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심층기획 스마트 센서, 4차산업혁명 붐 타고 ‘날아올라’

FA·PA 분야의 뿌리 ‘센서’…표준화·무선·가격 모두 잡을 터

기사입력 2017-04-07 07:29:35
[산업일보]
4차 산업혁명이 핫이슈로 등장하면서 제조업계 역시 보다 스마트해지기 위한 노력이 한 창이다. 이를 위해 가장 하위 레벨에서 상위 레벨까지 네크워크로 연결해 데이터를 수집·선별하고 이를 통해 빠른 의사결정을 이끌어내길 원하고 있다. 다시 말해 기업들은 생산성 향상과 에너지 절감 등 비용 대비 효율 극대화를 목표로 삼고 있다. 이러한 영향으로 센서의 역할이 점점 더 중요하게 인식되고 있다. 지난 3월 29일부터 31일까지 서울 코엑스에서 개최된 오토메이션월드 2017에 참가한 센서관련 기업 및 기관 담당자들을 통해 센서의 최근 변화 추이를 짚어본다.


최근 스마트팩토리, 4차 산업혁명의 영향으로 센서 수요가 증가하고 사용자의 요구도 다양해지면서 센서관련 업계는 그 어느 때보다 분주하다. 프로세스오토메이션(Process Automation : PA), 또는 팩토리오토메이션(Factory Automation : FA)의 하위 레벨에 속한 센서의 성능이 데이터의 검출에서 끝나지 않고, 분석, 고속, 고정확도 등 기술적 요소들에 대한 사용자 요구가 꾸준히 증가하고 있다. 여기에 통신, 무선, 표준화, 사물인터넷(IoT), 합리적인 가격에 대한 요구까지 더해지면서 센서관련 기업들은 사용자들의 마음을 잡기위해 신제품과 새로운 비즈니스 모델을 내놓고 있다. 최근에는 IO-Link 기능을 탑재한 센서들이 시장에 확산되면서 센서 혁신을 예고하고 있다.

IO-link, 센서 통신의 大路 만들까?
반도체, 핸드폰, 공작기계, 자동차, 식품공장 등 자동화를 실현시키고자하는 분야에는 어김없이 센서가 사용돼 왔다. 최근에는 공장의 네트워크화와 함께 수직적으로도 데이터를 빠르게 전송받아 빠른 의사결정으로 생산성을 향상시키기 원하는 기업들이 늘어나고 있다. 이러한 요구에 발맞춘 기능이 IO-Link로, 공장의 하위레벨 단위인 센서, 엑추에이터 등을 연결해 상위레벨로 정확한 진단 정보를 업로드할 수 있어서 주목받고 있다. 현재 IO-Link는 IEC 61131-9(국제 표준)의 기술에 따라 디자인 됐다.

스마트 센서, 4차산업혁명 붐 타고 ‘날아올라’
터크코리아 정진성 부장(左), 로크웰오토메이션 이종두 과장(右)

터크코리아 정진성 부장은 “센서 분야에서 가장 화두는 IO-Link로 보고 있다. 기존에 필드버스 레이어에서는 리모트 IO, 상위 PLC, DCS 레벨까지는 통신을 통해 상위로 데이터를 전송했다면, 센서와 엑추에이터가 있는 하위레벨에서는 통신을 하지 않는 사업장이 많았다. IO-Link가 적용되면 하단에 있는 센서, 엑추에이터까지 디지털화돼 정보를 주고 통신을 하게 돼 공장의 스마트화에 가속도가 붙을 것으로 전망된다”고 말했다.

로크웰오토메이션 이종두 과장 역시 IO-link가 센서 분야에서 주목받고 있다고 동의하며 스마트팩토리를 추진하고 있고 생산성을 향상시키기 위해서는 IO-link 기능이 탑재된 센서에 주목할 필요가 있다고 전했다.

이종두 과장은 “현재 로크웰에서는 자동화공정의 전체 라인을 가져가고 있는데 이를 적용하는 것이 고객들에게 효율적이라고 보고 있다. 자사의 PLC, IO-Link 마스터와 IO-Link 센서의 전체 라인을 사용하게 되면 몇 가지 추가적인 장점이 있다. 이를 테면, 센서 교환시에 초기 설정작업이나 티칭 작업이 필요한데 초기의 설정 파라미터를 PLC에서 가지고 있다가 같은 제품으로 교환하면, 자동 다운로드를 통해 작업자들이 별도의 조작 없이 사용할 수 있게 된다. 또한 티칭 파라미터를 임의로 조작하게 되면 PLC에서 인지해 이 부분에 관해 조정됐다는 정보를 사용자에게 알려주는 등의 장점이 있다”고 말했다.

