글로벌 경제 및 시장의 불확실성으로 인해 제조업체는 원자재/에너지 가격과 수요의 빈번하고 급속한 변화에 빠르게 적응해야만 하는 상황에 놓여 있다. 이러한 추세는 공정 제조업체로 하여금 산업 자동화 시스템의 작동 방식을 재고하도록 촉구하고 있다. 이에 따라 제품 변형 증가 및 소싱 단축, 생산, 제품 수명 주기를 고려해야 하는 필요성이 점차 부각되고 있다.

대다수의 산업 이해관계자는 4차 산업혁명 및 IIoT(산업용 사물인터넷)가 이러한 새로운 과제를 해결하는 데 도움이 되기를 바라고 있다. 4차 산업혁명을 통한 이점으로 운영 프로세스의 품질을 크게 개선해 주는 인공지능 및 머신러닝 알고리즘, 설비가 고장 나기 전 예측을 통한 예기치 못한 다운타임 단축, 원자재 현물 가격을 기반으로 한 실시간 생산 최적화, 생산 일정의 실시간 최적화를 통한 처리량 극대화 등을 들 수 있다. 실제로 산업 분석가들은 새롭고 더 유연한 생산 기법이 제조업체의 생산성을 30%까지 높일 수 있다고 추산하지만, 프랑스의 컨설팅 회사인 Capgemini 연구에 따르면 기업의 60%가 IIoT 프로젝트를 시범 단계 이상까지 진전시키지 못하는 것으로 나타났다.

실패하는 이유는 다양하며, 원인은 사람, 프로세스, 기술과 관련되어 있다. 기술적 관점에서 살펴볼 때, 대부분의 주요 제조업체가 이러한 이점을 얻는 데 실패하는 가장 큰 요인은 운영 환경을 뒷받침하는 플랜트 시스템이 폐쇄적이고 독점적이기 때문이다. 독점식이 아닌 완전 개방형 산업 자동화 프레임워크를 바탕으로 운영 환경을 마련하면 완전히 새로운 차원의 4차 산업혁명 이점을 실현할 수 있다.

극복해야 할 장벽

제조업체가 ‘개방형 산업 자동화 환경’이라는 새로운 세계로 나아가기 위해서는 엔지니어링 팀이 다음과 같은 장벽을 극복해야 한다.

•비디지털 아키텍처 : 대부분의 자동화 시스템은 1970년대와 1980년대에 개발된 원리를 기반으로 한다. 실시간 제어를 위해 고도로 최적화된 기술은 IT 부문에서 일어난 급격한 변화를 충분히 활용하지 못했다. 4차 산업혁명의 가능성을 실현하는 데 필요한 것이 분석, 인공지능/머신러닝, 개체 지향, 서비스 지향 아키텍처 기술이다.

•하드웨어 중심 비즈니스 모델 : 하드웨어의 발전이 기존 환경을 최적화하는 데 도움을 줄 수 있지만, 디지털 혁신의 진정한 이점을 실현하는 데 필요한 돌파구가 되지는 못한다. OT 문제를 해결하기 위해 혁신적인 소프트웨어 기반의 지능형 애플리케이션이 필요한 이유다. 이를 통해 비즈니스 가치 창출을 하드웨어 중심에서 소프트웨어 중심으로 점차 전환할 수 있다.
•독점 시스템(Proprietary System)의 제약 : 오늘날, 특정 벤더의 시스템을 위해 제작된 자동화 소프트웨어 애플리케이션은 다른 시스템에서 실행할 수 없다. IT 부문에서 리눅스(Linux)와 같은 표준화된 운영체제는 수십 년 동안 제3의 어플리케이션 개발 생태계의 급속한 성장을 촉진해왔다. 그 결과, 모든 종류의 소프트웨어가 광범위한 산업 및 틈새시장에서 IT 관련 비즈니스 요구사항을 충족할 수 있게 되었다. 그러나 산업 환경에서 독점 시스템은 혁신을 저해하는 장벽으로 작용한다. 사용자는 합리적인 비용으로 생산 시스템을 개선할 수 없으며, 다른 공급업체에서 제공하는 최상의 제품을 혼합하거나 결합할 수 없다. 혁신 속도는 사용 중인 독점 플랫폼의 공급업체에 의해 좌우된다.

전체적으로 장벽은 총 소유비용을 증가시킨다. 막대한 투자 없이는 업스트림 설계 툴과 다운스트림 운영 툴을 자동화 시스템과 긴밀하게 결합시킬 수 없다. 따라서, 전체 공정/기계 수명 주기를 아우르는 효율적인 디지털 스레드(Thread) 를 만드는 것이 거의 불가능하다.

