산업용 애플리케이션 위한 센서 시스템

[인더스트리뉴스 방제일 기자] 오늘날 센서는 일반적으로 접근이 용이한 장비 외부에 배치돼 있다. 만약 센서가 생산 또는 서비스되고 있는 장비의 실제 움직이는 부품에 내장된다면 어떤 일이 벌어질까? 임베디드 센서로부터 수집된 데이터는 장비 내부에서 일어나는 일에 대해 보다 자세한 정보를 특히 실시간으로 제공할 수 있어 프로세스 제어 및 장비의 유지보수를 획기적으로 향상시킬 수 있다.

그렇다면 오늘날의 전력소모가 가장 적고 경제적인 소형의 무선 센서를 사용한다 하더라도 실제 장비의 기본 구조에 이 디바이스를 통합하는 것이 가능할까? 또한 이러한 센서가 몇 달 또는 몇 년 동안 정보를 안정적으로 전송할 수 있을까? 이런 의문에 대한 해답을 구하고자 독일 드레스덴 기술대학(Dresden University of Technology)의 연구 팀이 이에 대한 연구를 진행했다.

소재를 이용한 구현
드레스덴 기술대학 팀은 산업용 브레이크 디스크를 만드는데 사용되는 광섬유-강화 소재에 무선 센서를 내장하고 이 디스크를 회전하는 IoT 노드로 전환시키는 실험을 진행했다. 엘리베이터를 예로 들면 이 디스크는 승강기의 속도를 제어하고 의도치 않은 움직임을 방지한다. 각 층마다 정지할 때 승강기의 위치를 유지하는데 사용된다.

하지만 접근이 어려운데다 진동이나 마모와 같은 특정 시스템 파라미터를 측정해야 하기 때문에 전통적으로 토크 샤프트(Torque Shaft)와 같은 값비싼 하드웨어를 추가해야 했다. 임베디드 무선 센서는 이러한 모든 하드웨어를 없앨 수 있다.

이 실험에서는 노르딕 세미컨덕터의 nRF51 블루투스 Low Energy system-on-Chip(Le SoC)과 더불어 x, y, z 축의 가속도를 측정하는 MEMS-기반 센서 그리고 3축 자이로스코프와 자기장 센서, 온도 센서 및 전원공급장치를 결합해 전자기 브레이크 시스템의 상태를 모니터링했다. 중요하게 고려됐던 사항은 고온의 혹독하고 먼지가 많은 산업 환경에서 안전하고 안정적으로 작동해야 하는 브레이크 디스크의 기계적 성능이 통합된 전자부품들로부터 영향을 받지 않도록 하는 것이었다.

드레스덴 기술대학의 스벤 그룬왈드(Sven Grunwald)와 버나드 베커(Bernard Baker)는 브레이크 디스크 마모 및 사용된 시스템의 상태 그리고 디스크와 브레이크를 작동시키는 마그네틱 앵커(Magnetic Anchor) 사이의 에어 갭 감지 등 3가지 파라미터를 측정하기 위해 무선 센서를 광섬유 강화 소재에 내장시킨 저비용의 방식을 개발했다.

또한 무선 센서의 데이터는 브레이크의 상태를 원격으로 리포트하고 유지보수에 가장 적합한 시기를 식별하고 가동 중단을 최소화하는데 사용할 수 있다.

통합 솔루션으로 비용절감
IoT의 ‘상시 동작(Always-on)’ 특성은 배터리 수명이 연장될 수 있도록 저전력 소모가 요구된다. 노르딕의 초저전력 무선 SoC는 마이크로암페어 수준의 평균 전류를 소모하기 때문에 배터리 수명을 수년 동안 유지할 수 있다. 이는 배터리를 교체할 수 없는 애플리케이션에서 호스트 제품의 수명을 유지하는데 매우 중요한 고려사항이다.

드레스덴 기술대학 팀이 채택한 노르딕의 nRF51 시리즈 SoC는 블루투스 4.2 표준 인증을 받은 블루투스 LE RF 프로토콜 스택을 사용했다. 이 버전의 표준은 IPv6 통신을 위한 전용 채널을 지원한다. 일부 추가 소프트웨어와 IoT 라우터를 사용하면 사람이 개입하지 않고도 센서에서 직접 클라우드로 데이터를 보낼 수 있다.

또한 이 버전의 블루투스 LE 표준은 블루투스 4.2에 비해 전력소모를 전혀 늘리지 않으면서도 무선 연결 범위를 증대시키거나 대역폭을 두 배까지 높일 수 있다. 또한 노르딕은 최근 발표된 블루투스 메시(Mesh) 표준을 설계자들이 활용할 수 있도록 해주는 SDK(Software Development Kit)를 지원하고 있어 다중 임베디드 산업용 무선 센서를 네트워크에 쉽게 통합하고 시스템의 안정성을 크게 향상시킬 수 있다.

