[첨단 헬로티]
스마트 산업은 자동화 및 연결성이 구축된 제조 설비를 가리킨다. 이러한 스마트 산업에서는 공장에 보다 효율적인 방식을 적용하여 제품을 생산한다. 더 유연하게 가동되고, 공급망에서 맞춤화가 가능하다. 폐기물과 에너지 소모를 줄이면서 보다 지속가능하게 생산을 할 수 있다. 작업 환경은 더 안전하며, 작업장에서는 사람과 기계의 협업이 더욱 향상된다.
이 글에서는 최근 등장한 스마트 커넥티드 산업의 핵심인 센서와 저전력 커넥티비티 기술의 주요 발전에 대해 자세히 살펴본다.
스마트 산업의 진화
1차 산업혁명은 18세기에 일어났다. 1차 산업혁명은 다양한 형태의 새로운 기계들이 등장한 것이 특징이며 수력과 증기력으로 움직이는 기계 장비가 출현했다. 그래도 인간의 노동이 대량생산의 전 과정을 책임져야 했다.
2차 산업혁명은 20세기에 일어났다. 2차 산업혁명에서는 기계의 주된 동력원으로 전기가 수력과 증기력을 대체하게 됐다. 또한 대량생산을 위해 노동분업이 등장했다. 따라서 제조의 전 과정이 아니라 그 중 일부 활동 만에 사람의 노동이 필요했다.
3차 산업혁명은 1970년대에 시작됐으며, 전자기술 및 IT가 도입되어 공정 자동화가 이루어졌다. 대형 기계식 장비는 전자 장비로 교체되었다. 또한 3차 산업혁명은 반도체 업계에 있어 중요한 이정표가 되었는데, 이는 반도체가 자동화에서 핵심적인 역할을 했기 때문이다.
4차 산업혁명은 현재 우리가 겪고 있는 시기로, 기계가 점점 지능적이고 직관적으로 진화되고 있다. 새로운 기계는 자체 성능, 활용, 결함을 자율적으로 모니터링 할 수 있게 되면서 점점 더 효율적이고, 안전하고, 유연해졌다. 또한 빅데이터, 분석, 분산적 의사결정 기법들을 사용해 견고한 공급망과 효율적인 제조 공정을 발전시킬 수 있게 되었다.
스마트 산업의 기계는 제조 공정에 있어 보다 효율적이고 친환경적이다. 이러한 기계는 더 안전하며, 작업자들에게 보다 나은 근무 경험을 제공한다. 인간과 기계 간의 훌륭한 양방향 인터랙션도 가능하다. 기계는 더 유연하게 가동되어 수요에 맞추어 대응할 수 있고 맞춤 제품을 대량 생산할 수 있다.
▲ 사진 1. 18세기부터 현재까지 산업은 크게 4단계의 변화를 겪었다.
스마트 산업의 특징
- 효율성
스마트 기계는 모든 단계에서 더 효율적으로 작동한다. 전력을 매우 효율적인 방법으로 공급에서 소모로 전환하며 필요할 때는 저장을 해둔다. 최근 모터는 더욱 효율성이 좋아졌다. 조명의 경우 무선으로 제어가 되며 필요할 때만 사용을 할 수 있다.
- 지능 및 인식(Intelligent and aware)
기계에 센서를 장착하면서 진동, 온도, 습도 같은 파라미터들을 측정할 수 있게 됐다. 이러한 센서 정보를 로컬 프로세싱 유닛으로 전송해 정보로 변환한다. 기계는 주변의 사람들과 인터랙션을 하고 센서 정보를 다시 그들에게 제공하는 방식으로 인터랙션을 지속해간다.
- 커넥티비티
기계는 공장 안에서, 회사 안에서, 클라우드를 통해서 연결된다. 실시간 정보를 가장 하위층까지 제공할 수 있으며 대규모 공급망을 형성한다. 이러한 센서 정보를 클라우드로 안전하게 전송하고 이를 고장 예측 등 다양한 분석에 사용한다.
스마트 산업의 주요 영역
- 공장 자동화
공장 자동화는 다양한 제어 시스템을 사용해 제조 공정을 관리하는 것이다. 이는 사람의 개입은 최소화하면서 기계를 순차적으로 이용할 수 있게 한다. 원자재와 완제품의 습도 및 온도 모니터링, 결함 감지, 자동화 테스트 보고서와 같은 데이터를 모니터링 하여 제조 공정에서 다양한 의사결정을 내릴 수 있다. 이러한 기계들은 6LowPan subGHz RF와 같은 메시(Mesh) 기술로 연결하여 정보를 공유한다.
