제조환경에서 유비쿼터스 컴퓨팅 기반 기술 분석

지금까지 IT 역사를 이끌어 온 주인공이 데스크톱 컴퓨터라면, 앞으로의 IT 역사는 임베디드 컴퓨터가 주도할 것이다. 사실 이 예언(?)은 ‘유비쿼터스 컴퓨팅’이라는 구체적인 실체로서 우리의 삶과 빠르게 조우하고 있다.90년대 중반까지도 네트워크에 접속하기 위해서는 PC를 통해야만 했다. 그러나 2000년 전후부터 PC 뿐만 아니라 다양한 디바이스로 네트워크 접속이 가능해졌다. 과거 PC를 사용하던 시대에는 사용자가 많은 시간과 노력을 쏟아 복잡한 컴퓨터의 사용법을 익혀 이를 어떻게 잘 사용할 수 있는가 하는 것이 효율적인 컴퓨팅의 주된 관심사였다. 그러나 인터넷과 네트워크, 무선통신 기술이 발달하면서 컴퓨팅 환경은 사용자 중심적인 관점으로 빠르게 바뀌게 되었다. 즉, 많은 컴퓨팅 디바이스가 산재해 있어 사용자가 인식하지 않는 중에도 언제 어디서나 다양한 서비스를 받을 수 있는 유비쿼터스 컴퓨팅 시대로 진입하고 있다. 유비쿼터스 컴퓨팅의 현실화는 반도체 기술의 획기적인 발전에 따른 다양한 디바이스와 센서의 발전, 광대역 유무선 네트워크의 발전, 다양한 표준 인터넷 기술의 발전, 그리고 임베디드 SW 기술에 힘입은 바 크다.이 글은 생산 및 제조현장을 지원하는 컴퓨팅 환경에 초점을 맞추고 있기 때문에 편의상 ‘현장 유비쿼터스 컴퓨팅’이라는 단어를 사용하고, 이를 실현하는 새로운 컴퓨팅 구조에 어떻게 대처할 것인가를 제시하는 데 목적이 있다. 그 구체적인 예로 요꼬가와전기의 사례를 소개한다.21세기 제조현장의 모습정보 시스템에 있어서 IP(Internet Protocol)의 보급과 함께 현장에서도 IP를 근간으로 한 네트워크 도입이 서서히 진행되고 있다. IP 네트워크의 도입은 상위 정보계 시스템이나 인터넷 기반을 활용한 원격접속 등, 시스템 계층과 물리적 거리에 제한받지 않는 정보교환을 가능케 한다. 또 웹서버나 메일 기능을 탑재한 자율적인 컨트롤러의 등장으로 사람과 장치의 직접적인 커뮤니케이션을 실현하고 이용자가 필요로 하는 정보를 네트워크 상의 여러 장치에서 직접 꺼내어 활용할 수 있다. 이들 네트워크가 가진 직접적인 접근성은 사용자 관점에서 현장 정보를 선택하고 활용할 수 있게 하여 그 가능성을 넓혔다.생산현장을 지원하는 생산 시스템에 대한 요구도 시대와 함께 변하고 있다. 이제는 공장의 조업뿐 아니라 안전·안심, 에너지 절약, 트레이서빌리티(traceability)의 확립, 환경보호 등 더욱 광범위해지는 과제에 시스템적인 대응을 요구하고 있다.따라서 이러한 과제를 시스템으로 해결할 때, 현장 컴퓨팅 영역은 장치가 가진 특정 기능의 실현에 한정되는 것이 아니라 네트워크 환경을 사이에 둔, 같은 아키텍처 아래서 여러 가지 목적으로 사용할 수 있는 시스템으로 그 대상 영역을 확대할 필요가 있다.현장 네트워크의 IP화가 가속화됨에 따라 현장의 말단까지 하나의 네트워크로 묶여 각각의 기기나 장치가 네트워크 상에서 자율적인 정보 발신을 하게 되면 네트워크에서 현장의 여러 가지 정보를 자유롭게 수집하여 파악하고 해결할 수 있다. 또한 일시적인 센서 설치를 포함하여 문제해결에 필요한 구성요소를 자유롭게 조합하여 활용할 수 있는 유연성도 실현이 기대되는 중요한 특징이다.현장 유비쿼터스 실현의 과제현장 유비쿼터스의 실현은 개방된 표준에 기반한 네트워크 환경이 현장 구석구석에 미칠 수 있도록 하는 것을 전제로 한다. 따라서 이러한 네트워크 기반을 현장에 확립하는 것과, 이 기반 상에서 변화에 유연하게 대처할 수 있는 구조를 만들어 내는 것이 과제다.● 현장 네트워크 기반의 확립현장에서 네트워크 기반으로서 오픈 기술에 기반한 네트워크 환경을 실현하는 것은 시스템의 상호운용성(interoperability)을 확보하는 데 있어서 중요하다. 오픈 기술로서는 IP와 무선기술을 들 수 있다. IP 및 무선기술을 건물 밖, 경우에 따라서는 사무실 환경과 다른 환경 하에 놓인 제한된 컴퓨팅 자원의 장치에 내장하여 현장에서의 신뢰성과 운용성을 확보하는 것이 과제가 될 수 있다. 