산업 자동화에 사용되는 첨단 센서 및 분석 기술

(출처: Bounpaseuth / stock.adobe.com; AI로 생성)

인더스트리 5.0의 토대를 이루는 것 중 하나는 보다 총체적이고 효과적인 제조 솔루션을 만들기 위한 첨단 기술의 활용이다. 여기에는 필연적으로 센서 및 데이터 수집 기술이 포함된다. 제조회사의 운영에 대한 전례 없는 통찰력과 투명성을 제공하는 데이터를 통해, 인더스트리 5.0은 공장 현장에 효율성, 지속 가능성 및 품질에 대한 새로운 기회를 제공한다. 이 글에서는 산업 자동화에서 센서와 분석의 역할과, 이들 기술이 인더스트리 5.0에 어떻게 기여하는지 살펴본다.

산업 자동화 분야에 활용되는 첨단 센서 기술

센서는 항상 산업 자동화의 핵심이었다. 초기의 센서 기술은 기본적인 물리적 측정, 특히 압력, 온도, 레벨 및 흐름에 중점을 두었다. 하지만 자동화의 발전과 함께 센서 기술도 발전했으며, 최근 몇 년 동안에는 이미지, 근접성, 토크, 진동 및 속도라는 새로운 범주들의 센서들이 더 복잡하고 다양한 제조 환경의 요구를 해결하기 위해 등장했다.

인더스트리 5.0의 관점에서 보면, 제조 공정에는 종종 추가적인 안전 조치가 필요한 인간과 로봇의 협업이 포함된다. 예를 들어, 근접성, 이미지, 심지어 적외선 센서들도 인간이 협동 로봇(코봇)과 함께 작업하는 환경에서 충돌을 감지하는 데 필수적인 요소로 자리잡았다. 이러한 센서는 실시간으로 움직임을 감지하고, 위험 수준이 높은 지역에 작업자가 진입할 경우 안전 대응을 트리거하여 작업자를 보호한다.

안전성 이외에도, 토크 및 변위 센서들은 로봇이 컨베이어에 물체를 정확하게 배치하도록 지원하여 작동 정확도와 품질 제어를 보장한다. 이들 센서의 다양성과 적응력은 첨단 산업 자동화를 가능케 할 뿐 아니라, 다양한 제조 요구 사항들을 지원한다.

프로세스 및 자원 최적화

인더스트리 5.0에서는 실시간 데이터 수집을 통해 반응성이 높고 적응력이 뛰어난 생산 환경을 가능하게 할 수 있다. 여기서 센서는 컨베이어 속도, 물체의 치수 및 모양부터 제품 완성도 및 조립 품질에 이르기까지 모든 것들에 대한 데이터를 수집한다. 예를 들어, 조립 라인 상의 제조 작업에서는 실시간 센서 데이터를 사용하여 제품 구성 요소가 허용 오차 내에서 올바르게 정렬되어 있는지 확인하여 비용이 많이 드는 재작업을 방지할 수 있다.

실시간 데이터는 자동화된 조립 라인들이나 위험한 제조 세팅과 같이 안전이 우선시되는 애플리케이션들에서 특히 중요하다. 이러한 애플리케이션들에서 센서는 제어 시스템에 즉각적인 피드백을 제공하여 직원을 보호하고 운영 무결성을 유지하는 예방 조치들을 가능하게 한다. 실시간 센서 데이터를 활용함으로써, 제조 시스템들은 수동 점검이나 중단으로 인한 다운타임을 최소화하면서 생산성과 안전 사이의 균형을 최적화할 수 있다. 최신 스마트 팩토리 제어 시스템의 연산 능력을 크게 향상시키는 데 생성형 AI(GenAI)의 역할이 점점 더 중요해지고 있다.

비슷한 맥락에서 인더스트리 5.0의 주요 컨셉트 중 하나인 지속 가능한 생산성은 자원 소비를 줄이고 폐기물을 최소화하는 동시에 생산량을 극대화하는 것을 목표로 한다. 센서들은 에너지 소비, 생산 속도, 자원 사용을 측정하고 품질, 성능, 가용성과 같은 요소에 걸쳐 기계의 효과를 나타내는 지표인 전반적 장비 효과(overall equipment effectiveness, OEE) 계산을 가능하게 함으로써 이러한 노력에 중요한 역할을 한다. 제조 시스템들은 실시간 데이터를 통해 최적이 아닌 속도와 부하로 작동하거나 과도한 폐기물을 생성하는 기계와 같은 비효율성을 신속하게 식별 및 해결할 수 있다.

첨단 분석 플랫폼은 센서 데이터를 수집하여 OEE를 계산한다. 만일 기계가 목표한 OEE 수준 이하로 작동하면, 분석은 과도한 유휴 시간, 열악한 에너지 사용, 다운타임과 같은 특정 비효율성들을 식별함으로써 작업자가 최적의 성능을 달성할 수 있도록 이러한 특성들을 조절할 수 있게 해준다. 예컨대, 분석은 에너지를 많이 소비하는 기계의 작동을 줄이거나 자원 사용을 최적화하여 폐기물을 최소화하는 방안을 제안할 수 있다. 그렇게 하면, 제조사들은 수익성을 개선하는 동시에 보다 지속 가능한 운영들을 달성할 수 있다.

