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테크놀로지

금속을 대체하는 플라스틱 베어링

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기존 금속 베어링을 플라스틱 베어링으로 바꾸면 어떤 효과가 있을까? 독일 기업 이구스의 iglidur (이글리두어) 폴리머 베어링은 금속 베어링 대비 최대 40%의 비용 절감으로 높은 비용 효율과 더욱 긴 서비스 수명을 제공한다. 공작 기계, 충진 설비, 공압식 실린더와 같은 산업 환경은 물론 주방용 기기나 자전거, 자동차와 같은 일상 생활에서도 고성능 플라스틱은 상당 부분 금속 베어링을 대체해 이용되고 있다. 윤활과 유지보수가 필요 없는 트리보 폴리머 소재가 주는 이점이 가장 큰 대체의 이유다.

16개 표준 재질 포함, 50종까지 제공 가능한 iglidur 폴리머 재질. 작동 수명 내내 무급유 운용과 일정한 마찰계수를 제공한다.
그림 1. 16개 표준 재질 포함, 50종까지 제공 가능한 iglidur 폴리머 재질. 작동 수명 내내 무급유 운용과 일정한 마찰계수를 제공한다.

트리보 폴리머로 각종 기계 부품을 생산하는 독일 기업 igus의 ”motion plastics”은 비, 염분 및 극한 온도에 내성을 지니며, 오일과 화학 물질에 영향을 받지 않는다. 금속 솔루션과 비교하여 큰 경량 효과와 높은 에너지 효율을 얻을 수 있다. 이미 다양한 산업 분야와 어플리케이션에서 플라스틱 베어링이 금속 베어링을 대체하고 있는 이유는 뛰어난 성능뿐만 아니라 특별한 재료 속성 때문이기도 하다. 고정된 응력을 견디는 능력이 더욱 뛰어난 금속 베어링은 실제 움직이는 모션에서 너무 쉽게 마모가 되버린다. 반면, 플라스틱 베어링은 사용 수명 내내 일정한 마찰 계수와 내마모성을 제공하기 때문에 사용 수명을 예측할 수 있다는 장점이 있다.

어떤 어플리케이션에든 적용할 수 있는 다양한 제품 선택

igus GmbH가 폴리머 베어링을 개발하고 생산한 지는 올해로 30년이 넘었다. 이들의 플라스틱 베어링 고유 브랜드 ”iglidur(이글리두어)”는 16개 표준품을 포함해 약 50개의 재질로 생산된다. 수많은 연구 결과를 통해 플라스틱이라 가벼우면서도 자체 윤활이 가능하고 유지보수가 필요 없는 것이 가장 큰 장점이다.

16개 표준품뿐만 아니라 약 50개 재질과 DIN ISO3547에 따른 113개 이상의 치수 생산은 약 830평 규모의 업계 최대 규모의 테스트 연구소에서 비롯된다. 매년 1천 3백 5십억 회 이상의 테스트 동작으로 다양한 모션과 환경 조건을 대응할 수 있는 제품을 개발한다. 제품의 형태는 일반 슬리브 타입이나 플랜지 형태 뿐만 아니라 환봉형 소재나 플레이트 판형, 3D 인쇄 필라멘트 또는 SLS 파우더 용으로도 생산된다. 최대 50 밀리미터까지의 샤프트 직경이 표준품으로 생산되며, 카탈로그에 기재된 내경의 최대 규격은 195 밀리미터로 확장 규격품도 선택할 수 있다 전 제품이 최소 주문 수량 없이 24 시간 내 발송을 원칙으로 하고 있다.

