Connect with us

테크놀로지

왜, 산업용 이더넷(Industrial Ethernet)인가!

Published

on

산업용이더넷

산업용 네트워크는 어떤 특성을 갖고있는 분야에서 사용되느냐에 따라 각각 장비가 갖춰야 될 특성과 기능이 달라진다. 이더넷(Ethernet) 통신 방식은 산업 현장이든 OA 환경이든, 다르지 않다. 다만 이더넷이 사용되는 환경적인 특성에 맞춰 이더넷 통신 장비의 특성이 달라진다. <편집자 주>

글: 강은석
㈜토마스무역 시스템사업부

초기의 계측 및 제어 데이터의 수집은 3~50psi(50년대)부터 4~20mA(60~80년대)아날로그 신호를 거쳐 Fieldbus 디지털 신호(90년대~)에 이르기까지 발전해 오고 있다. 그러나 위와 같은 데이터 수집 방식들은 여러 가지 문제점을 드러내며 그 발전이 정체돼 있다고 할 수 있다.

예를 들어, Fieldbus 계열의 통신방식들은 아날로그 방식에서 디지털 방식으로 전환되어 그 사용이 폭발적으로 늘어났으나, 각각의 벤더들간 이권이 연관되어 개별적인 Protocol을 사용하고 있다. 따라서 Fieldbus 계열은 그 호환성에 문제점을 드러내고 있어, 여러 가지 장점을 갖고 있음에도 불구하고 Ethernet 방식에 그 시장을 잠식당하고 있는 것이다.

시장 흐름
아직까지는 Fieldbus 제품들이 Ethernet 방식 보다는 End Device와 컨트롤러 통신 단에서 많이 사용되고 있는 것이 사실이다. 또한 Ethernet에 잠식 당하고 있는 시장을 방어하기 위한 방책으로 Ethernet 호환 Protocol들을 개발 적용하고 있다. 또한 위와 같은 방법은 확실한 해결책이 될 수 없다는 것을 알고 있기 때문에 국제 표준화 작업을 통한 협회 구성 등의 자구책을 내놓고 있다. 이렇듯 쉽지 않은 시장 흐름에도 불구하고 아직도 Fieldbus 제품이 많이 활용되는 이유는 무엇일까?

그 첫 번째 이유는, 배선절감에 있을 것이다. 아날로그 통신 방식에서의 복잡한 배선작업을 최소화 할 수 있다는 장점이 있다는 얘기다.

둘째, 디지털 전송방식에 의해 노이즈의 영향으로부터 어느 정도 자유로울 수 있다는 점을 들 수 있을 것이다.

셋째, 다중 계측신호를 동시에 전송 가능해 졌다는 점이다. 예전에는 개별적으로 하나씩 전송해야 하는 불편함이 있었으나, 이제는 여러 계측 신호를 동시에 전송함으로써 케이블 배선의 절감 등의 효과를 기대할 수 있게 된 것이다.

넷째, 스마트 트랜스듀서의 도입이 가능해 짐으로써 Filtering, Linearization, A/D 변환, Engineering Unit 변환 등의 전 처리가 가능해 졌다는 이점이 있다.

다섯째, 시스템에 대한 신뢰도, 유연성, 확장성 등이 증가했다는 점을 꼽을 수 있다.

마지막으로, 시스템 설치 및 유지 보수가 용이해졌다는 점이다.

이와 같은 여러 특징을 가짐으로써 아직까지는 Ethernet으로부터의 시장 공격에 맞대응 할 수 있는 화력이 남아있는 것이다. 하지만, 위와 같은 장점에도 불구하고 시장 분위기는 Fieldbus 통신방식에 그리 호의적이지는 않다고 할 것이다. 다른 이유는 다 차치하고라도 Open Protocol이 아니라는 점은 너무나도 큰 단점으로 작용되고 있다. 이에 대한 해결책으로 위에서 언급한 협회 구성에 의한 벤더(Vendor)들의 확충, 각종 Ethernet 호환 Protocol 개발 등의 작업이 진행됐으나, Ethernet의 파도를 넘기에는 힘겨워 보이는 실정이다.

산업용이더넷

시장 상황도 그렇다. 컨트롤러(예를 들면, PLC 등)하위는 아직 Fieldbus를 많이 사용하고 있으나, 그 상위로 연결되는 부분은 이미 Ethernet이 석권하고 있다고 해도 과언은 아닐 것이다. 이젠 Field 계열에 까지 그 적용범위가 확대되고 있는 상황이고, 현재도 Ethernet을 지원하는 End Device가 나와있는 실정이다. 여러 전문가들의 예상을 빌어 말하면 앞으로 2~3년 후에는 거의 전 부분에 Ethernet이 적용될 것이라는 예상을 해볼 수 있을 것이다. 적어도 현재의 상황으로는 그렇다.

이렇듯 Ethernet의 사용은 대세요 흐름이다. 다른 통신방식들은 그 발전이 정체되어 있는데 반해 Ethernet은 아직도 발전하고 있는 것이 가장 큰 요인일 것이다. 따라서 현재까지의 상황으로 본다면, Ethernet으로의 전이는 누구도 거역할 수 없는, 자연스런 현상이라고 할 것이다. 하지만 누가 알겠는가? Fieldbus가 Ethernet으로 대체될 것을 초기에는 예상치 못했듯이 Ethernet을 대체할 그 어떤 통신기술이 개발될지….. 그것 또한 거스를 수 없는 대세일 것이다.

산업용 이더넷의 특징
산업용 이더넷이 필요한 이유는 과연 무엇인가? 다시 말해 산업환경과 사무환경의 차이점은 무엇이겠는가? 여기에는 크게 두가지로 분류하여 볼 수 있을 것이다. 첫째, 환경적인(외부요인) 부분과 그에 따른 장비적인 특성 둘째, 제어 Data(내부적인)의 특성에 따른 통신 방식의 특성으로 분류해 볼 수 있을 것이다.