- 산업용 로봇
산업용 로봇은 상당한 운동 자유도(Degree of Freedom) 가 가능한 기계이다. 이러한 로봇은 사전 지정된 제조, 테스트, 생산 임무를 수행하도록 프로그래밍할 수 있다. 고품질 제품의 제조를 달성하고, 인건비를 절감하며, 위험하거나 접근하기 어려운 장소에 사용할 수 있다. 또한 유연성이 뛰어나고 프로그래밍 가능한 신세대 로봇들을 도입하면 고객의 필요와 요구에 따라 일대일로 제품 맞춤화도 가능하다. 로봇에 다양한 센서들을 장착하면 정확한 위치와 각도를 모니터링 할 수 있다. 뿐만 아니라 스마트 로봇은 무선으로 연결돼 입력을 송수신할 수 있다.
▲ 사진 2. 산업용 로봇 암
- 산업용 조명
조명은 산업용 설비에서 비제조 영역 전기 소모의 상당 부분을 차지한다. 조명을 사용하지 않을 때도 계속 켜둔다면 많은 전력이 낭비된다. 스마트 조명 시스템은 6LowPan subGHz 메시 프로토콜을 사용해 모든 조명을 각각 모니터링하고 제어할 수 있다. 따라서 필요할 때만 조명을 사용하고 결함을 자동으로 감지한다. 조명의 세기를 원격으로 조절할 수도 있다. 가로등은 기상 관측이나 보안 감시의 용도로도 활용할 수 있다.
- 스마트 제조
스마트 제조는 제조 및 공급망의 다양한 영역을 하나로 통합한다. 자동화, 제어, 첨단 로봇, 모터 제어, 센서, 커넥티드 머신 등을 포함한다. 스마트 제조 설비는 자체적으로 원자재를 주문하고, 실제 고장이 발생하기 전에 유지보수 요청을 할 수 있다. 이는 작업 조건을 향상시키고 위험한 제조 작업을 더 안전하게 관리한다. 또한 스마트 제조 설비는 빅데이터와 인공지능을 활용한다. 저렴한 가격대의 저전력 센서와 커넥티비티 기술들이 등장함으로써 스마트 제조는 그 어느 때보다 빠르게 발전하고 있다.
- 스마트 모니터링
기계에 센서와 RF 커넥티비티 모듈이 영구적으로 탑재돼 있다. 센서들은 진동 및 온도와 같은 파라미터들을 연속적으로 모니터링하고, 그 정보를 BLE나 RF subGHz를 사용해 공장 클라우드 게이트웨이로 전송한다. 이 센서와 RF 커넥티비티 모듈은 극저전력이므로 배터리로도 구동할 수 있다. 이 데이터를 일반 분석 및 FFT 분석을 위해 게이트웨이에서 클라우드로 전송한다. 기계의 진동 특성을 분석함으로써 부하 밸런스, 부정정렬, 베어링 결함, 기어 메시와 같이 다양한 유형의 결함이나 부적절한 사용을 조기에 감지할 수 있다.
스마트 산업을 구현하는 센서의 역할
- 가속도 센서(Accelerometer)
가속도 센서는 X, Y, Z 세 축 모두로 산업 기계에 가해지는 가속도를 제공하는 데 사용된다. 또한 기계 나 로봇팔의 기울기 각도를 결정하고, 가속도 센서를 사용해 수평 및 수직 방향으로 직선 가속도를 구할 수 있다. 이 데이터로 기계의 속도, 방향, 고도 변화율까지 계산할 수 있다.
가속도 센서를 사용해 기계로 발생되는 진동도 검출할 수 있다. 모터에 가속도 센서를 탑재하면 결함 유형을 알 수 있는 중요한 입력을 제공할 수 있다. 모터 밸런스, 베어링 결함, 기어 메시로 발생하는 결함의 빈도는 서로 다르다. 이 정보를 통해 모터에 유지보수가 필요한지를 예측할 수 있다.
