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[4차 산업혁명과 스마트 센서 ②] 원활한 데이터 수집을 위한 센서의 진화

생성 주기가 짧은 대량의 데이터를 수집 및 분석해 그 결과를 제품의 품질 향상이나 제조 공정의 예지보전 등에 활용하는 ‘빅데이터(Big Data)’. MES나 ERP에 대한 관심이 높아지고 방대한 양의 데이터를 리얼타임으로 주고 받을 수 있는 이더넷 기반의 산업용 네트워크가 잇따라 등장하면서 빅데이터는 더이상 낯설거나 신기한 개념이 아니게 되었다.

그리고 빅데이터를 활용한 생산성 향상의 열쇠를 쥐고 있는 것은 다름 아닌 ‘센서’다. 센서는 제조 현장의 규모에 따라 수백 개에서 수만 개까지 활용되는데, 많은 개체 수만큼이나 다양한 분야에 쓰이고 있다. 제품의 외관을 검사해 합격 또는 불합격을 판단하는 것도, 현장 내 온·습도를 측정해 제조 현장의 예지보전에 기여하는 것도 모두 센서의 역할이다. 이에 최근에는 센서의 기존 역할에 높은 정밀도와 통신 기능 등이 결합된 스마트 센서가 잇따라 출시되고 있다.

페펄앤드푹스의 Sensorik 4.0과 SmartBridge

독일의 공장자동화 분야 전문기업 페펄앤드푹스(Pepperl+Fuchs)는 클라우드 기반의 산업용 센서 서비스인 Sensorik 4.0과 센서나 액추에이터에서 발생한 데이터를 손쉽게 열람할 수 있는 SmartBridge 시스템을 선보였다.

다운 타임(down time)은 제조 공정의 생산성을 낮추는 주된 요인 중 하나다. 다운 타임을 줄이기 위해서는 자재나 공구 등 소모품의 보유량을 주기적으로 확인하고, 소모품이 다 떨어지기 전에 시기적절하게 구매가 이뤄져야 한다. 이에 페펄앤드푹스는 독일의 유지보수 분야 소프트웨어 전문기업인 커넥타보(connectavo)와 힘을 합쳐 제조 현장 내 저장고의 충진 레벨(fill level)을 감지 및 기록하고, 그 정보를 클라우드 단계로 올려 보낼 수 있는 Sensorik 4.0을 개발했다.

페펄앤드푹스의 클라우드 기반 센서 서비스 Sensorik 4.0
페펄앤드푹스의 클라우드 기반 센서 서비스 Sensorik 4.0

Sensorik 4.0은 정해진 주기에 따라 광전 센서를 이용해 저장고의 충진 레벨을 파악한다. 해당 데이터는 IO-Link를 통해 클라우드 상에 축적된다. 소모품의 물량이 부족할 경우, 휴대폰 메시지나 메일 등을 통해 작업자에게 그 사실을 알려준다.

더 나아가서 클라우드로 전송된 데이터를 외부 시스템과 연결하는 것도 가능하다. ERP 시스템을 통해 소모품 보유량의 증감 데이터와 각 제품별 생산 일정을 연결할 경우, 생산 계획에 차질을 주지 않도록 시스템에서 자동으로 주문을 트리거하는 것도 가능하다.

SmartBridge의 데이터 액세스 채널은 컨트롤 레벨과 센서, 액추에이터 등을 포함하는 IO-Link 디바이스 사이에 위치한다.
SmartBridge의 데이터 액세스 채널은 컨트롤 레벨과 센서, 액추에이터 등을 포함하는 IO-Link 디바이스 사이에 위치한다.

이러한 정보들은 SmartBridge 애플리케이션을 통해 손쉽게 열람할 수 있다. SmartBridge의 데이터 액세스 채널은 PLC로 대표되는 컨트롤 레벨과 센서, 액추에이터 등을 포함하는 IO-Link 디바이스 사이에 위치하며, IO-Link 디바이스들의 디지털 신호를 수집한 뒤 블루투스를 통해 해당 데이터를 인터넷 접속이 가능한 모바일 기기로 전송한다. 따라서 사용자들은 IO-Link 디바이스 데이터를 휴대폰이나 태블릿 PC 등의 모바일 기기에서도 손쉽게 열람할 수 있다.

로크웰오토메이션의 IO-Link 기반 스마트 센서

로크웰오토메이션은 ‘커넥티드 엔터프라이즈’라는 슬로건 아래 OT(Operation Technology, 운영기술)과 IT(Information Technology, 정보기술)를 하나의 아키텍처로 통합함으로써 스마트 제조를 실현하고자 한다. 그 과정에서 주목한 것이 바로 ‘스마트 센서’다.