또 배선이 곤란한 높은 곳이나 위험한 장소에서 정보의 수집을 위한 센서의 설치 등을 실현하는 무선통신 기술이 요구된다.이러한 관점에서 저전력, 초소형, 저비용을 특징으로 하는 ZigBee(IEEE802.15.4)가 주목받고 있다. 이 기술은 반경 10~20m 내에서 250kbps의 속도로 데이터를 전송하며 65,000개 이상의 노드를 연결할 수 있다.● 여러 가지 목적으로 유연하게 대응현장 전체가 하나의 네트워크로 묶이면, 기존 시스템에 중첩되어 새로운 과제해결을 위한 시스템을 만들어 내는 조건이 좋아진다. 그러나 현장의 네트워크화만으로는 불충분하며 현장에 분산된 기기가 자율적으로 기기를 확장하고 성장시키는 구조가 필요하다. 이 구조를 기기의 종류와 상관없이 공통의 플랫폼으로서 실현하는 것이 열쇠다.여러 가지 과제를 해결하는 애플리케이션 프로그램이 분산된 기기 상에서 자유롭게 추가·갱신될 수 있고 서로 연계 동작하여 문제해결 시스템을 동적으로 추가 구축할 수 있도록 하는 것이 컴퓨팅 환경이 지향하는 목표가 될 것이다. 또 이런 문제해결 시스템을 수직적으로 운용 관리할 수 있는 구조도 함께 필요하다.● 설비 모델의 실시간 활용유비쿼터스 환경의 최종 장면을 상정했을 때, 현장의 살아있는 정보를 각각의 이용자 관점에서 재구성하여 제공하는 것이 중요하다. 여기서 시뮬레이션 기술을 실시간으로 활용하여 기존의 센서 정보에서 계측 불가능한 정보를 추정하는 기술은 물론, 보이지 않았던 부분을 볼 수 있을 뿐만 아니라 현재에서 미래의 상태를 예측하는 기술이 필요하다.개방 기술에 기초한 네트워크 기술의 현장 도입과, 그 결과가 만들어낸 새로운 패러다임의 변화를 현장 환경에 실현하는 것도 중요한 사항이다. 다음 장에서 보다 상세한 내용을 소개한다.IP 기술의 전망과 현장 대응IP와 이더넷(Ethernet)은 LAN(Local Area Network)을 시작으로 WAN(Wide Area Network)이나 하드웨어 간 통신도 담당하기 시작하여 전세계적으로 심리스(seamless)한 네트워크 환경 구축을 실현하고 있다. PA(Process Automation)나 FA(Factory Automation)와 같이 사회 기반을 지탱하는 제어 시스템(이하 ‘현장 시스템’)에서도 이 기술이 주요 네트워크 기술의 하나가 될 것으로 예상되고 있다. 이 장에서는 IP와 이더넷 동향, 현장 시스템으로서의 중요성과 과제, 대처하고 있는 연구 테마에 관하여 소개한다.IP와 이더넷● 보급이더넷이 다른 기술(FDDI, ATM 등)과의 경쟁에서 승리할 수 있었던 비결은 ①상위호환성 유지, ②비용효율성을 중시한 기술의 선택, ③단순성에 의한 성장 가능성의 확보 덕분이다. 한편, IP가 다른 기술(NetWare, OSI 등)과의 경쟁에서 승자가 될 수 있었던 것은 ①개방된 규격책정의 장소와 프로세스, ②많은 벤더의 참여, ③단순성에 의한 성장 가능성의 확보 때문이다. 경합 기술과의 경쟁에서 승리한 결과 IP와 이더넷은 큰 시장을 확보하고 LAN의 주요기술이 될 수 있었다.● 동향이더넷은 10Gbps의 규격부터 WAN 영역까지 진출했다. 규격 상의 최대거리는 40km이지만 실제로는 100km까지 확장할 수 있으므로 경합 기술(SONET/SDH: Synchronous Optical Network/Synchronous Digital Hierarchy 등)보다 비용 대비 효율성 면에서 유리하게 보급될 것으로 예상된다. 게다가 하드웨어끼리 묶기 위한 내부 버스 등의 영역에서 IP와 이더넷의 응용이 진행되고 있다(예를 들어 RDMA: Remote Direct Memory Access, InfiniBand, iSCSI 등).임베디드 용도로 문제가 되는 IP의 오버헤드(코드 크기와 처리 속도)는 TOE(TCP/IP Offload Engine)로 불리는 하드웨어 기술로 대응이 이루어지고 있다. 