산업 자동화를 재편하는 무선 기술

글: 헥터 바레시(Hector Barresi) / 마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)

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

산업 자동화 시스템은 복잡하기로 유명하다. 산업 자동화 시스템에는 센서, 액추에이터, 제어 시스템, 전사적 자원 관리(ERP), 공급망 소프트웨어 등 여러 요소들이 뒤섞여 있으며, 본래 서로 다른 이러한 하위 시스템들이 유기적으로 작동하는 데 크게 의존한다. 따라서 대량의 데이터를 요구하는 애플리케이션에서는 이를 가능하게 하는 역할을 통신과 네트워킹이 주로 담당한다.

유선 시스템은 오랫동안 산업 현장에서 통신의 중심 역할을 해왔다. 유선 시스템은 높은 신뢰성과 안정성, 그리고 기존 장비와의 호환성 덕분에 다양한 산업 분야에서 기본 선택지로 자리 잡았다. 그러나 산업 디지털화의 요구가 커지고, 이동성, 유연성, 비용 절감에 대한 요구가 새롭게 더해지면서 오늘날에는 무선 기술이 자동화 전략의 핵심으로 부상하고 있다. 5G, WirelessHART, LoRa, 블루투스(Bluetooth), 와이파이(Wi-Fi), 지그비(Zigbee)와 같은 무선 기술들은 사람 중심성, 지속 가능성, 회복력 있는 제조를 강조하는 인더스트리 5.0에서 새로운 아키텍처와 애플리케이션, 성능 기준을 가능하게 하고 있다.

이 글에서는 유선 시스템의 한계를 극복하며 산업 자동화를 재편하고 있는 새로운 무선 기술들의 사례를 살펴본다.

유선 방식의 한계

전통적인 산업 현장에서는 배선이 전체 시스템 비용에서 가장 큰 비중을 차지하는 경우가 많았다. 예컨대, 센서의 경우, 기능과 규격에 따라 1개당 가격이 수백 달러에서 수천 달러에 이를 수 있다. 그러나 그 센서를 연결하기 위한 비용, 즉 굴착, 배관 설치, 인건비, 결함 발생에 대비하기 위한 추가 작업 등을 포함한 비용은 센서 가격의 몇 배에 달할 수도 있다. 이러한 배선 비용은 시설의 규모가 커질수록 급격히 증가하기 때문에, 결국 센서의 광범위한 배치를 가로막는 주요 걸림돌이 된다.

비용 외에도, 유선 시스템은 다양한 물리적, 또는·환경적 위험에 취약하다. 산업 현장의 높은 온도와 부식성 물질들은 시간이 지나면서 케이블을 손상시킬 수 있다. 또한 장비들이 서로 부딪히는 사례들이나 화재 발생 등으로 인해 유선 연결이 끊어지면 예기치 않은 가동 중단 사태와 수리가 필요한 경우가 발생하기도 한다. 이러한 이유들로 산업용 시스템은 배선이 온전하고 정상적으로 작동하는지를 확인하기 위해 유지보수와 점검이 수시로 필요하며, 이는 유선 시스템의 비용을 더욱 증가시킨다.

 
무선이 해답인 이유

이에 반해 무선 통신은 유선 시스템과 관련한 많은 물리적, 금전적 제약을 없앤다.

무선 센서는 배관 공사, 배선 설치, 대규모 인력이 필요하지 않기 때문에 배선이 어렵거나 위험한 구역에서도 신속하게 설치할 수 있다. 이로써 초기 투자 비용을 줄이고, 모니터링과 센싱 인프라를 더 빨리 구축해 정보 획득 시간을 단축할 수 있다. 또 물리적인 배선을 없앰으로써 유지보수 부담이 줄고, 케이블 손상으로 인한 통신 장애 위험도 감소한다.

무엇보다 무선 방식은 유선 시스템으로는 구현하기 어려운 수준의 이동성과 유연성을 제공한다. 현대 산업 환경에서는 재설정이 가능한 생산 라인, 무인 운반 차량(autonomous guided vehicle, AGV), 협동 로봇, 이동 자산 추적 등 움직임과 유동적인 레이아웃을 지원하는 통신 네트워크가 필수적이다. 무선 기술은 고정된 지점에 얽매이지 않고도 안정적인 연결을 제공해 이러한 애플리케이션을 위한 기반을 마련한다. 이러한 특성들 덕분에, 무선 시스템은 유선 시스템보다 더 유연하고 미래 지향적이다.

