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 

▶ FA저널 - https://www.fajournal.com/

▶Industrial Communication Network - https://icnweb.kr/

▶ KSAM Magazine - https://www.ksam.co.kr/p_base.php?action=main

▶ 로봇 기술 - http://robotzine.co.kr/

▶ ELEC4 - https://elec4.co.kr/

▶ 자동제어계측 - http://xn--989a87k25pmxbbuai4z.kr/

▶ 헬로넷 - https://hellot.net/

▶ 테크월드 - https://www.epnc.co.kr/

▶ 계장기술 - http://www.procon.co.kr/

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. ^^