장래 TOE 기술이 일반화되면 지금보다 소형의 임베디드 기기에도 IP가 보급될 것이다.현장 시스템의 관점에서 IPv6은 IPv4에 비해 다음과 같은 이점이 있다.- NAT에 의존하지 않는 네트워크IPv4의 주소 공간은 충분히 넓지 않아서 NAT(Network Address Translation)가 필요한 데, NAT는 네트워크 대칭성을 잃게 하므로 운용에 부담을 준다(네트워크 구성의 복잡, 운용의 복잡, 잠재적 문제요인, 문제해결의 복잡화). IPv6은 NAT를 필요로 하지 않는 넓은 주소 공간이 있어서 이러한 복잡성을 배제할 수 있다.- 일관적인 로컬 어드레스IPv6의 ULA(Unique Local Unicast Address)는 인터넷에 접속하지 않는 로컬 어드레스에서도 글로벌한 일관성을 제공할 수 있으므로 IPv4와 같은 사설주소(private Address)의 충돌에 따른 IP 주소의 재할당이나 다중 NAT을 피할 수 있다.- 어드레스 자동설정IPv6는 주소 자동설정 기능을 제공하므로 IPv4와 같은 주소 수동설정이나, DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol) 서버에 의한 할당이 필요 없어 시스템 구성을 단순화 시킬 수 있다.- 루트 탐색IPv6는 루트 탐색 기능이 있어서 IPv4처럼 디폴트(default) 루트의 수동설정이나 DHCP 서버에 의한 광고가 필요 없으므로 시스템 구성을 단순화 시킬 수 있다.현장 시스템에서의 중요성현장 시스템에서 IP와 이더넷을 이용하는 이점으로 다음 2가지를 들 수 있다.● 네트워크 구성의 자유도시장경쟁의 글로벌화에 따라 경쟁요인은 항상 변하기 때문에 현장 시스템의 구성도 유연성이 요구된다. 현장의 생산 시스템 접속성은 ERP(Enterprise Resource Planning)나 MES Manufacture Execution System) 등의 통합화 기술의 보급과 진보를 고려하면 시스템도 수직통합/수평통합의 대상이 될 수 있다. IP와 이더넷은 이들 통합에 유리한 네트워크 기술이다.● 비용 효율이더넷과 IP는 거대시장을 확보하고 있기 때문에 비용효율과 진보에 뛰어난 네트워크 기술이다. 따라서 장기적으로는 현장 시스템에서도 IP와 이더넷이 중요한 위치를 점할 것으로 예상된다. 예를 들어 TOE과 같은 하드웨어화 기술이나 IEEE802.3ah (이더넷을 기반으로 하는 가입자 액세스망 표준)의 2선식 메탈케이블 기술은 현장 시스템에서의 응용이 기대된다.현장 시스템의 과제● 이더넷 평가와 대체 링크 기술의 검토- 토폴로지최신 이더넷 토폴로지는 스타형과 링형이 있다. 현장 시스템에서는 배선이 용이한 버스형의 요구도 있으나, 특유의 제약 요소(신뢰성과 최대거리)를 검토할 필요가 있다.- 소비전력이더넷은 고성능인 데다가 전력소비가 크다. 현장 시스템을 구성하는 기기의 소비전력이 제약을 받는 경우에는 대체 링 기술이 필요하다. 만약 시스템이 네트워크 기술에 IP를 쓰고 있다면 링 기술의 차이는 감춰지기 때문에 애플리케이션에 영향은 없다.- 안전문제이더넷이 안전한 지를 대체 링 기술의 필요성과 함께 검토할 필요가 있다.● 신뢰성(dependability)다른 시스템과의 상호운용성을 실현하기 위해서는 통신 인프라를 공유하지 않으면 안된다. 이 같은 환경 하에서 시스템의 신뢰성을 실현하기 위해서 상호운용이 가능한 신뢰성을 실현하는 구조가 필요하다.● 보안방화벽은 특정 토폴로지를 가정하기 때문에 유비쿼터스 환경에 적합치 않다. 원래 이동성이 있는 장치의 토폴로지는 고정할 수 없다. 또 무선 네트워크는 방화벽 안쪽의 통신을 노출시킨다. 유비쿼터스 환경에서는 종단간(end-to-end) 보안을 병용할 필요가 있으므로 네트워크 대칭성이 중요하고, NAT를 요구하지 않는 IPv6가 필요하다. 또 현장 시스템을 구성하는 기기의 계산자원은 제한돼 있으므로 적합한 보안기술이 필요하다.