사물인터넷(IoT)과 인더스트리 4.0(Industry 4.0)이 기존의 산업용 통신에 미치는 영향

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사물인터넷(IoT)과 인더스트리 4.0(Industry 4.0)이 기존의 산업용 통신에 미치는 영향

By: Armin Puhringer, Hilscher Gesellschaft fur System Automation mbH

사물인터넷(IoT)은 생산자와 end-user를 위한 부가가치가 직접적으로 중요하게 보이는 소비자 시장에서 유래됐다. 2014년에는 산업 시장의 잠재력이 인식되면서, 산업용 사물 인터넷(IIoT)이라는 신조어가 등장하게 됐다. 그 후, 업계에서는 IoT 기술의 설계 및 표준화로부터 막대한 영향을 받기 시작했다. 북미에서는 산업용 인터넷 컨소시엄 ‘Industrial Internet Consortium: IIC)’이 현대 생활로의 IoT 적용방법을 정의하는 주요 기관으로 주목 받기 시작했다.

또한, IoT의 성장은 접속이 가능한 사물뿐만 아니라, 심지어 자신의 정보나 식별 능력이 장착되어있지 않은 객체를 비롯하여 수많은 다른 요소들에서 사용되고 있는 만물인터넷 'Internet of Everything(IoE)'의 탄생을 가능하게 했다. '산업용 인터넷(Industrial Internet)'이라는 용어 또한, 산업용 인터넷 사용의 증가에 따라 새롭게 등장했다. ‘빅데이터’나 ‘클라우드’, “클라우드 어플리케이션과 같은 용어들도 마찬가지로 loT에서 영향을 받은 것들이다.

IoT정보는 Real-Time Ethernet 시스템과 기존의 필드버스 네트워크에서도 지속적으로 사용될 것이다. 산업용 Ethernet은 IoT로 쉽게 통합 될 수 있다. 그러나, 필드버스는 IoE의 일부로 간주됨에도 불구하고, 클라우드 기술을 이용한 직접적인 연결이 불가하다.

인더스트리 4.0은 특히 유럽의 산업 시장에서 생산 및 판매의 최적화를 필요로 하는 산업용 어플리케이션의 주된 관심사가 되어 왔다. 인더스트리4.0이라는 이름은 1차 산업 혁명의 역사적 영향으로부터 유래됐다.

lloT 및 인더스트리 4.0의 콘셉트는 ‘산업용제조’와 ‘정보기술’ 이 두 가지를 기반으로 한다.

이 문서에서 ‘사물인터넷(IOT)’은 IIoT, 인더스트리 4.0 및 산업용 인터넷을 포함하는 포괄적인 용어로 간주된다. 특히, ‘인더스트리 4.0’이라는 용어는 유럽지역의 사업 사례와 전략에 대해 설명할 때마다 강조되고 있다.

IoT의 목표를 달성하기 위해 산업에서 사용되는 자원들은 매우 중요하며, 절대 간과해서는 안 되는 것들이다. 이니셔티브 범위에는 순수 마케팅 프로그램, 테스트베드와 같은 프로토타입 어플리케이션을 통해 진짜 IoT 제품으로 인식되기까지의 과정이 포함된다. 물론 우리는 “진짜 IoT 제품이란 무엇인가?”라는 의문을 갖게 될 것이다. 이 질문에 대한 한 가지 답을 제시하자면 IoT 사용이 가능한 제품은 다음과 같은 기능을 지원하거나 충족시켜 준다는 것이다.

? 자기 조직화 (Self-Organization)

? 의미 (Semantics)

? 가상 물리 시스템 (Cyber-physical system)

? 클라우드 기반 어플리케이션

IoT는 대부분의 기업에서 전략적으로 매우 중요한 부분으로 간주되고 있다. 비즈니스적 관점에서 새로운 계약 모델은 자본재 분야에서 개발되어 왔다. 한 가지 예로, 항공기 엔진의 작동을 위해 사용 및 운용비용을 기반으로 계약모델이 전개되어왔다. 프로토타입의 설치(테스트 베드) 또한 실질적인 혜택을 보여주었다.