용도에 맞는 무선 기술과 프로토콜 선택

모든 산업 현장의 요구 조건을 충족할 수 있는 단 하나의 무선 프로토콜이나 기술은 없다. 따라서 엔지니어는 지연 시간, 전력 소모, 신뢰성, 데이터 처리량, 인증 요건 등 애플리케이션의 요구 사항에 따라 적절한 무선 기술을 선택해야 한다.

 
▶ 5G

5G는 제조 분야에서 저지연, 고대역폭, 미션 크리티컬 애플리케이션을 위한 대표적인 기술로 떠올랐다. 이 기술은 결정론적인 성능과 수천 개의 동시 연결을 지원하는 능력 덕분에 실시간 로봇 제어, 공장 내 자율주행 차량, 지연에 민감한 안전 인터록(interlock) 등의 애플리케이션에 특히 적합하다. 특히 사설 5G 네트워크를 구축하면 공용 통신망에 의존하지 않고 품질을 최적화할 수 있어 더 높은 수준의 제어가 가능하다.

 
▶ WirelessHART
WirelessHART는 고유의 안전 인증과 입증된 결정론적 성능 덕분에 정유 공장과 화학 공정 분야에서 표준으로 자리 잡고 있다. 4천만 건 이상의 설치 사례를 보유하고 있는 유선 HART(Highway Addressable Remote Transducer) 프로토콜을 기반으로 구축된 WirelessHART는 신뢰할 수 있고 안전하며 결정론적인 통신을 제공한다. 이 기술이 가진 가치는 성능뿐 아니라 방폭 하우징과의 호환성, 산업별 안전 인증 준수에 있다. 또한 WirelessHART는 예측 가능한 성능 덕분에 공정 변수 측정과 감독 제어처럼, 지금까지 유선 방식으로 처리하던 작업에서도 신뢰할 수 있는 선택지로 사용된다.

▶ LoRa(long range)

장거리 통신인 LoRa, 그리고 이와 유사한 저전력 광역 네트워크(low-power wide area network, LPWAN) 기술은 배터리 수명과 비용이 가장 중요한 고려사항인 장거리, 저속 데이터 애플리케이션을 지원한다. LoRa는 초저전력으로 동작하기 때문에 센서가 배터리 교체 없이 수년간 작동할 수 있게 해준다. 따라서 LoRa는 환경 모니터링, 원격 설비 관리, 농업처럼 원격지나 넓게 분산된 자산에 적합한 선택이다.

▶ 블루투스

블루투스는 전통적으로 소비가전에 초점이 맞춰져 왔지만, 스마트폰과 웨어러블 기기에 널리 쓰인다는 점 덕분에 최근에는 의료 및 개인 모니터링 애플리케이션으로 적용 범위를 넓히고 있다. 짧은 거리와 제한된 처리량은 BAN(body area network)이나 국소적인 데이터 수집에 적합하다. 이런 이유로 저전력 블루투스(Bluetooth Low Energy, 블루투스 LE) 같은 기술이 자산 추적 같은 애플리케이션에 많이 사용된다. 산업용으로 쓰이는 또 다른 블루투스 활용 사례로는 기계 장치에 자석으로 부착한 진동 센서를 태블릿 같은 휴대용 테스트 장비에 연결하여 단기적인 측정을 수행하는 작업을 들 수 있다. 

▶ 와이파이
와이파이는 높은 데이터 처리량과 폭넓은 장치 호환성이 요구되는 산업 환경에서 널리 사용된다. 이는 비디오 모니터링, 진단 데이터 전송, 펌웨어 업데이트처럼 대역폭을 많이 사용하는 애플리케이션을 지원한다. 5G나 WirelessHART만큼 안정적이지는 않지만 제어된 환경에서 중요도가 조금 낮은 작업에 적합하다. 와이파이는 널리 보급돼 있고 통합이 쉬워 기존 시설의 리노베이션이나 공장 전체 네트워킹에 이상적이다.