● IP의 실시간성임베디드 분야에서는 점점 IP 처리에 대한 오버헤드가 문제되고 있다. TOE와 같은 IP 하드와이어드(hard-wired) 기술이 보급되면 시스템을 구성하는 소형 임베디드 기기에 요구되는 실시간성(10msec 정도의 응답 성능)을 실현할 수 있게 된다.● 확장성현장 시스템을 구성하는 기기 수는 계속 증가하고 있다. 이것은 엔지니어링 작업을 복잡하게 하여 비용뿐만 아니라 조작실수(human error)의 가능성도 증가시킨다.대처이상 전술한 분석을 토대로 IP(특히 IPv6)와 이더넷을 네트워크 기반 기술에 설치하고 장래의 현장 시스템이 필요로 하는 기술에 대해 연구 개발할 필요가 있다.● 의존성(dependability)현장 시스템에서 요구되는 신뢰성은 장황함으로 대표되는 기존의 것에서 보다 광범위한 것으로 바뀔 것이다. 우선 기존의 네트워크 기반을 다른 시스템과 공용하지 않으면 안되므로 네트워크 서비스 보증에 대한 공통의 틀이 필요하다. 다음으로 방화벽에만 의지하지 않는 보안대책이 필요하다. 게다가 네트워크가 안전하게 운용되는 것을 모니터하기 위한 네트워크 계측기술도 필요하다.● 자동 구성앞의 ‘네트워크 구성의 자유도’ 부분에서 열거한 과제에 대해 자동적으로 기기를 구성하는 기구가 연구되고 있다.● FOE(Field-oriented Offload Engine)계산자원이 한정된 디바이스로 구성된 현장 시스템에 IP와 이더넷을 적용하기 위해서는 TOE와 같은 IP만이 아니라 현장 시스템에 맞는 분야(예를 들면, 앞서 언급한 자동구성 기구나 보안 등)도 포함한 하드웨어화가 필요하다.IPv6칩IPv6의 보급을 촉진하는 전략 디바이스로서 IPv6 전용 칩이 활발하게 연구되고 있다. 국내에서는 위즈네트가 기존 TCP/ IPv4 코어를 기반으로 IPv6, 보안을 위한 IPsec, 단말기의 이동성 제공을 위한 Mobile IPv6, ICMPv6, 그리고 주소 자동설정을 위한 Address Auto Configuration 기능을 추가 구현하고, 하부계층으로 이더넷 뿐만 아니라 무선LAN도 연결할 수 있도록 확장 설계한 Hardwired TCP/IPv6 코어를 개발하고 있다.IPv6칩은 IP층을 v6로 구성한 TCP/IP 오프로드엔진(TCP/IP Offload Engine)으로, 기존 소프트웨어에 실장되어 있던 TCP/IP 스택을 하드로직으로 구현한 것이다. 호스트 CPU는 통신처리를 생략할 수 있기 때문에 IPv6를 용이하게 도입할 수 있다.특징요꼬가와전기의 IPv6칩은 하드웨어의 특징인 병렬처리와 고속성을 살려 소프트웨어로는 실현할 수 없는 기능을 탑재했다. 또한 동작속도가 떨어지면 저소비전력 상태로 전환되는 특징도 활용하고 있다. 게다가 최근의 반도체 고집적 기술을 도입함으로써 주변기기를 통합, 풍부한 기능과 성능을 포함시켰다(표 1). 다음은 그 내용을 소개한다.앞으로 계속 등장할 IPv6 노드의 대부분은 소량의 데이터 전송으로 충분할 것이다. IPv6칩은 이러한 경량 노드에 간단히 적용할 수 있는 것을 목적으로 하고 있기 때문에 호스트 CPU와의 인터페이스도 8비트 버스다.IPv6칩은 100BASE-TX의 물리층(PHY)을 통합함으로써 호스트 CPU에 원칩 마이크로컨트롤러를 채용하면 단지 2개의 칩으로 이더넷 노드를 구성할 수 있다(그림 1).다가올 유비쿼터스 네트워크 사회의 IPv6 이용에서 중요한 요소로 암호화 문제가 있다. 이것은 경량 노드라고 해도 피해 갈 수 없다. 암호화 처리는 낮은 성능의 CPU에는 벅찬 면이 있다. IPv6칩은 하드웨어화의 이점을 활용하여 암호처리를 내장하고 있다. IPsec(Security Architecture for Internet protocol)는 칩 내부에서 고속 자동으로 처리되므로 호스트 CPU는 평문만 다루어도 된다. 또 경량 노드용 키교환 프로토콜 KINK(Kerberized Internet Negotiation of Keys)를 지원하는 기능도 탑재했다.IPv6칩은 유비쿼터스 네트워크 노드에 간단히 이용할 수 있다. 기존의 네트워크 노드에는 여러 가지 CPU나 OS가 있어서 IPv6를 지원하려고 하면 프로토콜 스택을 개발·실장하는 작업이 CPU와 OS마다 까다로웠다. 