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u-Manufacturing 구현을 위한 무선 센서 애플리케이션의 구축(2)

물리적 세계로부터 정보수집을 위한 광범위한 센서의 설치가 필요하다는 설계요구가 최근들어 주요 과제로 부각되고 있다. 유선 센서는 무선 센서 방식으로 변화하고 있으며, 이것은 대기업 정보 기반에 통합되거나 네트워크화로 시작되고 있다. 무선은 이제까지 기존 센서가 처리하지 못했던 곳에 센서 설치가 가능하도록 하며, 물리적으로 통합된 프로세스를 간편하게 구현할 수 있다.

글: 차석근, ㈜에이시에스

2. 전통 제조업의 현황

제조업은 국내에서 전통적으로 강세를 보이는 산업일 뿐만 아니라 외환위기에 빠진 우리 경제를 회생시킨 주역이다. 1960년대 이후 지속적인 제조업 중심의 성장을 통해 한국경제는 2006년 국내총생산(GDP) 기준 세계 11위 국가로 도약하였다. 2006년 9월말 현재 국내 경재활동에서의 제조업의 위한은 취업비중은 18.2%를 차지하고 있으나 GDP기여율은 45.2%를 나타내고 있고, 전체 수출액 중 98%를 차지할 정도로 캐시카우 (Cash Cow)로서 한국 경제의 성장엔진 역할을 담당하고 있다.

그러나 국제사회 전반의 급속한 글로벌화 진행, 일본 중국 등과의 경쟁심화, 아웃소싱 확대와 기업간 협업관계 강화 등의 제조환경 변화와 원가상승, 기술력 인력부족, 고령화 및 주 5일 근무제에 따른 노동투입량의 감소 등의 요인으로 인해 국내 제조업은 많은 어려움을 겪고 있다.

이러한 환경에서의 제조업은 사람 (People), 프로세스 (Process), 기술 (Technology)과 정보 (Information) 등으로 각 계층으로 이루어져 있고 그림 3에 보인 것과 같이 제조업의 정보통합화 관점에서 보면 성과개선을 위한 기반 요소로 구성된 내부 제조 프로세스와 제품설계, 자재 소싱, 제품납기, 제품서비스, 공장설계와 유지보수 등으로 구성된 외부프로세스로 정의할 수 있다.

그림 4. 제조업에서 요구되는 핵심 업무기능

제조업 간의 프로세스는 크게 협력기업 간의 제품개발에 대한 협업, 구매조달을 위한 기업간의 거래와 생산현장 간의 정보 통합화를 구현하는 생산정보화 분야를 구분할 수 있다. 이러한 생산자원과 실시간으로 정보 통합하는 서비스기반을 적용한다면 전반적인 제조공정에 있어서 생산성이 극대화될 것이다.

2.1. 생산자원 4M과 정보통합화 방안

생산현장의 4M의 구성
생산현장의 생산자원 디지털화 관점에서 보면 그림 5와 같이 생산자원 정보의 4M은 다음과 같이 요약 된다.
  - Man(작업자)
  - Machine(생산설비)
  - Material(자재)
  - Method(생산절차)

일반적으로 생산제품을 자동으로 생산하고 있는 생산설비 (Machine)는 디지털 제어기기인 PLC (Programmable Logic Controller), 공작기계, FMS (Flexible Manufacturing System) 등과 같은 복합 자동화 설비 등으로 구성되어 주로 제어기기의 레벨에 따라 차이가 있으나 주로 실시간 기반의 자동으로 정보수집이 가능하다.
생산설비가 아무리 자동화되어도 생산공정에서는 필히 작업자의 개입이 필요하게 되고 자동화 설비로부터 생산정보를 자동으로 수집할 수 없거나, 품질 정보, 설비의 고장 내역, Lot 변경 등과 같은 작업자의 판단으로 처리하는 작업자에게 의존하는 생산 활동에 대한 정보수집이 필수적이다.

생산공정에서 원자재에서 생산을 거처 출하되기 전까지 전 물류과정을 추적하여 공정상의 재고 (WIP: Work In Process), 각 생산공정에 작업 중인 자재의 추적과 투입 등에 대한 물류에 대한 정보수집도 필요하다.

