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테크놀로지

홈 및 빌딩제어를 위한 KNX 네트워크의 프로젝트 추진 방안(4)

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KNX Sector

건물 및 빌딩에 대한 제어 및 관리 시스템에 대한 비중이 날로 높아가고 있다. 냉난방은 물론 조명, 환기, 접근 통제 제어 등에 대한 비용과 이들을 최적의 조건으로 통합 제어하는 방안이 새로운 과제로 부각되고 있다. 또한 끊임없이 증가하는 에너지 사용을 최적화하는 방안도 적극 모색중이다. 이에 건물 및 빌딩 제어를 위한 개방형 표준 네트워크인 KNX(KONNEX)가 부각되고 있다.

3. 전송 미디어로서 무선

* 인스톨레이션의 테스팅
KNX 무선 시스템을 인스톨레이션 한 다음, 저-전압 시스템을 설치하는 경우, 발생한 테스트가 처리되어야 한다. 주로 DIN VDE 0100-610에 따른 스페시피케이션이 고려되어야만 한다.

* 기능성의 커미셔닝 및 프로그래밍
KNX 무선 시스템의 커미셔닝은 즉, 무선 트랜스미터 및 리시버의 연결 또는 교육(teaching)은 간단한 방법으로 수행되어야 한다. 대개, 이것은 장치를 인스톨레이션하고 나서, DIP 스위치 또는 푸시 버튼 동작(이지 모드 푸시 버튼, EP)을 통해 일어난다. 액추에이터와 관련 센서는 모두 커미셔닝 모드로 스위치되고, 장치는 연결 텔레그램의 송신을 통해 통제된다. 정확한 절차가 각각의 작동 명령서에서 취해진다. 몇몇 장치 버젼 때문에, PC 및 소프트웨어와 같은 부가적인 툴이 이러한 목적에서 사용된다.

그림 4.4-5: 간단한 커미셔닝 절차의 보기

* 기능성 테스트와 테스트 리포트
인스톨레이션의 일반적인 점검 이외에, 전체 인스톨레이션의 기능성 테스트가 수행되어야 한다. 센서와 액추에이터 사이의 모든 기능 및 토트-인(taught-in) 무선 연결이 점검되어야 한다. 센서는 트리거되고 눌러져야 하며, 액추에이터에서 해당하는 반응을 관찰해야 한다.

보증으로 인해, 인스톨레이션의 바른 기능이 서류화되어야 하고 테스트 또는 억셉턴스 리포트에 기록되어야 한다. 센서와 액추에이터의 연결을 아주 쉽게 변경할 수 있고 인스톨레이션이 더 이상 본래 요청한 버전과 부합하지 않는다.

4. 전송 미디어의 혼합

KNX 시스템의 가장 우수한 장점중의 한 가지는 상이한 전송 미디어(버스 케이블, 무선, 230V 케이블)가 인스톨레이션에서 작동할 수 있다는 것이다. 이러한 목적을 위하여, 하나의 미디어에서 다른 미디어로 텔레그램을 전달하는 미디어 커플러가 있다. 전송되어야 하는 텔레그램은 이러한 미디어 커플러의 형태에 따라서 정의된다. 이는 두 가지 상이한 방식에서 일어날 수 있다.

1. 라인 커플러(파워넷으로의 버스 케이블)의 기능과 비교할 때 – 단지 ETS 3 에서.
2. ETS 3와 미디어 커플러(TP 와 무선)에서. 연결되어야 하는 무선 구성요소는 푸시 버튼 모드를 통해 미디어 커플러에서 인식하게 된다.
5. ETS 3 진단

ETS 3 프로페셔널은 사용자에게 다음의 선택권을 제공한다.

– 완전함을 기하기 위해 프로젝트 디자인을 점검한다.
– 인스톨레이션에서 개별적인 기능을 구동하고 그 반응을 기록한다.
– 인스톨레이션에서 오동작의 원인을 분석하고 수정한다.