스마트 센서, 4차산업혁명 붐 타고 ‘날아올라’
지멘스 이준석 과장(左), ETRI 이용귀 선임연구원(右)

산업용 RFID 요구 높아
지멘스 이준석 과장은 “자사의 센서 분야에서는 RFID에 대한 요구가 높아지고 있다”며 최근 센서 사용자의 요구에 대해 말문을 열며, “스마트팩토리가 강조되면서 실제 공정의 제품들, 자재들에 대한 정보를 디지털화해 데이터를 상위로 전송하려는 요구가 늘어나고 있는 추세”라고 했다.

이준석 과장은 “이러한 요구사항들을 반영하기 위해서 RFID 태그에 정보를 넣고 원자재부터 완성품까지 트래킹을 하면서 관리를 하거나 이력관리에 대한 요구가 높아지면서 초고주파 RFID(UHF RFID ; Ultra High Frequency RFID) 기술을 사용하는 애플리케이션의 요구가 늘어나고 있다. 기존에는 원자재 창고라든지 출하창고에 대한 이력관리에 대해서는 소홀했었는데 현재는 이러한 부분까지 이력관리를 포함하면서 장거리화된 RFID, 작지만 많은 제품을 관리하는 것에 대한 트래킹 요구사항이 증가하고 있다”고 설명했다.

무선센서…가격합리화
최근에는 대량 생산보다는 다품종 소량 생산에 대한 요구가 높아지면서 제품의 수명주기가 빨라지고 있다. 때문에 생산 모델이나 생산 계획이 변경될 경우 각 공정에 맞도록 작업대를 구성하고, 공정 순서에 맞춰 얼마나 신속하게 재배치하느냐에 따라서 구축시간과 비용을 절감할 수 있게 된다.

이러한 요구를 반영해 한국전자통신연구원(ETRI)에서는 5차 년도에 걸쳐 ‘가변재구성형 유연조립시스템 및 ICT 융합 기반 스마트 시스템 핵심 요소기술(이하 가변재구성 유연생산 플랫폼)’을 구축하는 국가과제를 진행하고 있다.

ETRI 이용귀 선임연구원은, “가변재구성 유연생산 플랫폼은 기존의 생산라인에서 한번 설치하게 되면 단종될 때까지 사용하고 폐기하는 라인의 소모적인 부분을 해소하기 위해 각 공정에서 필요한 장치들을 표준화된 컴포넌트(바코드프린터, 전동툴, 바코드리더 등)로 정의해서 플러그 앤드 워크 (Plug and Work) 방식으로 동작하도록 하고, 소프트웨어적으로 유연설정 할 수 있도록 하는 스마트 조립작업대를 개발해 라인을 재구성, 재활용하도록 하는 과제”라고 설명했다.

이용귀 선임연구원은 “라인을 재구성하기 위해서는 일부 컴포넌트들을 무선화하는 것만으로도 구축 비용과 시간 측면에서 효율적일 수 있다. 그런데 실제 공장에는 철재 프레임 등 무선 센싱 및 네트워크 통신을 방해하는 장애물들이 많이 있어서 무선통신에 어려움이 있었다. 하지만 ETRI에서는 900MHz 대역의 비면허 대역을 사용하면서 1Km까지 무선통신이 가능한 IEEE 802.15.4m 기반의 SUN(Smart Utility Network)칩을 사용한 무선통신모듈을 개발 및 적용해 공장내 무선통신 네트워크 환경을 구현했다. 여기에 PLC, MES와의 통신을 위해서 표준화된 OPC UA를 기반으로 한다”고 덧붙였다.

하위레벨에서 작동되는 센서, 밸브, 엑추에이터 등이 제대로 작동하고 있는지, 언제쯤 고장의 전조현상을 나타낼지에 대한 각 단위 장비별 정확한 데이터를 얻기 위해서는 센서의 수도 많이 필요하다. 현재 일반 센서의 비용이 많이 저렴해진 상황이라고는 해도 큰 사업장에서는 수백, 수천, 수만 개까지 센서를 사용해야하기 때문에 총비용에 대한 부담이 상당할 수밖에 없다. 여기에 특수 화학물질이나 수천도의 온도를 견딜 수 있는 특수 센서의 경우에는 한 대의 가격만도 입을 쩍 벌어지게 할 만큼 고가다.

이 선임연구원은 “센서를 활용한 부분에서 공장 내에 악조건, 즉 방진·방습에 강하도록 하게 하기 위해서는 개당 단가가 높아지는데 ETRI에서 개발한 센서보드는 온도, 습도, 조도, 공기질, NFC, 자이로스코프, 가속도센서 등의 8개 센서가 탑재돼 있다. 이들 센서는 유무선을 지원하며, 다양한 제품의 불량 발생 요인을 찾아내는 빅데이터 분석 기반의 품질예지보전에 활용될 수 있다”고 언급했다.

