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기획특집 산업용 IoT 디바이스 시스템 최적화를 위한 스마트 팩토리 환경 분석

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작성자 최고관리자 댓글 0건 조회 34회 작성일 23-01-13 14:55

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1. 서 론

스마트 팩토리는 사물인터넷, 빅데이터 등 다양한 정보통신기술을 결합하여 제품 개발부터 양산까지의 모든 과정에 대한 자동화, 최적화, 지능화로 고효율의 유연한 생산체계를 가지고 있는 공장이다. 구축된 인프라를 통해 유해가스, 화재, 위험 화물 접근 등 위험 요소 실시간 감시 및 작업자 경고뿐만 아니라 공정을 구성하는 설비의 수명을 예측하고, 고장·오동작 전 유지 보수를 통한 안전사고 예방을 지원하는 시스템을 갖추고 있다.

세계 주요국은 제조업 부활을 위해 정부, 민간 차원에서 스마트 팩토리를 적극적으로 도입하고 있다. 독일은 인더스트리 4.0 전략을 통해 민·관·학 협력 모델을 구축하였고, 미국은 GM, MS, 아마존 등 글로벌 IT 민간 기업들의 주도로 발전하고 있다. 또한 일본은 커넥티드 인더스트리를 통해 산학연 협력 기반 스마트공장 구축 계획, 중국은 중국제조 2025 전략 목표를 설정, 제조업 혁신센터 구축 등 정부 차원의 정책을 지원하고 있다.
우리나라는 ‘제조업 혁신 3.0 전략(2014)’ IoT 관련 정부의 지원 정책을 시작으로 ‘스마트 제조혁신 비전 2025(2017)’ 중소·중견기업의 제조혁신 촉진 및 기반 산업 경쟁력 확보, ‘중소기업 스마트 제조혁신 전략(2018)’ 지역별 수요·공급기업 간 협업을 통해 스마트 팩토리 보급 및 확산 사업을 진행하고 있으며, 2025년까지 3만 개 이상의 스마트 팩토리 보급 계획을 가지고 있다.

스마트 팩토리는 타 산업 대비 온도, 온도차, 습도, 전자파 등 디바이스의 직간접적인 영향을 미칠 수 있는 극한 환경으로 조성되어 있다. 그러나 현존하고 있는 대다수 IoT 디바이스들은 현장 환경을 반영하지 않고 제품이 개발되어 있어 고장 및 성능 열화 등 신뢰성 및 내구성에 대한 문제가 대두되고 있다.

전 세계적으로 이에 대한 기술력, 시험 기준 및 검증 요구가 증가하고 있으며, 극한 환경에서도 고신뢰성이 유지되는 IoT 디바이스를 산업용 IoT 디바이스라 분류하여 적극적으로 개발하고 있다. 국내에서의 IoT 분야 산업은 활발히 성장하고 있으나, 대다수 솔루션·SI 컨설팅 및 통신 장비, 센서 등 SW 중심으로 생태계가 형성되어 있고, 산업에 사용되는 IoT 디바이스는 대다수 해외 수입에 의존하고 있는 실정이다. 따라서, 국내 기술력 향상 및 글로벌 경쟁력 확보를 위한 디바이스 전주기의 시험인증 평가와 극한 환경에서의 IoT 디바이스 검증 기반 확보가 필수적이다.

한국산업기술시험원에서는 스마트 팩토리 산업 제품 개발 지원을 통한 국내 시장 품질 향상, 고효율 운영 및 작업자 환경 유지를 위해 산업통상자원부 기반 구축 사업의 일환인 ‘플랜트 산업안전용 IoT 융합 디바이스 실증 지원’을 수행하고 있다. 본 사업은 다양한 수요·공급기업에 필요한 시험 분석, 시험평가법, 가이드라인, 환경 및 인증에 관한 기술 자문을 지원하고 있으며, 실 환경 실증을 통해 수집한 데이터와 보유 장비를 통해 모사 시험 서비스를 제공하고 있다.


2. 본 론

본 사업에서는 스마트 팩토리 환경 분석을 위해 산업용 IoT 디바이스에 주요 성능에 영향을 미칠 수 있는 전자파, 간섭 전파 등의 통신 환경과 스트레스 인자(온도, 습도, 진동, 분진 등)에 대한 영향력을 분석하는 운용 환경 두 가지로 분석하였다. 스마트 팩토리별 환경 요인 파악을 위해 설비 위주의 자동차 제조, 온습도 극한 환경의 철강, 염수 및 전파 난반사의 영향이 우려되는 해양 조선으로 설정하였다.

1) 통신 환경 분석
스마트 팩토리 내 사용되는 산업용 IoT 디바이스들은 온습도 측정, 설비의 상태, 작업자의 위치 등 다양한 데이터를 수집 및 전송한다. 따라서, 단위면적당 산업용 IoT 디바이스의 밀도가 굉장히 높아 기기 간 간섭 등이 야기될 수 있다. 또한 프레스기, 용접기 등 설비가 운용될 때 순간적으로 발생하는 전자파가 보드에 직간접적인 영향을 미친다. 이러한 통신 환경을 분석하기 위해 표 1과 같이 설비로 인한 강한 전자파가 발생하는 1 GHz 이하의 대역, 디바이스 간 통신 간섭이 예상되는 18 GHz 이하의 대역을 분석하였다.