*프로젝트 디자인의 테스팅
ETS 프로그램은 필수 경계 조건에 필요한 프로젝트의 토폴로지를 점검한다. 즉,

– 물리적 어드레스의 구조
– 라인에 있는 장치의 수
– 파워 서플라이 및 초크의 구성

각각의 장치는 또한 다음의 여부를 결정하기 위해 점검된다.

– 물리적 어드레스가 할당되었는지의 여부
– 할당된 물리적 어드레스의 포맷이 올바른가의 여부
– 어드레스가 여러 번 할당되지 않았는지의 여부

그룹 어드레스는 다음의 여부를 결정하기 위해 점검된다.

– 적어도 두 개의 통신 대상에 할당이 주어졌는지의 여부
– 데이터 형태가 할당되었는지의 여부

이러한 테스트는 커미셔닝 전에 수행되어야 한다.

* 토폴로지의 테스팅

– 개별적인 장치의 테스팅
ETS 프로그램은 이미 설치된 장치에서 중요한 정보를 판독할 수 있다. 예를 들면,
– 제조업자
– 어플리케이션의 이름 및 버전 수
– 현행 버스 전압
– 장치에서 발생했던 에러

각각의 장치로서, 관련된 그룹 어드레스, 데이터 포맷, 우선 순위는 물론 플래그의 세팅이 있는 구성된 통신 대상을 스캔하는 것이 가능하다.

(1) 물리적 어드레스의 테스팅
인스톨레이션의 기초 테스팅은 물리적 어드레스를 스캐닝하여 가능하다. 다음과 같은 선택권이 있다.

– 프로그래밍 모드에서 장치를 리스트하기 위한 선택권
– 물리적 어드레스의 존재를 테스트하고 장치를 배치하기 위한 선택권
– 존재하는 모든 물리적 어드레스를 라인위에 나열하기 위한 선택권

(2) 통신의 테스팅
KNX 인스톨레이션의 텔레그램은 ETS 로 기록될 수 있다.

버스 모니터와 그룹 모니터 사이에는 차이점이 있다.

– 버스 모니터: 장치를 프로그래밍하는 동안의 텔레그램과 작동 중의 텔레그램을 모두 기록한다.
– 그룹 모니터: 작동 중의 텔레그램만을 기록한다.

관련 프로젝트가 ETS 가 있는 텔레그램을 기록하는데 유용하다면, 중요 데이터는,

– 프로젝트 버스 모니터
– 프로젝트 그룹 모니터가 사용된 경우, 명료한 텍스트로 디스플레이 된다.

포괄적인 진단 선택권은 “Extras – Options – Troubleshooting” 하에서 ETS 에서 세팅된다.

선택된 리포트의 양상에 따라서, 결정적인 에러만을 서류화하거나 극도로 섬세한 시퀀스를 기록하는 것이 가능하다. “진단지원 툴” 버튼을 누름으로써, ETS 프로그램은 모든 관련 데이터를 함께 편집하고 KNX 협회의 핫라인에 이메일을 보내기 위한 선택권을 제공한다. 데이터의 평가는 KNX 협회를 통해서만 가능하다.

그림 4.4-6: 진단 지원 툴

* 장치 에디터
장치 에디터는 ETS 프로그램에 의해 제공된 진단 선택권의 사용이 만족스럽지 못한 결과를 가져온다면, ETS 에서 독립적으로 사용될 수 있는 프로그램이다. 대부분의 경우 더욱 강한 진단이 제조업자의 핫라인(hotline)과 상호 협조 하에서만 가능하다.

서류화(Documentation)

일반적으로 소프트웨어에 의해 지원되는 KNX 프로젝트 또는 빌딩 매니지먼트 인스톨레이션의 경우, 다음과 같은 문제점이 제기된다.

– 프로젝트의 최종적인 서류화는 어떠한가?
– 서류화가 순서의 의무의 파트인가?
– 고객은 이에 대한 법적인 권리를 가지고 있는가?

“작업(work)”에 속하는 순서 할당이 교부되기 전에, 서류화는 계약 파트너 사이에서 프로젝트 디자인 동안 분명하게 정의되어야만 한다.

