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[기고]CPS(Cyber Physical System)는 스마트팩토리의 핵심개념

발행일2019.09.06 13:48
Photo Image<한경국립대학교 전기전자공학과 박장환 교수>

Platform ID4.0와 제1차 2차, 3차 산업혁명과의 차별화되는 요소는 무엇이며 각각의 산업혁명의 핵심 되는 요소를 정확히 끄집어내라면 필자는 다음과 같이 요약할 수 있다. 제1차산업혁명은 기계화(Mechanism), 제2차산업혁명은 대량생산(Mass Product) 그리고 3차 산업혁명은 IT라 할 수 있다.

많은 전문가들이 이야기하는 사이버 물리 시스템(CPS)이 제4차산업혁명의 키워드이다. 제4차산업혁명은 사물인터넷의 도입으로 새로운 산업혁명을 유발했다면 그러면 제3차산업혁명의 키워드인 IT와 어떠한 차이가 있을까? 제3차 산업혁명을 다음과 같이 간단한 예를 들어본다. 산업에서 사용되는 PLC(Programmable Logic Controller)는 자동화 네트워크, 즉 필드버스나 산업용 이더넷 등에 의해 분산제어가 가능하게 되어 네트워크를 통해 프로그램으로 장비를 효율적으로 움직이게 하는 데 중요한 역할을 한다. 즉 벤더에서 제공된 툴을 사용하여 프로그램으로 PLC라는 컨트롤러를 통해 데이터가 생성되어 장비를 동작하게 한다. 바로 프로그램으로 중요한 데이터를 생성하여 기계를 움직이게 하는 힘, 데이터에 주목하시기 바란다.

3차 산업혁명의 핵심은 바로 데이터에 의해 기계를 움직이게 함으로써 기계장비의 진화가 만들어지는데 네트워크가 중요한 기반이 된다. 제4차산업혁명의 키워드인 CPS는 실제 세계와 사이버 세계의 결합, 즉 물리적 자산인 장비, 설비 등과 ERP 등의 소프트웨어에 의한 데이터의 결합을 사물 인터넷의 도입을 통해 수평, 수직통합을 가능하게 함으로써 생산 현장의 새로운 부가가치를 창출하는 데 결정적인 역할을 한다. 제1, 2, 3, 4차 산업의 구별은 이번에 4차산업혁명이 선언되면서 산업혁명 시기를 차별화하기 위해 산업의 주요이슈에 따라 분류된 것이다. 어쨌든 제4차산업혁명의 키워드는 CPS이기 때문에 이번 주제는 CPS에 대해서 다루어 보고 그리고 스마트팩토리와 관계되는 CPPS(Cyber Physical Production System)도 같이 추가하여 설명해 볼까 한다.

CPS라는 멋진 이름의 용어는 적용에 따라 여러 종류의 정의가 있으나 대체로 그 기원을 메커트로닉스 시스템에 기반을 두고 있다. CPS는 최초로 Edward Lee 교수에 의해 다음과 같이 정의하였다. “Cyber-Physical Systems는 물리적 프로세스와 계산의 통합이다. 임베디드 컴퓨터와 네트워크는 물리적 프로세스가 계산에 (Computing) 영향을 주는 피드백 루프를 통해 물리적 프로세스를 모니터링하고 제어한다” 이 정의는 어딘가 모르게 조금은 밋밋하고 너무 정형화된 느낌이다. 왜냐하면, CPS의 이러한 특성화는 자동화적인 측면에서 고찰할 때 지난 세월부터 사용되었던 모든 디지털 컨트롤러, 제어 시스템 및 공정 제어 시스템이 사실상 CPS로 다 정의가 될 수 있으므로 사물 인터넷까지 활용되는 다양한 생산 설비의 통합과 제어에는 충분하지 않다. Platform ID 4.0에 대응할 수 있도록 디지털화의 궁극적인 목표인 스마트팩토리에 어울리는 다음과 같은 정의는 어떨까?

 “CPS는 정보 및 소프트웨어 기술이 기계 구성요소와 결합하여 데이터 전송 및 교환은 물론 인터넷과 같은 인프라에 의한 모니터링 또는 제어가 실시간으로 이루어지는 시스템이다. 필수 구성요소는 모바일 및 이동식 설치(장치), 로봇 등을 포함하는 장치와 기계, 임베디드 시스템 및 네트워크 개체 (사물 인터넷) 등이다”. 센서는 물리적 세계인 주변의 데이터를 획득 및 등록과 동시에 이를 처리하며 구동 요소인 액추에이터는 실제 세계에서 작동한다. 예를 들면 자율 운반 시스템이나 로봇 등의 코스 설정, 원격잠금장치 열기, 생산 공정 시작, 수정 및 일시 중지 등이다. 물론 이러한 것들의 실현화를 위해 구성요소의 표준화 및 통합시스템 검증, 복잡성 감소 및 보안 강화 등이 극복해야 할 과제이기도 하다.

