엣지 컴퓨팅으로 데이터 제공하는 노하우
산업계의 3D 스냅 샷 카메라 데이터
중앙 집중형 클라우드를 통해 효율적인 자동화 운용이 가능해졌지만, 접속시간의 지연, 사생활 데이터의 유출 등의 단점이 존재한다. 이런 클라우드의 단점을 보완하기 위해 클라우드를 다시 분산 배치하는 엣지 클라우드 컴퓨팅(Edge Cloud Computing)이 각광받고 있다.
씨크(SICK)는 산업용 센서를 비롯해 다양한 센서를 만드는 업체다. 씨크가 시장에 제공하는 제품은 광전 역반사 센서부터 온도 센서 및 비전 솔루션에 이르기까지 다양하다.
다양한 제품을 통해 고객사의 기존 기술과 연계해 광범위한 공장, 물류 및 프로세스 자동화가 가능하도록 각 분야에 맞춤화 센서 솔루션을 제공한다. 빠른 속도로 디지털화 되고 있는 자동화 프로세스는 씨크에게 새로운 기회를 줄 뿐만 아니라 앞으로 해결해결해야할 과제도 제시한다.
전통적인 자동화 피라미드는 그림 1과 같이 ▲레벨1인 I/O시그널(필드) ▲레벨2인 PLC(컨트롤) ▲레벨3인 SCADA(집중 원격감시 제어시스템)(매니지먼트) ▲레벨4인 MES(생산 관리 시스템) ▲레벨5인 ERP(경영 정보 시스템)로 구성된다. 미래에는 다양한 레벨 사이의 통신과 데이터 교환이 용이하도록 필드, SCADA, MES 및 ERP가 함께 연결될 전망이다. 이러한 전망을 대변하듯 생산과 IT 네트워크를 하나로 결합하는 추세이다. 디지털화 프로세스에서 센서는 가장 중요한 기술중 하나다.
디지털화를 위해서는 새로운 형태의 커뮤니케이션을 구현해야하기 때문에 기존의 공장 자동화 구조를 재구성해야 한다. 전통적인 자동화 피라미드의 필드 레벨에서 센서는 오직 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC)와 통신할 수 있으며, 이 컨트롤러는 더 높은 계층의 회사 소프트웨어와 차례로 통신한다. 이러한 유형의 계단식 통신은 매우 체계적이고 간단하지만 실제로 디지털화의 요건을 충족시키기에는 너무 유연하지 못하고 비효율적이다. 이러한 구형 시스템을 사용하면 회사의 중요한 데이터가 손실될 수도 있다.
디지털화는 미래의 공장을 형성할 새로운 모델들을 만들어내고 있다. 고전적인 자동화 피라미드는 변화해 점차 지능적이고 유연한 자동화 네트워크로 발전할 전망이다. 즉, 센서가 더 이상 현장의 제어장치와 데이터를 교환하지 않고 오히려 상위 계층의 시스템 및 클라우드와 직접 통신하는 것을 의미한다.
3D 카메라 데이터
비전 카메라, 특히 3D 스냅샷 비전 카메라의 데이터는 특별한 역할을 수행한다. 일부 센서는 물리적 특성으로 인해 온도 정보와 같은 데이터로 보완이 가능한 적은 양의 데이터만을 생성한다. 이와는 대조적으로, Visionary-T 또는 Visionary-B와 같은 스트리밍 카메라는 다양한 방식으로 사용하고 처리할 수 있는 대량의 3D 데이터를 제공한다. 각 스냅샷은 처리돼야하는 수천 개의 거리 및 강도 값으로 구성된 포괄적인 깊이 이미지를 제공한다. 일부 센서에서 생성되는 데이터의 양은 초당 몇 KB에 불과하지만, 3D 카메라 데이터를 사용하면 초당 20MB의 데이터 생성이 정상 범위로 간주된다(그림 2 참조).
생성하는 데이터의 규모는 기존의 산업 자동화 인프라에 중요한 문제를 제기한다. 기존의 제어장치는 제한된 컴퓨팅 성능으로 인해 3D 스냅샷 카메라가 제공하는 데이터양을 처리할 수 없었다. 게다가 IT 인프라를 통한 다른 시스템과의 통신 실패의 원인은 대개 순전히 데이터양 때문이다. 따라서 특정 현장 레벨의 애플리케이션 분석뿐만 아니라 연결된 정보 시스템의 데이터 분석, 준비 및 프로비저닝까지 수행할 수 없다.
엣지 컴퓨팅 접근 방식
이러한 문제의 해결 방법은 엣지에 있는 데이터 사전 처리를 사용하는 것이다. 엣지 컴퓨팅은 새로 발생하는 자동화 네트워크의 가장자리에서 데이터 사전 처리를 수행하는 것을 의미하며, 이를 통해 데이터 자동화 네트워크 시스템에 적절한 사전 처리 형식을 제공할 수 있다.
3D 스트리밍 카메라는 3D 데이터 처리를 수행하고 3D 데이터를 프로비저닝하기 위해 추가 하드웨어가 필요한 경우가 많다. 반면 Visionary-T와 같은 제품 라인을 사용하면 장치 자체 내에서 관련 데이터를 필터링하고 처리할 수 있다. 따라서 데이터를 개별적으로 조정해 회사의 정보 시스템은 물론 생산 네트워크에도 제공할 수 있다.