- 자이로스코프(Gyroscope)
자이로스코프 센서는 세 축으로 각속도(Angular Velocity)를 검출한다. 다시 말해 피치(pitch), 롤(roll), 요(yaw) 축으로 각도 변화율을 검출할 수 있다. 각도 정보의 변화량으로 기계의 안정성을 달성하고 기계가 흔들리지 않게 한다. 자이로스코프에서 얻은 정보를 모터 제어 드라이버로 전달해 모터 속도를 동적으로 제어함으로써 기계나 로봇팔의 안정성을 달성한다. 또한 자이로스코프는 사용자가 제어하고자 하는 정확한 각도로 기계나 로봇팔을 회전시킨다.
▲ 사진 3. 자이로스코프 센서 모듈
- 자기 나침반(Magnetic Compass)
명칭에서 알 수 있듯 자기 나침반은 기계나 로봇팔로 방향 감각을 제공한다. 이는 기기에 X, Y, Z 세 축으로 가해지는 자기장의 데이터를 제공한다. 이 데이터는 마이크로컨트롤러의 알고리즘으로 입력돼 자북(Magnetic North)에 대한 방위각을 제공한다. 그 다음 이 정보를 사용해 지리적 방향을 구한다.
정확한 방향을 알기 위해서는 이러한 자기 데이터에 가속도 센서로 얻은 기울기 각도 데이터를 결합해야 한다. 기울기 데이터와 자기 데이터를 사용하면 정확한 방향을 계산할 수 있다.
- 기압계(Barometer)
기압계의 작동 원리는 기압을 고도로 변환하는 것이다. 압력 센서는 지구의 기압을 검출할 수 있다. 기압계에서 얻은 데이터를 사용해 기계나 로봇팔의 내비게이션을 지원하고 원하는 고도를 달성한다. 로봇을 포함한 수많은 기계에서는 상승 및 하강 속도를 잘 계산하는 것이 매우 중요하다. ST마이크로일렉트로닉스(이하 ST)는 기압 센서 신제품으로 LPS22HD를 출시했다. LPS22HD는 200Hz 데이터 속도로 이러한 고도 계산 요구를 충족시킨다.
- 습도 센서(Humidity Sensor)
습도 센서는 습도 파라미터를 검출할 수 있다. 기상 관측, 응결 레벨 모니터링, 공기 밀도 모니터링, 기체 센서 측정 교정에 사용될 수 있다.
ST는 습도 센서로 HTS221을 제공한다. 이 제품은 센싱 소자와 아날로그 프론트 엔드를 결합함으로써 디지털 직렬 인터페이스를 통해 측정 정보를 제공한다. 센싱 소자는 폴리머 유전체 평면형 커패시터 구조로 이루어졌으며 상대 습도 변화를 검출할 수 있다.
- MEMS 마이크(MEMS Microphone)
MEMS 마이크는 소리 신호를 전기 신호로 변환하는 오디오 센서이다. MEMS 마이크는 기존 마이크에 비해 갈수록 선호도가 높아지고 있으며, 이는 더 높은 SNR, 소형 폼팩터, 디지털 인터페이스, 더 우수한 RF 내성, 진동에 대한 높은 견고성을 제공하기 때문이다. 이 센서는 비디오 촬영, 감시, 정찰 등의 용도로 기계에 내장된다.
스마트 머신용 커넥티비티 기술
기계용으로 다양한 커넥티비티 옵션을 고려할 수 있다. BLE와 와이파이(Wi-Fi)는 스마트폰 커넥티비티 에 사용된다. Sub-1GHz 기술은 극히 낮은 전력 소모와 장거리 통신을 구현 할 수 있는 고유 프로토콜로, 센서 네트워크 구성시 사용될 수 있다. 셀룰러(Cellular)와 시그폭스(Sigfox)를 사용하면 기계에서 정보를 직접 수집해, 텔레콤 통신망에 정보를 전달 할 수 있다.
다음 그림은 거리와 전력 소모에 따라 다양한 기술들을 분류하고 있다. BLE, RF sub-1GHz, 시그폭스와 같은 저전력 기술에 대해 보다 자세히 살펴보고자 한다.
▲ 사진 4. 무선 네트워크 방식별 특성 비교
- 블루투스 저에너지(BLE)
블루투스 저에너지(Bluetooth low energy)는 기계에 저전력 커넥티비티를 구현케 한다. 특히 장난감 기계처럼 짧은 통신 거리를 요하는 기계에 적합하며, 스마트폰, 태블릿, 노트북, 전용 리모콘과 같은 제어 장치와 기계 간에 양방향 통신을 가능하게 한다. BLE를 통해 기계는 와이파이 및 클래식 블루투스와 같은 기존 무선 기술로는 불가능한 매우 긴 배터리 수명을 가질 수 있다.