먼저 환경적인(외부요인) 차이에 의한 요구 되어지는 장비의 특성에는 어떤 것이 있는지 살펴보기로 하자. 우선, 작동 온도조건이 다를 것이다, OA환경에서는 항온, 항습시설이 갖춰진 전산실 등에 장비를 설치하여 구동하기 때문에 넓은 범위의 작동온도가 필요치 않다. 그러나 산업환경은 항온, 항습이라는 것이 없다. 쇳물을 녹이는 고로옆에 설치될 수도 있고 실외 함체에 설치될 수도 있는 것이 산업현장의 특성이다. 따라서 넓은 범위의 작동온도는 필수 조건일 것이다. -40℃ ~+70℃의 작동 범위를 갖는 장비를 Hirschmann에서 생산하는 이유도 여기에 있다고 할 것이다.

둘째로 전원의 이중화가 지원되어야 할 것이다. 대부분의 산업현장에서는 Main Power 이외에 UPS(무정전전원공급장치) 등을 통해 전원의 이중화를 구축하는데 장비가 전원을 Single로 받는다면 정전에 대비한 대책이 없게 되는 것이다. 따라서 산업현장에 사용되는 장비는 전원도 Redundancy가 지원돼야 한다.

카카오톡에서 친구추가 하세요

셋째로 Relay 출력에 의한 에러 통보기능도 갖춰야 될 것이다. 예를 들어, 네트워크에 문제가 발생했는데, 어디의 어떤 장비에 이상이 발생했는지 일일이 현장을 돌며 점검하지 않으면 알 수가 없기 때문에 위 기능이 있다면 관리실에 앉아서도 장비의 이상유무를 식별할 수 있을 것이기 때문이다.

넷째로 장비를 고정하는 방식도 달라진다. 위에서 언급했듯이 OA환경에서는 전산실 등의 랙에 설치되므로 19″ Rack Type이 주류를 이루고 있으나, 산업 현장에서는 Rack이 아닌 일반 캐비닛 등에 설치되므로 그에 맞는 고정타입을 갖춰야 될 것이다. 예를 들어 PLC 고정타입인 Din Rail Type 등이 될 것이다.

다음으로, 제어 데이터의 특성(내부적인)요인에 의해 갖게 되는 특성에 대해 살펴보자.

첫째로 제어부분의 데이터 처리는 고속, 대용량의 데이터 처리가 아닌 정확하고 손실없는 데이터 처리가 중요하다고 할 수 있다. 즉 Giga급의 데이터 처리보다는 10/100Mbps정도의 속도에서 안정적인 데이터 전송을 그 목적으로 하고 있다. 따라서 빠른 속도 보다는 네트워크 장비의 안정성이 더 중요하다고 할 것이다. 그러나 OA용 장비는 사용자 수와 처리하는 데이터가 큰 만큼 고속, 대용량 장비가 적합한 것이다.

둘째로 제어 네트워크 장비는 자체 메모리가 적은 것이 특징이다. 이는 자체 메모리가 크면 받아들이는 데이터가 많고, 받아들이는 데이터가 많으면 그 만큼 처리를 기다리는 데이터가 많아져 그 만큼 속도가 늦어지기 때문이다. 이에 제어 네트워크 장비는 메모리가 적은 대신 빠르게 데이터를 처리하여 그 만큼 Delay를 줄일 수 있는 것이다. 반면 OA용 장비는 환경적인 특성상 용량이 큰 데이터가 많이 처리되므로 자체 메모리 또한 큰 것이 적합하다고 할 수 있다.

이렇듯, 어떤 특성을 갖고있는 분야에서 사용되느냐에 따라서 각각 장비가 갖춰야 될 특성과 기능이 달라진다고 할 수 있다. 따라서 최근 산업용 이더넷이라는 용어가 많이 사용되고 있는 이유도 여기에 있다고 할 것이다. 이더넷(Ethernet) 통신 방식은 산업 현장이든 OA 환경이든, 다르지 않다. 다만 이더넷이 사용되는 환경적인 특성에 맞춰 이더넷 통신 장비의 특성이 달라진다. 따라서 더 정확히 용어를 구분하여 사용한다면, 산업용 이더넷(Industrial Ethernet)보다는 산업용 네트워크 장비(Industrial Network Device)라는 용어가 더 적합한 표현이 아닐까 생각해 본다.

지금의 산업용 이더넷 시장은 다중 경쟁 구도로 접어들었다고 할 수 있다. 즉 다양한 제품들이 시장에 쏟아져 나오고 있는 실정이다. 고객의 입장에서는 선택의 폭이 넓어진 대신 제품 선택에 있어서 보다 더 신중해져야 한다는 과제를 새롭게 갖게 된 것이다. 고객의 제품선택을 지원하고 최적의 솔루션을 구축하기 위해서는 자연히 제품 공급업체로서는 네트워크에 대한 컨설팅 능력 없이는 제품 공급이 어려워지고 있는 실정이다. 물론 가격으로 승부하는 제품은 이러한 능력이 부족하더라도 낮은 가격으로 시장을 공략하고 있지만, 이러한 영업 전략은 한계를 갖고 있게 마련이고 이러한 한계를 극복하기 위해서는 보다 전문적인 능력을 보유해야만 한다.

최근 새롭게 등장한 신기술이라고 하면, 무선 랜, 방화벽 제품, 기가비트 제품 등을 꼽을 수 있을 것이다. 물론 산업용 이더넷 제품군 중에서 말이다. 기존 OA 환경용 제품은 그 수를 헤아릴 수 없을 만큼 많이 있지만, 산업용 제품으로서는 거의 전무한 상황이었다. 기존 무선 랜 제품은 데이터 전송의 신뢰성 측면에서 유선 망에 비해 부족한 것으로 평가되어 그 적용에 소극적이었으나, 무선 랜 장비의 통신 기술이 발달함에 따라 산업용 네트워크에서의 적용이 확대되고 있는 추세이다. 아직은 메인 통신망이 아닌 백업 망으로 사용되고 있지만 해당 네트워크에서 요구되는 신뢰도에 따라서 다양하게 적용중이다. 이러한 흐름에 맞춰 허쉬만에서도 산업용 등급의 무선 랜 장비를 개발 공급하고 있다.

