스마트 팩토리를 위한 데이터 수집과 전송, 누가 잘하나?

IIoT(Industrial Internet of Things 산업용 사물 인터넷)라는 트렌드는 센싱(Sensing) 기술이 기반이 된다. 우리가 스마트라고 칭하는 거의 모든 것들은 센싱을 기반으로 사용자에게 최적화된 정보와 환경을 제공해주기 때문이다.
스마트한 센서들이 주변상황 정보를 획득하여 실시간으로 전달한 결과를 구축된 네트워크 인프라를 통해 사물이 가진 정보들을 공유하고, 사람은 이를 기반으로 서비스 인터페이스를 통해 어떤 액션을 취하게 된다.
이를 위해서는 데이터 수집과 전송이 중요해지게 되는데, 이러한 트렌드에 맞물려 주력 자동화 업체들의 데이터 수집 및 전송을 위한 기능 확대 및 신제품 출시가 활기를 띠고 있다.
MOXA나 어드밴텍, 힐셔(Hilscher)와 같은 전통적으로 데이터 수집과 전송에 강한 업체들 외에도, 에머슨 프로세스 매니지먼트 및 터크(Turck)와 같은 자동화 업체들 역시, 자사의 제품 포트폴리오와 경험을 무기로, IIoT를 위한 데이터 수집과 전송 부분에서 자사의 시장과 인지도를 공격적으로 확대해 나가고 있다.
올 2016년, 지난해에 이어 스마트 팩토리(Smart Factory)가 제조 업계의 최대화두로 부상할 것으로 전망되는 가운데, 주력 자동화 업체들의 기술개발 경쟁 역시 과거에 비해 강도를 더할 것으로 예상된다.

<기획·취재 최교식 기자 cks@engnews.co.kr>

한국 에머슨 프로세스 매니지먼트 박병휘 이사

“퍼베이시브 센싱이 사물인터넷 시대의 공정제어 산업을 발전시키게 될 것”

유ㆍ무선을 모두 갖춘 에머슨은 많은 레퍼런스를 통해, IIoT와 스마트 플랜트를 구축하기를 원하는 고객을 실질적으로 지원할 수 있어

-에머슨에서는 IIoT(Industrial Internet of Things 산업용 사물인터넷)를 실현하기 위한 데이터 수집과, 데이터 분석에 대한 비즈니스 방향이 어떠한가.

▲IIoT라는 트렌드는 센싱(Sensing)이라는 기술이 기반이 된다고 할 수 있다. 우리가 스마트라고 칭하는 거의 모든 것들은 센싱을 기반으로 사용자에게 최적화된 정보와 환경을 제공해주기 때문이다.

스마트한 센서들이 주변상황 정보를 획득하여 실시간으로 전달한 결과를 구축된 네트워크 인프라를 통해 사물이 가진 정보들을 공유하고, 사람은 이를 기반으로 서비스 인터페이스를 통해 어떤 액션을 취하게 된다.

즉 센싱을 해서 정보를 통신으로 전달하고, 이를 분석해서 의사결정을 하게 되는, 센싱과 통신, 소프트웨어, 이 3 가지가 데이터 수집 및 분석의 기본이며, 이 3 가지가 있어야 진정한 IoT가 이루어질 수 있다.

-에머슨에서는 IoT와 관련해 퍼베이시브 센싱이라는 개념을 적극적으로 홍보하고 있다. 퍼베이시브 센싱이란 어떤 의미인가.

▲우리 에머슨 프로세스 매니지먼트의 사물인터넷은 퍼베이시브 센싱(Pervasive Sensing)으로 표현된다. 퍼베이시브 센싱은 공정시설 내의 곳곳에 설치된 센서들이 보내는 정보를 이용해서 공정 내부의 상태를 좀 더 쉽게 모니터링하고, 현재 플랜트에서 요구하는 필수적인 에너지만을 적시에 공급함으로써 에너지 효율을 높여 더 많은 수익 창출이 가능하며, 궁극적으로는 수집된 정보를 통해 더욱 신뢰할 수 있는, 최적화된 공정 자동화를 제공할 수 있다는 것을 의미한다.