기술적 관점에서, 통신은 변화 및 진화를 거듭하고 있다. 2010년도에 IEC 62541로 발행된 OPC UA는 필드 레벨에서 시작된 분산 통신을 지원하는 공개/가입 메커니즘을 포함하도록 확장되고 있다. 동일한 맥락에서, 실시간 동작기능은 Time Sensitive Networking(TSN)과 오디오의 스트리밍을 기반으로 하는 IEEE 802 그룹에서 얻은 표준 모음, 그리고 표준화된 Real-Time Ethernet 콘셉트를 지향하는 산업의 고정밀 타이밍 기술과 결합된 비디오 분야의 도입에 의해 지원되고 있다.

아직까지는 투자수익률(ROI)이 명확하지 않기 때문에, 협업의 필요성을 볼 수 있다. 제품 라인에 적합한 기술의 통합은 제품 개발 시작단계부터 협업을 필요로 하고 있다. 이러한 협업은 제품의 마케팅 및 새로운 고객층 발굴까지도 연결될 수 있다. 경쟁에 대한 압력 또한 하나의 요소로 작용 한다. 디지털 분야의 생산 및 소비자 레벨에서의 글로벌 경쟁에서 뒤쳐지지 않기 위해, 기업 간의 협력 및 협업은 필수 요소가 되었다

통신 기술에서 고전적인 ‘정보기술’의 융합은 중요한 의미를 가지고 있으며, 생산 분야에 종사하고 있는 우리는 이를 잘 알고 있다. 이미 이에 대한 약어로는 다음과 같은 것이 있다.

운용 기술 (Operational Technology 또는 OT) 첫 번째 페이지에서 설명된 IIC의 레퍼런스구조

다른 국가에서의 IoT 이용 사례

독일: 독일 연방정부의 ‘인더스트리 4.0’ 이니셔티브는 최근 ‘플랫폼 산업 4.0’으로 재탄생 했다. 작업 그룹에는 레퍼런스구조, 보안, 개발 및 혁신 등을 다루는 그룹뿐만 아니라, 직원들의 법적 문제 및 영향을 다루는 그룹이 있다. 개념상, 독일의 활동은 이전의 표준화 활동에 사용되는 상향식(bottom-up) 접근 방식을 따르며, 개념에 대한 작업 및 테스트 베드 개발에 중점을 두고 있다. 독일의 이니셔티브 역시 유럽의 상황에 맞춰져 있다.

유럽연합(EU)의 자금을 사용하여, 데이터의 의미 및 사이버 물리 시스템 4단계 구조와 같은 요소에 자세히 설명되어 있다. 인더스트리 4.0 이니셔티브의 본질은 산업용 제조 프로그램을 위한 것이었지만, 이는 end-user뿐만 아니라 새로운 비즈니스 기회에 초점을 맞춘 이니셔티브로 보완된다.

북미지역: IIC(Industrial Internet Consortium, 산업용 인터넷 컨소시엄)는 첫 번째 페이지의 레퍼런스구조[1]에서 언급된 바와 같이, 산업용어플리케이션에서 IoT의 실제 구현을 위한 중요한 걸음을 내디뎠다. 이제 시스템의 전체 구조 및 구성 요소뿐만 아니라 기능에도 중점을 두고 있다. 산업 환경에서의 어플리케이션은 늘 강조 되어왔는데, IIC는 다음과 같이 그 개념을 정의하고 있다. “산업용 인터넷은 비즈니스 프로세스의 변경을 위해 첨단 데이터 분석을 통해서 지능형 산업용 어플리케이션의 실현을 가능케하는 기계, 컴퓨터 및 사람들을 위한 인터넷이다.”

IIC 레퍼런스 구조의 통신 계층간 모델 ¹

IIC 문서에서 필드 네트워크는 센서, 액추에이터, 기계 및 제어 시스템을 포함하고 있으며 이와 같은 컴포넌트들은 edge devices의 형태로 액세스 가능케 만들어 준다. 액세스 계층은 컨트롤 레벨에 대한 정보로의 액세스를 제공한다. 지금까지 설명한 내용은 생산 관리뿐만 아니라, 필드 레벨을 최적화하기 위한 정보 분석을 포함하는 고전적 데이터 관리의 역할이다. 이 개념은 데이터 선택과 집중 작업 및 통신의 관점에서 생산 시스템의 확장성을 처리할 수 있는 종단 게이트웨이에서 적용 가능하다.

