여러분은 'Industry 4.0'에 대해 들어보셨나요? Industry 4.0은 IoT(Internet of Things, 사물인터넷)를 통해 생산 기기와 생산 제품 간의 소통 체계를 구축하고, 전체 생산 과정을 최적화하는 것을 말하는데요.11 4차 산업혁명으로 일컬어지기도 합니다.
현재 국내에서는 ICT(Information and Communication Technology) 및 CPS(Cyber Physical System)의 적용 수준을 기준으로 단계를 세분화하기도 합니다. 미국 경제학자 제레미 리프킨은 그의 저서 '제3차 산업혁명(The Third Industrial Revolution, Jeremy Rifkin, 2011)’에서 3차 산업혁명의 요소 중 하나로 인터넷을 꼽으면서, 4차 산업혁명 범위의 일부까지 함께 표현하기도 했습니다.
그렇다면 Industry 4.0은 어떻게 구현되는 것일까요? 지금부터 관련 기술들과 함께 구현할 때 고려사항 및 해결방안을 살펴보도록 하겠습니다.
Industry 4.0은 제조업 강국인 독일에서부터 대두되었습니다. 최근 독일은 생산 가능 인구 감소, 노인 인구 비율 증가 등 어려운 국내 상황에 직면했을 뿐만 아니라, 중국의 저렴한 인건비와 기술 도약, 미국 및 일본의 제조업 강화 정책 등 어려운 대외 환경까지 겹쳐 제조 산업 분야가 끊임없이 위협받고 있는 상황인데요.
이러한 상황 속에서 독일은 제조업 경쟁력 강화를 위해 'Industry 4.0'의 도입을 적극적으로 추진하였습니다. 이를 통해 구현한 ‘Smart Factory’에서 작업자의 공정 개입을 최소화하여 생산성, 인건비, 안전 비용 등의 측면에서 경쟁력을 확보하는 동시에 좀 더 창의적인 분야에서 인력이 활동할 수 있도록 노력하고 있습니다.
이러한 Industry 4.0과 관련된 기술에는 어떤 것들이 있을까요? Industry 4.0의 대표적인 기술은 IoT와 CPS라고 말할 수 있습니다.
첫째, IoT는 '정보 통신 기술을 기반으로 물리적 세계(physical world)와 가상 세계(virtual world)의 다양한 사물들을 연결하여 진보된 서비스를 제공하기 위한 서비스 기반 시설'로 정의됩니다.2
둘째, CPS는 '사이버 세계(cyber world)와 물리적 세계의 통합 시스템으로 사물들이 서로 소통하며 자동적, 지능적으로 제어되는 시스템'3으로 정의되고 있는데요. 즉 IoT는 '사물들의 연결'이라는 관점에서, CPS는 '가상 세계와 물리적 세계의 통합 시스템'이라는 관점에서 해석할 수 있습니다.
다시 말해 'IoT'와 'CPS'의 관계는 현실 세계에 존재하는 디바이스(센서, 컨트롤러, 설비 등)를 인터넷 기반으로 모두 연결하여 가상 세계를 구성하는 것인데요. 가상 세계에서 연결된 것(Things)들을 제어함으로써 물리적 세계를 관리할 수 있는 시스템(CPS)을 구현한 것이라고 볼 수 있습니다. 이때 물리적 세계의 디바이스와 가상 세계의 디바이스는 1대1의 대응 관계를 가질 수도 있지만, 물리적 세계의 여러 정보들을 가공하여 가상 세계에만 존재하는 가상 디바이스(virtual device)를 구성할 수도 있습니다.
또한 CPS의 가상 세계만을 활용하여 더 효율적으로 사용할 수 있는 사례들도 있는데요. 예를 들어 공정 변경 시 문제점 발견을 위하여 시뮬레이션을 수행하거나, 신입 엔지니어의 교육을 위해 가상 세계에서 설비를 제어 또는 점검할 수 있도록 하는 시스템 등을 구축할 수도 있습니다.
[그림1] CPS를 통한 가상 세계와 물리 세계의 연결
공장 내부의 모든 요소(Things)들을 IoT를 통해 연결하고 CPS를 구축함으로써, 지능적으로 운영될 수 있도록 한 공장이 Smart Factory입니다. Smart Factory는 생산 제품의 종류나 설비 고장 상황 등에 따라 자재의 운반 및 생산 라인을 가변적•자동적으로 제어하여 최적의 생산 효율을 달성할 수 있도록 합니다.