금속보다 뛰어난 폴리머 기술력

폴리머를 사용하면 설계가 매우 자유로워진다. 다른 재질에 비해 약간의 가공만 하면 매우 복잡한 부품도 쉽게 만들 수 있고, 특정 첨가제만으로도 그 특성에 큰 영향을 줄 수 있기 때문이다. 이는 igus가 폴리머 소재를 최적화하는데 있어서도 큰 핵심 역량으로 작용한다.

igus는 자체 재질 개발 부서를 두어 특정 분야 사용에 맞는 새로운 재질의 연구 개발을 지속해오고 있다. iglidur 플라스틱 베어링의 탁월한 성능은 우선 균일한 구조로 구성된 열가소성 폴리머에 기반한다. 여기에 섬유 및 충진재를 추가해 베어링의 하중 능력을 증가시킨다. 추가적으로 고체 윤활제가 포함되어 무급유 특성이 더해진다. 이 모든 요소들이 균일한 구조로 어우러져 사용 수명 내내 동일한 마찰 계수 및 마모 속성을 제공하게 되는 것이다.

이에 반해 금속 베어링은 다층 구조를 가진다. 내부 층이 매우 얇기 때문에 큰 충격이나 전단 하중, 진동, 심지어 급유로 인한 먼지와 오염물의 퇴적으로 내부 층은 쉽게 벗겨지거나 손상된다.

코팅막이 벗겨지지 않았다 하더라도 계속적인 윤활 작업은 비용과 시간이 많이 드는 단점으로 작용한다. 게다가 그리스나 오일로 인한 위생 및 생태학적 이유는 최근 이들의 인기를 추락시키는 주 요인이 되고 있다. 이러한 이유로 시중에는 내부에 윤활유가 통합된 소결 베어링도 있긴 하나, 이것도 건식 베어링이라고 보기는 어렵다. 롤링 베어링도 마찬가지이며, 특히 니들 베어링의 경우 기술 및 경제적인 이유로 플라스틱 베어링으로 교체되는 경우가 많다.

그림 2. 830평 규모의 업계 최대 테스트 연구소에서는 매년 1,350억회 이상의 테스트가 실시된다.
그림 2. 830평 규모의 업계 최대 테스트 연구소에서는 매년 1,350억회 이상의 테스트가 실시된다.

적용 사례 – 농기계

다양한 산업 시장 중 농기계는 플라스틱 베어링의 기술력을 증명하기에 아주 좋은 예라고 igus는 설명한다. 농기계에 현재 적용되고 있는 iglidur Q2나 Q290은 마모에 대한 내성이 매우 크고 높은 표면 및 전단 하중을 대응할 수 있다. 부식이 없고 충격과 충돌에도 강하다. 비료, 슬러리, 또는 연료의 접촉에도 영향을 받지 않기 때문에 장기간 사용에도 기계를 안정적으로 가동시킬 수 있다. 특히, 기계가 엄청난 양의 분진에 노출될 수 있는 농업 환경에서 iglidur 베어링은 최적의 기능성과 긴 작동 시간을 보증한다.

적용 사례 – 식품 산업

식품 및 포장 산업의 엄격한 위생 및 안전 표준을 고려하면 무급유는 더욱 중요한 역할을 한다. 식품의약청(FDA) 규정에 따라 제품이 윤활유나 기타 물질에 의해 오염되지 않아야 하기 때문이다. 결과적으로 식품과 함께 사용하는 데 적합성을 인증받은 FDA 준수 플라스틱만 적용될 수 있다는 이야기다. 금속과 대조적으로 유기적 구조를 지닌 플라스틱은 부식이 없으며 수분 함유 염분 용액을 포함해 산, 가성소다 등 무기질 매체에 내성을 갖는다. 실제 igus의 고객, Singer & Sohn GmbH의 설계 엔지니어 Dieter Koller는 ”식품 산업 적용 기계 설계에 있어 고려해야 할 점은 오작동이나 의도치 않은 셧다운을 방지하는 것은 물론이고 모든 내부/외부 구역이 습한 환경과 화학 약품을 견딜 수 있어야 한다는 점입니다.”라며 해당 산업의 환경 조건을 설명하며 본인의 교체 경험에 대해 이야기했다.

