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[원일민칼럼] 산업용 사물 인터넷(IIOT)과 INDUSTRIE 4.0 (6)

산업현장에서 적용 가능한 산업용사물인터넷(IIoT) 솔루션

앞선 5번의 칼럼에서는 산업용사물인터넷(IIoT)나 인더스트리 4.0(Industrie 4.0)에 대한 포괄적이고 기술적인 내용에 대해 언급했다. 또한 향후 이 시스템의 활용이 가져올 숙제에 대해서도 생각해 보았다. 그렇다면 이제 어떤 방법으로 이 시스템을 구현할 수 있는가에 대해 고민해 봐야 한다. 많은 경우 프로토콜(Protocol)의 사양이나 기술에 대해 공유하고 그것의 장점을 언급함으로써 사용자로 하여금 자신의 시스템에 적용하고자 하는 욕구를 불러일으키지만 정작 시장에 나와 있는 제품이 없어 적용에 제한을 가지는 경우가 있다. 또한 제품이 있더라도 개발이나 적용에 많은 투자와 노력이 필요하여 사용자가 쉽게 접근하지 못하는 경우도 많다. 이번 시간에는 IIoT를 구현함에 있어서 어떤 솔루션을 사용할 수 있는지에 대해서 설명하고자 한다. 산업현장에서 직접 적용 가능한 IIoT용 Module과 IIoT Data를 클라우드로 전송하기 위한 Edge Gateway에 대해서 자세히 알아보고자 한다. 다만 여기서 설명되는 모든 제품은 필자가 속해 있는 회사인 Hilscher의 제품이라는 점을 먼저 밝혀 둔다.

netIOT 산업용 클라우드 통신 솔루션
netIOT 산업용 클라우드 통신 솔루션 (이미지. 힐셔코리아)

 

현장에 설치된 디바이스들이 IIoT로 연결되기 위해서는 각 디바이스가 IIoT 통신 기능을 가져야 한다. 시스템 설계자나 제품의 사용자 입장에서는 각 제조사들이 이 기능이 포함된 제품을 출시하면 필요한 사양에 맞춰 구매하여 사용하면 된다. 하지만 IIoT 제품을 준비해야 하는 디바이스 제조사 입장에서는 어떤 방법으로 제품을 개발할지가 하나의 숙제처럼 다가오게 된다. 제조사 입장에서 가장 간단하게 개발할 수 있는 방법은 기존 제품, 예를 들어 서보드라이버, 인버터, 센서등의 제품에 모듈화된 제품을 장착하는 것이다. 이는 개발 리스크를 줄이고 개발 기간을 단축시킬 수 있는 방법인 반면에 양산 시 원가면에서는 칩을 사용하는 것보다 불리한 점이 있다. 하지만 회사 내부에 Real-Time Ethernet 제품을 개발해 본 경험이 있는 전문가가 없거나 통신에 대한 개발 경험이 없을 경우 모듈을 사용하여 개발하는 것이 가장 현실적인 방법이다.

이를 위한 첫번째 솔루션은 DIL-32 타입의 netIC IOT – Intelligent Multiprotocol Module이다. 이 제품은 PROFINET이나 EtherNet/IP를 기반으로 하고 동시에 MQTT나 OPC UA를 지원하는 IIoT의 개발을 위해 가장 먼저 출시된 모듈형 제품이다. 현재는 2가지의 RTE를 지원하고 있지만, 향후 EtherCAT과 Modbus/TCP도 지원하게 되며, RTE를 사용하지 않고 MQTT나 OPC UA를 Ethernet TCP/IP 기반으로 사용할 수 있는 모델도 출시예정이다. netIC IOT 모듈은 호스트와의 데이터 통신을 위해 500MHz의 SPI를 지원하며, OPC UA Server와 MQTT Client가 내장되어 있다. 또한 어플리케이션을 위한 프로토콜에 독립적인 Object-interface인 netPROXY를 제공하며 Device Description file인 EDS 파일을 자동으로 생성해 준다. Object DB와 Webserver를 위해 8MB Flash를 제공하고 OPC UA connection을 위해 8MB SDRAM 또한 제공한다. netIC IOT는 하나의 모듈로 다양한 프로토콜을 사용할 수 있는데, 이는 탑재되는 Firmware에 따라 그 동작이 결정된다. Firmware의 탑재는 netX Studio라는 Engineering tool을 사용하게 되는데, 이 Tool을 사용하여 Diagnostic object등의 설정을 하고, OPC UA나 MQTT의 활성화 또는 비활성화를 선택할 수 있다. OPC UA와 MQTT의 활성화/비활성화는 Webserver를 통해서도 설정할 수 있으며, Webserver의 활성화/비활성화 또한 netX Studio를 사용하여 설정할 수 있다. netIC IOT를 사용하여 개발하기 위한 Evaluation board도 함께 공급되며, 이의 활용과 개발을 위한 개발자 교육도 함께 제공한다. 이 제품은 한번의 개발로 다양한 프로토콜의 사용이 가능하여 개발에 투여되는 리소스를 최소화 시킬 수 있다. 또한 사용자를 위한 EDS파일과 어플리케이션을 위한 소스코드를 자동으로 생성하기 때문에 현존하는 다른 제품에 비해 개발이 빠르며 이로 인해 개발에 드는 투자를 최소화 할 수 있다.