뿐만 아니라, EMS(Energy Management System)와 연계하여 공장에서의 에너지 사용을 효율적으로 할 수 있고, 빅데이터 서비스와 연계하여 설비의 고장 및 생산될 제품의 품질을 미리 예측하고 자동으로 교정하는 등의 역할도 수행하고 있습니다.
Industry 4.0에서 Smart Factory를 구현하기 위한 가장 중요한 포인트는 바로 'IoT 서비스를 어떻게 구현하는가' 하는 것입니다. 공장 내의 모든 디바이스들이 인터넷을 통해 연결되고, 서로의 데이터를 교환하며 지능적으로 상호 작용함으로써 구현되는 것이 바로 Smart Factory이기 때문이죠.
그렇다면 디바이스들 간의 연결은 어떠한 방식으로 이루어지는 것이 효과적일까요? 공장에서 사용하는 디바이스들의 종류는 매우 다양합니다. 같은 종류의 디바이스조차 벤더와 모델에 따라 동작 방식 및 통신 프로토콜이 다른 경우도 존재하는데요. 게다가 현장에서 사용되는 프로토콜 방식은 Modbus RTU/TCP, BACnet, CAN, LonWorks, OPC 등으로 매우 다양합니다.
이러한 상황에서 Smart Factory의 구현을 위해 공장 내부에 설치되는 모든 디바이스에 대한 통신 프로토콜을 직접 구현한다면, 공장 준공에 소요되는 시간 및 인적, 물적 자원 등이 증가하게 된다는 것은 자명한 사실인데요. 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 다양한 디바이스들에 대한 프로토콜을 사전에 맞추어 제공하는 것이 필요합니다.
따라서 Smart Factory를 구현하기 위해서 별도의 소프트웨어를 개발하지 않고, 간단한 설정만으로 디바이스들을 연결할 수 있도록 어댑터(adaptor)를 제공하는 'IoT 서비스 플랫폼'을 도입하는 것이 효과적입니다.
그러나 Smart Factory를 구현하기 위한 IoT 서비스 플랫폼은 단순히 여러 디바이스들을 효율적으로 연결해 주는 역할만 수행하는 것으로는 부족한데요. 연결된 디바이스들로부터 데이터를 수집하여 저장하고 HMI(Human Machine Interface)를 통해 효율적으로 데이터를 표출하는 기본적인 기능은 물론, 사전에 등록한 스케줄이나 조건에 따라 디바이스를 제어할 수 있어야 합니다. 그리고 화재가스 누출외부 침입자 발생 등의 긴급 상황을 감지하여 대응할 수 있도록 하는 기능까지 가능한 플랫폼이어야 하는 것이죠.
독일의 볼프강 발스터(Wolfgang Wahlster) 박사는 CPS를 통해 Smart Factory의 구현이 이루어질 것이라 예상했는데요. 이러한 CPS를 구현하기 위해 선결되어야 하는 것이 바로 IoT입니다. IoT를 통해 모든 기기를 연결하여 데이터를 수집하고 제어할 수 있으며 지능적인 기능까지 추가할 수 있는 IoT 서비스 플랫폼을 도입할 수 있다면, 이 플랫폼을 기반으로 CPS를 구현하는 것이 훨씬 효율적입니다.
또한 Smart Factory와 연동하는 IoS(Internet of Service)를 구현하는 경우에도 고려할 사항이 있는데요. IoS에 속하는 여러 서비스들이 공장의 효율적인 운영 등을 목적으로 공장 내 디바이스에 제어 명령을 하달하고자 하는 경우를 생각해 보도록 하겠습니다.
[그림 2] Industry 4.0에서의 서비스 구현 방식
위 도표의 '①'과 같은 형태로 서비스와 공장 내부의 디바이스들이 직접 통신할 경우, 하나의 서비스를 제공하는 vendor는 공장 내 모든 디바이스에 대한 통신 프로토콜을 구현해야 합니다.