텐더 스페시피케이션(tender specification)은 수행되어야만 하는 서비스의 형태 및 양상에 관한 분명한 정보를 포함해야 한다. 인스톨레이션이외에, 프로그래밍 및 서류화에 관한 데이터도 역시 포함되어야 하고 가능한 정확해야 한다.

서류화가 KNX 프로젝트의 공급 양상의 일부분만큼 분배 보드에 있는 회로의 라벨링인 것은 의심할 여지가 없다. 완전한 서류화는 적합한 작동 및 나중의 변형에 필요한 인스톨레이션에 관한 모든 정보를 포함한다. 이러한 데이터 및 서류화가 생산되고 이슈화됨으로써, 고객은 본인이 좋아서 선택한 전문가 인스톨레이션 컴퍼니와 협력하여 어떤 경우에도 데이터 및 서류화를 이용할 수 있다. 각각의 서류화를 생산하는데 CD ROM 상의 전자기 형태 및 프린트 형태 모두 바람직하다.

무엇이 완전한 서류화를 구성하는 것인가?

프로젝트 서류화는 후속하는 다음의 콘텐트가 고려될 경우에만 완전하다.

ETS 데이터베이스(표준 지정 EIB.DB)의 완전한 프로젝트의 수출은 이른바 배기지(baggage) 데이터를 포함한다. 이러한 데이터는 개별적인 제품 또는 제조업자의 DLL 및 협조 또는 보조 파일로 이루어진다. 이러한 배기지 데이터는 ETS 디폴트(default) 디렉토리: C:\Program Files\Common Files\EIBA 에 위치하고 있다.

그 밖의 엘리먼트는 구성요소의 리스트, 버스 시스템의 토폴로지, 대상의 빌딩 구조 및 KNX 장치의 그룹 어드레스이다. ETS 2에 있어서, 엘리먼트는 이른바 “리포터”를 통해 프린트될 수 있는 반면, ETS 3에 있어서, 이들은 “프린트” 메뉴 아이템으로 프린트된다.

계획 및 구성을 생성하기 위하여 어떤 ETS 버전과 오퍼레이팅 시스템이 사용되는지에 관한 정보는 또한 완전한 서류화에 포함된다.

개별적인 기능의 실용성에 대한 증거가 국제 KNX 표준 EN 50090에 따라서 구할 수 있으며, 테스트 결과의 적합한 서류화로 로그한다. 이러한 리포트는 고객에게 넘겨줘야 한다.

이론적으로, 기술적인 마인드를 가진 고객은 해당하는 ETS 소프트웨어를 가진 프로젝트로 변화를 수행할 수 있다. 따라서, 프로젝트 패스워드를 구동하고 프로젝트 패스워드를 밀봉된 봉투로 고객에게 주는 것이 바람직하다.

오퍼레이션 및 유지 보수

전기적인 인스톨레이션의 오퍼레이션은 커스터머에 대한 이양(handover)에서 셧다운(DIN 32541)까지, 인스톨레이션에 연결된 모든 액티비티를 포함한다. 언제든지 문제가 없는 오퍼레이션을 보장하기 위하여, 전기저인 인스톨레이션이 유지되어야 한다.

유지 보수는 2 개의 분류기준으로 나뉘어진다:

– 기술 시스템을 정의된 필요 상태에 유지하기 위하여 모든 수단을 가지고 계획적이며, 예방 차원의 유지 보수. 이러한 유지 보수에는 주기적인 검사, 상태 모니터링, 규정된 주기내에 특히 중요 부분의 교체등을 포함한다.
– 필요한 상태로 복구하기 위하여 모든 수단을 가지고 장치의 기술적인 실패 또는 폴트의 결과와 같은 무계획의 유지 보수. 이는 또한 폴트 검지 및 로컬라이제이션, 폴트 파트의 재배치 및 수선을 포함한다.

유지 보수는 있을 수 있는 기술적인 결점이 안전을 위협하지 않고 폴트는 가능한 빨리 점검되도록 디자인되어야 한다. 폴트 점검(fault detection)에 필요한 본질적인 선택권은 자동 표시, 조사 및 반복 테스트이다.