Singer & Sohn 社는 식품 산업용 특수 기계를 만드는 회사로, 소시지 분리 기계의 수동 작업을 대체할 베어링으로 iglidur 를 처음 사용했다. ”iglidur 베어링은 소시지 분리기에서 수동으로 이루어지고 있는 작업을 대신해 먼지와 오염에 대응합니다. 전에는 니들 베어링을 설치하곤 했었는데 작동 중이나 세척 중에 거의 매일같이 오작동을 일으켰어요. 세척 중에는 물이 몇 방울만 튀어도 즉시 베어링을 교체해야 할 정도로 매우 민감해서 장기적으로는 너무 많은 비용 소모를 발생시켰습니다. 반대로 플라스틱으로 바꾸고나서는 수분이나 화학물질에 대한 내성으로 유지 보수 걱정을 완전히 덜 수 있었습니다”라고 덧붙였다.

특정 산업과 어플리케이션, 맞춤 재질로 차별화된 서비스

iglidur 재질 중 가장 소요가 많은 대부분의 재질은 5가지 정도다. 하지만 동시에 점점 더 많은 회사들이 전문화된 부품 생산에 집중하면서 차별화된 생산 환경과 그에 따른 특정 재질에 대한 수요도 커지고 있다. 예를 들어 무급유이면서 내균성을 갖춰야 하는 의료 및 실험 장비나 정전기 방지 플라스틱을 사용해 방직 산업에서 베어링이 보풀이나 먼지를 끌어들이지 않도록 하는 것들이 그렇다. 수중 사용부터 높은 하중 적용까지, 자동차 산업에서 항공 장비에 이르기까지, igus는 이러한 모든 경우에 맞춤 재질을 개발한다.

유저가 스스로 각각의 사용에 대해 어떤 재료가 적합한지 검색할 수 있도록 온라인 제품 검색기나, 구성기, 사용 수명 계산기, 3D CAD 구성기와 같은 온라인 도구도 제공한다. 해당 프로그램은 igus 테스트 연구소에서 매년 10,000회 이상 수행한 베어링 테스트를 기반으로 운영된다.

‘건식 작용, 내분진성, 진동 완화, 내화학성, 전단 하중’ 등 해당되는 특정 요구 사항과 허용 표면 압력, 장기간 사용 상한/하한 온도 등도 입력해 적합한 제품을 검색하고 사용 수명도 계산할 수 있다.

그림 3. 유저들로 하여금 간편한 재질 선정을 제공하기 위해 온라인 툴을 제공하고 있다.
그림 3. 유저들로 하여금 간편한 재질 선정을 제공하기 위해 온라인 툴을 제공하고 있다.(iglidur.igus.kr)

플라스틱 베어링이 금속 베어링보다 더 저렴할 수 있는 이유

광전지 시스템, 농업과 해양, 외관 차양막이나 유압 실린더, 액추에이터, 산업 분야를 막론하고 폴리머 베어링이 금속 베어링을 대체해 온 것은 이미 오래 전 부터의 일이다. 엔지니어의 경우, 무급유와 내부식성, 마모 저항과 마찰계수는 필수적으로 고려해야 하는 요소가 되었고 igus가 표방하는 모션 플라스틱은 이에 더해 기계의 사용 수명을 증가시키고 무엇보다 금속 베어링보다 최대 40% 저렴한 가격적 이점을 제시한다.

베어링 자체 가격 뿐만 아니라 대응 샤프트를 다양하게 쓸 수 있다는 건 추가적 가격 절감 가능성을 의미한다. iglidur 베어링은 금속 베어링과 달리 연질 샤프트와도 고효율성을 발휘해 샤프트에 대한 추가적 비용을 더욱 절감할 수 있다. 알루미늄, 강철, 스테인리스, 탄소 섬유와 같은 대부분의 샤프트 재료는 베어링과 함께 igus에서 직접 주문할 수도 있다. 샤프트 또한 적용 환경과 어플리케이션에 따라 가격과 성능 면에서 최적합 재질을 선택하는 것이 매우 중요하다.