예를 들어 하나의 공장에 A라는 서비스 벤더가 ERP 시스템을 납품하고, B라는 서비스 벤더가 EMS를 납품할 경우, A와 B사는 각각 공장 내부의 모든 디바이스에 대한 통신 프로토콜을 구현해야 하는 것이죠. 또한 공장 내 디바이스가 서버나 multi-drop 모드 등을 지원하지 않아 한번에 여러 서비스와 통신을 할 수 없는 경우, 시스템 구성 자체가 불가능할 수도 있습니다.
반대로 오직 하나의 벤더가 모든 서비스를 제공한다고 가정할 경우, 일부 더 나은 서비스를 제공하는 벤더가 있다고 하더라도 벤더에 대한 의존도가 높아 원하는 서비스를 사용할 수 없는 상황이 발생할 수 있다는 단점이 있습니다.
이러한 문제점들을 해결하기 위해서는 공장 내부의 모든 디바이스들을 IoT 서비스 플랫폼으로 연결하고 IoT 서비스 플랫폼이 ESB(Enterprise Service Bus) 등을 제공하여 IoS 서비스들과 연결성을 제공하는 형태로 구성하는 것이 효과적일 것입니다.(위의 자료 '②' 참고)
다만 이럴 경우 IoT 서비스 플랫폼이 CPS의 구현까지 담당하는 역할을 수행할 수 있으므로 그 안정성과 성능에 대한 보증이 필수적입니다.
지금까지 살펴본 바와 같이 유연하고 안정적인 IoT 서비스 플랫폼의 도입은 Industry 4.0을 효율적으로 구현할 수 있는 열쇠가 될 수 있습니다. 그러므로 IoT 서비스 플랫폼은 반드시 여러 디바이스들을 폭넓게 지원하여 개발 비용을 감소시킬 수 있어야 합니다. 또한 많은 디바이스가 동시에 연결되어 사용된다고 하더라도 그 성능에 문제가 없음을 보장해야 합니다.
이런 상황에서 LG CNS는 확장성이 뛰어나며 안정성까지 입증된 IoT 서비스 플랫폼인 'Smart Green Platform(SGP)'을 제공하고 있습니다.
SGP는 별도의 개발 없이 다양한 종류의 센서, 컨트롤러, 설비 등의 디바이스들을 연결할 수 있도록 프로토콜을 구현하여 제공하고 있는데요. 뿐만 아니라 SGP에서 지원하지 않는 특수한 디바이스를 사용해야 할 경우, 직접 프로토콜을 구현하여 사용할 수 있도록 하는 확장성도 갖추고 있습니다.
그리고 빌딩, 공장, 도시 등 50개 이상의 현장에 이미 적용되어 사용 중인 솔루션으로 그 안정성이 입증되었고, 단일 플랫폼으로 30만 개의 관제점을 사용할 수 있는 성능을 보장합니다. 또한 EMS 등의 서비스를 함께 구현하여 제공하고 있으며, 사용자가 원하는 서비스를 쉽게 구현할 수 있도록 지원하고 있습니다.
지금까지 Industry 4.0 관련 기술과 Industry 4.0 구현을 위해 필요한 IoT 서비스 플랫폼 활용 등에 대해 정리해 보았는데요. 이어서 다음 시간에는 오늘 간단하게 살펴본 LG CNS의 IoT 서비스 플랫폼 'SGP(Smart Green Platform)'의 구조와 동작 방식, 적용 사례들에 대해 자세히 알아보겠습니다.
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글 | LG CNS 스마트그린솔루션팀
['B2B플랫폼, IoT에서 에너지까지' 연재 현황 및 향후 계획]
●1편 B2B 소프트웨어 플랫폼, 신사업을 이끌다 : http://blog.lgcns.com/826
●2편 정보 기술과 제조 산업이 이루는 4차 산업 혁명, Industry 4.0(Smart Factory):
●3편 연결하고 통합하면 또 다른 가치가 보인다, Smart Green Platform:
●4편 에너지 효율적 활용의 한계와 소프트웨어를 통한 극복방안 : http://blog.lgcns.com/909
●5편 효율적 에너지 활용의 지휘자, Energy Management System: http://blog.lgcns.com/935
●6편 전력 자급자족(自給自足), 마이크로 그리드 : http://blog.lgcns.com/957
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