또한 네트워크 보안이 강조됨에 따라 방화벽 제품을 개발하여 고객의 요구를 충족시키고 있다. 이 제품은 산업용 등급의 하드웨어에 소프트웨어를 합쳐 구동되므로 산업 현장에 설치 운용하더라도 기계적인 안정성을 보장 받을 수 있다는 장점을 가지고 있다.

마지막으로 기가비트 제품은 산업용 제어 시스템의 최근 추세라고 할 수 있는 시스템 통합과 관련하여, 대용량 제품의 수요가 필요함에 맞춰 개발된 제품이다. 아직은 그 수요가 많지는 않지만, 제어 데이터 만 전송하던 기존의 시스템과 달리 영상 및 음성 데이터까지 전송하는 통합 시스템에서는 꼭 필요한 대용량 제품을 개발한 것으로 이제는 기가비트 통신도 산업용 이더넷 제품을 적용할 수 있는 것이다.

허쉬만의 네트워크 솔루션
산업용 네트워크 장비의 Market Leader인 독일의 Hirschmann(www.hirschmann.com)에서는 새로운 시장흐름에 발맞춰 고객의 요구에 맞는 새로운 제품을 출시하고 있다.

그동안 Hirschmann 장비와 Ring 방식의 Redundancy가 네트워크의 안정성을 높이는데 유용하다는 것을 알고는 있었으나, 가격적인 부담감 때문에 쉽게 Hirschmann 장비를 선택할 수 없었던 고객이라면, 신 제품군인 Open Rail 제품을 적극 활용할 것을 권한다. 가격의 부담도 덜 수 있고, 네트워크의 안정성도 꾀할 수 있는 두 마리 토끼를 모두 잡을 수 있을 것으로 예상된다.

아이씨엔 2006년 10월호

산업용IoT

엣지 노드와 센서 설계의 더 높은 수준을 요구하는 디지털 트위닝

Published

on

포뮬러 1 경주

디지털 트윈 모델은 센서 설치와 관련하여 꽤 까다로운 요건들을 수반한다. 레거시 애플리케이션들은 특히 그렇다. 이에 따라 디지털 트윈 시스템 설계자는 최적의 솔루션을 구할 때까지 센서 성능과 대역폭 제한에 각별한 주의를 기울일 필요가 있다.

디지털 트윈(digital twins, DT) 모델이 제조를 비롯한 산업 분야로 빠르게 도입되고 있다. 사물인터넷(IoT)의 연결성과 저렴한 가격대의 센서를 사용할 수 있게 된 덕분이다. 하지만 디지털 트윈을 구현하려면 신호 체인의 모든 측면에서 더 높은 성능이 요구된다. 디지털 트윈을 적용하고자 하는 해당 장비 또는 그 가까이에 설치되는 엣지 노드의 경우는 특히 더 하다. 이 글에서는 센서와 엣지 노드 아키텍처에 대한 개요를 비롯하여, 엣지 노드의 중요성과 엣지 노드 통신에 대해서 설명한다.

 

센서와 엣지 노드 아키텍처
디지털 트윈 아키텍처는 3가지 차원의 IoT 아키텍처와 매우 비슷하게 닮았다(그림 1):

• 엣지 노드 – 엣지 노드 상의 센서들은 기능 유닛(산업용 로봇, 항공기 엔진, 풍력 터빈 등)의 동작에 대한 실시간 정보를 수집하고, 이 정보를 유선 또는 근거리 무선 통신망(LAN)을 통해서 전송한다.
• 게이트웨이 노드 – 게이트웨이 노드는 다양한 프로토콜을 사용하는 여러 개의 엣지 노드와 통신하고 이 정보를 취합해서 광역 통신망(WAN)으로 전송한다.
• 엔터프라이즈 노드 – 엔터프라이즈 노드는 게이트웨이 데이터를 수신하고, 디지털 모델을 적용하고, 그 결과를 통신한다.

정확한 모델과 고품질 데이터를 활용한다면 DT 모델을 통해 결함을 예측하고 효율을 높일 수 있을 뿐 아니라, 심지어는 가상이 아닌 실제 세계에서의 동작까지도 변경할 수 있다.

 

이러한 데이터 수집을 위해서는 엣지 노드가 핵심적인 역할을 한다. 실제 세계로부터 동작과 환경에 관한 데이터를 수집하는 센서와, 이렇게 센서들이 수집한 정보를 상위 레벨로 전송하는 통신 링크들이 엣지 노드에 포함되어 있기 때문이다.

 

엣지 노드의 중요성
DT는 물리적 기계를 가상으로 모델링하기 위해 실제 세계로부터 지속적으로 수집한 고품질 데이터를 필요로 한다. 그렇지 않다면 실제 세계와 가상 세계의 차이가 점점 더 벌어져, DT를 적용한 계산이나 예측이 쓸모 없어질 것이다.

그림 1: 디지털 트윈(DT) 아키텍처는 IoT 아키텍처와 마찬가지로 엣지 노드 상의 센서, 게이트웨이 노드, 엔터프라이즈 노드로 이루어진다.

그림 1: 디지털 트윈(DT) 아키텍처는 IoT 아키텍처와 마찬가지로 엣지 노드 상의 센서, 게이트웨이 노드, 엔터프라이즈 노드로 이루어진다. (이미지. 마우저 일렉트로닉스)

 

이러한 데이터 수집을 위해서는 엣지 노드가 핵심적인 역할을 한다. 실제 세계로부터 동작과 환경에 관한 데이터를 수집하는 센서와, 이렇게 센서들이 수집한 정보를 상위 레벨로 전송하는 통신 링크들이 엣지 노드에 포함되어 있기 때문이다. 또한 물리적인 프로세스까지 변경할 수 있는 DT 모델이라면 액추에이터도 엣지 노드에 포함된다.