이들은 기업 네트워크, 개인네트워크 또는 4G/5G 네트워크와 같은 형태로 인터넷 내부에서 구현될 수 있다. 또한, 액세스 계층은 기업 경영의 기존 도메인이 있는 엔터프라이즈 레벨 정보의 제공을 허용한다. 네트워크 구조는 각 액세스 계층을 위해 삼중으로 설계된다. 필드 네트워크는 제어 시스템, 기계, 장비 및 제조 공정의 센서/액추에이터로의 연결을 위해 기존의 Real-Time Ethernet 또는 필드버스 통신을 사용한다.

일본: 몇몇 일본 주요 기업들이 함께 최근 ‘IVI(Industrial Value Chain Initiative, 산업용 밸류망)'를 발표했다. 이는 독일의 인더스트리 4.0 이니셔티브에 대한 대안으로 떠오른 새로운 포럼이다. IVI는 단순 표준화가 아닌, 일본 산업 표준의 국제적인 확립에 중점을 두고 있다. IVI는 일본에 있는 여러 IoT이니셔티브 중 하나이지만, 시장을 선도하고 있는 여러 기업들이 포함되어 있다.

중국: ‘Made in China 2025’는 자국 내 제조 산업을 최고 수준으로 만들기 위한 중국 정부의 10년 계획이다. 인더스트리4.0 이니셔티브는 중국에서 많은 관심을 받고 있으며, ‘Made in China 2025’의 다음 단계로 고려되고 있다. 이 10년 계획에는 새로운 정보 기술과 하이-앤드 NC 컨트롤러 및 로봇, 산업용 어플리케이션의 중요성에 대한 강조 및 정확한 명시가 포함되어 있다. 기존의 Real-Time Ethernet 표준은 이미 중국 표준으로 인정되었지만, 중국 기반 통신 표준이 10년 계획의 일부로서 어느 정도까지 개발 될 수 있을지는 아직 미지수이다.

IoT 및 Industry 4.0에서 새로운 점은?

IoT는 개별기술이 아닌 여러 가지 기술의 상호작용을 포함한다. 가장 중요한 것은 생산공정의 자기 조직화이다. 생산공정에 있는 제품이 필요한 제조단계를 수행하기 위해, 자체적으로 가지고 있는 정보를 바탕으로 개별 워크스테이션에 지시한다. 인더스트리 4.0은 심지어 ‘Batch Size 1’의 개념도 제안하고 있다.

자기 조직화는 필드레벨에서 생산관리를 하기 위해 더 높은 지능을 필요로 하며, 간단한 데이터 전송을 넘어서, 첨단 통신기능을 필요로 한다.

자기조직화의 개념적 요구사항

어떤 통신이 전달되어야 하는 지에 대한 기능 및 로컬 지능 사이에는 상호 작용이 존재하며, 관련정보를 사용할 수 있을 때에 지능형 알고리즘을 이해할 수 있다. 향후, 정보는 단순히 데이터를 포함할 뿐만 아니라, 콘텐츠의 의미를 함께 반영해야만 한다.

Semantic 4-계층 모델²

첫 번째 계층의 데이터(예, 32 비트의 값은 이전단계에서 제조공정에 있는 제품에 추가됨)는 기존 프로토콜에 의해 표시된다. 하지만, 데이터의 해석은 제어레벨에서 이루어진다. (예, 32 비트의 값은 24℃를 나타 냄).

자기조직화를 위해, 신호의 출발점 및 그 위치와 같은 의미론적 추가정보는 레벨 1에서 시작하여 전송되어야 한다(예: 공정단계에 있는 제품의 명확한 식별 및 표면 온도의 형태).

향후, 레벨 4의 프로세스 정보를 포함하는것으로의 확장은 생산공정에서 자기조직화를 구현하기 위한 필수조건이 될 것이다.

