을 모니터링하고 주요 자산들에 대해서 위치를 추적하는 것에 이르기까지 다양할 수 있습니다. 또한 코일 내부에 설치된 센서를 통해 모터의 상태를 확인하고, 광 센서를 사용해서 절단 블레이드 휨이나 로봇 팔의 방향과 같은 것을 정확하게 측정할 수 있습니다. 이미지 센서를 사용해서 광학적 검사를 할 수 있으며, 이미지 인식 소프트웨어를 사용해서 로봇을 유도할 수도 있습니다.

센서의 경우는 전력 문제가 중요합니다. 센서 하드웨어를 구축할 때는 전력 소모를 매우 중요하게 고려해야 합니다. 공장 이곳저곳으로 추가적인 전선을 설치하는 것은 실용적이지 않고 비용적으로 경제적이지 않습니다. 매년 수십만개의 배터리를 교체한다는 것도 마찬가지입니다. 센서와 그에 딸린 통신 트랜시버의 전력 소모를 낮춤으로서 공장의 전반적인 가동 비용을 낮추는데 기여할 수 있습니다. 그래서 현재 배터리를 대체하기 위한 연구개발이 활발하게 연구되고 있으며, 그 중 주변 환경으로 부터 에너지를 수집해서 센서를 구동하는 방법도 있습니다. 에너지 수집은 온도 차이, 진동, 전파 등을 사용할 수 있습니다.

■ 액추에이터 (Actuator)

자동제어를 실질적으로 구현하기 위해서는 물리적 동작을 가능하게 하는 액추에이터(Actuator)가 반드시 필요합니다. 예를 들어 집 안 가스 배관에서 가스가 누출된 상황을 가정하면 센서가 가스 누출을 감지해서 신호를 보내는 것만으로는 가스 누출을 막을 수 없습니다.. 신호를 보냄과 동시에 가스 밸브를 잠글 수 있는 액추에이터가 필요한 것입니다. 그리고 제동 제어를 위해서는 이런 액추에이터의 정확하고 효율적인 제어가 절대적으로 요구됩니다. 

액추에이터는 센서로부터 수집된 정보를 Micro-Controller를 통해 만들어진 전기 신호를 동작, 빛, 열 등 물리적 움직임으로 변환시킵니다. 액추에이터는 일반적으로 유압식, 공압식, 전기식, 기계식 4가지로 분류됩니다.

1) 유압식: 물이나 기름과 같은 액체의 힘으로 실린더나 유체 모터를 구동해 기계를 작동 ( 유압 실린더, 유압 모터)

2) 공압식: 액체 대신 압축 가스를 사용 (공압 실린더, 공압 모터, 공압 인공근육)

3) 전기식: 전기에너지를 기계적인 토크로 변환하는 모터를 구동 (직류(DC)모터,동기형 교류(AC)모터,유도형 교류(AC)모터,스테핑 모터,리니어 직류 모터,리니어 동기 모터,리니어 유도 모터,리니어 스테피 모터,솔레노이드)

스마트팩토리의 Level 별로 실제로 직업들이 분화되어 있고, 실질적으로 전체적인 부분을 경험하는 것이 쉽지 않습니다.. 실제 위에 설명한 센서, 액추에이터 등은 설비엔지니어들은 잘 알고 있을 수 있으나 시스템을 하는 사람들은 잘 알지 못하는 경우가 많이 존재합니다. 하지만 상위 시스템에서 분석하는 데이터의 근본 Source가 어디인지, 설비에 명령을 내려 제어를 할 때 실질적으로 어떻게 물리적으로 동작하는지 알게 된다면 광의적인 관점에서 스마트팩토리에 접근하는데 도움이 될 것이라 생각합니다. 

(참고 Site)

센서 부분 : https://icnweb.kr/2020/44882/ 

액추에이터 부분: https://www.e4ds.com/sub_view.asp?ch=29&t=0&idx=12938 

스마트팩토리는 Value Chain 관점의 수평적 구조와, OT와 IT 구조가 연계되는 수직적 구조로 나뉘어집니다.

수평적 구조의 스마트팩토리는 광의의 관점이며 일반적으로는 수직적 구조를 통해 스마트팩토리에 대해 설명합니다.

수직적 구조를 이해하기 위해서는 ANSI/ISA-95 모델에 대한 이해가 필요합니다.

제조업은 복잡성이 증가됨에 따라 제조 조직 내 다양한 시스템 간에 표준화된 커뮤니케이션이 필요했으며, 비즈니스 관련 활동을 관리하는 ERP시스템과 실제 생산 프로세스를 관리하는 제조 실행 시스템(MES) 및 기타 제어 시스템 간의 통합에 어려움은 업무 비효율성과 데이터 불일치로 이어졌습니다.

이에 자동화 표준 설정에 있어 선도적인 글로벌 비영리 기구인 국제 자동화 협회(International Society of Automation) 주도로 ANSI/ISA-95 모델이 개발되었으며, 이 표준은 제조 산업에서 운영 효율성, 데이터 일관성 및 의사결정 프로세스를 향상시키는 데 중요한 기여를 하고 있습니다.

ANSI/ISA-95 모델은 위의 그림과 같이 Level 0에서 Level 4 까지 4단계로 이루어져 있습니다. 