센서 측정은 두 가지 범주로 구분할 수 있다:
• 동작 측정(기계 또는 장비의 물리적 동작): 장력, 속도, 유량, 변위, 토크, 동작 온도, 진동 등
• 환경 데이터(물리적 동작에 영향을 미침): 주변 온도, 기압, 습도 등

엣지 노드에는 다양한 형태의 센서들이 사용될 수 있다. 온도 센서, 압력 센서, 로드 셀, 가속도계 같은 다양한 센서들이 실제 세계의 특성을 측정하고 수치적 정보를 제공한다. 센서 퓨전 시스템은 여러 센서 측정 결과를 조합해서 단일 센서로는 할 수 없는 통찰을 제공할 수 있다. 카메라와 마이크로폰은 복잡하고 구조화되지 않은 정보를 사용해서 비디오 및 오디오 스트림을 발생시키므로 이를 해석하려면 별도의 프로세싱이 필요하다.

 

기존 장비를 개조할 때의 어려움

 

DT 설계는 실제 설치물을 위한 모델 역할을 하는 디지털 설계에서 시작한다. 따라서 실시간 데이터를 제공하는 센서들이 이 모델에 포함되어 최종 버전까지 계속해서 기능을 수행할 수도 있다. DT는 석유 및 가스, 핵 에너지, 항공우주, 자동차 같은 하이테크 애플리케이션에 주로 사용된다. 여기에 사용되는 기계들은 가상 모델이 도입되기 훨씬 전에 설치되었을 수 있다. 그러므로 디지털 트윈이 가능하도록 엣지 노드를 업그레이드하기에는 많은 어려움이 따른다.

기존 산업 분야에 DT를 도입하기 위해서 DT에 대한 현실 세계 버전을 완전히 처음부터 설계하는 경우는 거의 없다. 수 년 또는 수십 년 동안 잘 작동해온 기존 설비를 가지고 어떻게든 해보아야 한다. 다시 말해서 기존 시스템을 DT가 가능하도록 개조해야 하는 것이다. 디지털 트윈 시스템을 아무리 잘 설계한다 하더라도, 기존 장비의 성능을 모니터링하기 위한 센서가 부족하거나 아예 설치되어 있지 않다면 통합 과정은 엄청나게 복잡해질 것이다. 이러한 기술을 수용할 수 있도록 전혀 설계되지 않은 기계에 수십 혹은 수백 개의 센서들을 설치해야 하기 때문이다.

이미 센서들이 설치되어 있는 경우라도, 센서의 정확도가 디지털 모델에 유용한 데이터를 제공하기에 미흡할 수 있다. 예컨대 온도 센서가 설치되어 있기는 하지만 과열 결함만 감지할 수 있을 뿐, 결함을 조기에 예측하는데 필요한 온도 스트레스 패턴까지는 식별하지 못할 수 있다.

통신 네트워크의 용량 또한 문제가 될 수 있다. 기존에 설치된 IoT는 다양한 유선 및 무선 표준을 사용해서 엣지 노드를 해당 게이트웨이로 연결한다. 이러한 통신 기술에는 다음과 같은 표준 기술들이 포함된다:
• 지그비 – 저전력 메시 애플리케이션용
• 서브 1GHz – 저전력 및 장거리용
• 와이파이 – 고속의 직접 인터넷 연결
• 블루투스 – 가장 낮은 전력
• 기타

설계자는 각 표준들이 디지털 트윈 데이터로 인해서 가중되는 부담을 처리할 수 있는지 면밀히 검토해야 한다.

 

수십 배 증가해야 하는 센서 수

 

디지털 트윈은 많은 산업 분야에서 아직은 초기 단계에 있지만, 많은 제품들이 첫번째 시제품을 세상에 선보이기 위해 가상 세계에서 설계, 테스트, 검증 과정을 거치고 있다. 이러한 제품들 역시 특수한 실시간 센서들에 의해 엄청난 양의 데이터가 수집되고 있다. 항공기 엔진과 포뮬러 1 경주용 차는 대표적인 두 가지 사례이다.

카카오톡에서 친구추가 하세요

항공기 엔진
항공기 엔진은 이미 고도로 계장화 되어 있다. 전통적인 터보팬 엔진(그림 2)은 압력, 온도, 유속, 진동, 속도를 측정하기 위한 센서들을 포함한다. 또한 각 범주별로 여러 특수 센서들이 사용되어 보다 세분화된 기능들을 담당한다. 압력 측정을 예로 들면 터빈 압력, 오일 압력, 오일 또는 연료-필터 차동 압력, 스톨 감지(stall detect) 압력, 엔진 제어 압력, 베어링실 압력 등을 측정하기 위해 각각의 센서들을 사용할 수 있다.

그림 2: 항공기 터보팬 같은 엣지 노드는 이미 수백 개의 센서들을 포함한다. 여기에 DT를 도입하려면 센서 수가 지금보다 수십 배 늘어나야 한다.

그림 2: 항공기 터보팬 같은 엣지 노드는 이미 수백 개의 센서들을 포함한다. 여기에 DT를 도입하려면 센서 수가 지금보다 수십 배 늘어나야 한다. (이미지. 마우저 일렉트로닉스)

 

DT는 기존의 모니터링 애플리케이션보다 훨씬 더 많은 데이터를 필요로 하기 때문에 그만큼 훨씬 더 많은 수의 센서들을 필요로 한다. 오늘날 사용되는 대부분의 항공기 엔진은 약 250개의 센서를 포함하지만, 요즘 나오고 있는 차세대 DT 가능 제품은 5천 개 이상의 센서를 포함한다. 연료 유량, 연료 및 오일 압력, 고도, 대기 속도, 전기 부하, 외부 공기 온도 등을 모니터링하는 센서들로부터 추가적인 데이터가 제공된다. 롤스로이스(Rolls-Royce), GE, 프랫 앤 휘트니(Pratt & Whitney) 같은 회사들은 이미 DT를 사용해서 신뢰성과 효율을 끌어올리고, 제조 비용은 낮추고 있다.