이전에는 필드 레벨이라고 알려졌던 Visionary-T DT를 사용하면 장치 내에서 특정 응용 프로그램을 수행할 수 있다. 반면 Visionary-T AG는 지능형 데이터 축소를 지원한다. 이 작업은 필요에 따라 사전에 필요한 데이터를 개별적으로 조정해 수행된다. 따라서 관련 3D 데이터의 손실 없이 원래의 데이터양을 1000배 이상 크게 줄이는 효과가 있다. Visionary-T AG는 현재 지능형 데이터 축소를 위한 두 가지 옵션을 통합하고 있다.
3D 데이터는 공중에 25000개 이상의 거리 포인트를 투영한 다음 원하는 영역의 점을 이어 선 모양의 2차원으로 표현할 수 있다(그림 3). 한편, 데이터 정리는 특정 관심 볼륨을 선택하거나 데카르트 좌표계로 적절한 데이터를 설정함으로써 수행할 수 있다(그림 4 참조).
이러한 정리 기능 덕분에 PLC 또는 IT 인프라 과부하 걱정 없이 데이터를 전달할 수 있다. 즉, PLC에 의존할 필요 없이 Visionary-T 내에서 컨테이너의 위치 및 충전 수준 모니터링 등 애플리케이션을 수행할 수 있음을 의미한다(그림 5 참조).
사전 처리된 3D 데이터를 사용하면 프로그래머블 로직 컨트롤러를 통해서만 사용할 수 있었던 복잡한 애플리케이션뿐만 아니라 새로운 애플리케이션도 현장 레벨에서 수행할 수 있다. 디지털화가 제공하는 또 다른 옵션은 3D 스냅샷 카메라의 사전 처리된 개별 맞춤형 데이터가 기존 이더넷 인터페이스를 통해 ERP 및 MES와 같은 IT 시스템과 직접 통신할 수 있다는 점이다. 예를 들어, ERP 레벨의 한 응용 프로그램은 컨테이너가 특정 수준까지 채워지면 새 컨테이너가 자동으로 정렬된다.
데이터양이 줄어들면 클라우드에서 데이터를 분석하고 처리할 수도 있다. 영역을 구분하거나보다 높은 해상도를 얻으려면 데이터 사전 처리 유형을 응용 프로그램에 따라 재구성해야 한다.
향후 인프라가 복잡한 이미지 처리 또는 분석을 위해 전체 데이터양을 클라우드로 전송하는 기능을 갖춘다면 Visionary-T는 전체 미가공 데이터 스트림도 프로비저닝할 수 있다. 현재 필드 레벨에서 미가공 데이터는 씨크의 산업용 PC 또는 센서 통합 장치(SIM)에 의해 객체 감지와 같은 복잡한 이미지 처리에 사용된다.
Visionary-T와 씨크의 전망
Visionary-T와 같은 카메라의 엣지 컴퓨팅 방식은 고객에게 디지털화 요구 사항에 따라 적절한 형식으로 다양한 시스템과 액추에이터의 데이터를 제공한다. 이 지능형 통합 데이터 처리 기능은 IT 인프라의 부담을 덜어주며 데이터 처리에 필요한 추가 하드웨어 리소스를 제공한다. 또 Visionary-T는 이전 기종과 호환이 가능해 기존 프로덕션 시스템에서도 사용할 수 있다.
순수하게 엣지 컴퓨팅 접근 방식이 한계에 도달한 경우, 지능형 객체 검출처럼 복잡한 이미지 처리 작업의 데이터는 외부 프로세서에 의해 필드 레벨에서 처리될 수 있다. 미래에는 Visionary-T를 디지털화의 틀 내에 완전히 수직적으로 통합해 다양한 시스템과 동시에 병렬 통신이 가능할 전망이다. OPC UA 및 MQTT와 같은 표준 및 프로토콜은 향후 핵심적인 역할을 수행할 것으로 예상된다.
이를 통해 Industry 4.0은 클라우드를 사용해 자동화 네트워크의 다양한 구성 요소와 시스템 간의 표준화된 통신을 지원할 수 있다. 그러나 현재 어느 표준이 궁극적으로 우위를 점할지는 확실하지 않다. 어떤 경우에도 여러 시스템의 데이터를 유연하게 프로비저닝할 수 있도록 개발에 대비하는 것이 중요하다. Visionary-T는 이러한 통신을 자체적으로 수행하거나 SIM 포트폴리오의 적합한 제품으로 실행할 수 있다. 생산 제어를 위해 OPC UA Publish/Subscribe 스펙과 이더넷 TSN의 결합이 잠재력을 보여준다. 장치의 데이터 사전 처리 기능 덕분에 대체 제어 실행에서도 Visionary-T 데이터를 사용할 수 있다.
앞으로 씨크는 SICK AppSpace-capable 지원 장치인 Visionary-T AP를 개발에 집중함으로써 Industry 4.0 방향을 추구할 예정이다. 이를 통해 씨크는 각 고객사에게 더욱 맞춤화된 제품과 클라우드 서비스를 제공할 수 있다.
출처 : SICK(www.sick.com/kr)