미래를 대비하는 일관된 연구 개발

좋은 품질과 저렴한 가격을 동시에 제공하기 위해서는 일관된 연구 개발 작업이 필수라고 igus는 이야기한다. igus는 실제 매년 하노버 전시회를 통해 150가지 이상의 신제품과 제품 라인의 확장을 발표한다.

특히, 3D프린팅 산업은 igus와 유저 모두에게 새로운 가능성을 열어준 좋은 예다. 엔지니어링 설계에 높은 자유도를 보증하는 동시에 사용되는 구성품에 대해 높은 수준의 내마모성을 제공할 수 있다. 서로 완벽하게 상호작용 할 수 있는 두 가지의 최신 기술은 2014년 iglidur 트리보 필라멘트를 최초 개발한 이후로 지속적인 확장을 거듭하고 있다. 현재까지 6개의 트리보 필라멘트가 제품군에 포함되었으며, 작년에는 최초로 SLS 트리보 파우더 개발에도 성공했다.

3D 프린터를 직접 소유하고 있지 않은 업체를 위해 원하는 형상의 부품을 직접 인쇄할 수 있게 하는 3D 인쇄 서비스도 오픈했다. 특수 형상은 물론 사출 금형까지 3D 인쇄를 통해 단 시간에 제작이 가능하다.

이는 특히 테스트 단계에서 큰 이점을 제공한다. 테스트에서 이미 생산 제품에 매우 근접한 상태의 제품을 받을 수 있기 때문에 적용 적합성의 판단을 아주 적은 비용으로 빠르게 해결할 수 있다. 그리고, 어플리케이션에 따라 화학 물질, 온도, 하중 등 매개 변수를 계산해 다양한 iglidur 재료를 폭 넓게 선택할 수 있는 것은 설계자에게 있어 더할 나위 없는 메리트로 작용한다.©

오윤경 기자 news@icnweb.co.kr

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    2018년 1월 7일 at 오전 12:27

    igus 플라스틱 베어링

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훼스토 IO-Link 기술로 Industry 4.0 연결한다

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전동 실린더 EPCO, 서보 스텝 모터 EMMS-ST, 모터 컨트롤러 CMMO-ST 및 필요한 모든 케이블이 있는 OMS(Optimised Motion Series) 패키지는 기존의 전기 위치 시스템보다 훨씬 저렴하다.

IO-Link 기술이 적용된 Festo 자동화 기술

표준화된 IO-Link 기술은 센서 및 액추에이터의 심플하고 경제적인 연결을 지원한다. 3 ~ 5 개의 배선을 가진 이 저비용 연결 기술은 혁신적인 개발 결과로, 복잡한 배선없이 최소한의 자재로 점대점 연결을 실현한다.
IO-Link는 새로운 형태의 버스 시스템은 아니지만 필드 버스, 이더넷 시스템을 대체하기 위한 새로운 종류의 통신 인터페이스로 추가 개발되었다.

이 기능을 사용하면 제어 시스템에서 센서 또는 액추에이터의 파라미터 데이터를 다운로드 할 수 있을 뿐만 아니라 진단 데이터를 제어 시스템에 전송할 수도 있다. 기존에는 제일 하위 레벨을 필드버스 인터페이스 통합하기 위해서 매우 많은 비용이 들었지만 이제는 디지털 또는 아날로그 값과 모든 파라미터 및 진단 데이터를 케이블의 스크리닝, 트위스트, 임피던스 또는 종단 저항 추가와 같은 특별한 작업 없이도 심플한 3선 또는 5선 케이블로 전송할 수 있다.

O-Link: 컨트롤러, 밸브 터미널, 비례 제어 밸브 및 센서를 통해 Festo는 완벽한 범위의 IO-Link 자동화 기술을 제공한다.