포뮬러 1 경주

포뮬러 1 경주 (이미지. 마우저 일렉트로닉스)

 

DT 기술은 치열한 경쟁이 펼쳐지는 포뮬러 1 경주에서 운전자와 자동차의 성능을 향상시키는 데에도 사용될 수 있다. 맥클라렌-혼다(McLaren-Honda) 팀은 200개 이상의 센서를 사용해서 엔진, 기어박스, 브레이크, 타이어, 서스펜션, 공기역학에 관한 실시간 데이터를 전송한다. 경기가 진행되는 동안, 이 센서들은 영국 워킹(Woking)에 있는 맥클라렌 기술 센터(McLaren Technology Centre)로 100GB에 이르는 데이터를 전송한다. 분석가들은 이 데이터를 분석하고 DT를 적용해서 운전자에게 최적의 경주 전략을 전달한다. 가상의 세계에서 DT가 실제 자동차와 동일한 도로 조건, 날씨, 온도로 동일한 경기를 펼친다.

 

DT 엣지 노드 아키텍처의 미래

 

DT 모델의 잠재력을 최대한 실현하기 위해서는 기존의 엣지 노드 아키텍처에서 다음과 같은 몇 가지 과제들을 해결해야 한다:

스마트 센서와 엣지 노드 프로세싱
센서들이 점점 더 많은 데이터를 수집함에 따라서, 디지털 모델로 데이터를 어떻게 사용할지, 또 데이터를 어디에서 처리해야 할지(노드, 게이트웨이, 클라우드 등) 결정해야 한다. 노드에서 처리하면 네트워크 대역폭은 줄일 수 있으나 정보를 잃을 우려가 있고, 그러면 DT 성능이 떨어질 수 있다.

이 결정에는 사용하는 센서가 어떤 유형인지가 영향을 미친다. 많은 센서들은 예컨대 압력을 나타내는 디지털 전송처럼, 사용하기 편리한 구조화된 포맷으로 정보를 전송한다. 하지만 마이크로폰이나 이미지 센서 같은 것들은 구조화되지 않은 대량의 원시 데이터를 발생하므로 대대적인 프로세싱을 하지 않으면 쓸모가 없다.

향상된 통신 인터페이스
엣지 노드 프로세싱을 늘린다 하더라도, 어마어마하게 늘어나는 데이터 양 때문에 시스템 설계자는 어떻게든 네트워크 대역폭을 늘려야 할 것이다. 예를 들어 항공기 엔진은 엔진 한 대마다 초당 5GB의 데이터를 발생하며, 상업용으로 사용되는 트윈 엔진 항공기는 하루에 최대 844TB의 데이터를 발생한다.
전통적인 산업들은 또 다른 복잡함을 안고 있는 엄청난 양의 데이터를 발생한다. 전통적인 산업용 IoT 애플리케이션에 이용되는 많은 원격지 엣지 노드들은 저전력 소비 특성을 최적화하기 위해 배터리 전원과 저성능 무선 프로토콜을 사용한다. 따라서 이러한 기존 설계에 DT를 사용하려면 통신 병목지점이 어디인지부터 파악할 필요가 있다.

견고한 엣지 노드 보안
기존에 설치된 IoT 네트워크는 엣지 노드 디바이스에서 보안성이 문제가 될 수 있다. 이에 따라 암호화, 보안 하드웨어, 애플리케이션 키, 장치 인증서 같은 보안 조치들이 점점 더 일반화되고 있다. DT 프로그램의 도입이 늘어날수록 이러한 보안 기술들의 중요성은 더욱 강조될 것이다. 특히 인터넷 프로토콜(IP) 연결이 가능한 노드들은 해커들의 공격 대상이 되기 쉽다.

 

맺음말

 

디지털 트윈 프로그램을 구현하려면 신호 체인의 모든 측면에서 더 높은 성능이 필요하다. 디지털 트윈을 적용하고자 하는 해당 장비 또는 그 가까이에 설치되는 엣지 노드의 경우는 특히 더 하다. 엣지 노드는 디지털 트윈을 구현하는 데 있어서 핵심적인 역할을 한다. 실제 세계로부터 동작과 환경에 관한 데이터를 수집하는 센서와, 이렇게 센서들이 수집한 정보를 상위 레벨로 전송하는 통신 링크들이 엣지 노드에 포함되어 있기 때문이다. 현재 디지털 트윈은 주로 항공기와 자동차 같은 분야에 사용되고 있다. 이들 분야에는 이미 많은 수의 센서들이 사용되고 있는데, 여기에서 디지털 트윈이 가능하도록 기존 장비를 개조하려면 지금보다 수십 배 더 많은 센서들을 설치해야 한다. 그 밖에도 엣지 노드 프로세싱, 통신 프로세싱, 엣지 노드 보안 같은 것들을 향상시켜야 한다.

 

글_ 폴 피커링(Paul Pickering) / 마우저 일렉트로닉스

 

Continue Reading

스마트공장

물리적 세계와 디지털 세계를 이어주는 새로운 기술들

Published

on

mouser

디지털 트위닝(digital twinning, DT)은 인더스트리 4.0(Industry 4.0)과 산업용 사물 인터넷(industrial Internet of Things, IIoT)을 위한 기술 로드맵의 일부이다. 물리적 영역과 디지털 정보 영역을 하나로 연결하기 위해서는 전 영역에 걸쳐 신기술들이 서로 융합하고 유기적으로 작동해야 한다.

mouser

디지털 트위닝이란 데이터에 기반한 방법으로 물리적 시스템을 디지털 모델로 컴퓨터로 복제해 개별적으로 구현함으로써 물리적 시스템의 설계와 유지보수를 향상시키는 기술이다. 자동화와 데이터 교환이 발달하면서 데이터 트위닝이 다양한 산업 애플리케이션에서 유용하게 활용될 수 있게 된 것이다.