우리가 흔히 OT(Operation Technology)라고 부르는 영역은 Level 0 ~ Level 2 까지이며, IT(Information Technology)라고 부르는 영역이 Level 3 ~ Level 4입니다. OT와 IT 연계는 주로 MES 시스템을 통해서 이루어집니다. 

실제 산업계에도 OT와 IT 영역의 Engineer들은 서로 상이하며, 관련 기업들도 서로 다릅니다. 그래서 스마트팩토리의 OT 영역과 IT 영역을 폭넓게 이해하고 있는 경우가 많지 않습니다. 하지만 스마트팩토리의 전체적인 그림을 그리기 위해서는 이 두 가지 영역의 연계와 이해는 필수적이라고 할 수 있습니다. 시스템을 하는 사람들은 설비/기구 영역 쪽으로는 쉽지 않습니다. 반대로 설비/기구를 만지는 사람들은 시스템의 영역으로 들어가면 역시 이해하기 힘듭니다.

그래서 다음의 목표는 Level 0 부터 Level 4까지 각각의 단계별로 자세히 공부해볼 생각입니다.

Level 0 - 어떤 센서가 있는지, Actuator가 어떻게 동작하는지, 모터, 실린더 등 실질적인 물리적인 부분에 대한 이해

Level 1 - PLC가 어떻게 동작하는지, PLC Address Map이 무엇인지, PLC와 DCS의 차이가 무엇인지, PLC I/O가 무엇인지

Level 2 - SCADA 들어는 봤으니 이제는 이해해보자, HMI와 PLC의 연계 등

Level 3 - 어떤 시스템들이 있고, 어떤 모듈들이 있는지, 어떤 기능들을 하는지

Level 4 - ERP의 세부 모듈에 대한 이해, ERP-PLM-SCM-MES와의 관계성 이해

제 머릿 속에 메타버스 팩토리를 지어 보기로 했었습니다. 우선 기본적인 구조는 ISA-95 입니다.

그리고 여기서 각각의 레벨 별로 확장해 가겠습니다. 그리고 각각의 레벨별로 접근할 때도 이런 식으로 표준을 찾아보고 아니면 저만의 기준을 만들어서 정리해보려고 합니다.

두번째 이야기 끝 ~ 

스마트팩토리는 Horizontal 관점과 Vertical 관점으로 구분하여 이해할 수 있다.

Horizontal 관점은 기업의 Value Chain인 영업/마케팅~R&D~구매~생산/품질~물류~서비스 전체를 대상으로 광의의 영역이며, Vertical 관점은 설비/센서 등의 영역인 OT관점과 시스템으로 연계되는 IT관점으로 이루어지는 부분을 말한다.

나는 앞으로 몇 년 간 이 모든 영역에 대한 그림을 내 머릿 속에 그려보려고 한다. 실제로 공장에서 물건이 만들어지려면 어떤 프로세스를 지나야 하는지, 작업자 없이 설비가 자동으로 어떻게 작업을 하는지 이해하려고 한다. 그리고 스마트팩토리에서 흔히 말하는 정보화/자동화/지능화 좀 더 나아가 자율화 관점이 실질적으로 무엇을 말하는 것인지. 어떻게 하나하나의 데이터가 올라가서 경영자가 의사결정할 수 있도록 만들어지는지에 대해서 고민해보려고 한다.

그렇다면 어떤 관점으로 풀어나가야 할까? 우선 브레인스토밍으로 이것 저것 적어보자.

- 제조업의 특징은 무엇일까? (산업별 / 제품별 등에 따른 공통점과 차이점)

- 제조시스템이라는 것은 무엇일까?

    ㄴ CRM, SCM, PLM, ERP, MES, QMS 등 전체적인 시스템에 대해 살펴보려고 한다.

    ㄴ 개별 시스템별 상세 모듈 검토 : MES (MOS, MSS, ADS, R2R, SPC, FDC, VM, TC 등)

 - 제조업무프로세스는 어떻게 구성되는가?

    ㄴ 생산계획-생산준비-생산실행 등.
    ㄴ 신제품개발 프로세스 - 양산 이관 프로세스 - Ramp Up 프로세스 등

    ㄴ 개발품질/자재품질/생산품질/서비스품질 등

 - OT 영역은 어떻게 구성되는가?

    ㄴ PLC, CIM, HMI 간의 연계 관계 및 상위 시스템과의 I/F 활용 등

지금 생각나는 부분은 이 정도 뿐이다. 혼자 내 머릿속에서 메타버스 팩토리를 완성해보고 싶은 생각이다. 실제로 설비에서 데이터가 어떻게 올라와서 데이터가 DB에 어떤 방식으로 적재되고, 그 데이터가 어떤 방식으로 분석되어서 경영진이 참고할 수 있는 KPI로 만들어져서 가시화되는지 그려보고 싶다. 어떻게 영업에서 수주를 받아서 고객과 협상을 하고 그 요구사항을 토대로 설계를 하고 생산을 하는지 머릿속에 그려보고 싶다. 

QCD 관점에서 스마트팩토리를 바라보기도 하고, PLC 단의 세부 단위까지도 이해하고 싶다. 그렇게 전체를 아우르는 스마트팩토리 전문가를 꿈꾸고 있다. 어디 한 번 잘 구조화해서 풀어나가보도록 하자. 내 머릿속에 정리된 책장과 서랍 속에 스마트팩토리의 지식을 차곡 차곡 쌓아서 제대로 된 공장을 지어 보겠다. ^^