현대의 즉, 효과적이고 비용면에서 효율적인 유지 보수 프로세스는 상태-관련 장치에 의해 표시된다. 그 주요한 것은:

– 예방의, 계획적인 유지 보수의 최소한도
– 교정의, 계획적이지 않은 유지 보수의 최적화
– 상태 모니터링의 최대화

KNX 기술에서 전기적인 인스톨레이션은 종래 전기적인 인스톨레이션과 비교하여 볼 때 설득력 있는 장점을 가진다. 그 장점 중 몇몇을 보기로서 이하 나열하였다.

– 안전-관련 장비의 스위치 사이클 및/또는 오퍼레이팅 시간이 점검될 수 있으며, 장비는 최적의 시간에 예방의 유지 보수 프레임워크 안에서 교체될 수 있다.
– 비-안전-관련 장비 예를 들면, 개별적인 램프의 고장이 점검될 수 있다. 그러므로, 필요한 경우 교정(corrective) 유지 보수만 수행된다.
– KNX 장치 그 자신 및 장치에 대한 연결은 계속해서 모니터될 수 있고 발생할 수 있는 어떤 에러라도 즉시 보고될 수 있다. 즉, 상태 모니터링이 최대화된다.

따라서 KNX 기술에서 전기적인 인스톨레이션의 오퍼레이팅 비용은, 종래 전기적인 인스톨레이션과 비교하여 볼 때, 유지 보수 수단의 자동화와 최적화를 통해 감소할 수 있다. 즉, KNX 시스템에서 유지 보수 및 조사가 가능하다.

정보가 그 범위를 초과하기 때문에, 이 핸드북의 프레임워크에서 오퍼레이션 및 유지 보수에 관한 상세한 정보를 제공하는 것은, 가능하지 않다. 상이한 표준은 전송 미디어로서 트윈-코어 케이블과 수천개의 장치가 있는 KNX 인스톨레이션에 적용하기 보다는 전송 미디어로서 KNX 무선과 몇몇 구성요소가 있는 단순 KNX 인스톨레이션에 적용한다. 대부분 어떤 어플리케이션이 KNX 인스톨레이션에 의해 커버되는지에 의해 또한 좌우된다.

램프의 고장과 같은 단순한 조명 제어에 필요한 인스톨레이션을 위한 것보다는 폴트 표시 시스템과 같은 안전 기능이 있는 KNX 인스톨레이션을 위한 상이한 유지 보수 필요조건이 있다. 램프의 고장이 위험한 상황이 되게 하지는 않는다.

따라서 다음의 형태는 일반적인 문맥에서만 보여져야 하고 개별적인 경우에 있는 지역적인 조건에 대해 채택되어야 한다.

시스템 오퍼레이터는 시스템을 책임지고 있는 사람과 함께 유지 보수 개념을 만들어야 한다. 유지 보수 개념은 인스톨레이션의 필요한 상태를 보전하기 위하여 모든 수단을 포함한다. 시스템을 책임지고 있는 사람은 시스템 오퍼레이터라고 하는 사람이고 전기적인 인스톨레이션의 오퍼레이션에 대해 직접적인 책임을 가진다. 시스템 오퍼레이터는 인스톨레이션을 가지고, 인스톨레이션에서 작업을 가능하게 하기 위하여, 인스톨레이션에 의해 야기된 위험을 인지하고 평가한다.

개인 집에 있는 KNX 인스톨레이션의 경우, 시스템 오퍼레이터는 대개 전기적 인스톨러이다. 오퍼레이터는 인스톨레이션을 셋업하는 태스크를 인스톨러에게 부여했다. 기능형 빌딩 또는 산업형/상업형 건물의 경우, 시스템 오퍼레이터는 인-하우스/컴퍼니 전기공 또는 지정된 전기 인스톨레이션 컴퍼니의 고용인일 수 있다.

유지 보수 개념은 보통 다음으로 구성된다.