이는 결함이 있는 센서를 교체할 가능성이 없는 경우 매우 중요한 요소다. 노르딕의 nRF51 SoC는 2.4GHz 무선 기능과 더불어 ARM Cortex M0 프로세서 및 256kB/128kB 플래시와 32kB/16kB RAM 그리고 전력관리 시스템을 모두 통합하고 있다. 이런 높은 수준의 통합 솔루션을 통해 임베디드 시스템에서 부품 수를 줄일 수 있어 BoM(Bill of Materials)을 최소화하고 설계 및 어셈블리를 간소화할 수 있다. 나아가 공간을 절감하고 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

이 SoC는 브레이크에 내장된 센서와 호스트 시스템이나 무선 라우터 간 양방향 블루투스 LE 무선 연결을 제공한다. 업데이트 또한 이 SoC의 OTA-DFU(Over-The-Air Device Firmware Update) 기능을 이용해 원활하게 구현이 가능하다.

전기 드라이브 분야 예측 유지보수 작업 수행
이런 광섬유 강화 복합 소재에 통합된 전자부품들이 브레이크 디스크의 특성에 영향을 미치지 않는다는 것을 검증한 다음 브레이크 구성요소에 대한 테스트가 수행됐다. 그룬왈드와 베커는 브레이크 디스크의 기계적 스트레스와 고온 동작 조건에도 불구하고 “저비용 블루투스 LE SoC와 필요한 센서 전자장치들을 기반으로 한 통합 전자 IoT 지원 시스템을 복합 소재에 성공적으로 통합할 수 있었다”고 설명했다. 또한 “측정 장치를 결함없이 통합하는 것은 물론, 충격 감지, 속도 측정, 온도 모니터링과 같은 일반적인 최종 애플리케이션까지 성공적으로 구현됐다”고 밝혔다.

그룬왈드와 베커는 이번에 개발한 시스템이 “브레이크 디스크의 성능 파라미터에 대한 모니터링 및 상태 모니터링은 물론 인더스트리 4.0에 기반한 전기 드라이브 분야의 예측 유지보수 작업을 완벽하게 수행할 수 있음이 입증됐다”고 결론 내렸다. 이런 아이디어는 다른 기계 부품으로도 확장될 수 있다. 그룬왈드와 베커는 “이 실험적 애플리케이션은 더 많은 유용한 애플리케이션의 가능성을 보여주는 작은 사례에 불과하다”고 언급했다.


비전의 현실화
노르딕 세미컨덕터의 존 레오나드(John Leonard) 제품 마케팅 매니저는 IIoT가 지원할 수 있는 새로운 비즈니스 모델을 제시했다. 그는 예기치 않은 장비 고장으로 인한 보수작업은 많은 어려움을 초래할 수 있다고 말하며 기업들은 무선 센서를 통해 보고되는 마모 상태를 파악해 계획된 유지보수를 수행함으로써 비용을 절감할 수 있을 것이라고 설명했다.

또한

이번 독일 대학의 연구는 센서를 이용한 이러한 모델을 장비의 핵심 부분까지 확장함으로써 설계자들이 스마트 팩토리의 출현을 가속화할 수 있다는 점을 보여줬다.

비용 효율적인 무선 SoC와 센서를 구성요소에 직접 내장하고 메시 네트워크를 통해 클라우드와 연결하면 강력한 서버가 사용되지 않는 장비의 위치를 파악한다. 이를 통해 프로세스 병목현상을 처리함으로써 프로세스 속도를 조정할 수 있다. 또한 자동화된 공장의 모든 부분에서 마모 및 손상을 모니터링함으로써 유지관리 필요성을 정확하게 파악하고 장비 고장으로 인한 생산 중단을 방지할 수 있다.

PwC 컨설턴트에 따르면 스마트 팩토리 비전은 빠르게 현실화되고 있다. 이 회사는 ‘인더스트리 4.0 디지털 엔터프라이즈 구축’이라는 최근 보고서를 통해 인더스트리 4.0 투자는 이미 상당히 진행되고 있으며 글로벌 산업용 제품 기업들은 2020년까지 해마다 9,070억달러를 투자할 것이라고 전망했다. PwC는 “이러한 투자의 주요 대상은 센서나 연결장치와 같은 디지털 기술은 물론 제조실행 시스템과 같은 소프트웨어와 애플리케이션이 될 것이다”고 언급했다.

블루투스 LE는 초창기에 컨수머 주변장치를 주로 겨냥해 왔지만 이제는 향상된 보안, IP 연결 및 범위/전송속도 그리고 메시 네트워킹 기능들을 토대로 IIoT의 기반 기술로 빠르게 확산되고 있다. 또한 이 기술은 오늘날의 제조 설비를 매우 효율적이고 지속 가능한 미래의 스마트 팩토리로 전환시키기 위한 인더스트리 4.0 혁명을 가속화하는 핵심 요소가 될 것이다.

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