netRAPID 51 (이미지. 힐셔코리아)

netRAPID 51 특징 설명 (이미지. 힐셔코리아)

 

두번째 솔루션은 netRAPID 51 – Chip carrier이다. netRAPID 또한 기존의 제품라인으로 판매되고 있던 제품인데, 여기에 IT와 IOT 기능을 추가하여 새롭게 출시된 제품이다. 이 제품은 가격에 민감한 디바이스를 개발할 때 추천하는 제품으로 기존의 모듈화된 제품 중 가장 저렴한 가격대를 제공하면서 Chip을 사용한 개발보다는 좀 더 간단하고 편하게 개발할 수 있다는 장점이 있다. 호스트와의 통신을 위해서 DPM이나 500MHz SPI 중 둘 중 하나를 사용할 수 있고, OPC UA Server와 MQTT Client가 제공된다. 32 x 32 mm의 작은 사이즈를 제공하며, USB diagnostics, Network interface, Host interface, Optional switch등을 위한 납땜 가능한 76핀이 제공된다. Real-Time Ethernet 데이터는 표준 CIFX API를 통해서 제어되고, OPC UA나 MQTT를 통해서 연결되는 IOT 데이터는 netPROXY Object API를 통해서 제어된다. 무엇보다도 이 제품의 가장 큰 장점은 기존에 netRAPID를 사용하던 사용자가 IOT 기능을 가지기 위해서 추가로 개발할 필요가 없다는 점이다. 신규 개발자를 위해 Evaluation board와 함께 3개의 개발용 Sample이 포함되어 제공되며, 개발과 테스트를 위한 1시간용 Limited Firmware가 별도로 제공된다. 앞서 설명한 netIC IOT와 netRAPID 51의 차이점 중 하나는 Firmware의 별도 구매이다. netIC IOT는 Firmware가 포함된 제품으로 별도의 계약 없이 제품만 구매하면 누구나 사용이 가능하다. 하지만 netRAPID는 Firmware를 별도로 구매해야 하며, 이를 위해 계약서의 작성이 선행되어야 한다. 계약서의 주요 내용은 Firmware의 사용방법, 소유권, 개발품의 범위등에 대한 것들로 전 세계 모든 사용자들에 공통적으로 적용되는 사항들이다. Firmware는 1회 구매로 개발부터 양산까지 계속 복사하여 사용 가능하며, 사용자가 Upgrade된 최신 버전이 필요할 경우 최신 버전을 저렴한 가격에 추가로 구매할 수도 있다. 이외에 netX51을 사용하여 Chip 기반으로 개발도 가능하다. 하지만 이 경우 앞선 두 가지 솔루션 보다 개발 환경 구축이나 개발 인력의 교육에 많은 비용이 소요되고, 개발 기간 또한 많은 차이가 있으므로 여기에서는 소개하지 않고 넘어가는 것으로 하겠다.

netIOT 엣지 게이트웨이
netIOT 엣지 게이트웨이 (이미지. 힐셔코리아)

 

마지막으로 Edge Gateway에 대해 알아 보겠다. Edge Gateway는 기존 Real-Time Ethernet 통신 라인에 연결되어IIoT data를 수집하고 이를 클라우드로 전송하는 역할을 한다. 현재 제공되고 있는 Edge Gateway는 On-Premise, Remote, Connect등 3가지 버전이 있는데, 기본적인 기능은 동일하나 내부에 사용된 CPU의 종류, Option의 유무등에 따라 그 기능의 차이가 있다. 여기서는 최상위 버전인 On-Premise를 기준으로 설명하겠다. 하드웨어부터 살펴보면 Ethernet 통신용 LAN port, USB port, Serial port, 무선 통신을 위한 Wi-Fi, Real-Time Ethernet 통신을 위한 PROFINET 또는 EtherNet/IP용 port, 모니터를 연결하기 위한 Display port등이 있다. 제품과 함께 납품되는 소프트웨어는 Thing editor인 Node-RED, PROFINET 또는 EtherNet/IP protocol, Configuration을 위한 Edge Gateway Manager, 그리고 Application을 위한 Edge Server가 포함되어 있다. MQTT는 Broker와 Client node를, 그리고 OPC UA는 Client node를 사용할 수 있으며 이들은 Node-RED에 의해 설정된다. 소프트웨어의 설치는 USB port를 사용하거나 Web interface를 통해서 가능하며, 기본적으로 PC에 소프트웨어를 설치하는 방법과 동일하다고 볼 수 있다. 일반적으로 Edge Gateway는 Passive mode를 기본으로 하며 Active mode도 함께 지원하는 경우가 있다. 이는 필드에서 수집된 데이터를 클라우드로 전송만 할 것인지 아니면 수집된 데이터를 가공하거나 그것을 통하여 다른 동작을 할 것인지에 대한 내용이다. 많은 경우 Edge Gateway에서 수집된 데이터를 가공하여 이를 예방보전에 사용하고 있으며, 이를 위해 Edge Gateway는 Wi-Fi를 지원하고 있다. 이와 같은 동작이 가능하게 하는 것이 Thing editor인 Node-RED인데, 이 프로그램은 IBM에서 개발하였으며 Platform과 독립적으로 동작하는 Web application이다. 사전에 다양한 node들이 Library 형식으로 제공되며, 사용자는 이들에 대한 파라메터만 설정하면 동작이 가능하도록 구성되어 있다. 또한 Node-RED는 Edge Gateway를 구매하지 않더라도 인터넷에서 간편하게 다운로드 받아 사용할 수 있는 공개 프로그램이다.

