통합 공장 자동화에 총체적 접근 방식 적용

제조업 디지털화의 초창기를 돌아보면 사일로적인 사고방식이 만연했습니다. 설계와 계획, 기계 프로그래밍, 생산 간에 정보 공유가 거의 또는 전혀 이루어지지 않았습니다. 엔지니어는 프런트 오피스에서 출력한 CAD 및 BOM(부품 명세서)을 가져와 작업 현장에서 기계 공구를 수동으로 프로그래밍해야 했습니다. 그러다 생산 문제가 발생하면 제품 설계자에게 해당 문제와 관련 수정 사항을 피드백하지 않고 엔지니어 본인이 문제를 해결했습니다. 설계와 제조 사이의 단절로 인해 제품을 개선하여 더 간단하고, 빠르고, 저렴하게 제조할 수 있는 옵션이 없었습니다.

하지만 상황이 바뀌었습니다. 오늘날 연결성은 최신 공장에서 가장 중요한 요소입니다(그림 1). 산업용 이더넷 네트워크를 활용하면 설계, 계획, 프로그래밍, 생산을 연결하여 공장의 각 부분에서 다른 모든 부분 및 전 세계와 정보를 공유할 수 있습니다. 그 결과 엔지니어는 자유로운 정보 흐름을 통해 조립 공정을 최적화하여 생산성과 품질을 개선하는 동시에 낭비를 최소화할 수 있습니다.

그림 1: 연결된 작업 현장에서 엔지니어는 조립 기계 프로그램을 신속하게 업데이트하여 품질과 생산성을 극대화할 수 있습니다. (이미지 출처: Omron)

보완 필요성

공장 전체가 연결되어야 한다는 사실에는 논쟁의 여지가 없습니다. 이러한 시스템을 구축하는 것이 결코 사소한 일이 아니라는 사실 또한 논쟁의 여지가 없습니다. 일반적으로 네트워크는 비용과 복잡성의 문제로 다양한 제조업체의 컨트롤러, 센서, 프로그래밍 가능 논리 컨트롤러(PLC), 인간 기계 간 인터페이스(HMI)에 의존하여 상호 운용이 불가능한 소프트웨어 및 무선 프로토콜을 실행합니다. 이러한 상황은 엔지니어가 고장이 발생하지 않는 한 모든 요소가 함께 작동할 수 있는 해결 방법을 구현하는 데 많은 시간을 소비하게 된다는 것을 의미합니다. 작동 상태를 유지하기 위한 땜질식 작업이 지속되며 유지보수 및 업그레이드 비용이 배로 늘어납니다.

상호 운용성 및 호환성 문제를 해결하는 몇 가지 특수 상용 솔루션이 있기는 합니다. 하지만 이러한 제품에는 일반적으로 잘 작동하지만 복잡성이 증가하고 단편적인 솔루션이 영구화된다는 단점이 있습니다. 이에 대한 대안으로 서로 조화롭게 작동하도록 설계된 네트워크, 부품, 소프트웨어 요소로 이루어진 단일 제조업체의 완전 통합형 자동화 플랫폼을 통한 총체적인 접근 방식이 있습니다.

완전 통합형 자동화 플랫폼이란?

'완전 통합형 자동화 플랫폼'. 마케팅 안내 책자에서 자주 보이는 문구입니다. 하지만 이 말이 정확히 의미하는 바는 무엇일까요? 정의는 대답하는 사람에 따라 다르지만, 자동화 제조업체인 Omron은 제조 시설의 정보 기술(IT) 부분과 운영 기술(OT) 부분을 함께 묶는 것으로 네트워크를 설명합니다(그림 2).

그림 2: 제조 공장의 완전 통합형 자동화 플랫폼은 IT 및 OT 네트워크로 구성됩니다. (이미지 출처: Omron)

네트워크의 IT 부분은 설계 및 생산 계획이 이루어지는 프런트 오피스와 공장 자동화 부분으로 구성됩니다. 공장 자동화를 통해 기계 프로그래밍, 오퍼레이터 인터페이스, 사물 지능 통신(M2M)을 관리할 수 있습니다. 통합 자동화 플랫폼의 OT 부분은 공장 및 기계 모니터링, 센서, 로봇, 기계 제어로 구성됩니다.