그러나 IPv6칩을 이용하면 개방, 폐쇄라는 소켓 통신을 실현하듯이 파라미터, 데이터를 받아 넘김으로써 간단히 IPv6 통신을 실현할 수 있다. 그것도 IPv6의 호환성 규격 ‘IPv6 Ready Phase 2’에 상당하는 품질이 보증된다.이와 함께 제품 중에 중요한 위치를 차지하는 현장 센서라는 것이 있다. 현장 센서는 신호를 아날로그 직류 전류값으로 전송하는 것이 대부분이었지만 최근 FF(Foundation Fieldbus)로 대표되는 디지털 전송화가 진행되어 HSE(High Speed Ethernet)에 의한 IP화도 인구에 회자되고 있다.IPv6칩에서는 앞으로의 IPv6화까지 시야에 넣어 다음과 같은 현장 센서용 기능을 포함하고 있다.● 방폭규격을 만족시키는 저소비전력화● 2선식 전송 시스템에 대응하는 IPv6 over PPP(Point-to-Point Protocol)프로토타입으로 개발된 IPv6 Ready Phase2 기반 TCP/ IPv6 오프로드 엔진은 OS에 의존하지 않는 간단한 인터페이스를 가진 PHY도 내장하고 있으므로 기존 제품의 자산을 계승하면서 IPv6 통신기능을 용이하게 실현할 수 있다. 암호화에는 IPsec, 키교환은 KINK를 지원하고 있어 보안성 있는 네트워크를 구성할 수 있다. IPv6 over PPP 기능, 저소비전력 특성과 함께 현장 센서의 IPv6화에도 대응할 수 있게 구성된 것이 특징이다.현장 무선 네트워크무선통신기술은 무선LAN이나 휴대전화 등 여러 분야에서 사용되고 있어 높은 편리성을 제공하고 있다. 이러한 분야의 통신은 전송비가 높아서 음성이나 화상을 송수신하는 용도로 사용된다.현장에서는 무선 센서 네트워크가 주목받고 있다. 여기서 취급하는 정보는 영상이나 음성이 아닌 주로 극도로 세밀한 대역에서 처리할 수 있는 온도나 기기 조작 등의 정보가 대부분이다. 또한 현장에는 전자 노이즈나 전파장해물이 많아 무선통신 환경이 극도로 열악하다. 그리고 이러한 현장에서의 무선기기는 수개월에서 수년간 전지로 동작할 수 있어야만 한다.실현해야 할 과제현장 무선 네트워크에서의 요구는 적용 대상의 목적에 따라 다양하다. 다음에 언급하는 요건을 만족하는 최적 해법의 실용화를 우선 과제로 하는 것이 바람직하다.● 관리 영역과 대상 포인트 수수십 평방미터의 규모에서 수 평방 킬로미터의 규모 사이트까지, 게다가 파이프라인처럼 수백 킬로미터까지 늘리는 대상도 있어 다양한 영역에 대응할 필요가 있다. 또 대상 관리 영역 내에는 센서에서 얻을 수 있는 온도·유량 등의 물리량, 스위치 상태, 혹은 기기의 동작 상태 등 수십에서 수만의 대상 포인트가 있다.● 통신 내용통신되는 정보는 접점상태나 아날로그 데이터 등 초기의(primitive) 것이며 수십~수백 바이트로 소량이다. 이용 목적은 시스템의 감시나 보전 정보 등의 보조적인 정보의 수집·설정으로, 접근 속도는 빨라도 수 초 단위, 많게는 수십 초부터 수 분 단위이다.● 통신 품질이용되는 환경이 개방된 구역이므로 적절하지 않은 장소로부터의 무단 액세스나 통신 데이터 조작에 대한 대응과 처리가 필요하다. 또 현장환경에서의 노이즈 등에 의한 통신경로의 차단이나 데이터 결손에 대한 대응이 필요하다.● 설치·운용의 방법수 미터 이상인 탱크나 배관 등의 장해물이 되는 많은 금속물은 전파를 차단 또는 반사하기 때문에 안정된 통신로의 확보에는 안테나 지향성, 설치장소 등의 적절한 선택이 중요하다. 또 센서나 기기 등의 가동 기간은 수 일 이하의 단기간부터 수 년간까지 다양한 데, 그 기간 동안은 전지 교환 없이 동작할 수 있어야 한다.한편, 무선통신에 필요한 전력을 기기측에서 공급하는 경우 이용할 수 없는 전력은 수십 mW 이하로, 저소비전력에서의 통신 구조가 필수다. 또 무선 기능의 설치에 해당하는 통신 시스템의 복잡한 구성을 필요로 하지 않고 간단히 할 수 있어야 한다.