O-Link: 컨트롤러, 밸브 터미널, 비례 제어 밸브 및 센서를 통해 Festo는 완벽한 범위의 IO-Link 자동화 기술을 제공한다.

필드버스와 IO-Link 슬레이브 간의 게이트웨이는 일반적으로 여러 IO-Link 마스터 채널이 있는 필드버스 디바이스 형태로 제공된다. 사이즈 때문에 필드버스가 필요하지 않은 소형 머신 또는 시스템에서는 PLC가 IO-Link 마스터 역할을 한다.

보안 강화

IO-Link는 아날로그, 바이너리 및 직렬 통신 장치에 대한 보안 연결을 제공한다. 자동차 BIW 제조 및 어셈블리 현장의 작업자 보호를 위한 안전 펜스, 중장비 건설 및 머신 툴에서, 매뉴얼 워크 스테이션, 어셈블리 셀, 입/출력 스테이션 등과 같은 복잡한 센서 기술 및 터미널이 적용된 곳에서 전형적인 IO-Link 어플리케이션을 찾아볼 수 있다.

미래 연결 컨셉을 지원하는 IO-Link는 표준화된 프로토콜이기 때문에 낮은 투자 리스크를 가진다. 그 결과 장비 다운타임이 줄어들고 생산성이 향상된다. 디바이스와 마스터 시스템 간의 진단 및 운영 데이터의 포괄적인 데이터 교환은 문제 해결을 가속화시키고 상태 모니터링 시스템의 기초를 형성한다.

업무 단순화를 통한 효율성 증가

IO-Link는 설치 및 배선을 위한 균일하고 표준화 된 효율적인 기술이다. IO-Link 디바이스는 간단하고 편리하게 파라미터화할 수 있으며, 엔지니어링 소프트웨어 툴없이 교체 직후에 바로 작동 상태로 되돌릴 수 있다.

IO-Link 마스터를 통해 지능형 센서 및 액추에이터의파라미터를 쉽게 설정하고 재할당 할 수 있다. IO-Link를 통한 복잡하지 않고 표준화된 센서-액추에이터 조합의 배선은 자재 비용을 절감하고, 물류의 단순화가 가능해지며 시간을 절약할 수 있게 된다. 이로 인해 설치를 훨씬 편리하게 할 수 있다.

전동 실린더 EPCO, 서보 스텝 모터 EMMS-ST, 모터 컨트롤러 CMMO-ST 및 필요한 모든 케이블이 있는 OMS(Optimised Motion Series) 패키지는 기존의 전기 위치 시스템보다 훨씬 저렴하다.

전동 실린더 EPCO, 서보 스텝 모터 EMMS-ST, 모터 컨트롤러 CMMO-ST 및 필요한 모든 케이블이 있는 OMS(Optimised Motion Series) 패키지는 기존의 전기 위치 시스템보다 훨씬 저렴하다.

향상된 경쟁력

Festo라는 단일 공급원을 통해 다양한 마스터, 압력 및 유량 센서, 변위 엔코더/위치 센서, 5 개 밸브 터미널 시리즈, 비례 압력 제어 밸브, 스텝 모터 컨트롤러 및 연결 케이블과 같이 IO-Link를 위한 포괄적인 제품 제공이 가능하다. 또한 Festo는 공장 자동화 및 프로세스 오토메이션에 대한 풍부한 어플리케이션과 산업 종사자를 위한 기본 및 심화 교육을 제공한다.

IO-Link 마스터와 CECC/CPX-E 컨트롤러

4 개의 IO-Link 마스터 포트가 있는 소형 컨트롤러 CECC를 사용하여 경쟁력 있고 일관된 분산 설치가 가능하며, 전기 및 공압 드라이브를 제어한다. 이 소형 컨트롤러는 지능형 센서 및 밸브 터미널의 설치 및 네트워크 비용을 줄여 줄뿐만 아니라, 제어 캐비닛 내부 및 외부의 유용한 진단 옵션을 제공한다.