물리적 세계와 디지털 세계가 만나는 이러한 새로운 산업 환경을 4차 산업 혁명, 즉 인더스트리 4.0이라 부른다. 수많은 첨단 전자기기와 컴퓨터 시스템이 교차하는 지점에 적용되는 인더스트리 4.0의 ‘새로운 방식’은 이득과 효율을 증대시키고 유연성을 높여준다. 물리적 영역과 디지털 정보 영역을 하나로 연결하기 위해서는 전 영역에 걸쳐 신기술들이 서로 융합하고 유기적으로 작동해야 한다. 인더스트리 4.0의 잠재력을 실현하기 위해 다음과 같은 기술들이 디지털 트위닝에 활용되고 있으며, 디지털 트위닝은 인더스트리 4.0을 위한 기술 로드맵의 일부일 뿐이다.

• 페어링 기술
• 가상 물리 시스템
• 증강, 가상 및 혼합 현실
• 인공 지능
• 적층 가공
• 3D 프린팅
• 디지털 스레드

페어링 기술
페어링 기술(Pairing technologies)은 어떤 디바이스나 시스템이 다른 디바이스와 시스템을 찾아서 연결 및 통신할 수 있게 해주는 기술로 디지털 트위닝과 인더스트리 4.0 세계에서 매우 중요하다. 일례로 센서와 산업용 사물 인터넷 제품들은 다른 디바이스를 성공적으로 찾아서 연결할 수 있어야 한다. 블루투스(Bluetooth®) 같은 기술들이 이러한 연결에 사용된다. 이를 수행하려면 연결된 디바이스는 다른 연결 가능한 디바이스를 성공적으로 찾을 수 있어야 한다. 특정 디바이스는 다른 디바이스를 찾을 때 질의응답 및 데이터를 공유하고자 하는 대상과 통신하고 있는지 확신할 수 있어야 한다. 디바이스가 적절히 활성화되고 절차가 성공적으로 이루어지면 이를 페어링이라 부른다.

이때 보안 문제는 굉장히 중요하다. 모든 디바이스는 크로스토크를 방지하고 잘못된 정보가 전달되지 않도록 정확한 식별이 확인된 후에만 페어링 해야 한다. 어떤 디바이스가 페어링 해야 하는 다른 디바이스를 빠르고 쉽게 식별할 수 있는 프로그래밍 알고리즘을 통해 바로가기를 만들 수 있다. 페어링은 암호화를 이용한 인증 키를 통해 수행된다. 페어링은 디바이스 간에 데이터를 교환하는 관계에서 연결이 본딩 상태를 유지하도록 보장하고 외부 소스에 이러한 데이터 교환이 누출되지 않도록 방지한다.

유연한 작동 역시 매우 중요하므로 디바이스는 외부에서 사람의 개입 없이 신속하게 페어링을 만들고 해제할 수 있어야 한다. 페어링이 성공한 경우, 페어링을 활성 상태로 유지하기 위해 지속적인 통신이 필요할 수 있다. 디바이스 중 하나가 더 이상 페어링 본드가 필요 없다고 판단하는 경우 페어링 관계를 끊고 다른 페어링을 준비한다.

가상 물리 시스템(CPS)
미국 국립과학재단(NSF)은 가상 물리 시스템(cyber-physical system, CPS)을 “컴퓨팅 자원과 물리적 자원 간의 긴밀한 결합과 조정”으로 정의한다. 이 정의에서 중요한 요소는 일련의 연결된 사물 또는 부분이 복잡한 전체를 구성한다는 시스템적인 접근방법을 채택하고 있는 점이다.

현재 CPS의 예로는 자동화된 항공사 비행 제어 시스템을 들 수 있다. 인더스트리 4.0은 이를 실현하기 위해 비행기가 아닌 기계, 컴퓨터, 로봇, 센서 및 공정이 전체적으로 함께 작동하게 하는 교통 통제를 필요로 한다. 이는 복잡도 사슬에서 한 단계 높은 수준이므로 IIoT보다 높은 차원의 시스템을 나타낸다. IIoT가 막대한 양의 데이터를 수집하고 처리, 공유하는 것과 관련되는 곳에서 CPS는 다양한 시스템에서 수집되는 이러한 방대한 양의 데이터를 관련된 산업과 연관된 여러 분야에 걸쳐 적절히 활용하도록 보장하는 데 초점을 맞춘다. 특정 산업의 고유한 딜레마는 특정 과제를 해결하기 위해 엔지니어링 전문지식을 필요로 한다.

증강, 가상 및 혼합 현실
새로운 기술들이 우리의 현실을 확장하고 있다. 이 기술들은 디지털 콘텐츠를 우리 앞에서 물리적으로 중첩시키고, 가상 세계와 실제 세계를 한데 합쳐 증강된 세계로 인식되는 혼합 현실을 만들어낸다. 이러한 효과를 통해 엔지니어는 새로운 방식으로 사물을 볼 수 있다. 예를 들어 컴퓨터 모니터에서 DT를 보는 대신 디지털 콘텐츠에 참여하거나 홀로그램과 상호작용할 수 있게 하는 증강 현실(AR) 헤드셋을 사용해 DT를 볼 수 있다.

이러한 AR을 사용하면 착용자는 신체적 감각을 통해 몰입감 높은 체험을 할 수 있다.