공정의 더 많은 부분을 센싱하여 얻어낸 데이터를 통해 시설에서 발생하는 크고 작은 사안들에 대한 지식이 확보되어, 궁극적으로는 더 많은 어려움이나 문제들을 해결할 수 있게 된다. 즉 ‘더 많이 센싱할수록 더 많이 해결한다’라는 것이 퍼베이시브 센싱이 추구하는 개념이다. 센싱 없이 관리할 수 없고, 관리할 수 없으면 개선할 수 없다.

센서 설치에 드는 고가의 비용과, 얻을 수 있는 정보의 한계, 설치의 복잡성으로 인해 그간 센서 설치에 대한 가치는 그다지 높게 평가되지 않았다. 그러나 현재 가용성을 지닌 혁신적인 센서와 무선통신, 비 간섭형 설치, 전원공급 기술, 진보된 분석 기능, 전문성 내장, 모바일·위치 기술과 같은 퍼베이시브 센싱에 적용할 수 있는 모든 영역의 발달로, 이제 기업들은 보다 저렴하고 사용하기 쉬운 센서 네트워크와 비 간섭형 무선기술의 설치와 작업의 모든 측면의 지속적 모니터링이 가능해졌으며, 이를 기반으로 보다 향상된 의사결정과 더욱 신속한 조치가 가능하게 됐다. 특히 분석기술의 발달로 데이터가 바로 어떤 액션을 취할 수 있는 상태로 제공되는데, 이는 스마트홈에 설치된 스마트 냉장고가 유통기한이 지난 제품을 알람으로 알려주는 것과 비슷하다.

우리가 미처 생각하지 못하고 놓치는 부분들이 센싱을 통해 유지관리가 가능해지는 세상은 앞으로 더욱 가속화될 것이며, 이러한 흐름은 공정업계에도 영향을 미치게 될 것이다. 한층 넓은 범위에서 보다 심도 깊은 데이터의 수집으로, 비즈니스 측면에서 중대한 운영상의 정보를 제공하여 플랜트에 대한 통찰력을 크게 확장시킬 퍼베이시스브 센싱은 사물인터넷 시대의 공정제어 산업을 발전시키게 될 것이다.

-IIoT에서는 데이터를 클라우드로 전송하기 위해 무선이 필요하다. IIoT를 구축하기 위해서는 무선이 필수적인가.

▲퍼베이시브 센싱을 구현하기 위해서는 유·무선 제품이 모두 갖춰져 있어야 한다는 것이 전제다. 그러나 사물인터넷의 핵심이 센서이듯, 퍼베이시브 센싱의 핵심 또한 무선 센서다. 넓은 플랜트의 곳곳을 센싱하기 위해서는 유선보다는 무선이 유리하기 때문이다. 작업자의 접근이 불가능한 사각지대나 안전이 보장되지 않는 위험한 구역, 원거리라는 물리적 제약 또한 무선으로 해소될 수 있다.

무선의 사용과 스마트해진 계기로 인해, 데이터의 취합은 좀 더 용이해지며, 이로 인해 궁극적으로는 제어실 내부에서 현장계기, 시스템의 상태파악까지 가능해진다.

-퍼베이시브 센싱이 생산시설의 성능과 안전성, 신뢰성 및 에너지 효율을 향상시키는 요인은 무엇인가.

▲퍼베이시브 센싱의 기본은 배터리로 움직이는 무선장치이기 때문에, 전보다 훨씬 비용 효율적으로 센서(사물)에서 데이터를 수집할 수 있다. 또 에머슨은 근거리나 원거리 데이터의 효율적인 분석을 도모하는 해당분야 전문지식을 활용한 전략적인 데이터 해석이 가능하다. 또, 업무지향적 HCD를 기반으로 한, 실행 가능한 정보를 공장직원이나 파견한 전문가 등 적임자에게 적시에 제공할 수 있으며, 직원이 시정조치를 취한 부분이 있다면, 이를 반영해서 성능향상으로 연결시킬 수 있다.

-타 경쟁사에 비해 IIoT를 구현하는데 있어 에머슨이 갖는 경쟁력은 무엇인가.

▲에머슨은 사물인터넷이라는 단어가 생기기 전부터 기업들이 공정을 더 신뢰성 있고 효율적이며 안전하게 만들기 위해 노력해왔다.