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측정 사이트는 측정 장비의 노이즈 레벨을 확인할 수 있는 차폐 시험실과 공장별 고유 전파 환경을 파악할 수 있는 설비와 산업용 IoT 디바이스가 많은 지역으로 선정하였다. 통신 환경 측정 절차는 표 2와 같다. 결과 비교를 위해 측정 장비 고유의 전파와 공정 가동 전후를 나누어 공정 및 작업자의 디바이스로 인한 전파를 측정하였다.

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자동차 제조 공장은 전자파의 반사, 회절, 투과 등과 같은 물리적 현상을 발생시킬 수 있는 금속 물질의 움직임, 데이터 통신 신호, 용접으로 인한 스파크 현상 등이 있다. 통신 환경 측정 결과, 10 kHz ∼ 20 MHz 대역에서는 용접 작업 여부에 따라 기존 신호 대비 강한 전파가 발생하였다. 3 GHz 이상의 주파수 대역에서는 5 GHz 특정 대역 외 노이즈 세기 수준의 전파 환경이 조성되어 있었다. 철강 제조 공장에서는 대형 모터의 구동, 철강 공정으로 인한 금속 제련, 냉각 등으로 인해 공장 고유의 노이즈 레벨이 비교적 높았다. 10 kHz ∼ 20 MHz 대역에서는 철강 공정이 동작함에 따라 강한 전자파가 발생하였고, 1.7 GHz ∼ 2.4 GHz 대역에서는 작업자의 스마트폰과 LTE, WLAN, BLE와 같은 산업용 IoT 디바이스 등으로 추정되는 신호들이 측정되었다. 해양 조선 제조 공정에서는 선박을 구성하는 철판 등으로 인한 전파의 난반사와 플라즈마, 프레스기로 인한 스파크 현상이 발생하였다. 측정 결과 10 kHz ∼ 20 MHz 대역에서는 설비 동작에 따라 순간적으로 강한 전자파가 측정되었으며, 900 MHz 이하 대역에서는 무전 신호와 LoRa 통신 전파가 측정되었다. 또한, 2.4 GHz ISM 대역과 3 GHz 이상 대역에서 산업용 IoT 디바이스 하모닉 성분으로 추정되는 전파들이 측정되었다.
공장별 객체와의 전파 측정 거리, 설비 및 구조물 등 주변 환경이 달라 노이즈의 레벨은 다르지만, 공통으로 6 GHz 이하의 대역에서 많은 신호가 분석되었다. 특히 20 MHz 이하 대역에서는 디바이스 메인보드의 리셋, 기능 장애 등 영향을 미칠 수 있는 강한 전자파가 순간적으로 발생하였고, 간헐적 통신 장애 및 리셋으로 인한 디바이스 배터리 수명 저하 등이 우려된다. 3 GHz 이하 대역에서는 무전기기, LTE, LoRa, BLE, WLAN 등 다양한 산업용 IoT 디바이스로 인한 간섭 전파가 발생하였다.
통신 환경 분석 데이터를 바탕으로, 공정 설비 무선화 시스템 구축 계획이 있는 자동차 제조 공장에는 공급 예정 산업용 IoT 디바이스와 게이트웨이를 고유 전파 환경 데이터 기반 엄격한 시험 기준으로 검증하였다. 노이즈 레벨이 타 공장 대비 높아 간헐적 통신 장애 및 디바이스 리셋, 고장이 빈번했던 철강 제조 공장에는 단위면적당 AP 설치 밀도 향상을 통해 통신 커버리지 개선 및 강한 전자파가 발생하는 지역 유선 통신으로 변경 및 부분 차폐로 개선하였다. 또한, 통신 커버리지와 간섭으로 인해 위치 정보 수집 서비스 도입에 어려움이 있었던 해양 조선 제조 공장에서는 밀집 주파수 회피 및 설치된 인프라를 이용한 최적의 실내 측위 통신 방법을 도출했다.
앞서 제시한 방법으로는 데이터의 전송 지연, 전송량 제한 등 한계로 인해 궁극적인 스마트 팩토리 구현에 어려움이 있다. 현재 이동통신 국제 표준 단체인 3GPP Rel 17, 18에서는 이러한 한계점을 개선하고자 대규모 사물통신으로 1 km2당 백만 개 이상의 산업용 IoT 디바이스 초연결 및 5G 데이터 전송의 안정성과 보안을 확보하는 mMTC 기술 표준을 개발하고 있다. 향후, mMTC 기술을 이용하면 스마트 팩토리는 다량의 데이터를 1ms 이하의 낮은 지연 시간으로 수집·전송하여 공정 설비의 예지보전 및 효율적인 운용, 관리자 사전 대응 등이 가능한 다양한 서비스가 가능하다.