– 인스톨레이션의 특정 필요조건을 일치하는 유지 보수
– 유지 보수를 처리하는 예비 수단 필수품
– 유지 보수를 처리하는 명령
– 이러한 정보에 대한 유지 보수 및 빌요 반응의 결과로서 구해진 피드백

유지 보수의 프레임워크에서, 능동 상태를 평가하기 위한 조사는 제 1 단계로서 필수적이다. KNX 인스톨레이션에서, 이러한 조사는 특히, 특정한 상태 변수의 양적 정의를 위해, 인간의 간섭없이 자동으로, 시스템 그 자신에 의해 수행될 수 있다. 이러한 경우, 다음 상태:

– 어떤 간격으로,
– 어떤 장치/장비/인스톨레이션의 부분으로,
– 어떤 방법을 사용하여 또한 계획을 세우는 것이 바람직하다.

조사는 수행되어야 하고 어떤 다른 수단이 결과로 도입되어야 한다.

개별적인 경우, 다음의 사항이 또한 점검되어야 한다.

– 정의된 태스크와 코스트 프레임워크가 있는 유지 보수 계약서가 권장할 만한 것인지의 여부
– “이벤트-제어” 개별 싱글 오더가 할당되었는지의 여부
– 오퍼레이터의 인-하우스/컴퍼니 전기공이 유지 보수 그 자신을 수행할 수 있는지의 여부

각각의 경우, 유지 보수를 수행하는 사람은 현재 유용한 시스템 서류화를 만들어야만 한다.

폴트가 발생한 경우의 행동

폴트로 해석될 수 있는, 강제적인 오퍼레이팅 상태가 KNX 인스톨레이션에서 발생할 수도 있다.

표면상의 검사:

– 셔터는 확장될 수 없다. 왜냐하면 미리 정해진 풍속을 초과하기 때문이다.
– 루미나리는 하루종일 스위치는 온 상태로 있다. 밤에는, 특정 기간이 경과하면, 루미나리가 자동적으로 스위치 오프한다.
– 조명의 수동 스위치는 특정 시간에는 차단된다.
– 메인 인터럽션의 경우, 수동으로 다시 스위치 오프해야만 하는 메인 복구 이후, 특정 루미나리가 스위치 온 된다.

폴트라고 추측되는 경우, 오퍼레이터는 먼저 이것이 사실상 인스톨레이션의 동의된 응답인지의 여부를 점검해야만 한다. 그러면 오퍼레이터는 시스템을 책임지고 있는 사람과 접촉하여 “동의하지 않음” 행동이 발생한 것을 가능한 정확하게 시스템을 책임지고 있는 사람에게 설명한다.

이 경우 다음의 기본적인 질문들이 도움이 된다:

– 어떤 폴트가 발생했는가?
– 폴트가 어디에서 발생했는가?
– 어떤 장비가 이 폴트에 의해 영향을 받을까?
– 폴트가 언제 발생했나?

그림 4.7-1은 전송 미디어로서 트윈-코어 케이블이 있는 체계적인 폴트 로케이션의 시퀀스를 도시한 것이다.

그림 4.7-1 체계적인 폴트 로케이션

1. 시스템 오퍼레이터의 데이터에 따른 시각화 조사로 폴트를 한 곳에 모아 놓는다.

– 섹션/어플리케이션/기능에 사용된 버스 라인(들)을 인식.
– 액추에이터가 영향을 받았는가?
– 관련된 센서가 영향을 받았는가?
– 하나의 장치만이 또는 여러 개의 장치가 라인(들)에서 영향을 받았는가?
– 기능이 타임 스위치, 밝기 센서 등과 같은 장치에 의해 영향을 받았는가?

2. 영향을 받은 라인의 KNX 파워 서플라이의 버스 전압을 점검한다.