현실감을 높여주는 헤드셋은 디저털화 한 환경을 통해 물리적 세계를 체험함으로써 물리적 세계에서 발생하는 실제 조건을 실시간으로 경험할 수 있게 한다. AR은 새로운 통찰과 이해로 이어질 수 있다. 또한 DT 디스플레이를 사용자의 시야에 띄울 수 있는데, 이렇게 하면 훨씬 더 접근 가능하고 사용하기 쉬운 실시간 피드백이 가능하다.

mouser

인공지능(AI) 기술
IIoT는 연결된 데이터의 제공을 약속한다. 따라서 유용한 데이터를 저장하고 분석해야 한다. 인공 지능(AI)은 막대한 양의 디지털 데이터를 어떻게 분석하고 성공적으로 처리할 것인가에 대한 해결책이다. AI는 신속한 통합과 하이브리드 통합, 투자 활용, 시스템 관리와 컴플라이언스를 구현하여 가치를 증진시키므로 디지털 트위닝을 보다 완전하게 실현할 수 있게 도와준다.

머신러닝을 통해 AI는 디지털 데이터를 사용하여 모델링, 분석, 훈련, 적용, 그리고 최상의 의사결정을 추론하는 기회를 제공한다. AI는 컴퓨팅에 대한 전통적인 관점을 바꾸어 놓고 있다. 지금까지는 주로 공정 자동화와 스케일링의 관점이었다면 이제는 실행 가능한 통찰을 통해 지식 기반 관점으로 옮겨가고 있다. 조만간 AI는 엔지니어가 새로운 통찰과 가치를 창출하는 방법을 얻는 데 도움을 주게 될 것이다. 데이터 과학 접근방법을 사용하게 될 때 결정은 빠르게 강력해지고, 이는 추가적인 기회를 만들어낼 것이다.

적층 가공
적층 가공(additive manufacturing, AM)은 재료를 한층씩 쌓아 올려 3D 물체를 만드는 제조 방법이다. AM은 변화하는 수요에 대처하고 유통 가능하며 유연한 제품을 제조할 수 있는 산업을 이끌고 있어 전망이 밝다. AM의 두 분야인 3D 프린팅과 디지털 스레드는 디지털 트위닝을 가능하게 만들면서 계속 발전하고 있다.

mouser

3D 프린팅
3D 프린팅(3D printing)은 아마도 AM 중에서 가장 잘 알려진 예일 것이다. 3D 프린팅에서 프린터는 거의 영(제로)에 가까운 리드타임으로 플라스틱, 금속 또는 기타 맞춤형 재료를 사용하여 물체를 프린트하도록 프로그래밍할 수 있다. 3D 프린팅은 대단히 유연하며, 큰 규모의 경제에서 발생하는 제조와 관련된 문제를 없애준다. 이것이 미래에 의미하는 것은 누구나 마치 패스트푸드를 주문하듯 원하는 것을 신속하게 얻을 수 있게 된다는 것이다.

디지털 스레드
복잡한 시스템에서는 관련된 모든 시스템이 통일된 하나의 시스템에서 동작하지 않으며, 따라서 스케일링이 어렵기 때문에 AM은 주로 실험실에 제한적으로 사용되었다. 디지털 스레드(digital thread)가 이를 바꾸고 있다.
디지털 스레드는 데이터에 기반한 디지털 시스템 뒤에서 이를 일정하게 하나로 묶어주는 끊이지 않는 데이터 흐름을 말한다. 디지털 스레드는 공유된 정보의 소스인 스레드에 서로 다른 애플리케이션을 연결하여 하나로 통일함으로써 AM의 잠재력을 끌어낸다. 디지털 스레드는 재설계된 인더스트리 4.0에 관련된 모든 위치에서 정보의 수집, 관리, 분석을 위한 더 쉬운 공정을 생성한다. 또한 전체 공정을 통해 설계와 생산, 가동의 효율을 높이고 최적화한다.

카카오톡에서 친구추가 하세요

결 론
디지털 트위닝은 기존 제품과 공정의 이득과 효율, 유연성을 증가시키면서 인더스트리 4.0의 중요한 지표가 될 것이다. 그러나 디지털 트위닝은 인더스트리 4.0 로드맵의 일부일 뿐이다. 페어링 기술, CPS, AI 및 AM이 물리적 세계와 DT 정보와 통찰력의 세계를 하나로 연결하는 데 핵심적으로 활용되고 있다. 이러한 기술의 복잡성이 디지털 트위닝이라는 기술에 통합되어 적용될 때, 이들 기술은 인더스트리 4.0의 잠재력을 실현하는 데 기여하게 될 것이다.

글_ 폴 골라타(Paul Golata), 마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)

Continue Reading

English News

New Technologies Pair the Physical with the Digital

Published

on

mouser

Digital twinning is one part of the technology road map for Industry 4.0 and the Industrial Internet of Things. A gamut of new technologies must be integrated to work seamlessly together to pair the physical domain with the digital information domain.

mouser

Digital twinning seeks to improve the design and maintenance of physical systems by offering datadriven ways to discretely map these physical systems into digital and computerized replicas of themselves. With the arrival of automation and data exchange, digital twinning could be useful in a myriad of industrial applications.

This new industrial context, where the physical and the digital worlds meet, is known as the fourth industrial revolution—or Industry 4.0. Brought on by the intersection of a host of high-technology electronic and computer systems, the “new way” of Industry 4.0 promises increasing gains, efficiencies, and flexibility. A gamut of new technologies must be integrated to work seamlessly together to pair the physical domain with the digital information domain. Digital twinning is only one part of the technology roadmap for Industry 4.0, as these additional technologies are helping to enable digital twinning for Industry 4.0 to manifest its potential:

• Pairing technologies
• Cyber-physical systems
• Augmented, virtual, and mixed reality
• Artificial intelligence
• Additive manufacturing
• 3D printing
• Digital thread

Pairing Technologies
Pairing technologies are critical to digital twinning and the world of Industry 4.0, as these technologies empower a device or system to find, connect, and communicate with other devices and systems. For example, sensors and the Industrial Internet of Things (IIoT) products require the ability to find and connect with other devices successfully. Technologies such as Bluetooth®, among others, are employed to make these connections. To accomplish this, connected devices must be able to interrogate other potentially connectable devices successfully. When inquiring other devices, units must be able to ascertain whether they are communicating with a unit that they should be corresponding and exchanging data with. When properly enabled and successful, this accomplishment is called pairing.