Festo는 크고 복잡한 어플리케이션을 위한 모듈형 모션 컨트롤러인 CPX-E를 제공한다. I/O 모듈은 모듈 당 4 개의 IO-Link 마스터를 사용할 수 있다. CPX-E는 EtherCAT® 마스터가 장착되어 있으며 독립형 CoDeSys 컨트롤러로 사용하거나 PROFINET 또는 EtherNet/IP 네트워크로 서브 시스템 및 슬레이브를 통합할 수 있다.

CPX 터미널

리모트 I/O로 사용하거나 밸브 터미널 MPA 또는 VTSA와 함께 사용하면 IO-Link 디바이스에 하나 이상의 마스터 인터페이스를 통합 할 수 있다. 기능 통합 덕분에 공압 및 전기 드라이브를 제어하는 것이 CPX 터미널에서 매우 용이하다. PROFINET 또는 Sercos 지원 CPX 터미널은 2 채널 IO-Link의 I-Port 인터페이스를 갖추고 있다. 따라서 개별 IO-Link 타사 디바이스를 밸브 터미널의 근접한 곳에 바로 연결할 수 있다.

밸브 터미널

MPA-L, VTUG, VTUB, VTOC 또는 기존 CPV와 같은 밸브 터미널과 비교하여 경제적이며 효율적인 설치가 가능하다. 밸브 터미널용 멀티 핀 연결 케이블은 표준 M12 케이블과 IO-Link로 대체된다. 이렇게 하면 자재 비용이 절감되고 특히 유연하고 쉬운 설치, 특히 까다로운 작업 조건에 대한 적응과 같은 기술적 장점을 제공한다.

4 개의 IO-Link 마스터 포트가 있는 소형 컨트롤러 CECC를 사용하여 경쟁력 있고 일관된 분산 설치가 가능하다.

4 개의 IO-Link 마스터 포트가 있는 소형 컨트롤러 CECC를 사용하여 경쟁력 있고 일관된 분산 설치가 가능하다.

전기 자동화

구성 및 진단을 위한 통합 웹 서버가 있는 모터 컨트롤러 CMMO-ST도 IO-Link 인터페이스를 지원한다. CMMO-ST는 스텝 모터를 위한 폐 루프 서보 컨트롤러이며 Festo의 OMS (Optimized Motion Series)의 중요한 부분이다. OMS 시스템은 포지셔닝을 매우 쉽게 만든다. 전기 실린더 EPCO, 서보 기능이 있는 스텝 모터 EMMS-ST, 모터 컨트롤러 CMMO-ST 및 필요한 모든 케이블은 기존의 전기 위치 제어 시스템보다 훨씬 저렴하다.

EPCO가 있는 Festo의 OMS는 두 가지 방법으로 구성할 수 있다. 웹 구성 및 서버의 파라미터 클라우드를 사용하여 매우 간단하고 빠른 구성을 할 수 있다. 컨트롤러는 자체 IP 주소를 가지며 사전 정의 및 테스트 된 조합에 필요한 모든 데이터가 포함된 카탈로그가 제공된다. 즉, 사용자가 많은 시간을 절약 할 수 있다.

비례 압력 제어 밸브 VPPM

IO-Link에 연결된 비례 제어 밸브 VPPM은 차폐된 아날로그 케이블이 필요하지 않아 신호 레벨이 간섭을 받을 확률이 감소된다. 파라미터는 IO-Link 마스터에서 설정되고 데이터가 저장된다. 이는 실용적이며 부품을 교체한 후 바로 재시작 할 수 있다. IO-Link는 점대점 연결 덕분에 짧은 사이클 시간이 가능하다. 압력 제어, 테스트, 미터링, 프레스 및 피팅 어플리케이션은 주로 특수 기계, 식품 및 음료, 인쇄 및 종이, 자동차 및 전자 산업에서 적용된다.