작업방식(Method)은 원자재에서 완제품까지의 전 과정을 디지털화하여 제품별 생산비용의 산출, 품질정보, 설비의 가동정보, 공장 내 물류정보, 각 해당 생산공정 간의 최적화된 실시간 일정을 수립에 기반 정보로 활용이 되며, 특히 제조물 책임법 (PL법) 대응을 위한 제조업 중점관리에 필수 항목이 된다.

그림 5. 생산자원 4M의 구성

4M 정보수집 방법
생산현장의 4M 정보수집 방법에는 그림 6에 보인 것 같이 유 무선을 통하여 자동, 수동 및 반자동 방법 처리와 같이 크게 3가지 방식으로 분류된다.

– 자동수집방법: 생산설비의 제어기기가 외부 정보시스템과 연결되는 RS-232C 및 Ehternet 등과 같은 컴퓨터 표준 인터페이스 장치를 보유한 생산설비의 경우에는 실시간 통신 프로토콜 프로그램을 통하여 생산설비의 운전상태 정보의 자동수집이 가능하다.??

– 수동수집방법: 바코드 리더기, RFID 혹은 터치스크린 등의 편리성을 중시한 기능을 이용하여 작업자가 직접 생산 활동 정보를 입력하는 방법

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– 반자동수집방안: 본 경우에는 크게 두 가지 형태로 구분된다. 첫 번째 방안은 PLC 등과 같은 시켄서 제어기기가 있는 경우에는 센서로부터 PLC와 연결된 Process I/O와 실시간 정보수집기를 통하여 자동으로 정보를 수집방법과 추가로 정보수집에 필요한 센서를 생산설비에 부착하여 생산활동에 대한 정보를 실시간 정보수집기를 통하여 정보 수집하는 방법이 있다.

실시간으로 생산활동 정보수집을 위하여 가장 중요한 결정사항은 입력하는 방안과 정보수집 능력의 분해 능력과 경제적 관점에서의 투자회수율인 ROI(Return On Investment) 관점으로 고려되어야 한다. 디지털 제어기기가 있는 경우에도 정보시스템과 실시간 연결을 위한 인터페이스 장치가 고가인 경우와 설비의 설치가 오래되어서 제어기기에 인터페이스 장치를 추가할 수 없는 경우에 센서의 설치 혹은 Process I/O를 통한 실시간 정보수집 방안으로 추진하는 경우가 있다.

그림 6. 생산정보 수집방안

생산현장에 산재되어 시시각각 변화하는 4M의 디지털화에는 프로젝트, 개별 및 대량 등과 같은 생산형태 및 관리항목의 중요도에 따라 정보수집 방안에 차이가 있다. 예를 들면, 생산현장의 자동률이 높은 식품, 제약, 시멘트, 제지, 철강 및 화학 산업을 포함하는 대량 생산방식은 고속 실시간 처리 기반의 DCS 및 PLC 등과 하드 실시간(프로그램 통신 처리가 1/100 초 이하의 경우) 및 대용량 처리를 위한 실시간 DBMS 등과 같은 특수한 정보기반 기술이 고려되어 납기단축과 평균생산과 비용점감 대한 중점관리 항목이 필수적이다.

라우팅 및 일정관리가 중요한 항공, 조선, 금형 및 공작기계 등을 생산하는 산업에서의 생산방식은 생산하는 제품의 추적, 일정 최적화 등과 같은 중점관리 업무 중심의 작업자에 의존하는 생산활동 정보를 수동으로 입력하는 경우 등과 같은 재고감소 및 고객주문에 대한 민첩한 대응을 위한 대 고객서비스의 다양화에 대처에 요구사항이 증대된다.

2.2. 산업분야의 무선기술 적용에 고려사항

최근 무선기술은 처리속도 및 QOS (Quality Of Service)에 대한 신뢰성 증가로 인하여? 열악한 산업 환경에서 적용의 확대가 기대되고 있다. 표 1은 다양한 무선기술이 산업분야에 적용 가능 시점이 조사되었다.