Security issues are paramount. Every device should pair only after proper identification has been confirmed to avoid crosstalk or misinformation. Shortcuts may be achieved through programming algorithms that allow the devices to quickly and easily identify other units that they should pair with. Pairing gets accomplished through authentication keys employing cryptography. Pairing works to ensure that the connections stay bonded in a data exchanging relationship between devices and works to prevent an external source from prying into their data exchanges.

Being that flexibility is paramount, units must be able to make and break their pairing quickly and without external, human involvement. Successful pairing may require ongoing communication to keep the pairing active. If one of the units determines that the pairing bond is no longer relevant to its successful operational objectives, it will remove its pairing relationship and present itself available for a different pairing opportunity.

(photo. Mouser Electronics)

Cyber-Physical Systems
The National Science Foundation (NSF) defines cyber-physical systems (CPS) as, “The tight conjoining of and coordination between computational and physical resources.” The critical element in this definition is that it focuses on a system approach— where a set of connected things or parts form a complex whole.

A current example of a CPS is the automated airline flight-control systems. Industry 4.0 requires traffic control, not for airplanes, but for the machines, computers, robots, sensors, and processes that comprehensively work together for its realization. It represents a system of higher order than IIoT, because it sits one level higher in the complexity chain. Where IIoT is concerned with collecting, handling, and sharing of large amounts of data, CPS is focused on ensuring that this large amount of data, collected from multiple systems, gets properly utilized across multiple disciplines that are relevant to the industry involved. The unique dilemmas of any given industry will require engineering expertise to address these specific challenges.

Augmented, Virtual, and Mixed Reality
New technologies are augmenting our reality. They are providing us with the ability to overlay digital content in front of us physically, merging the real with the virtual, creating a mixed reality that should be considered augmented. This gain is allowing engineers to view things in new ways. For example, rather than viewing a DT on a computer monitor, we could view a DT using an augmented reality (AR) headset that enables the users to engage with digital content or interact with holograms.

The use of such AR empowers viewers to have an immersive experience whereby they engage their bodily senses.

Reality-enhancing headsets can create real-time experiences of actual conditions happening in the physical world, by way of experiencing them through a digitized environment. AR could lead to new insights and understandings. Additionally, a DT display could appear in the user’s field of view, making real-time feedback that much more accessible and easy to use.

Artificial Intelligence Technologies
IIoT offers the promise to provide connected data; therefore, useful data must be stored and analyzed. Artificial intelligence (AI) is a solution to how to analyze and successfully handle large amounts of digital data. It helps in allowing digital twinning to become more realized because it promotes value by enabling rapid integration, hybrid integration, investment leverage, and system management and compliance.

Through machine learning, it offers the opportunity to use digital data to model, analyze, train, apply, and infer how best to make decisions. AI is helping to change the traditional perspective of computing, moving it beyond what primarily has been an automating- and scaling-process perspective towards a knowledgebased perspective, via actionable insights. Soon, it will help engineers gather new insights and ways to create value. By using a data-science approach, rapidly powered decisions will enable the generation of further opportunities.

Additive Manufacturing
Additive manufacturing (AM) is a method of production in which 3D objects are built by adding layer-upon-layer of material. AM holds promise because it leads to industries that can address variable demand and produce products that are distributable and flexible. Two areas of AM – 3D printing and digital thread – are advancing to make digital twinning possible.

(photo. Mouser Electronics)

 

3D Printing
3D printing is perhaps the most well-known example of AM. In 3D printing, a printer is programmed to print an object using plastics, metals, or other custom materials with virtually zero lead-time. 3D printing is extremely flexible and eliminates the issues involved in producing objects with large economies of scale. What this means for the future is that you will be able to get what you want quickly—as if walking up to the fast food counter.

Digital Thread
With complex systems, however, AM has been confined primarily to the laboratory because all the systems involved do not operate under a unified system and, thus, are hard to scale. Digital thread promises to change that.

카카오톡에서 친구추가 하세요

A digital thread is a single, seamless strand of data that acts as the constant behind a data-driven digital system. It activates the potential of AM by allowing a unification of disparate applications by way of their adherence to the thread, which is their source of shared information. A digital thread creates an easier process for collecting, managing, and analyzing information from every location involved in the redesigned Industry 4.0. It enables better and more efficient design, production, and utilization throughout the entire process.

Conclusion
Digital twinning will be a hallmark of Industry 4.0, helping to increase gains, efficiencies, and flexibility for existing products and processes. But digital twinning is just one part of the Industry 4.0 road map. Pairing technologies, CPS, AI, and AM are key to seamlessly bringing together the physical realm and the realm of its DT information and insights. While these technologies are bringing their complexities into the digital twinning equation, ultimately, they promise to enable Industry 4.0 to manifest its potential.

by Paul Golata for Mouser Electronics

Continue Reading
Advertisement
CeMAT_asia_shanghai
Advertisement

Trending

© Copyright 2006-2018 아이씨엔 All Rights Reserved.
tel. 0505-379-1234, fax. 0505-379-5678 | e-mail. icn@icnweb.co.kr | Powered by WordPress
Address: 57-25 4F, Changcheon-dong, Seodaemun-gu, Seoul, 03789, Korea
주소: 서울특별시 서대문구 연세로5나길 10 (창천동, 4층)
기사제보 및 문의 : news@icnweb.co.kr

아이씨엔의 모든 콘텐츠는 저작권법의 보호를 받습니다. 이의 일부 또는 전부를 무단 사용하는 것은 저작권법에 저촉되며, 법적 제재를 받을 수 있습니다.


[[클린 광고 선언]]
아이씨엔매거진은 어떠한 경우에도 성인, 성형, 사채, 폭력, 투기, 악성SW 및 환경파괴(원자력 포함) 관련 광고는 게시하지 않습니다.
[광고 신고: oseam@icnweb.co.kr]