예지 정비의 활성화

센서의 장기적 및 실시간 데이터 수집에 의존하는 예지 정비는 산업 자동화에서 가장 가치 있는 분석 애플리케이션들 중 하나다. 장비 성능에 대한 과거 수년 동안의 데이터 분석을 하면 실제 고장이 발생하기 전에 유지보수 요구 사항들을 예측할 수 있다. 즉각적인 운영을 결정하는 데에는 실시간 데이터가 매우 중요하지만, 예방정비는 수개월 또는 수년에 걸쳐 수집된 데이터 추세에 의존한다.

예지 정비의 효과를 높이기 위해, 기업들은 종종 OEM의 데이터와 자신들이 자체 수집한 데이터를 통합하기도 한다. OEM은 유사한 기계에 대한 수년간의 운영 데이터를 보유하고 있기 때문에 이러한 데이터 통합 접근법을 활용하면 보다 광범위한 데이터 세트에 접근할 수 있다. 예를 들어 터빈이나 컨베이어 벨트에 설치되어 진동, 기름 찌꺼기, 온도 또는 압력을 모니터링하는 센서는 기계의 마모 또는 잠재적 고장을 나타내는 편차들을 표시한다. 그런 다음 고급 분석을 통해 이러한 데이터를 처리하고, 장비에 유지보수 서비스가 필요할 가능성이 높은 시기를 나타내는 패턴들을 식별함으로써, 다운타임과과 수리 비용을 최소화하고 장비의 동작 수명을 연장할 수 있다.

그러나 예지 정비를 실행하려면 상당한 데이터 양과 과거 추세에 대한 분석이 필요하다. 그러려면 클라우드 컴퓨팅이 반드시 필요하다. 클라우드 기반 분석 플랫폼들은 대규모로 데이터를 처리함으로써 고정밀 유지보수 스케줄링 및 운영 계획을 지원하여 생산성과 비용 효율성을 직접적으로 최적화한다.

기존 시스템에 대한 센서 통합

인더스트리 5.0은 상호 연결된 시스템들과 데이터 기반 프로세스들을 강조하지만, 많은 산업 시설들은 여전히 인더스트리 3.0 또는 4.0 환경을 위해 설계된 기존 장비들로 운영된다. 최신 센서를 이러한 구식 시스템에 통합하는 것은 특별한 과제를 제기한다. 예컨대, 기존 시스템들은 일반적으로 아날로그 센서들을 사용하는데 이러한 아날로그 센서들은 인더스트리 5.0이 요구하는 첨단 데이터 처리 기능을 지원하지 못할 수도 있는 것이다.

센서를 개조하거나 추가하려면 정확한 배치를 보장해야 하는데, 회전축들이나 내부 베어링들과 같은 특정 기계 부품에 대한 접근이 제한될 때는 어려울 수 있다. 또한 아날로그 배선과 인터페이스에는 많은 센서들의 실시간 데이터 전송을 처리하는 데 필요한 대역폭이 부족한 경우가 많기 때문에 디지털 통신을 수용하기 위한 인프라 업그레이드도 필요하다. 이러한 격차를 해소하기 위해 시설들은 전체 인프라를 점검하지 않고도 데이터 전송을 촉진하기 위해 데이터 변환기들이나 무선 통신 시스템들을 설치해야 할 수도 있다.

또한 디지털 센서들을 통합할 때에는 센서 데이터의 분석 및 시각화에 적용할 수 있는 소프트웨어가 필요할 수 있다는 점이 기존 제어 시스템에 또 다른 도전 과제가 되고 있다. 따라서 인더스트리 5.0을 추진하고자 하는 기업들은 센서 기술과 이러한 센서들의 데이터를 관리하고 처리할 수 있는 광섬유, 에지 컴퓨팅 디바이스, 분석 플랫폼들과 같은 지원 에코시스템에도 투자해야 한다.

맺음말

인더스트리 5.0이 계속 발전함에 따라 센서 기술과 분석 기술은 더욱 중요해질 것이다. 센서는 상태를 실시간으로 모니터링하고 유지보수 요구들을 예측하며 지속가능성 목표들을 지원하는 능력을 갖추고 있기 때문에 제조회사들은 작업자를 보호하면서 환경에 미치는 영향을 최소화하면서 프로세스들을 최적화할 수 있다. 한편, 생성형AI에 기반한 분석의 발전은 이들 센서가 생성하는 방대한 데이터를 이해하는 데 필요한 정보를 제공할 것이다. 이러한 기술들은 인더스트리 5.0의 기반이 되어 데이터를 실행 가능한 인사이트로 바꾸고 보다 적응력 있고 탄력적인 산업적 미래를 위한 길을 열어준다.

저자 소개

헥터 바레시(Hector Barresi)는 산업 자동화, 스마트 제조 및 디지털화 부문을 전문으로 하는 산업 기술 고문, 컨설턴트, 강연자로서 다양한 수상 경력을 보유하고 있다. 하니웰, 다나허, IDEX, 제너럴 일렉트릭(GE)의 임원을 역임했으며, 세계 최고 수준의 제품 혁신 기업들을 구축한 것으로 유명하다. 특히 업계 최초의 산업용 무선 센서 제품군인 하니웰 XYR5000과, 페인트 업계에 혁명을 일으킨 획기적인 Tintelligence 스마트 틴팅 플랫폼으로 널리 알려졌다.