개방형 자동화 프레임워크 전환이 적기인 이유

이러한 상황에서 엔지니어링 측면을 살펴보면, 가치사슬을 이루고 있는 기계 제작업체와 시스템 통합 업체는 산업 자동화 인프라 패러다임의 제약 내에서 작용하는 자체적인 제한 사항에 부딪히고 있다.

기계 제작업체는 가상 환경과 실제 환경을 결합하기 위해 가상 테스트 기능을 사용하는 모듈형 기계 설계 트렌드를 고려해야 할 뿐만 아니라, 기계의 부가가치를 높이기 위해 다른 업체와 차별화를 이루고 비즈니스를 마케팅하고 성장시키는 데 도움이 되는 서비스 및 혁신적인 비즈니스 모델이 필요하다. 현재 자동화 구조에서는 기계 제작업체가 소프트웨어 및 서비스를 제공하는 것으로 역량을 확장하기 어렵다.

시스템 통합 업체의 경우, 자동화 시스템은 IT 환경과 OT 환경을 이어주는 툴을 제공하지 못함으로써 시스템 통합 업체는 과도하게 복잡하고 노동 집약적인 솔루션을 만드는 상황에 처했고, 그로 인해 이러한 서비스에 대한 광범위한 시장 수용에 한계가 있을 수밖에 없다.

최종 사용자의 경우, OPAF(Open Process Automation Forum) 및 NAMUR(User Association of Automation Technology in Process Industries)과 같은 조직은 기존 독점 자동화 시스템 패러다임의 변화를 적극적으로 지지하고 있다.

이 모든 이유를 감안할 때 개방형 자동화 프레임워크로 전환할 시기가 무르익었다. 새로운 환경을 여는 열쇠는 새롭게 부상하고 있는 IEC 61499 표준이다. 마침내 표준이 가지고 있는 잠재력을 최대한 발휘할 수 있을 만큼 기술적 진화가 충분히 이루어졌다. 이제는 소프트웨어 애플리케이션을 여러 벤더 하드웨어 플랫폼에 이식할 수 있는 진정한 개방형 산업 자동화 환경 개발을 위한 필수적 구성요소인 IEC 61499를 활용할 수 있게 되었다.

IEC 61499는 분산 정보 및 제어 시스템을 위한 높은 수준의 시스템 디자인 언어를 정의한다. IEC 61499 표준을 통해 기능 캡슐화, 그래픽 구성요소 기반 설계, 이벤트 기반 실행, 광범위한 자동화 및 제어 장치에서뿐만 아니라 엣지 컴퓨팅 장치에서의 실행을 위한 자동화 애플리케이션 배포가 가능하다.

IEC 61499 표준의 출현과 개방형 자동화 시스템 플랫폼 채택에 대한, 슈나이더 일렉트릭을 비롯한 주요 자동화 벤더들의 관심에 힘입어 산업 자동화 시스템 관련 에코시스템을 구축 및 재편하는 데 실질적인 변화를 가져다 줄 다양한 컴포넌트들이 마련되어 있다.

슈나이더 일렉트릭이 진행한 IEC 61499 표준에 기반한 툴에 대한 초기 현장 테스트는 기존의 프로그래밍 접근 방식에 비해 3~4배의 엔지니어링 이득을 얻을 수 있음을 시사한다.

단순한 기술 변화를 뛰어넘는 개념, 플러그 앤 프로듀스(Plug and Produce) 시스템

IEC 61499에 기반한 자동화 시스템으로의 전환은 단순한 기술 변화를 뛰어넘는다. 공정 및 기계 설계 방식을 근본적으로 바꿀 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 즉, 여러 벤더 플랫폼에 걸쳐 애플리케이션 소프트웨어의 개방성 및 상호운용성을 촉진시키고, 산업 자동화를 위한 앱 스토어 모델을 실현시킬 수 있다.

이로 인해 가치가 낮은 독점 컨트롤러 프로그래밍에서 광범위한 에코시스템을 통해 개발되고, 사용으로 입증된(Proven-in-use) 자동화 앱을 활용하는 플러그 앤 프로듀스(Plug & Produce) 자동화 시스템으로의 장기적인 전환이 이루어질 것이다. 애플리케이션은 임베디드 SoC (System on a chip)부터 강력한 엣지 컴퓨터에 이르기까지 다양한 여러 벤더 장치에서 실행할 수 있다. 또 엔지니어링 비용 절감과 복잡한 4차 산업혁명 사용 사례의 구현은 산업의 생산성, 유연성, 속도에서 큰 변화를 일으킬 것이다.
Gunn.Kim@se.com