ON/OFF 정보만을 전달하던 기존 센서는 고장이 나더라도 그 사실을 알릴 수 없었다. 따라서 사용자는 공정의 일부가 엉망이 되고 나서야 센서가 고장났음을 인지할 수 있었다. 반면 IO-Link를 통해 상위 레벨과 연결되는 센서는 생산 라인의 진단 정보를 지속적으로 제공하므로, 유지보수가 필요한 시점을 보다 효율적으로 예측할 수 있다. 이에 로크웰오토메이션은 Allen-Brandley의 스마트 센서와 더불어 IO-Link 기반의 I/O 등을 선보였다.

로크웰오토메이션의 IO-Link 기반 스마트 센서
로크웰오토메이션의 IO-Link 기반 스마트 센서

IO-Link로 연결되는 스마트 센서는 설치가 간편할 뿐만 아니라 데이터 분석과 진단 등의 기능을 결합함으로써 제조 현장 내 장비를 최적화하고 생산성을 향상시킬 수 있다. 특히 로크웰오토메이션은 스마트 센서는 물론 IO-Link, IO-Link 마스터, 컨트롤러 등 통합 및 고급 기능을 제공하는 완전한 형태의 센싱 시스템을 지원한다는 점에서 차별화된다.

Allen-Brandley의 스마트 센서가 갖는 특징으로는 우선 ‘기존과 동일한 설계 환경에서 센서와 컨트롤러를 프로그래밍 할 수 있다’는 점을 들 수 있다. 센서 및 컨트롤러의 프로그래밍을 위한 소프트웨어인 로크웰오토메이션의 Studio 5000 Logix Designer는 하나의 인터페이스에서 설계 및 엔지니어링 요소를 결합하므로, 사용자들은 통합 아키텍처 시스템 어디서나 I/O 및 구성 데이터에 액세스할 수 있다. 또 자동 장치 구성(ADC, Automatic Device Configuration) 기능이 갖춰져 있으므로, 작업을 변경하거나 센서를 교체하더라도 기존에 저장된 설정을 자동으로 다운받을 수 있어 센서 교체 시간이 절약되고 휴먼 에러를 줄일 수 있다.

미쓰비시전기의 MELSENSOR

라인 위에 늘어선 수많은 제품들. 전수조사와 표본조사 가운데 보다 높은 품질을 담보할 수 있는 조사는 무엇일까. 답은 ‘전수조사’다. 하지만 사람의 힘을 빌려서는 아무래도 표본조사를 피하기가 힘들다. 이에 미쓰비시전기는 제조 분야 종사자들이 원하는 스마트 센서의 도입 효과가 ‘제품의 품질 향상’이라는 사실에 집중해 높은 정밀도와 통신 기능을 함께 갖춘 FA 센서 브랜드 MELSENSOR를 출시했다.

MELSENSOR 레이저 변위 센서와 e-F@ctory 개념도
MELSENSOR 레이저 변위 센서와 e-F@ctory 개념도

MELSENSOR 가운데 레이저 변위 센서인 MH11은 워크 표면에 레이저를 쪼여 표면과의 거리를 측정하며, 그 측정량의 변화를 통해 형상을 검출한다. MH11은 센서 헤드와 컨트롤러로 구성되며, 센서로 검출한 정보를 컨트롤러로 연산해 그 결과를 출력한다. 센서의 최소분해능은 0.01μm, 샘플링 주기는 10μs(마이크로초)로, 이는 워크의 표면을 초당 10만 번 스캔하고 10만 분의 1mm 수준의 요철까지 검출할 수 있다는 의미다. 또 46가지 종류의 센서 헤드가 구비되어 있어 측정 거리나 범위 등에 따라 선택의 범위가 넓다. 프린트 기판 위에 배치된 칩 부품의 높이나 도포된 접착제의 높이, 유리 기판의 두께 등을 측정하는 데 활용 가능하다.

또 MELSENSOR는 CC-Link IE와 같은 이더넷 기반의 산업용 네트워크와의 연결이 용이해 데이터의 시각화나 제조 공정에서의 예지보전 등이 가능하다. 기존 센서를 제조 현장 내 네트워크에 연결할 경우 통신용 프로그램을 개발해야 하지만, MELSENSOR는 개발 과정 없이도 연결이 가능해 작업 시간과 비용을 절감할 수 있다.

[4 산업혁명과 스마트 센서] 연결기사 보기
①센서, 4 산업혁명 추진의 첨병
②원활한 데이터 수집을 위한 센서의 진화
③센서 분야의 가능성, 그리고 과제

About 송해영 기자

제조업이 꼭 어려울 필요 있나요? 쉽지만 깊은 기사를 쓰기 위해 노력하고 있습니다:)