▶ 지그비
지그비는 저전력, 근거리 메시 네트워킹 프로토콜로서, 센서가 밀집된 환경을 위해 설계됐다. 조명 제어, HVAC 모니터링 등 저대역폭 애플리케이션에 적합하다. 지그비는 메시 토폴로지를 활용하여 실내 산업 환경에서 커버리지를 넓히고 이중화(redundancy)를 구현한다.

무선 네트워크 구축의 위험과 해결해야 할 과제

무선 네트워크 구축은 유선 인프라에 비해 많은 비용 절감과 효율성 향상의 이점을 제공하지만, 그에 따른 고유한 위험도 있다.

신뢰성은 여전히 가장 큰 우려 사항이다. 가장 강력한 무선 프로토콜조차도 유선 시스템이 제공하는 ‘식스 나인’(99.9999%) 수준의 신뢰성에는 미치지 못한다. 5G와 WirelessHART 같은 프로토콜이 ‘포 나인(99.99%)’에 근접할 수는 있지만, 핵심적인 애플리케이션에서는 마지막 소수점 차이가 중요하다. 높은 신뢰성이 요구되는 시스템에서는 무선의 가변성을 보완하기 위해 종종 이중화와 백업 메커니즘을 포함해야 한다.

사이버 보안도 점점 더 중요한 문제로 떠오르고 있다. 점점 더 많은 기기들이 연결되면서 공격 표면이 확대되기 때문이다. 무선 센서와 컨트롤러는 가동 시간을 해치지 않으면서도 암호화, 인증, 업데이트 메커니즘을 반드시 탑재해야 한다. 특히 제조 현장에서는 펌웨어 업데이트와 패치 관리가 매우 민감한데, 작은 중단만으로도 공정이 어긋나거나 안전 위험이 발생할 수 있다.

신호 무결성(signal integrity, SI)도 추가적인 복잡성을 더한다. 금속 인클로저, 철근 콘크리트, 장비에서 발생하는 전자기 간섭(EMI) 같은 물리적 장벽이 무선 전송을 방해할 수 있다. 따라서 최적의 안테나 위치를 정하고, 음영 구역을 확인하며, 중계기 사용 계획을 세우기 위해 사전 현장 조사와 무선 주파수 시뮬레이션이 필요하다.

가동 중단 없이 시스템을 구축하기 위한 전략

무선 기술을 도입한다고 해서 기존에 잘 작동하던 것을 제거할 필요는 없다. 대부분의 성공적인 구축 사례는 기존 시스템을 보완하는 하이브리드 아키텍처로 시작한다. 이러한 이유로, 사용자는 필요한 제어를 위해 유선 인프라를 유지할 필요가 있으며, 유연성 확보, 센서 커버리지 확장, 이동성 추가를 위해 무선을 도입하는 것이 좋다. 이렇게 하면 위험을 줄이면서도 초기부터 무선이 제공하는 가치를 누릴 수 있다.

이 밖에, 무선 네트워크를 성공적으로 구축하기 위해 고려할 사항으로는 다음과 같은 것들이 있다.

• 구축 전에 현장 조사를 실시해 신호 범위를 파악하고, 물리적 장애물을 확인하며, EMI 발생원을 평가한다.
• 다양한 장치와 네트워크 간의 데이터 파이프라인을 통합하기 위해 다중 프로토콜 변환을 지원하는 게이트웨이를 사용한다.
• 성숙한 산업 표준을 따르는 공급회사를 선택하고, 독자적 락인(lock-in)을 유발하는 솔루션은 피한다.
• 설치, 시운전, 지속적인 유지보수를 위한 교육에 투자해 사내 담당 부서가 시스템을 효과적으로 관리하고 문제를 해결할 수 있는 역량을 갖추도록 한다.

맺음말

산업 애플리케이션이 변화함에 따라 통신 인프라도 함께 발전하고 있다. 유선 시스템이 여전히 최고의 결정성 및 신뢰성을 위해 필요하기는 하지만, 무선 기술은 이제 더 높은 확장성과 유연성을 위한 현실적인 대안이 되고 있다. 신중한 계획을 통해 무선 기술을 통합하면 산업 자동화에서 새로운 연결성과 모니터링의 시대를 열 수 있다.

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.