이런 요건을 만족시키기 위해서 여러 가지 무선통신기술(그림 2) 중 IEEE 802.15.4가 유력하게 도입되고 있다. 그 이유는 다음의 특징을 제공하기 때문이다.① 장기간의 배터리 구동② 하나의 네트워크에 존재할 수 있는 노드 수가 약 6만 개 이상③ 광역 현장을 커버하기 위한 멀티홉(multi-hop) 기능 제공④ 세계 표준규격IEEE802.15.4의 특징과 이용방법IEEE802.15.4는 무선통신 하드웨어(물리층)와 그것을 제어하는 기능(MAC층)으로 이루어진다(그림 3). MAC층은 포인트와 포인트 간의 통신제어이고 네트워크층은 MAC 기능을 이용한 여러 개의 포인트 간의 통신제어를 담당한다. 네트워크 층에는 트리형, 메시(mesh)형 등의 현장에서 유용한 각종 네트워크 토폴로지가 실장되어 그 위에 각종 애플리케이션 및 플랫폼을 실장할 수 있다.다음은 현장 무선 네트워크의 한 가지 기능요소인 무선 노드와 시스템화 요소를 프로토타입 제작한 요꼬가와전기의 사례다.기능요소프로토타입 제작한 무선 노드는 약 3cm×1.8cm로 현장 기기에 내장하기에 충분한 소형 크기로 되어 있다.● 무선 노드무선 노드는 내장 ROM/RAM(56KB/4KB)의 전력절약형 16비트 MPU와 IEEE802.15.4 기능을 제공하는 무선 송수신 칩으로 구성된다. MPU에는 여러 개의 무선 노드를 경유하여 직접 전파가 닿지 않는 장소와 통신하는 멀티홉 기능과, 네트워크의 구성이 필요 없이 무선 노드가 자동으로 시스템에 결합하여 동작하는 플러그앤플레이 기능이 탑재됐다. 게다가 플러그앤플레이 기능은 검출한 노드 정보를 상위 애플리케이션에 전달할 수 있는 인터페이스를 갖추고 동적으로 애플리케이션과 무선 노드를 결합시킬 수 있다.● 시스템화 기술현장 무선 네트워크는 설비관리 등을 위해 데이터 서버나 제어 시스템의 네트워크와 상호접속 할 필요가 있다. 이 프로토콜 변환기기로 IP 네트워크와의 게이트웨이가 필요하다. 이것을 통해 무선 노드와 IP측의 애플리케이션이 상호접속 할 수 있다. 또한 무선 노드의 설치나 운용관리를 위해 무선 통신 패킷을 실시간으로 모니터 할 수 있는 툴이 필요하다.실용화의 대응이상에서 소개한 바와 같이 현장 무선 네트워크를 위해 필요한 기본적인 기능요소가 개발되어야 한다. 요꼬가와전기는 이러한 기기 요소를 이용하여 현장에서 새로운 설정(concept)을 구현해 나갈 계획이다. 다음은 이 회사가 우선 대처하고 있는 ‘비영구(temporal) 센서’와 ‘보수용 서브라인’에 대해 소개한다.● 비영구 센서비영구 센서는 정기 점검 시 또는 설비 이상 발생 시 일시적으로 특정 장소를 모니터하는 것이다. 이 용도에서는 전원을 포함하여 무선으로 설치하기 위한 전지 구동기능과 운용의 간이화를 위한 플러그앤플레이 기능이 필수적이다. 요꼬가와전기는 장기간 전지 구동이 가능하도록 센서의 상시 동작 대신에 간헐 동작시키는 구조와 동작 타이밍을 시스템에서 동기시키는 구조를 개발했다. 플러그앤플레이 기능은 동적으로 센서를 검출하여 설치와 동시에 감시 시스템이 데이터를 모니터 할 수 있는 구조로 실현된다.● 아날로그 통신 기기의 보수용 서브 라인4~20mA 아날로그 신호로 접속되어 있는 센서나 액추에이터에 원격진단/검사기능을 부가하는 보수용 서브 라인으로서의 무선 네트워크 기능을 실현한다. 무선 노드에 필요한 전력은 장착된 기기의 4~20mA 신호의 잉여전력으로 공급되므로 특별한 배전은 필요 없다. 이 기능을 활용하면 용이하게 디지털 통신 라인을 도입할 수 있으므로 4~20mA 신호로 계장되어 있는 기존 시스템에도 부분적으로 FF(Foundation Fieldbus)를 실현할 수 있는 자기진단기능을 내장할 수 있게 된다.성장하는 시스템 프레임 작업제조현장의 생산 시스템은 제조품질, 스루풋, 효율의 향상을 목표로 해왔다. 이런 활동에서는 네트워크를 활용하여 현장과 경영 시스템을 잇는 수직방향의 연계, 상류에서 하류 공정까지의 수평방향의 연계, 더 나아가 과거 경험의 시간축 방향에서의 활용에 의한 개선이 이루어져 왔다. 