Industry 4.0에서 컴퓨터 비전의 역할
Industry 4.0, 사물 인터넷(IoT), 스마트 팩토리, 빅 데이터, 디지털 트윈, 인공지능 등은 생산 공장의 자동화와 시스템 간 네트워크화를 상징하는 주요 키워드입니다. 궁극적인 목표는 정보 기술과 컴퓨터 비전을 산업 공정에 완벽히 통합하여 효율성과 혁신을 극대화하는 것입니다.
Industry 4.0을 위한 비전 시스템
이 백서에서는 오늘날의 전통적인 공장 구성과 Industry 4.0의 스마트 팩토리 구성을 비교합니다. 이러한 비교는 새로운 기술과 미래 비전 시스템의 요구 사항 속에서 스마트 팩토리 구성의 다양한 이점을 명확히 보여줍니다.
끊임없이 프로세스를 제어하고 데이터를 공급하는 비전 시스템
카메라 데이터와 생산 데이터를 네트워크화하여 분석하면 생산 효율성을 극대화할 수 있습니다. 예를 들어 공정 변수를 조정하거나 소모품을 발주하여 병목현상, 비효율성, 장비의 이상 동작과 같은 문제를 자동으로 조기에 파악하고 실시간으로 해결할 수 있습니다.
효율성과 안전을 위한 스마트 기술
스마트 비전 시스템은 매우 다양한 분야에 활용될 수 있습니다. 이 백서에서는 여섯 가지 주요 분야에서 스마트 비전 기술이 실제로 어떻게 적용되고, 어떤 장점을 제공하는지 설명합니다.
네트워크화된 공장을 위한 비전 제품
자동화된 공장 환경에서 가장 중요하고 강력한 센서 중 하나는 카메라가 장착된 비전 시스템입니다. 비전 시스템은 생산 공정을 디지털화하고, 유연성을 높이며, Industry 4.0의 요구 사항을 성공적으로 충족합니다.
데이터 네트워킹이 미래의 공장을 스마트하게 만드는 방법
'스마트 팩토리(Smart Factory)'는 공장 자동화 분야에서 지능적으로 연결된 시스템을 설명하는 용어입니다. 데이터와 프로세스로 구성된 지식은 스마트 팩토리의 필수 요소입니다. 이러한 지식은 어떻게 생성될까요?
필드 버스 시스템을 이용하는 전통적인 공장 구성
데이터는 일반적으로 센서를 통해 수집되며, 여기에는 카메라와 같은 이미징 디바이스도 포함됩니다. 그러나 적절히 처리되지 않은 센서 데이터는 의미가 없습니다. 데이터는 여러 시스템과 구성 요소에서 사용될 수 있도록 처리되어 여러 공정에서 의사 결정을 위한 근거로 활용되어야 합니다. 이러한 데이터 처리는 스마트 팩토리의 출발점입니다.
비밀은 관련된 모든 개별 또는 하위 시스템의 네트워킹에 있습니다. 네트워킹의 기반은 일반적으로 소위 필드 버스 시스템으로, 이 시스템은 모든 센서와 액추에이터를 동일한 데이터 라인을 통해 서로 연결하고 제어 시스템(PLC)과 같은 자동화 장치와도 연결합니다.
최신 공장 자동화에서 필드 버스 시스템의 한계
하위 시스템과 디바이스들이 서로 멀리 떨어져 있는 경우가 많은 최신 공장에서는 실시간 이더넷 기반 버스 시스템이 자주 사용됩니다. 이더넷 표준이 널리 사용되고, 케이블과 스위치 같은 경제적인 하드웨어를 제공하며, 시스템 간에 긴 케이블 길이를 지원하기 때문입니다. 그러나 이러한 시스템에는 몇 가지 단점이 있습니다.
공급업체마다 다른 시스템 환경: 많은 실시간 이더넷 솔루션은 공급업체마다 다르기 때문에 다양한 디바이스와 시스템 간의 상호 운용이 어렵습니다.