CPS는 하나의 혁신

CPS 일부로서의 통신

CPS(Cyber-Physical System, 사이버물리시스템)는 자체 기본적인 기능 및 특성을 제어하고 설명하는 소프트웨어 컴포넌트들과 관련된 전기 기계 시스템으로 구성되어 있으며, 네트워크를 통한 통신 또한 가능하다.

이것은 즉, CPS가 통신, 컴퓨팅 및 제어의 조합을 나타내는 것을 의미한다.

흥미롭게도, 이와 관련하여,‘사이버’라는 용어가 컴퓨터에 의해 생성된 환상의 가상세계를 의미한다는 힌트를 얻을 수 있다(‘cyberspace’, 사이버공간이라는 용어와 같이). 또한, 다른 한편으로는 영어 단어 ‘cybernetics’의 약자로 ‘제어과학 및 프로세스 규정’이라는 의미를 가지고 있다.

제조의 자동화에서 CPS가 사용되면서 중요한 몇 가지 질문들이 제기되고 있다)

?CPS는 폼팩터나 실시간 성능에 관한 산업용 통신에 충족하는 요건을 변경할 수 있는가?

- 자기조직화를 위한 기초로서의 시맨틱(semantic)으로

- CPS 기반 자동화용 일반통신 표준으로

?CPS는 프로세스 진행비율에 따라 특정상황에서 기존 자동화 피라미드를 어떻게 변경하는가?

- 네트워크화 및 분산된 구조로

- CPS의 도입을 위한 보안 요구사항의 중요도는 얼마큼인가?

- 도입을 위해 가장 고려되어야할 사항은 안전성인가?

A PROFINET IO description파일(효율적으로 장치에 대해 설명하는 소프트웨어구성요소)도 이와 같은 맥락에서 볼 수 있다. 그러나 CPS는 추가적으로 가능한 통신기능 및 인터페이스를 통신 인프라 구조로 제공하는 것을 특징으로한다.

글로벌 네트워크를 통해 임베디드 시스템을 연결하여, 새로운 제조 가능성을 열어둘 수 있기 때문에(예: 클라우드에 있는 정보에 접근) CPS는 loT의 매우 중요한 구성요소 중 하나이다.

클라우드기술

비즈니스적관점:클라우드 컴퓨팅은 방대한 IT자원을 서비스로 제공하며, 유연한 지불 모델을 통해 사용요금을 부과하는 비즈니스 모델로 이를통해 기업은 장기적으로 IT분야 자본의 지출을 줄일 수 있다.

산업적관점:클라우드 기술은 인터넷 또는보호된 인터넷연결이 없이도 비공공영역에서 사용될 수있으며, 주요 사용 사례중 하나로,빅데이터를 사용하는 어플리케이션을 꼽을 수 있다.

새로운 통신 기술

TSN은 OPC재단에서 OPC UA의 일환으로 실시간성을 지원하기 때문에 산업용 통신에서 사용되는 것을 보게 될 것이다. 또한, 자동차산업에서는 현재 온보드 통신을 위한 Ethernet 사용과 관련한 TSN의 역량을 탐색하고 있다. 이와 같이 메인스트림 통신에서 기존기술을 적용하는 사례는 계속될 것이다. 또한, IIC의 노력의 일환으로, 서버 간 통신분야에서의 표준이나 산업용 어플리케이션을 이용한 금융거래 또한 테스트되고 있다.

IoT의 과제

ROI(투자수익)에 대한 불확실성: 현재의 기술은 새로운 프로토콜 구현뿐만 아니라, 제어 및 엔터프라이즈 레벨에서 액세스 계층에 대한 새로운 요구사항 등의 추가기능에 대한 강화가 필요하기 때문에, 제품개발시 초기선행 비용이 더 높다. 또한, 엔지니어링 및 유지보수 등의 분야에서 시스템 운영자의 능력이 더욱 중요시 된다. IoT의 실질적 혜택 및 부가가치는 새로운 사업기회에 큰 영향을 미치게 될 것이다. 이러한 문제에 대한 관심으로, 클라우드기반 어플리케이션은 더 나은 유지보수를 통해, 플랜트 가용성의 증가 등의 혜택을 end-user에게 제공한다.