이것을 네트워크화에 의한 제 1기 개선이라고 한다면, 이제 유비쿼터스화에 의한 제 2기 개선이 시작되고 있다.여기서 기대되는 것은 기존 제조환경 주변에서 발생하는 여러 가지 과제에 대해 기존 시스템의 틀에 얽매이지 않고 여러 방면으로 대응하는 것이다. 제조현장에는 공정 간에 재고가 쌓이는 문제, 생산설비의 안전강화 및 환경·에너지 문제 등의 수많은 과제가 있다. 과제는 해마다 다양해지고, 또한 시스템 설계 당시에는 예상할 수 없었던 것도 많아 항상 새로운 과제로 제기된다. 과제해결에는 기존 시스템의 틀을 넘어 여러 시스템을 관통하고 현장의 상세한 정보 수집·분석이나 기능 확장이 필요할 경우도 있다.기존에는 과제에 대응할 때 매번 시스템을 정지시키고, 다양한 기기에 대해 각각의 기능이나 기기 구성의 증·개조를 실시했다. 그러나 일상화된 변화에 대응하기 위해서는 기기별로 기능을 확장하는 구조와, 이것들을 네트워크를 통해 운용 관리하는 구조의 실현이 필요하다. 요꼬가와전기는 기기 상에 기능확장을 위한 공통 컴퓨팅 환경의 설치와 이것을 이용한 과제해결을 위한 시스템을 기존 시스템에 중첩시키는 FOA(Field Overlay Architecture)를 개발하고 있다. 그 내용을 간단히 소개한다.FOA 특징제 1기 개선에서는 네트워크에 의한 공정 간 접속과 다양한 현장 데이터를 저장하는 공정 정보관리 시스템의 실현이 과제해결의 기반이었다. 생산업무 그 자체의 개선을 이 기반 위에서 해왔다. 반면 제 2기 개선에서는 생산업무의 주변에서 일상화된 과제에 대해 필요 시 확장 기능을 내장할 수 있는 컴퓨팅 환경의 실현이 열쇠가 된다.FOA에서는 기존 시스템을 성장시키기 위해서 시스템을 구성하는 기기군에 확장 기능을 위한 컴퓨팅 환경을 구축한다.이 환경의 특징으로서는 ①내장해야 할 확장 기능의 재이용성에서 현장의 다양한 기기의 각 특성에 의존하지 않는 공통화된 것이 기대된다. 또 ②내장된 확장 기능은 여러 기기를 넘어 연계되고, 더욱이 시스템의 성장에 따라 다중으로 구성되는 것에서, 확장 기능이 서로 독립적으로 동작하는 것이 기대된다. 마지막으로 ③확장 기능의 내장이나 실행이 기존 시스템에 요구되는 실시간성이나 신뢰성을 손상시키지 않는 충분한 배려가 필요하다.FOA 구조여기서 FOA의 구조를 두 개의 관점에서 설명한다.첫 번째 관점에서는 기기들의 프로그램 실행환경에 착안하여 기기 상에 확장 기능을 실현하는 구조를 설명한다. 두 번째 관점에서는 전술한 구조를 가진 여러 개의 기기로 실현된 과제해결의 시스템 운용에 착안하여 여러 개의 과제 해결 시스템이 기존 시스템 상에서 겹쳐진 ‘시스템 중첩’ 구조를 설명한다.● 확장 기능 실현의 구조기기의 기존 기능에 부가적인 확장 기능을 실현하기 위해서 FOA 동작 기구라 부르는 프로그램 실행환경을 탑재한다.이 본동작 기구는 인터프리터(interpreter) 상에, 다른 기기에 공통의 컴퓨팅 환경으로서 제공된다. 이에 따라 CPU나 OS 등 기기의 물리 특성에 의존하지 않고 확장 기능을 실현할 수 있다. 또 기존 기기가 이동되어도 기능을 계승할 수 있다.동작 기구 상에서 동작하는 프로그램은 그 기기가 가진 정보나 기능을 활용하고 여러 개의 프로그램이 병렬 동작하여 확장 기능을 실현한다. 또 동작기구는 프로그램 및 그 설정정보를 네트워크 경유로 다운로드 하는 기능, 그리고 프로그램의 기동·정지 등 일련의 동작 지시를 외부에서 네트워크 경유로 할 수 있는 기능이 있다.동작 기구 상의 프로그램을 FOA에서는 Element라고 한다. 이더넷은 확장 기능 실현의 애플리케이션 부품으로 설치된다. Element는 데이터나 이벤트를 상호교환하기 위해 연계 인터페이스를 가진다. Element는 이들을 연결하여 맞추어 연계하고 확장 기능을 형성한다. 동작 기구는 이 확장 기능을 독립시켜 복수로 실행시키는 환경을 제공한다. 이 환경을 Element Space라고 한다. Element Space는 하나의 동작 기구 상에서 여러 개가 존재하고 서로 영향을 미치지 않으면서 Element를 실행하거나 조작할 수 있다.