위치 센서 SDAT

IO-Link의 균일한 인터페이스는 개별 센서 연결을 대체하므로 복잡한 센서를 쉽게 통합할 수 있다. 즉, 위치 센서 SDAT 및 파라미터화 가능한 압력 및 유량 센서를 통합하여 저렴한 비용으로 설치할 수 있다. 예를 들어, 위치 센서 SDAT는 스크루 드라이빙, 리벳팅, 초음파 용접, 가압 및 클램핑을 위한 프로세스 모니터링에서부터 물체 감지에 이르기 까지 높은 반복 정밀도로 피스톤 위치를 감지한다. [제공. 훼스토]

더 자세한 내용보기 http://www.festo.com/cms/en-gb_gb/15646.htm

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칼럼

엣지 노드와 센서 설계의 더 높은 수준을 요구하는 디지털 트위닝

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포뮬러 1 경주 (이미지. 마우저 일렉트로닉스)

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.

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

그림 3: 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

 

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[이슈] 인공지능을 통한 인간-로봇 콜라보레이션

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바이오닉 워크플레이스 (BionicWorkplace): 훼스토는 서로 연결되어 서로 통신하는 수많은 지원 시스템 및 주변 장치와 함께 인간이 생체 로봇 팔과 함께 작동하는 바이오닉 워크플레이스를 통해 인상적인 시연을 보여준다.(사진. 훼스토)

바이오닉 워크플레이스(BionicWorkplace)로 미래 공장을 보다

훼스토(Festo)는 지난 하노버 산업 박람회에서 인간의 팔에서 모티브를 얻은 생체 로봇 팔인 바이오닉 코봇(BionicCobot)과 함께 작동하는 바이오닉 워크플레이스를 통해 수많은 지원 시스템 및 주변 장치와 서로 연결되어 통신하는 인상적인 시연을 선보였다. 작업자는 이러한 바이오닉 코봇의 지원을 받아 작업에서 과중한 업무 강도나 위험한 작업으로부터 벗어날 수 있게 된다.

산업 환경의 변화로 인해 짧은 제품 수명 주기와 다품종 소량 생산의 다양한 사양에 대한 요구가 증가되고 있다. 동시에 직원들이 신속하고 직관적으로 새로운 작업에 적응할 수 있도록 하는 것이 점차 중요해지고 있으며 사람, 기계 및 소프트웨어 간의 새로운 형태의 협력이 요구된다. 여기서 중요한 역할은 로봇 기반의 자동화 솔루션이며 획기적인 작업 환경인 바이오닉 워크플레이스를 통해 인공 지능을 갖춘 자가 학습 시스템과 사람 작업자가 함께 작업하며 서로 네트워크를 형성할 수 있게 된다.

바이오닉 워크플레이스 (BionicWorkplace): 훼스토는 서로 연결되어 서로 통신하는 수많은 지원 시스템 및 주변 장치와 함께 인간이 생체 로봇 팔과 함께 작동하는 바이오닉 워크플레이스를 통해 인상적인 시연을 보여준다.(사진. 훼스토)

바이오닉 워크플레이스 (BionicWorkplace): 훼스토는 서로 연결되어 서로 통신하는 수많은 지원 시스템 및 주변 장치와 함께 인간이 생체 로봇 팔과 함께 작동하는 바이오닉 워크플레이스를 통해 인상적인 시연을 보여준다.(사진. 훼스토)

 

미래 공장을 위한 배치 사이즈 1까지의 유연한 생산
미래 생산은 제품 생산뿐만 아니라 작업장 및 작업 환경의 설계면에서도 유연해야 한다. 인공 지능 및 머신 러닝은 작업장을 지속적으로 개발시키고 요구 사항에 걸맞게 최적의 상태로 자체 적응시키는 최적화 러닝 시스템으로 전환시킨다. 훼스토(Festo)는 지난 하노버 산업 박람회에서 인간의 팔에서 모티브를 얻은 생체 로봇 팔인 바이오닉 코봇(BionicCobot)과 함께 작동하는 바이오닉 워크플레이스를 통해 수많은 지원 시스템 및 주변 장치와 서로 연결되어 통신하는 인상적인 시연을 선보였다. 작업자는 이러한 바이오닉 코봇의 지원을 받아 작업에서 과중한 업무 강도나 위험한 작업으로부터 벗어날 수 있게 된다.