IIoT와 Industrie 4.0은 먼 미래의 기술이 아니며 지금 시작하더라도 결코 빠르지 않은 필수적인 기술이다. 이미 우리 현장에서 사용되고 있으며 점점 발전을 거듭하고 있다. 많은 경우 우리나라 기업들은 첨단 기술의 우선 적용에 있어서 자사가 테스트 베드로 사용되는 것으로 느껴 적용을 꺼리는 경우가 있다. 또한 적용 실적을 굉장히 중요하게 생각하여 국내 적용 실적이 없거나 그 횟수가 충분하지 않을 경우 적용 대상에서 제외시키는 경우도 많다. 하지만 이런 접근 방식으로는 미래 기술에 적용에 있어 뒤쳐질 수 밖에 없으며 새로운 기술의 적용과 활용에 대한 아이디어도 나올 수가 없게 된다. 외국의 경우 사용자들은 개발제품의 Proto type부터 함께 사용하며 Debugging을 하고 Feedback을 주어 제품의 완성도를 높이고 자신의 요구사항을 신제품에 추가하려고 노력한다. 하지만 국내의 경우 Proto type은 고사하고 완제품이라고 하더라도 제품의 인증, 적용실적, 품질보증, 서비스 방법등 다양한 이유를 들어 적용시점을 미룬다. 아마도 우리 사회나 회사에서 프로젝트의 실패가 곧 직장에서의 퇴직으로 이어지는 경우가 빈번하기에 실수나 실패를 방지하고자 이와 같은 문화가 생기는 것이 아닌가 싶다. 굳이 여기서 추가적인 설명을 하지 않더라도 다양한 선진 제품과 시스템을 공부하고 그 시스템의 설계의도와 활용 방법에 대해 고민하다 보면 테스트 베드가 된다는 생각보다는 막차를 타지 말아야 한다는 생각이 더 간절해 질 것으로 사료된다. 총 6번의 칼럼을 작성하면서 스스로에게 반문하는 시간도 되었고, 좀 더 정확한 정보를 제공하기 위해 공부하는 시간도 되었다. 어떤 경우 독자가 알고 있는 내용과 저의 설명이 상반되는 경우도 있을 것으로 예상된다. 하지만 이는 Industrie 4.0을 바라보는 시점의 차이일 뿐 근본적으로 누가 맞고 누가 그르다의 문제는 아닐것이라고 생각된다. 다만 마음에 결리는 부분은 미흡한 글솜씨로 인해 전달하고자 하는 내용이 정확하고 효율적으로 전달되었는지에 대한 의문이 남는 다는 것이다. 마무리하는 시점에서 좀 더 넓은 시각으로 다양한 예를 들어 설명하지 못 한 부분에 대해서는 아쉬움이 있지만 여기서 채우지 못한 부분은 현장에서 사용자들과 함께 채워나가려고 한다.

원일민 / 힐셔코리아 대표

 

 

[원일민 칼럼] 산업용 사물 인터넷(IIOT)과 INDUSTRIE 4.0 (1)
통신기술 융합 산업용사물인터넷을 통한 산업현장의 변화

산업용 사물 인터넷(IIOT)과 INDUSTRIE 4.0 (2)
MQTT와 OPC UA 통신을 통한 산업용사물인터넷(IIoT) 구현

산업용 사물 인터넷(IIOT)과 INDUSTRIE 4.0 (3)
필드 디바이스 정보를 클라우드로 전송하는 3가지 방안

산업용 사물 인터넷(IIOT)과 INDUSTRIE 4.0 (4)
필드레벨 데이터를 클라우드로 연결하는 방법

산업용 사물 인터넷(IIOT)과 INDUSTRIE 4.0 (5)
산업용사물인터넷의 시스템 수준과 활용방안에서의 고려사항

 

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