2) 운용 환경 분석
스마트 팩토리는 공정에 따라 고온의 복사열, 수증기, 분진, 진동 및 충격 등이 발생한다. 산업용 IoT 디바이스 인증 과정에서 온도 변화, 전자파 내성 등이 성능 검증이 포함되지만, 스마트 팩토리와 같은 극한 환경에서는 고장 및 성능 저하가 지속해서 발생하고 있다. 산업용 IoT 디바이스 성능에 대한 신뢰성 보장을 위해 운용 환경 중 디바이스에 영향을 미칠 수 있는 스트레스 인자 조사와 이에 맞는 시험 및 검증이 필요하다.
운용 환경에 대한 분석 및 시험 절차는 표 3과 같다. 먼저 제조사에서 선언한 산업용 IoT 디바이스의 성능 및 수명주기 등 일반 사항을 수집하고, 공장별 산업용 IoT 디바이스에 영향을 미칠 수 있는 온도, 습도, 열충격, 분진, 충격 등과 같은 환경 스트레스 인자를 조사한다. 이때, 스트레스 인자의 평균 데이터와 설비 동작에 따른 스트레스 인자의 변화 시간도 측정하며, 공장의 개방 정도에 따라 외부 환경 데이터도 함께 수집한다. 스트레스 인자 조사가 완료되면, 도출한 인자에 대한 엄격도 및 산업용 IoT 디바이스의 전주기 환경 프로파일을 조사한다. 이후 이해관계자 및 유관 전문가 회의를 통해 산업용 IoT 디바이스에 실질적 영향을 미치는 스트레스 인자와 관련 시험 항목 결정 및 시험에 대한 세부적인 조건을 설정한다. 마지막으로, 시험 전후 디바이스의 정상 동작 여부를 확인하여 적합성을 판별한다.
철강 제조 공장의 환경 스트레스 인자로는 온도, 습도, 온도 변화, 진동 등이 있었다. 스트레스 인자들에 대한 데이터를 확보하고자 공정 동작 전후로 데이터의 변화가 어느 정도 이루어져 안정적일 때의 평균 데이터와 변동 구간에서의 평균 데이터 및 시간을 측정했다. 또한, 공정이 외부와 연결된 개방된 구조로 되어 있어 외부 환경 반영 목적으로 기상청 데이터 등을 함께 수집하였다. 보유한 시험 데이터 및 국제 규격을 바탕으로 스트레스 인자별 엄격도와 프로파일을 설정하였다. 마지막으로, 이해관계자와 유관 전문가 회의를 통해 산업용 IoT 디바이스에 실질적인 영향을 미칠 수 있는 스트레스 인자와 시험 항목 및 엄격도까지 변동되는 시간, 변화 Step 등 구체적인 시험 방법을 정의했다. 산업용 IoT 디바이스의 정상 동작 여부 확인 후 정의된 시험 방법에 따라 진행 및 진행 후 산업용 IoT 디바이스의 정상 동작 여부를 확인하여 적합성 여부를 판별했다.
운용 환경 분석 데이터를 토대로 도출한 시험 기준에 검증된 산업용 IoT 디바이스는 현재까지 이상 없이 운용하고 있으며, 고장 및 기능 장애 디바이스를 대상으로 개선 지원을 계획하고 있다.

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3. 결 론

많은 제조 기업들이 작업자의 안전 확보 및 공정 효율성 극대화를 목표로 스마트 팩토리를 도입하고 있다. 그러나 공정 내 극한 환경으로 인해 산업용 IoT 디바이스 수명 저하, 기능 장애 등이 발생하여 서비스 운용에 애로 사항이 있다.

산업통상자원부 기반 구축 사업의 일환인 ‘플랜트 산업안전용 IoT 융합 디바이스 실증 지원’ 사업을 통해, 한국산업기술시험원에서는 자동차, 철강, 해양·조선의 공장 환경을 통신, 운용 환경 관점에서 분석하였다. 통신 환경에서는 20 MHz 이하에서 설비 동작으로 인한 기기의 메인보드에 영향을 미칠 수 있는 강한 전자파가 발생하였으며, 900 MHz ∼ 2.4 GHz에서는 커버리지 내 수많은 산업용 IoT 디바이스 기기 또는 작업자의 스마트폰 등으로 인한 간섭 전파가 관찰되었다. 운용 환경에서는 고온, 다습, 분진 등 스트레스 인자로 인해 디바이스 장애 및 기대 수명을 만족시키지 못하는 것을 확인하였다.

분석 결과를 토대로, 공장별 지향하는 산업용 IoT 시스템에 따라 최적의 통신 방식 및 온도, 습도, 분진 등 디바이스에 영향을 줄 수 있는 요소들을 사전 검증하는 엄격한 시험 기준을 제시하였다. 또한, 분석 데이터를 토대로 최적의 산업용 IoT 시스템 운용을 가이드를 제시하였다. 한국산업기술시험원에서 보유한 장비 인프라를 통해 공정 환경을 모사한 시험 서비스를 제공하고 있다.

thkwon@ktl.re.kr