또한, “8종 센서탑재 보드 중 어떤 라인에 적용할 것인지, 로봇 등에 적용 할 수도 있기 때문에 필요에 따라 센서의 수를 가감해 탑재할 수 있으며 8종 센서를 탑재한 보드의 총비용을 저렴한 가격으로 공급할 수 있도록 과제를 진행중”이라고 피력했다.

각 센서레벨을 엮는 과정에는 무선에 대한 요구도 높아지고 있다.

지멘스 이준석 과장은 “실제 유선이나 설비에 대한 제약조건이 있는 곳에 무선을 통해 좀 더 간편한 통신의 요구가 있다. 또한 공장을 설계할 때 기구적인, 설계적인 어려운 부분을 개선하는데도 무선통신이 용이하게 사용되고 있다”고 말했다.

터크코리아 정진성 부장은, “현재까지는 온도, 압력, 유량 등에 대해 모니터링 하는 분야에 무선 도입이 많이 적용됐고, 컨트롤 분야의 도입도 점진적으로 늘어나고 있는 추세다. 기본적으로 무선을 도입하게 되면, 케이블 포설 및 그에 따른 전반적인 공수의 효율성으로 판단하게 되고, 부가적으로 시스템의 간편성도 체감할 수 있어서, 앞으로의 무선에 대한 레퍼런스들은 전반적으로 증가될 것”이라고 예상했다.

스마트 센서, 4차산업혁명 붐 타고 ‘날아올라’
한영넉스 정현종 과장(左), 한국NI 김종우 과장(右)

한영넉스 정현종 과장은 “공장자동화라는 개념을 넘어서 현재의 저성장 기조를 깨고 생산력을 높이기 위한 스마트팩토리라는 시장에서 많은 기업들이 변화를 맞이하고 있다. 센서 역시 아직은 무선보다는 유선이 많은데 앞으로는 무선에 대한 요구가 높아질 것으로 보인다. 또한 데이터의 검출에서 그치는 것이 아니라 언제 데이터가 발생했고 현재와 다른 데이터가 발생했다는 이력관리 및 정보의 이상 발생 유무 기능 등 다기능적이고 부가적인 기능들이 많이 요구될 것으로 보인다. 시스템만이 시스트팩토리를 만드는 것이 아니라 장비 하나하나 역시 스마트팩토리에 발맞춰 가야 진정한 스마트팩토리로 나갈 수 있다”고 내다봤다.

협업을 통해 스마트팩토리 ‘스타트’ 촉구
국내 스마트팩토리 구축 기업들을 살펴보면, 지능형 생산설비와 제어시스템, 솔루션 등 전체 라인을 갖추고 스마트팩토리 모델을 제시하는 글로벌 기업들도 있고 협업을 통해 각 비즈니스 영역의 강점을 살려 기업간 협업을 통해 스마트팩토리 구축모델을 내놓는 기업들도 찾아볼 수 있다. 또한 이 둘을 혼합한 모델을 제시하는 기업들도 있다.

오토메이션월드 2017에서도 기업간 협업을 통해 스마트팩토리를 시작할 수 있도록 제안하는 모델이 전시돼 눈길을 끌었다. 한국NI를 비롯해 KTECK ENG., OSI, PTC, HPE, SKT 등 6개 기업들이 자신들의 전문 분야인 센서, 측정, 네트워크, 데이터베이스, 사물인터넷(IoT) 플랫폼, 서버에 대해 협업해 스마트팩토리를 시작할 수 있는 ‘스타트 킷’을 전면에 내세웠다.

스마트팩토리를 구축하는 핵심은 ‘예지보전’이라고 강조한 한국NI 김종우 과장은 “‘제일 처음에 어디에서부터 스마트팩토리를 시작해야 합니까?’라고 질문하는 고객들이 많았다. 이에 스마트팩토리를 성공적으로 시작할 수 있는 스타트 킷을 내놓게 됐다”고 모델 출시 배경에 대해 설명했다. 이어 “스마트팩토리의 성공을 좌우하는 핵심은 ‘상위단부터 할 것인지 하위단에서부터 시작할지를 결정하는 것’이 관건인데 NI에서는 하위단인 센서단부터 시작하는 것이 효율을 높일 수 있다”고 전망했다. 때문에 가정 먼저 할 것은 가장 정밀한 센서를 선택하고 어느 곳에 부착할지 선정하는 것”이라는 점을 분명히 한 뒤 이를 위해 전문 센서기업 전문가들의 의견을 들어보는 것이 중요하다고 밝혔다.
김원정 기자 vuswlq@kidd.co.kr

제조기업 강국이 되는 그날까지, 공장자동화 스마트팩토리에 대한 뉴스를 기획·심층 보도하겠습니다.

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