– KNX 파워 서플라이의 초록색 LED에 불이 들어오면, 적절하게 작동하는 것이다. 버스 로드를 연결하기 위한 당신의 디멘셔닝(dimensioning)은 정확하게 선택되었다.
– “과전압”을 나타내는 노란색 LED에 불이 들어오면(모든 KNX 파워 서플라이에 존재하지 않는), 버스 전압을 점검해야 하고 필요하다면 장치를 교환해야만 한다.
– “과전류”를 나타내는 적색 LED에 불이 들어오면, 연결된 버스 로드가 너무 높거나 단락이 버스 라인에서 일어난 것이다.
– KNX 파워 서플라이의 초록색 LED에만 불이 들어오면, 리셋으로 폴트를 교정하기 위한 시도가 이루어져야 한다.
– 초크의 스위치는 리셋으로 세팅되어야 하고(초크의 적색 LED에 불이 들어온다) 대략 2-3 초 후에 리셋된다. 그런 다음 폴트가 교정되었는지 여부를 점검한다. 데이터 레일 코넥터의 버스 케이블의 콘택트 및 교정 컬러 어사인먼트를 점검한다.

3. 영향을 받은 라인의 모든 버스 장치가 응답하는지의 여부를 커미셔닝 소프트웨어로 점검한다. 응답하지 않는 장치를 점검한다:

– 커미셔닝 소프트웨어로 설정된 물리적 어드레스는 장치 및 서류상의 어드레스와 매치하는가?
– 버스 커플링 유닛 위에 프로그래밍 버튼을 누른다. 적색 LED 에 불이 들어왔나?
– 예스(yes)이면: 프로그래밍 버튼을 다시 누른다. LED 가 다시 꺼진다.
– 노(no)이면: 버스 커플링 유닛의 연결과 장치상의 오퍼레이팅 전압 및 버스 전압을 점검한다.
– 영향을 받은 기능(들)의 센서(들)가 정확하게 동작하는지의 여부를 입증한다. 이렇게 하기 위하여, 진단 소프트웨어로 해당 트리거 조건을 세팅하고 센서를 구동한다.

4. 어떤 텔레그램도 진단 소프트웨어에 의해 기록되지 않으면, 그 이유가 분명해져야 하며 에러는 필요하다면 교정된다.
가능한 이유는 다음과 같다.

– 트리거 조건이 부정확하게 세트된다.
– 어플리케이션 모듈은 버스 커플링 유닛의 어플리케이션 소프트웨어를 매치하지 않는다.
– 센서의 물리적 어드레스는 장치의 물리적 어드레스와 일치하지 않는다. 여기서 트리거 조건이 세트되었다.
– 어떤 어플리케이션 소프트웨어도 버스 커플링 유닛으로 로드하지 않았다.
– 부정확한 어플리케이션 소프트웨어가 프로그램된다.
– 플래그가 부정확하게 세트된다.

5. 텔레그램이 진단 소프트웨어에 의해 기록되지 않으면, 텔레그램이 분석되어야 한다. 영향을 받은 버스 장치의 프로그래밍이 필요하다면 바뀌어야 한다.

6. 전송된 그룹 어드레스를 구성된 그룹 어드레스에 매치한다.

7. 센서가 어떠한 에러 또는 교정되었던 어떤 확증된 에러도 없이 작동하고 완전한 기능에 결함이 여전히 있다면, 영향을 받은 액추에이터는 점검되어야만 한다.

– 부정확한 어플리케이션 모듈
– 부정확한 물리적 어드레스
– 버스 커플링 유닛에 어떤 어플리케이션 소프트웨어도 로드하지 않음
– 가능한 논리 오퍼레이션에 필효한 조건을 충족하지 못함
– 폴티 액추에이터 또는 오퍼레이팅 전압 없음
– 부가적인 서플라이 예를 들면, 230V 없음

글_ 오승모 기자 oseam@icnweb.co.kr

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칼럼

엣지 노드와 센서 설계의 더 높은 수준을 요구하는 디지털 트위닝

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그림 1: 디지털 트윈(DT) 아키텍처는 IoT 아키텍처와 마찬가지로 엣지 노드 상의 센서, 게이트웨이 노드, 엔터프라이즈 노드로 이루어진다.

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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머신/팩토리

[이슈] 인공지능을 통한 인간-로봇 콜라보레이션

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필립 델롬(Philippe Delorme) 슈나이더 일렉트릭 부회장

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.

필립 델롬(Philippe Delorme) 슈나이더 일렉트릭 부회장
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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