표1. 산업분야의 무선기술의 로드 맵

그러나 열악한 환경의 생산정보화 분야에서 무선기술은 다음과 같은 기술적 문제를 필수적으로 고려한다.

① 보안문제: 생산현장의 제어기기와 무선을 통하여 직접 연결되어 정보를 송수신하는 분야는 해킹에 대한 보안문제는 매우 민감한 분야로 부각될 수 있다. 몇몇 솔루션은 이와 같은 문제를 보안을 고려하여 개별 프로토콜로 이 문제를 피하고 있으나 표준 장비에 대한업그레이드 경우 장애요인으로 발생될 수 있다. 이러한 문제는 무선 시스템 간에 128-bit 산업용 인증시스템 (AES: Advanced Encryption Standard)을 적용할 것을 권고한다.

② 산업용 환경에 대응한 시스템: 열악한 생산현장은 로봇, 콘베어 등과 같은 자동화된 시스템과 연결되어 있어 무선기술의 정보수집으로 무고장(Zero Down-time) 중심의 시스템 설계가 중요하다. 그러므로 이곳에 적용되는 제품은 신뢰성을 중시한 산업용 부품적용이 필수적이다.

③ Fail-safe/fail-soft 운영: 생산현장의 무선기술에는 이중화와 성능저하 발생 시 안전 조치가 중요하다. 고장이 발생하면 절대적으로 안전모드로 전환이 가능하도록 설계되고 (Fail-safe), 부품고장이나 전원에 문제가 발생하면 운전속도가 감소하는 등과 같은 효율적 운영이 필수적이다. (Fail-soft)

④ 상호간섭 문제: 무선 통신 노드에 문제가 발생할 경우 복수 경로로 통신을 수행할 수 있는 능력과 주변의 유사 무선 시스템과 모터 신호로 인하여 상호간섭 방해 방지되어야 한다.

⑤ Battery 가용성: Packet collision, idle listening, packet overhead 제어 및 고속 sampling에 의한 정보수집 등과 같은 업무에 전력을 소모하는 것은 무선기술 적용에 부정적 영향을 미치게 된다.

⑥ Interoperability: 다양한 종류의 프로토콜을 보유한 Filedbus 혹은 산업용 Ethernet 등도 무선기술 적용에 장애 요인으로 부각되고 있다. 여기에 IEEE Start Transducer Interface for Mixed-mode Communication Protocol (IEEE 1451.4) 혹은 기존의 인터페이스 방법과 새로운 무선기술의 인터페이스를 제공하는 M2M (Machine to Machine) 지능형 분산방식 임베디드 시스템 및 u-Manufacturing gateway 시스템 등이 대안이 될 수 있다.

2.3. u-Manufacturing 참조모델

u-Manufacturing 참조 모델은 2002년부터 현재까지 중소기업청과 중소기업기술정보진흥원에서 추진된 생산정보화 지원사업 (e-Manufacturing)으로 구축한 800여 중소기업의 생산정보화 시스템에 대한 성과를 바탕으로 최근 새롭게 개발되고 있는 무선기술을 국내 실정에 적합한 u생산정보화 (u-Manufacturing) 참조 모델을 제시하게 되었다.

그림 6. u-Manufacturing 참조 모델

u-Manufacturing 참조모델은 다음과 같은 핵심기술 을 바탕으로 적용이 가능하다.

① RFID/USN: RFID Tag와 정보를 무선으로 읽고, 쓸고 할 수 있는 RFID는 복잡한 생산공정에서 중요부품을 추적하는데 매우 효과적 적용이 가능하나 아직 RFID Tag비용 측면에서 모든 부품에 적용에는 한계가 있다. 그러나, 운반용 제품 파렛, 출고시의 포장 박스 등과 같이 복수의 제품관리에 적용에 가능하다. USN (Ubiquitous Sensor Network)기술은 생산설비의 가동상태, 생산수량, 품질상태에 대하여 센서로부터 무선으로 실시간 정보를 수집하여 처리가 가능하므로 설비로부터 케이블비용을 절감하고 설비 이동 시에 재구성이 가능하도록 한다. 상용화된 Bluetooth, Zigbee 혹은 IP-USN Protocol 등을 활용한 시범적 적용이 가능하다.