제한된 의미론적 설명 가능성: 구성 요소와 하위 시스템의 기능을 명확하고 표준화된 방식으로 설명하기가 어려운 경우가 많아, 복잡한 시스템을 통합하고 유지 관리하는 데 어려움이 발생합니다.
umati 및 OPC UA 표준을 통한 네트워킹
다른 모든 하위 시스템과 마찬가지로 비전 시스템은 하드웨어와 소프트웨어 측면에서 중앙 제어 시스템뿐만 아니라 나머지 모든 시스템과 연결되어야 합니다. 이러한 연결은 산업용 통신을 위한 특수 데이터 교환 표준을 통해 이루어집니다. 이러한 표준은 개별 하위 시스템에 공통된 기계어를 제공하여 간편하게 상호운용성을 보장합니다. 이러한 표준 중 하나는 umati(범용 기계 기술 인터페이스)이며 OPC UA를 개방형 인터페이스 표준으로 채택하고 있습니다.
OPC UA는 기계 데이터를 기계가 읽고 의미적으로 설명할 수 있게 해줍니다. 이 표준은 센서 데이터와 제어 명령이 원활히 처리되도록 보장하며, 이러한 데이터의 전송을 구체화하고 시스템 간 인터페이스와 안전 메커니즘을 결정합니다. OPC UA를 통해 동일한 수준에 있는 다양한 구성 요소들이 수평적으로 네트워크화되며, 다른 수준의 구성 요소들과 수직적으로 연결될 수 있습니다.
Industry 4.0에서는 최신 기술들이 효율성을 크게 향상시킬 것으로 예상됩니다. 복잡한 생산 기술을 쉽게 제어하려면 모든 시스템 구성 요소의 상호 작용에서 표준과 안전을 보장하는 것이 중요합니다. OPC UA는 이러한 두 가지 요건을 동시에 충족하므로 단순하고 안전한 기계 간 프로토콜로 통신을 관리하고, Industry 4.0의 이점을 실현할 수 있습니다.
네트워크화된 공장의 실시간 작동 기능
OPC UA 표준은 센서와 액추에이터가 있는 필드 수준부터 SCADA(감시 제어 및 데이터 취득), ERP(전사적 자원 관리) 또는 클라우드와 같은 추상적인 정보 계층까지 공장 구성의 모든 수준에서 적용할 수 있습니다.
스마트 팩토리의 모든 분야에서 구성 요소들을 효율적으로 사용하려면 실시간성이 반드시 확보되어야 합니다. 이를 위해 OPC UA 표준은 시간 민감형 네트워킹(TSN)과 같은 확장 옵션을 제공합니다. TSN은 이더넷 네트워크를 통한 데이터 전송에서 지연 시간을 최소화하고 높은 가용성을 보장하는 것을 목표로 합니다. 또한 OPC UA TSN은 비전 시스템에서 이미지를 OPC UA를 통해 다른 하위 시스템이나 제어 장치로 직접 전송하는 데 필수적인 요소입니다.
기존 공장 구조를 혁신하는 OPC UA
OPC UA를 사용하면 하드웨어 구성 요소(PC, 컨트롤러)와 일관되지 않거나 호환되지 않는 소프트웨어 문제를 해결할 수 있습니다. 따라서 공급업체마다 다른 수많은 하위 시스템 구성들이 고도로 통합된 효율적인 구성으로 일원화되고 있습니다. PLC나 다른 호스트는 이제 모든 하위 시스템과 해당 소프트웨어를 아우르는 시스템의 중앙 인터페이스 역할을 하며, 이 중심 노드는 궁극적으로 ERP 시스템과 같은 상위 시스템과의 인터페이스가 됩니다.
이러한 구성에서는 표준화된 전송 경로를 통해 컨베이어 벨트 및 로봇과 비전 시스템의 개별 구성 요소들을 쉽게 연결할 수 있습니다. PTP(Precision Time Protocol)를 적용할 경우, 카메라는 OPC UA를 표준으로 사용하는 환경에서 실시간 기능을 제공하며, TSN과 같은 확장 기능도 사용할 수 있습니다.