Omron의 Sysmac은 그러한 플랫폼 중 하나입니다. Sysmac을 활용하면 산업용 이더넷 연결(IT 및 공장 자동화용 EtherNet/IP, OT 네트워크용 EtherCAT), 단일 기계 자동화 컨트롤러, 공유 감시 소프트웨어를 사용하여 공장 전체 연결을 단순화할 수 있습니다.

플랫폼의 핵심, 자동화 컨트롤러

IT 네트워크와 OT 네트워크 간의 중요한 연결 고리는 Omron 솔루션의 Sysmac Machine Control 소프트웨어를 실행하는 산업용 PC인 기계 자동화 컨트롤러(이하 '컨트롤러')입니다. 컨트롤러를 통해 IT 시스템에 의해 결정되는 제조 프로토콜에 따라 모든 기계 동작, 안전, 비전, 로봇 공학, 감지 및 데이터베이스 연결을 동기식으로 제어할 수 있습니다.

컨트롤러의 예로는 Omron NX102-1020이 있습니다. 이 컨트롤러를 사용하면 게이트웨이 없이도 IT 데이터베이스의 정보를 처리할 수 있습니다. 또한 기계 안전을 감독하고 생산 품질을 유지하는 동시에 고속, 고정밀 기계 제어를 제공할 수 있습니다. NX102-1020은 0.37ns 만에 기본 명령을 실행하고 125µs마다 서보 및 스테퍼 모터에 대한 명령을 업데이트할 수 있는 Intel Core i7 마이크로 프로세서를 기반으로 합니다. 센서는 기계의 위치, 변위, 백래시 정보를 컨트롤러에 빠르게 피드백합니다. 따라서 부드러운 캠 동작과 고정밀 기계축 이동이 가능합니다.

NX102-1020(그림 3)은 폭 66mm의 콤팩트한 설계에 산업용 이더넷 포트 3개(EtherNet/IP 2개, EtherCAT 1개), CPU 장치 1개, 전원 공급 장치 1개를 갖추고 있습니다. PLC 내 제어 프로그램의 기본 소프트웨어 아키텍처 및 프로그래밍 언어를 다루는 IEC 61131-3 표준을 준수하며 동작 제어를 위한 PLCopen 기능 블록을 사용합니다.

그림 3: NX102-1020 컨트롤러는 콤팩트 폼 팩터에 산업용 이더넷 포트 3개, CPU 장치 1개, 전원 공급 장치 1개를 갖추고 있습니다. (이미지 출처: Omron)

단일 소프트웨어 플랫폼

소프트웨어 또는 여러 형태의 소프트웨어가 적당히 연결되어 전체적으로 작동하는 것은 공장 자동화 플랫폼의 치명적인 약점이 될 수 있습니다. 이러한 시스템을 유지보수하고 원활하게 운영하려면 많은 시간이 소요되며, 엔지니어가 이를 신경 쓰느라 생산 공정을 최적화하는 데 집중하지 못할 수 있습니다.

Omron의 솔루션은 하나의 소프트웨어 패키지로 전체 시스템을 실행하여(NX102-1020 컨트롤러 프로그래밍 포함) 이 문제를 해결합니다. Sysmac Studio(그림 4)라고 하는 이 소프트웨어는 사실상 맞춤형 3D 동작 시뮬레이션 도구를 포함하는 통합 개발 환경(IDE)입니다. Omron 컨트롤러와 마찬가지로 IDE는 IEC 61131-3 표준을 완벽하게 준수합니다. IDE를 사용하면 변수를 포함한 프로그래밍이 가능하므로 엔지니어가 PLC의 내부 메모리 맵을 학습할 필요가 없습니다. 이는 프로그램을 재사용할 수 있다는 의미이기도 합니다.

그림 4: Sysmac Studio에는 엔지니어가 구현 전에 생산 공정을 확인하고 개선할 수 있는 맞춤형 3D 동작 시뮬레이션 도구가 포함되어 있습니다. (이미지 출처: Omron)

결론

연결된 공장은 제조업의 미래이지만, 모든 요소를 통합하고 원활하게 운영하는 것은 쉽지 않은 일입니다. 이에 대한 대안은 단일 제조업체의 네트워크, 부품, 소프트웨어 요소로 이루어져 원활하게 작동하도록 설계된 완전 통합형 자동화 플랫폼을 통한 총체적 접근 방식을 채택하고 엔지니어는 제조 공정을 최적화하는 데 집중하는 것입니다.