인체 공학적으로 설계된 전체 작업장은 조명에 이르기까지 작업자 맞춤형으로 적용할 수 있다. 센서 및 카메라 시스템은 작업자, 컴포넌트 및 도구의 위치를 등록하여 작업자가 제스처, 터치 또는 스피치를 통해 직관적으로 바이오닉 코봇을 제어 가능하다. 동시에 소프트웨어 시스템은 모든 카메라 이미지를 처리하고 다양한 주변 장치에서 입력하며, 이 정보를 사용하여 최적의 프로그램 순서로 이끌어낸다. 시스템은 각 동작을 인식하고 지속적으로 최적화하고 제어, 프로그래밍 및 시퀀스 설정은 점차 더 자유로운 작업 방법으로 점진적으로 발전시키고 있다.

일단 학습 및 최적화 작업을 거치면, 바이오닉 워크플레이스의 프로세스와 기술은 실시간으로 동일한 유형의 다른 시스템으로 쉽게 이전되고 전 세계적으로 공유 가능하다. 예를 들어, 미래에는 작업 공간의 지식 모듈을 공유하는 글로벌 네트워크를 통합하는 것이 가능하게 될 것이다. 생산은 더욱 유연해질뿐만 아니라 분산화 될 것이다. 작업자는 인터넷 플랫폼을 통해 생산 주문을 하고 개별 고객의 요구 사항에 따라 기계와 협력하여 자율적으로 수행할 수 있으며 작업장의 원격 조작도 가능하게 된다.

핵심 구성 요소로서의 바이오닉 코봇
핵심 구성 요소는 경량의 공압으로 구성된 “바이오닉 코봇” 이다. 이 로봇은 인간의 팔을 모델로 하며 압축 공기의 유연한 움직임으로 사람들과 직접적이고 안전하게 상호 작용할 수 있다. 이것은 디지털화된 공압인 훼스토 모션 터미널(Festo Motion Terminal)으로 가능하다. 바이오닉 코봇과 함께 사용되는 훼스토 모션 터미널은 안전한 인간-로봇 협업을 위한 완전히 새로운 솔루션을 제안하며, 빠르고 강력하고 부드럽고 섬세한 움직임을 수행 가능하다.

지난 하노버 산업박람회에서 훼스토는 바이오닉 워크플레이스의 제품 제조 프로세스를 시연했다. 예를 들어, 개별 모델의 헤드를 만들기 위해 먼저 레이저 커터로 아크릴 유리를 조각 낸다. 스마트 폰을 사용하여 스캔, 저장된 사람의 얼굴 특징을 소프트웨어 프로그램을 통해 CAD 모델로 변환한 다음 별도의 조각으로 나눈다. 그 다음, 레이저 커터는 이 3D 템플릿을 기반으로 아크릴 유리에서 조각을 잘라낸다. 바이오닉 코봇은 레이저 커터에서 직접 조각을 가져와서 올바른 순서로 작업자에게 제공한 다음 조립하여 모델을 만든다.

이 시나리오에서 로보티노®(Robotino®)의 레이저 스캐너를 사용하여 스테이션간에 자율적으로 이동하고, 안전하게 길을 찾게 되며 지속적인 재료 자동 공급이 가능하게 된다. 공압으로 동작되는 부드러운 로봇 구조의 바이오닉 코봇으로 로딩된다.

박은주 기자 news@icnweb.co.kr

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