사물인터넷은 새로운 것이 아니다. 지난 25년 간 오일 및 가스, 화학물질, 정유, 제약, 제조 및 광업과 같은 공정업계의 기업들은 공정을 보다 신뢰성 있고 효율적이며 안전하게 만들기 위한 센서 사용방법을 연구해왔다.

많은 기업들의 제품과 소재들은 파이프를 통과하는 동시에 측정이 가능하다. 에머슨은 사물인터넷이 사물인터넷이라는 명칭을 얻기 전부터, 이미 그에 대한 많은 경험을 가지고 있었다.

앞서 얘기했듯이 퍼베이시브 센싱을 구현하기 위해서는 유·무선 제품이 모두 갖춰져 있어야 하는데, 이러한 포트폴리오를 한 시점에 갖추는 것은 불가능하다. 에머슨에서는 경쟁사보다 빨리 무선 제품을 런칭했고, 유·무선 모두에 대해 수많은 레퍼런스를 확보하고 있을 뿐 아니라, 경제성과 타당성을 확보하고 있다.

또, 데이터를 분석할 수 있는 툴 역시 갖추고 있으며, 더 나아가 분석 등을 통해 통신 문제를 해결하기 위한 조언을 할 수 있는 인력과 기술을 갖추고 있다는 점이 타 경쟁업체와 차별화되는 에머슨만의 경쟁력이다.

현재 국내에서도 많은 사람들이 스마트 플랜트, 산업용 IoT에 관심을 가지고 실질적으로 적용하기 위해 타당성을 검토하고 있다. 이러한 시점에 우리 에머슨은 경쟁사에 비해 준비가 잘되어 있고, 수없이 많이 확보되어 있는 레퍼런스를 통해 IIoT와 스마트 플랜트를 구축하기를 원하는 고객을 실질적으로 지원할 수 있다.

-퍼베이시브 센싱은 공정제어 업계에 구체적으로 어떤 이점을 제공하나.

▲에머슨에서는 공정(Process·Mobile), 신뢰성(Essential Asset Monitoring), 에너지(Energy and Utility), HSSE(건강, 안전, 보안, 환경) 관리라는 4 가지 어플리케이션을 염두에 둔 사업을 전개하고 있고, 각 분야에 맞는 새로운 제품 출시와 솔루션 강화에 주력하고 있다.

공정·이동성 측면의 실제 사례를 들면, 턴어라운드 혹은 DeltaV 이관시마다 300개의 루프와 인디케이터를 체크하고 약 100여 개의 밸브 액추에이터를 검증해야 했던 Ergon Refining사는 에머슨의 센싱 기술을 사용해 설치시간을 4주에서 2주로 줄였으며, 필요 인력도 절반으로 줄였다. 또한 시동 중 루프 관련 문제는 전혀 발생하지 않았다.

신뢰성 측면에서는 고급 센싱을 사용해 열교환기나 펌프, 블로어, 냉각타워와 압축기 등의 필수 자산 모니터링이 가능하다. Conoco Philips사에서는 원유 유닛의 예열 공정에서 파울링(Fouling)이 발생했는데, 예열 공정 도중 파울링이 생성되고 있다는 것을 알고 있었지만 열이 어디서 얼마나 새고 있는 지를 알려주는 데이터가 없었다. 무선 온도 및 유량계측을 통해 이 회사는 열교환기의 효율을 분석하고 에너지 비용을 줄일 수 있게 됐다. 효율 상승의 효과는 열 교환기 하나당 연간 55,000 달러에 달했으며, 투자비용은 90일 안에 회수가 됐다.