블루투스 저에너지는 비인가 2.4GHz ISM 대역으로 동작한다. 이 표준은 블루투스 SIG(Special Interest Group)에서 관리하며 주요 스마트폰 모두를 지원한다.
BLE 디바이스는 다음과 같이 크게 두 가지로 파티셔닝을 사용할 수 있다.
1) 네트워크 프로세서
네트워크 프로세서는 컨트롤러, 호스트, 스택을 포함한 BLE 프로토콜을 실행하는 BLE 디바이스이다. 하지만 BLE 프로파일과 애플리케이션을 실행하는 메인 마이크로컨트롤러와 함께 동작하려면 별도의 마이크로컨트롤러가 필요하다. 또한 이 플랫폼은 독립적이므로 폭넓은 유연성을 제공해 사용자가 가장 적합한 마이크로컨트롤러나 운영체제를 선택할 수 있게 해준다. BlueNRG-MS는 ST가 제공하는 네트워크 프로세서로서 BLE 4.1을 지원한다. 이 IC는 마스터와 슬레이브로 동시에 동작할 수 있다. 따라서, 이 제품을 사용하는 리모콘은 스마트폰에 대해 슬레이브로 동작하면서도 기계의 마스터로도 동작할 수 있다.
2) 시스템온칩
시스템온칩(SoC)은 별도의 칩셋으로 이루어진 디바이스로서 컨트롤러, 호스트, 스택 프로파일, 애플리케이션을 포함한다. ST의 BlueNRG-1은 BLE 4.2 인증 SoC로, 15개의 GPIO, I2C, SPI, UART, PWM, PDM, 160kB RAM을 포함한다. 이 IC는 BLE 4.2가 제공하는 첨단 보안 및 프라이버시 보호 기능도 지원한다.
- RF sub-1GHz
RF sub-1GHz는 말 그대로 sub-1GHz 대역으로 신호를 전달한다. 나라마다 산업용 및 과학용으로 자유롭게 사용할 수 있도록 각기 다른 주파수들을 지정하고 있다. 가령 북미는 315, 433, 915MHz가, 유럽은 433, 868MHz가 무료 대역이다.
sub-1GHz 주파수의 장점은 비교적 덜 붐비는 대역이고 장거리 통신이 가능하며, 낮은 전류를 소모한다는 것이다. 단점은 직접적으로 스마트폰과의 연동이 불가능하고 보편적으로 제공되지 않는다는 것이다.
시그폭스는 sub-1GHz 주파수를 사용하는 가입 기반 LPWAN 서비스이다. 시그폭스는 텔레콤 통신망과 직접 연결이 가능하며, 이를 클라우드로도 연결할 수 있다. 또한 수 킬로미터에 걸쳐 커넥티비티를 제공한다. 시그폭스는 추적용으로 사용되거나 클라우드로 센서 데이터를 전송하는 데 사용된다. 직접 텔레콤 통신망과 연결되는 낮은 데이터 속도 기술로, BLE나 RF sub-1GHz 다이렉트 P2P(Peer to Peer) 연결과 같은 직접 제어 커넥티비티를 대체할 것으로 보이지는 않는다.
ST는 최근 RF sub-1GHz 및 시그폭스 트랜시버 S2-LP를 출시했다. 이 제품은 430~470MHz 및 860~940MHz 주파수 대역에서 통신할 수 있다. 최대 +16dbm의 출력 전력과 -130dbm에 이르는 감도를 제공한다. 이 극저전류 IC를 P2P 연결로 사용하면 기계와 원격 컨트롤러의 연결을 구축할 수 있다. 또한 이 제품은 시그폭스 인증 제품으로서 기계를 게이트웨이 없이 곧바로 시그폭스 네트워크로, 그리고 클라우드로 연결할 수 있으며, 극히 낮은 전력을 소모하므로 10년 이상의 배터리 수명을 달성할 수 있다.
▲ 사진 5. ST마이크로일렉트로닉스의 주력 제품군(센서 모듈, 저전력 MCU, 네트워크 프로세서)
비샬 고얄(Vishal Goyal) ST마이크로일렉트로닉스 수석 테크니컬 마켓 매니저