주요 장점으로는 적응성 및 가변성, 자원 효율성, 인체 공학 개선 등이 있다. 장점과 별도로 구조의 복잡성과 더불어 취약성이 있으며 내부 및 외부가 상호의존적이다. 더구나 자율 시스템 같은 경우는 구조의 복잡성으로 인해 정해진 규칙을 따르지 않아 상황과 과정의 해석에 문제점이 있어 잘못된 결정을 내릴 수도 있다. 덧붙여 전원공급장치의 개선이 필요 할 수도 있다. 참고로 독일의 Acatech (Deutsche Akademie der Technikwissenschaften)에 의하면 CPS는 실제와 가상세계(Cyber Welt)의 연결이라 간단명료하게 정의하고 있으며, 여기서 가상세계는 정보 세계로써 데이터를 의미하고  Acatech에서 발행된 서적에 수록된 구성요소를 아래 그림에 나타냈다.

Photo Image<CPS의 구성요소. CPPS(Cyber Physical Production System)>

사이버 물리 시스템을 생산 시스템에 활용을 위해 이를 생산 프로세스에 이식과 통합을 통해 사이버 물리 생산 시스템 (CPPS, Cyber Physical Production System)이 등장한다. 한 생산 현장에서 네트워크로 연결된 여러 CPS가 사이버 물리 생산 시스템 (CPPS)을 형성한다. CPS는 일반적으로 사물 인터넷에 의해 네트워크로 연결되어 통신 할 수 있으나 반면에 CPPS는 개별 CPS간에 복잡한 관계의 협력을 통해 유연성을 유지함으로써 변화가 발생할 때 생산을 조정할 수 있다. 이들은 서로 CPS 아키텍처를 갖는 스마트제품과 통신하고, 상황별 결정을 내릴 수 있는 유연하고 자율적이며 자체 구성 가능한 생산 자원으로 구성된다. 이를 통해  제조공정 안에서 제품으로부터 생산 시스템까지 지속적으로 관찰이 가능하게 된다.

또한, 이에 필요한 데이터는 자동화 피라미드의 서로 다른 레벨에 저장되거나 처리되는 것이 아니고 효율성 있게 필요한 곳에 저장되거나 사용된다. 주변 환경 조건의 알림을 위해 데이터를 자체 수집하거나 클라우드로부터 저장된 데이터를 호출하여 다른 CPS와의 데이터 교환을 통해 협업을 가능하게 하여 생산의 효율성을 최대화 할 수 있도록 한다.

과연 이러한 내용이 생산에서 가능하게 될 것인가의 여부는 아직은 시간을 많이 필요로 한다. 그러나 이미 90년대의 자동화 네트워크를 활용하여 자동화 설비 내부의 각 부분들의 통신을 통해 분산제어가 가능해짐으로써 장비 활용성을 높여왔다는 것을 주목할 필요가 있다. 사실상 CPS나 CPPS 자체가 아주 혁명적인 내용이라기보다는 기존 기술의 발전에 따라 진화된 공학의 한 부분으로 보는 것이 정확할 수도 있다.

그렇다면 Platform ID 4.0을 산업혁명이라고 부를 수 있을까 하는 문제는 여기서는 다음으로 미룰 예정이다. 부분과 전체를 고찰해야 하는 문제가 남아있기 때문이다. CPS를 실제로 장비에 활용한 사례는 이미 메커트로닉스를 도입한 시기부터 존재했고 Platform ID4.0 관점으로부터 사물 인터넷과 인공 지능 등이 결합하여 개발된 제품은 물류 설비에서 몇 년 전부터 이미 활용되고 있다. 그리고 CPS와 CPPS에 대한 수백 편의 논문도 나와 있다.

지금 유럽의 현지에서 연구년을 보내며 세미나에 직접 참가하여 현지와 학계의 동향을 조금이나마 알 수 있게 되었다. 필자의 개인적인 소박한 소견으로는 유럽에서는 초창기 즉 2012년을 기점으로 몇 년 동안 집중적으로 Platform ID4.0에 대한 많은 프로젝트가 시작되어 그 결과물이 지금 발표되고 있으며 현재는 디지털화라는 이름으로 조금씩 산업 현장에 구현되고 있다.

특히 이곳 유럽에서도 KMU(중소기업, Kleines oder Mittleres Unternehmen)에 대한 Platform ID4.0의 구현사례가 서서히 수면에 떠 오르고 있다. 아직은 스마트팩토리에 대한 구현 시기까지는 분명히 많은 시간이 필요하다. 국내의 경우 스마트팩토리에 관한 관심이 지대한 것은 잘 알고 있으나 방향이 무척 중요하다고 생각된다.

스마트팩토리를 지향하지만, 무엇이 중요한 것인지를 정확히 이해해야 한다. 제 조력 강화를 위한 스마트팩토리 구축보다는 파생되는 기술들을 어떻게 활용하여 부가가치 창출에 이바지할 수 있는가를 깊이 고민해 보아야 할 것으로 사료 된다. CPS의 활용도는 다양한 분야에 적용되는 중요기술로 많은 연구 아젠다와 동시에 실용성을 기반으로 기술적 토대가 만들어져야 한다. CPS와 CPPS에 대한 내용을 더 깊게 서술하고 싶지만, 전문적인 내용으로 흐르게 될 것 같아서 아쉽지만 여기서 줄인다.

한경국립대학교 전기전자공학과 박장환 교수



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