로컬 지능과 필요한 정보 사이의 의존성: 필요한 지능과 정보 사이의 관계는 필드장치 제조업체와 통신 사업자 간의 긴밀한 협력을 말한다. 어떤 정보가 지능형 디바이스에서 필요하며, 또한 이러한 정보와 함께 작동되기 위해서는 어떤 종류의 어플리케이션이 필요한가?

시스템과 표준화의 충돌: 표준화는 이미 인더스트리 4.0 개념의 구현에 걸림돌이 될 수 있음이 입증되었다. 안타깝게도 현재는 IIC와 인더스트리 4.0 플랫폼 중, 어느 쪽에서도 특정 표준을 필요로 하거나 추천하는 이유를 찾을 수 없다. OPC UA마저도 인더스트리 4.0 플랫폼 문서 내에서 검토하도록 추천만 하고 있다. 따라서, 클라우드 인프라 분야는 상당 부분의 가치가 창출되기 때문에 독점적인 위치를 차지하고 있는 추세이다. 이전의 통신 프로토콜 간의 충돌과 유사한 서로 다른 클라우드 구조의 충돌에 대한 잠재력 역시 존재한다.

자동화 피라미드의 변화: loT 개념을 일관성 있게 구현하기 위해서는 자동화구조의 세분화 또는 단순화가 필요하다. 서로 다른 제조업체의 장치와 시스템 간의 상호운용성은 필수요건이자 해결되어야 할 과제이다.

IoT를 위한 기회

수익성 어플리케이션 사례: 미국을 비롯하여 아시아 및 유럽지역에서는 예방정비 및 상태 모니터링 분야의 어플리케이션들이 인기를 얻고 있다. 현재 공장에서는 이미 유지보수 비용뿐만 아니라, 운용자와 공급자의 수리비용까지도 절감하기 위해서 적절한 기술을 갖춘 기계제어 시스템들이 사용되고 있다.

클라우드에서의 가치 생성: 추가적인 디바이스는 필드레벨에서나 필드 네트워크 컴포넌트 및 종단 게이트웨이와 같은 액세스 컴포넌트에서 사용할 때만 필요로 한다. 다른 말로 이는즉, 인프라가 문을 열어주는 역할을 한다는 것이다. 사용자는 클라우드에서만 실행 가능한 어플리케이션의 실제 혜택을 경험하게될 것이며, CPS는 클라우드기반 데이터 및 필드레벨 데이터를 공유하는 클라우드 어플리케이션을 통해 새로운 지능형 기능을 구현할 수 있게 된다.

제어 마이그레이션: 사용자 입장에서 CPS는 기존의 자동화 피라미드에 통합될 수 있기 때문에, 점진적인 도입이 가능하다. 또한, 기존 필드 디바이스들의 통합이 가능하게 되어, 사용에 적합한 통신 인터페이스를 갖게 된다. 새로운 비즈니스 모델들은 사용 건 당 지불방식의 형태로 이미 XaaS(X as-a-service) 개발에 사용되고 있다.

표준화지원: 시스템과 제품 간의 상호운용성은 공통의 표준 안에서만 실현 가능하다. 일반적 통신표준에 대한 합의는 시맨틱(semantic) 4-계층 모델의 모든 레벨에서 IoT의 장점을 극대화할 수 있게 한다. 이 모델의 장점은 표준화가 최저 레벨에서부터 시작하여 점진적으로 수행될 수 있다는 것이다.

IoT의 전망

사물 인터넷은 이미 사용되기 시작했다. 일부 성공적인 비즈니스 모델들이 개발되어 왔고 CPS와 같은 새로운 전략들도 세워지고 있다. TSN과 시맨틱(semantic)모델들은 산업용 표준화에 근접하고 있으며, 여러 국가에서 예방 정비 및 상태 모니터링이 핵심 어플리케이션임을 확인했다. 우선 필드 레벨에서부터 클라우드까지의 수직적 통합이 지속적으로 실현되면 추가 어플리케이션들은 폭넓은 규모로 구현될 것이다.

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 사물인터넷(IoT)과 인더스트리 4.0(Industry 4.0)이 기존의 산업용 통신에 미치는 영향