또 에너지 측면의 사례로서는 독일 Tanatex Chemical 사의 에너지 감소를 위한 솔루션을 들 수 있다. 모든 시설에서 에너지 소비의 많은 부분을 증기가 차지하고 있다. 증기를 생성하기 위해 소요되는 연료량만 봐도 알 수 있다. 고장이 빈번한 증기트랩의 경우, 활짝 열린 상태에서 고장이 난다면 증기를 공기 중으로 날려 보내게 된다. 깨끗한 증기이기 때문에 환경적인 문제가 발생하는 것은 아니지만, 에너지 소비 측면에서 보면 이것은 또 다른 문제가 된다. 에머슨의 어쿠스틱(음향) 센서로 이 문제를 해결할 수 있다. 이 센서는 배선이나 파이프 관통이 없어서 설치가 간편하기 때문이다. 유선 센서를 사용했다면 비용에 대한 언급조차 어려웠을 것이다. 무선 어쿠스틱 센서 덕분에 Tanatex 사의 6 Bar System 투자금은 2년이 채 되기 전에 모두 회수가 됐다. 만약 고압 시스템에 적용했다면 더욱 짧은 기간 내에 회수가 가능했을 것이다. 이러한 이점을 알게 되면서, 이 회사는 공장 내 많은 장소에 측정을 위한 무선 네트워크를 확장할 예정이다.

HSSE(건강, 안전, 보안, 환경) 측면에서는 BP 사의 사례를 들 수 있다. BP 사는 새롭게 제정된 벨기에의 규제로 인해 모든 연료 저장소를 모니터링해야 했다. BP사는 직원의 안전을 도모하고 환경사고를 피하기 위해 저장 탱크와 밸브 파이프 플랜지의 탄화수소 누출의 감지 및 모니터링을 원했다. 가스 누출 감지기(Gas Detector)라는 해결책이 있긴 하지만, 비용이 엄청났다. 따라서 에머슨은 무선 센서 솔루션을 제공했다. 설치도 훨씬 용이하고, 비용도 한층 저렴했다. 이로써 BP사는 안전 확보는 물론이고, 시설의 모든 누출 상황을 알 수 있게 됐다.

에머슨이 주력하고 있는 4가지 어플리케이션

-에머슨이 생각하는 스마트 플랜트의 모습은 어떤 것인가.

▲산업용 사물 인터넷이 각광받는 이유는 각 계기들이 측정하는 방대한 데이터를 디지털화하여 기기의 상태를 확인하고, 상황에 맞는 액션을 취할 수 있다는 점이다. 따라서 예상치 못한 고장으로 인한 손실이나 인력낭비의 절감이 가능해질 수 있다.

우리 에머슨에서는 공간의 제약을 많이 받고 상대적으로 높은 비용이 소요됐던 유선 솔루션에서 스마트 무선 솔루션으로 발전시키면서, 장치의 안전성과 환경적 우려요인, 에너지 사용, 보안, 인력의 안전 등 다양한 산업 이슈들을 감소시켜왔다. 이제는 한 발 더 나아가, 가동 중인 플랜트에 생길 수 있는 위험요소나 문제점 자체를 미리 발견하고, 최적의 수리주기를 예측하여, 예상치 못한 가동중단과 고장 발생률 자체를 줄일 수 있게 됐다.

넓은 플랜트 곳곳을 센싱하여, 얻어낸 정보로 공정 및 이동성, 필수기기 상태 모니터링, 환경안전 보건 및 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 스마트 플랜트 구현, 이 모든 것을 통칭하는 것이 바로 퍼베이시브 센싱(Pervasive Sensing)이다.

퍼베이시브 센싱을 통해 넓은 플랜트 곳곳을 센싱하여, 신뢰성을 향상시키고, 유지보수를 감소시키면서, 에너지 효율을 향상시키고, 안전 환경 보건에 대한 위험성을 감소시키며, 생산성 증대를 구현할 수 있다. 이것이 바로 스마트 플랜트의 모습이다.

-퍼베이시브 센싱을 가능하게 하는 계측기와 시스템으로는 어떤 것이 있나.

▲우리 에머슨에서는 앞서 얘기한 4 가지 분야에 맞는 새로운 제품과 솔루션 출시에 주력하고 있다.

한 예로, 에머슨에서는 최근 감압 밸브(PRV: Pressure Relief Valve) 작동을 탐지하여 자동적으로 경고를 알리도록 하는 Rosemount 708 Wireless Acoustic Transmitter(무선 청각 탐지 송수신기)를 출시했다. PRV는 그 자체로 고압으로 인한 재난을 방지하는 안전 설비라고 할 수 있지만, PRV 방출은 종종 유해 물질 방출(잠재적 벌금 부과)을 수반하며, 많은 경우 근본 원인 문제를 발견하기 위한 심화 조사를 필요로 한다. 이 감압밸브는 접근하기 어려운 장소에 설치되어 있는 경우가 많기 때문에, 무선 트랜스미터를 달아서 감압밸브를 모니터링 함으로써, 고압으로 인한 사고를 미연에 방지할 수 있다.