● 시스템 중첩 구조과제 해결 시스템을 구성하기 위해서 기기 상의 Element는 기기를 횡단하여 정보를 교환한다. 과제 해결 시스템은 각각의 과제 내용, 시스템 기기구성, 담당자가 다르거나 과제와 담당 구분별로 독립적으로 운용될 필요가 있다. 그러기 위해서 각 시스템의 조작 접근권한 및 기기 자원이나 기존 기기의 기능 할당을 제어하는 구조를 제공할 환경이 필요하다. 이 환경을 시스템 스페이스(System Space)라고 한다.시스템 스페이스는 기기 상에 생성된 Element Space군에서 구성된다. 따라서 Element는 Element Space 환경 하에서 동작하고 동일한 시스템 스페이스에 포함된 다른 Element와 연계되어 확장 기능을 실현한다.시스템 스페이스는 기기군에 여러 개 겹쳐서 구축할 수 있어 여러 개의 과제 해결 시스템을 병행하여 운용할 수 있다. 이 같은 운용의 실현이 이 FOA가 지향하는 설정이고 이 시스템 운용형태를 ‘시스템 중첩’이라고 한다.시스템 중첩의 구조 실현을 위한 기능으로 FOA 관리 기구가 있다. 관리 기구는 과제 해결 시스템을 구축하는 기능으로 여러 개의 시스템 스페이스, Element Space, Element의 구성정보를 등록하고 동작 기구에 구성정보 및 Element 프로그램을 네트워크를 통해 다운로드하여 실행시키는 구조를 갖추고 있다. 또 관리구조는 시스템 구성이나 동작상태를 파악·감시하는 기능이 있다.관리기구의 기능은 FOA 시스템 전체를 관리하는 FOA 관리자용과 과제 해결 시스템을 담당하는 시스템 스페이스 관리자용으로 나누어 제공된다. FOA 관리자만 각 시스템 스페이스의 접근권한이나 기기자원 등의 운용조건을 정의하고 시스템 스페이스 관리자는 시스템 스페이스로 할당된 권한을 가진다. 시스템 스페이스 관리자는 할당된 시스템 스페이스 내의 구축·운용을 다른 시스템 스페이스와는 독립하여 행사하는 권한을 가진다.설비 모델의 실시간 활용석유정제, 석유화학, 철강, 제지 등 소재 산업의 생산현장에서는 자동화가 진행되고 있지만 생산계획에 관한 최종적인 의사결정이나 이상사태의 대응 등은 아직 사람의 판단에 의지하는 경우가 많다. 또 환경문제와 안전문제에 관심이 높아지고 있어 안전·안심 관련 기술에 대한 기대가 높다.최근 네트워크 기술 발전에 따라 원격조업이나 현장 정보의 통합이 진행되고 있으며, 이들이 안전·안심 설비 조업에 대한 하나의 답이 될 것으로 기대되고 있다. 게다가 앞으로의 모습을 고려할 때 이용자가 정보를 각각의 시점에서 변형·재구성하여 사용하기 쉬운 형태로 제공하는 것이 중요하다. 따라서 사람에 의한 의사결정이나 조작을 지원하는 기술로, 설비에 의해 본질적인 상황을 파악할 수 있게 하므로 설비 모델의 실시간 활용을 제안하고 있다.또한 물류비용이나 환경비용을 절감하고 대규모의 사고위험을 예방하기 위해서 요구되는 것을 필요한 상황에서 생산하는 유비쿼터스 생산이 진행되고 있다. 유사한 설비를 전세계에 배치하거나 혹은 소형화하여 소비지에 분배·배치하면 그것을 원격으로 집중시켜 보수하고 감시·운전할 필요가 있다. 이 때 각각의 설비 설치 상의 차이가 크면 원격으로 개별 대응을 하거나 집중해서 보수·감시·운전의 이점을 살릴 수 없다. 따라서 각각의 실장 상 로컬에 흡수시켜 많은 유사 설비를 한꺼번에 취급할 수 있으며 공통으로 계획, 조업, 감시, 보수를 실시할 수 있는 구조가 필요하다. 또한 설비 모델을 실시간으로 활용하여 중요한 인덱스를 산출하고 각 설비에 공통의 본질적인 상황을 파악할 수 있도록 하는 동시에 공통의 제어 변수로 조업할 수 있도록 하는 기술이 필요하다.

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김가희 (webmaster@techworld.co.kr)

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