②모바일 및 Thin Client: 생산현장에서 복수의 생산 장비를 관리하거나, 완제품 창고 등에서 재고관리, 출하관리와 생산설비의 유지보수 분야에서 이동하면 작업지시와 보고 등에 PDA, 핸드폰 등을 이용하여 이동하면 관리의 적용이 가능하다. 특히 문자서비스는 설비 이상 발생 시 해당 작업자에게 신속하게 상태를 전달하고 결과를 처리할 수 있다. 또한 온도, 진동, 전기적 잡음 발생의빈도가 높은 생산현장에 고가의 산업용 컴퓨터를 사용하여 적용하였으나 생산공정의 상태 정보를 작업자에게 절대적으로 의지하는 품질의 원인 분석 및 기계 고장의 원인과 조치 등과 같은 업무의 경우에는 생산현장에 사용하기 편한 터치스크린 기반의 Thin client환경의 작업자 터미널을 활용하여 수동으로 처리한다. 회전 장치가 없는 Thin client의 적용은 열악한 환경에서 연속 작동이 보장된다.

③ Virtual intranet: 웹기반 생산정보화 애플리케이션의 제공으로 분산된 생산공정의 정보를 실시간으로 웹 브라우저를 통하여 복수 공장의 상황에 대한 정보 공유가 가능하다. 본 구성으로 물리적으로 분산된 생산공정, 공급자와 고객 간의 정보 흐름에 대한 가시화, 동기화와 최적화 구현이 가능하다.

④ SOA: 생산 및 물류가 글로벌화 되고 있는 현실에서 모든 IT자원을 중앙에서 관리하는 방식으로 전환이 요구되고 있다. 이와 같이 원격으로 제어기기를 관리하기 위한 Web Services 기반의 SOA (Service Oriented Architecture) IT 기술의 접목이 요구된다.

⑤ RTE: 제조업의 RTE (Real Time Enterprise)의 구축에는 4무(무대기시간, 무재고, 무불량, 무고장)를 위한 생산기술과 융합이 필수적이다. 특히 제조업분야에서의 실시간 정보관리 구축은 생산현장에서의 생산성을 극대화하기 위한 필수 조건이다.

2.4. 적용 시스템의 구성

고객의 다양한 요구 및 물류의 원활한 구축을 위하여 생산 공장은 필연적으로 글로벌하게 물리적으로 산재된다. 과거 구축된 시스템은 생산현장의 디지털화 및 공정관리를 위한 각 생산현장에 이를 관리할 수 있는 독립적 서버를 설치하여 운영하므로 각 생산공장 간의 정보 통합화 및 중앙관리에 기술적 어려움이 있다.
본 u-Manufacturing 적용시스템은 생산현장의 4M 정보 수집을 RFID 및 USN 기술을 적용하면, 공정 혁신에 따른 설비 이동 시 및 재설치 경우 유선 네트워크 설치에 대한 추가 포설이 필요하지 않은 간편성과 민첩성이 보장된다.

또한 각 산재된 공장의 최적 운영을 위하여 중앙에서 품질, 생산원가, 공급기간에 집중관리의 효율화를 극대화할 수 있으며, 각 생산 공정에서 국부로 생산현장을 효율적으로 관리하기 위하여 그림 7에 보인 것과 같이 Gateway 만 설치한다.

그림 7. u-Manufacturing IT Layer 구성

본 u-Manufacturing 적용시스템은 다음과 같은 계층 구조로 구성된다.

① L0: Interface Layer는 생산자원의 4M과 유 무선, RFID 및 PLC 및 수동 입력을 위한 터치스크린과 이동하면서 관리하는 모바일 방식과 인터페이스 방식을 정의하고 관리하는 계층으로 구성되며, 무선의 경우에는 128 bit AES 산업용 무선보안을 적용한다.