감압 밸브(PRV) 작동을 탐지해 자동적으로 경고를 알리도록 하는 Rosemount 708 Wireless Acoustic Transmitter

-무선 사물인터넷에 대한 시장 전망은 어떻게 하나.

▲산업용 제어 시스템 시장의 규모는 2021년에는 810억 달러에 도달할 전망이다. 계기가 측정한 데이터를 수집해서, 운전원이 이 데이터를 이용해 시스템을 제어하기까지 그 모든 것을 통합 관리해야 한다는 필요성이 산업 전반에서 증가함에 따라, 향후에도 제어 시스템 시장 수요는 줄어들지 않을 것으로 보인다.

Berg Insight의 최근 세계시장조사에 따르면, 2014년 산업자동화에서 무선 사물인터넷 기기의 설치 기반은 1,030만 대에 달했다. 자동화 네트워크에서 무선 사물인터넷 기기의 연평균 성장률은 2020년까지 4,350만 대에 이를 것으로 예상된다.

-공정제어 업계에서의 사물인터넷의 기술이 어떤 방향으로 전개되어 나갈 것으로 예상하나.

▲사물 인터넷은 압력, 레벨, 유량, 온도, 진동, 음향, 위치, 분석 및 기타 센서가 데이터를 수집하고 수집된 정보를 유/무선 네트워크를 통해 제어 및 모니터링 시스템에 전송하는 센서 레벨에서부터 시작된다.

지난 몇 년에 걸쳐 등장한 무선, 자가발전, 비 해체, 무 보정, 무보수형 센서 덕분에 생산공정은 수천 개의 센서에 담긴 정보를 비용 효율적으로 제어하고 모니터링 시스템에 전송할 수 있게 됐다. 이 센서는 시설 내에서의 사물 인터넷 생성을 지원하고, 사물인터넷 운용 및 유지보수 인력의 전체 공장 운용에 대한 이해를 돕는다.

이 제어 및 모니터링 시스템에는 분산제어시스템(DCS), 자산관리시스템, 전사적 자원관리(ERP)시스템 및 진동감시 솔루션 같은 특수 소프트웨어가 포함된다.

제어 및 모니터링 시스템에 내장된 전략 알고리즘과 전문지식을 통해 적임자의 판단을 위한 이해 및 실행 가능한 데이터가 실행되며, 그 방식에는 기본적으로 1)수집된 정보가 공장 직원에게 전달되면 직원이 어떤 조치를 취할 것인지를 결정하는 방식과 2)사전적 조치를 실행 하는 방식이 있다.

첫 번째 방식의 사례는 열교환기의 입구 및 출구 온도와 더불어 유량정보를 DCS 조작화면에 표시하는 경우다. 플랜트 내부 인력들은 열교환기가 설계대로 작동하고 있는지 확인하는데 이 정보를 활용할 수 있다.

두 번째 방식의 사례에서는 특수 소프트웨어가 입구/출구 온도차를 계산하여 유량을 결정하고, 정보를 계속 분석하여 분석된 정보를 목표치와 비교할 수 있다. 이 분석은 예측유지 보수의 형태로, 심각한 성능저하가 발생하기 전에 열교환기 오염을 밝혀내 이 상태를 공장직원에게 알려줄 수 있다. 또 원격전문가는 이 상태를 모니터링하며 시설과 상의 하에 유지보수 서비스를 수행할 수 있다.

퍼베이시브 센싱은 전 세계 생산시설의 에머슨 무선센서에서 제어 및 모니터링 시스템에 연결되어 43억 시간 이상 활발하게 사용되며 향상된 플랜트 성능을 전달한다.

현재 공정업계에서는 사물인터넷의 역할이 확장되고 있다. 최근까지는 공정제어와 안전 기능만이 모니터링 및 연동대상이었지만, 이제는 비용이 격감해서 시설 혹은 장비 안정성이나 에너지 관리, 인력의 안전이나 환경기준 준수 등의 문제까지 해결할 수 있게 됐다.