② L1: Execution Layer는 u-Manufacturing Gateway에 수행하는 미들웨어 운영으로 독립적으로 운영할 수 있도록 구성된다. 본 미들웨어의 기능은 생산자원을 실시간 관리를 위한 Point Manager, Real Time Data Manager, 상위의 L2: Management Layer와 정보통합화를 위한 Data Communication Manager 등과 같은 이벤트 중심의 처리 기능을 제공한다. 이벤트 관리에는 작업현황조회, Lot 투입, 일정등록, 비가동등록, 자재반납, 자재불, Lot 추적 및 작업보고 등의 업무를 무대기시간, 무재고, 무불량 및 무고장 관리항목을 중심으로 처리한다.

③ L2: Management Layer는 생산자원인 4M으로 수집된 정보를 바탕으로 생산 공장의 생산성, 효율성을 중심으로 품질향상, 비용절감 및 공급시간의 단축 관리항목을 중심으로 종합현황, 작업일정, 생산수행, 생산성분석, 재고관리, 품질관리, 설비효율, 생산이력과 기준정보를 중앙에서 관리한다.

④ L3: Planning Layer는 ERP/SCM/CRM/PDM 등과 같이 계획 기능을 관리할 수 있는 시스템으로 구성된다.

2.5. u-Manufacturing gateway

u-Manufacturing gateway는 생산현장의 생산자원인 4M과 전사적 정보시스템인 ERP, SCM, CRM, MES 애플리케이션과 정보통합화를 위하여 시스템으로 생산정보 미들웨어는 무선센서 기술을 적용하여 다음과 같은 핵심 기능을 보유한다;

① 생산자원 4M 정보 통합화의 자동 구성기 기능은 무선 센서 노드 설치로 각 기계에서 필요한 센서 정보를 수집하여 무선으로 u-Manufacturing gateway에 전송한다. 무선 센서 노드에서 수집된 정보는 전사적 정보시스템에 XML, HTML/HTTP, WSDL, SOAP, UDP/IP, TCP/IP 방식으로 정보를 변환하여 정보 통합화를 구현한다.

② 생산현장에 설치된 센서정보 노드 정보를 그래픽 맵에 실시간으로 표시하고 각 무선센서 노드를 탐색, 삭제, 편집이 가능하고, 작동상태 및 밧테리 상태, 보고 주기 설정 및 경고 값 설정을 처리하여 기계 이동 시에도 새로운 기계에 정보수집을 위하여 새로운 프로그램 작성과 케이블 배선이 필요치 않고 초기화 만을 생산자원 정보를 연속적으로 관리할 수 있다.

③ 무선 센서 노드와 각 기계의 특성을 반영하여 각 품질, 실적, 비가동 상태 등과 관련 된 전기적 신호를 한번 설치하면 모든 센서 정보를 전사적 정보시스템의 해당 애플리케이션에 직접 전송할 수 있도록 구성이 가능하다.

그림 8. u-Manufacturing gateway 상세 구성

3. 결론

과거 전통제조업에서 제조정보시스템의 구성에는 Planning, MES, SCADA, PLC, Sensor 등과 같이 5 IT Layer로 시스템이 구축되었고, 최근에는 Planning, Execution, Control 등과 같이 3개의 IT Layer로 구축하고 있다. 향후에는 실시간 기업의 요구사항의 증대로 인하여 Planning 과 Execution 기능의 경계가? 각 요구기능에 따라 그림 9에 보인 것과 같이 융 복합되어 구성될 것이라 예상된다.

그림 9. 미래 애플리케이션의 융 복합화

이러한 미래 지향적 시스템의 요구에 적용할 수 있는 u-Manufacturing 모델 및 적용시스템은 정보통신기술의 발달과 이용 가능성의 증대 등으로 생산방식의 변화, 기업의 조직구조와 새로운 근로 형태의 확산과 사회적 가치와 태도의 변화에 효율적 대응이 기대되고 있는 u-Work 서비스의 적용을 통하여 전통제조업에서 분산된 생산 공장을 중앙에서 관리 가능한 시스템으로 품질향상, 비용절감과 업무의 효율성 향상이 기대되는 솔루션 구축이 가능하다.

아이씨엔 매거진 2008년 01월호

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