-그렇다면 어떻게 IIoT를 시작해야 하나.

▲우선, 공장에서 가장 중요하게 해결해야 하는 것이 무엇인지를 파악하는 것이 중요하다. 기업의 의사결정을 하는 임원진이 생산성을 가장 중요하게 생각하는지, 자산관리를 가장 중요하게 생각하는지, 아니면 에너지 절감을 가장 중요하게 생각하는지, 환경을 가장 중요하게 생각하는지를 파악한 후에, 우리 에머슨과 같은 전문 업체의 조언을 받아 단계적으로 구축해 나가는 것이 스마트 공장, IIoT를 구축하기 위한 가장 빠른 방법이다

언제, 어느 분야부터 구축이 될 것인가의 차이지, 분명히 언젠가는 모든 업계가 IoT로 갈 것이다. 따라서 지금 시작하지 않으면 늦다.

초기단계에 있는 IIoT나 스마트 플랜트에 대한 전략을 어느 시점에 어떻게 수립을 하느냐에 따라, 기업이 경쟁에서 앞서 갈 것인가 아니면 뒤처질 것인가가 결정이 될 것이다.

기업마다 니즈가 다르기 때문에 구축해 나가는 순서와 방법도 달라진다.

에머슨이 주력하고 있는 공정(Process·Mobile), 신뢰성(Essential Asset Monitoring), 에너지(Energy and Utility), HSSE(건강, 안전, 보안, 환경) 관리라는 4 가지 어플리케이션은 기업의 니즈에 맞춰 한두 가지가 동시에 적용이 될 수도 있고, 전체가 한꺼번에 적용이 될 수도 있으며, 한 가지씩 적용해 나갈 수도 있다.

여기서 한 가지 중요한 것은 스마트 플랜트는 고정된 개념이 아니라, 계속 변화하는 동적인 개념이라는 것이다. 현재 국내 정유 및 석유공장 등은 이미 첨단기술이 도입이 되어있고, 프로세스 최적화를 이루고 있다. 그러나 어느 공장이나 추가로 스마트해질 수 있는 부분이 남아 있다. 어제 스마트하다고 해서 내일도 스마트하다고 할 수는 없다. IIoT, 스마트 플랜트의 진화하는 기술을 이해하고, 우리 공장에 적용하는 것이 중요하다.

-IIoT를 위해 에머슨 내에서 추가될 기술로는 어떤 것이 있나.

▲IIoT 구축을 위해서는 에코시스템을 구축하는 것이 중요하다. 에머슨에서는 오래 전부터 시스코와 기술협력을 통해 시스코의 와이파이장비로 각종 다양한 작업을 할 수 있도록 기술을 전개해 왔다. 본사 차원에서 에코시스템 구축을 위해 일련의 작업이 진행되고 있는 것으로 알고 있는데, 밝힐 수 있는 단계는 아니다.

-향후 스마트 플랜트가 어떤 방향으로 발전되어 나갈 것으로 예상하나.

▲현재 무수히 많은 센서들이 있는데, IIoT의 기초가 되는 센서기술은 앞으로 크게 발전해 나갈 것이다. 또 분석기술이나 펌프 및 블로어, 터빈과 같은 자산관리의 신뢰성 기술 역시 발전해 나갈 것으로 예상된다.

전통적인 센서나 프로세스 자동화시장은 이미 포화상태다. 우리 에머슨이 추구하는 방향은 애플 사와 비슷하다. 고객이 생각하지 못하는 범위까지 커버해서 시장을 창출해 나가겠다는 것이 우리 에머슨의 사업방향이다.

-한국에서의 산업용 IIoT 마케팅 전략은 무엇인가.

▲전 세계적으로 볼 때, 한국의 프로세스 제어 시장에서 퍼베이시브 센싱에 대한 홍보가 가장 잘되어 있는 상황이다. 특히, 한국 에머슨에서는 전 세계 최초로, 지난해 3월 울산과 여수에서 퍼베이시브 센싱 세미나를 개최했는데, 참석자들이 산업용 사물 인터넷의 플랜트 적용에 대한 필요성에 대한 인식과 관심이 대단히 높았다. 이 여세를 몰아 올해에도 세미나를 이어갈 예정이다.