IoT 시대 공장 현장 데이터 분석 마스터: 도구와 전략

새로운 현장 데이터 수집 및 분석 도구로 IoT 시대의 공장 운영 디지털화 부담 완화

더 연결된 제조 산업으로의 움직임이 탄력을 받으며 제조업체가 현장 데이터를 수집하기 시작함에 따라, 빠르고 효율적인 데이터 분석의 필요성이 그 어느 때보다 중요해지고 있습니다. 데이터 수집 및 분석 도구는 디지털 제조/인더스트리 4.0 시대에 매우 중요하며, 제조업체는 전체 설비 효율(OEE), 기계 가동 시간, 기계/스핀들 활용도 및 기타 지표 같은 핵심 성과 지표(KPI)를 활용하여 현장 데이터를 더 효과적으로 수집, 관리, 분석하는 새로운 솔루션으로 무장하고 있습니다.

많은 제조 데이터 수집 및 기계 모니터링 옵션이 있으며, 대부분 현장 모니터링 패키지나 제조 실행 소프트웨어(MES) 시스템에서 최소한 기본 제조 지표 분석을 제공합니다. 일부 경우 자동화 기업이 기존 IT 제공업체와 제휴하기도 합니다. 예를 들어 자동화 공급업체 ABB Inc.(노스캐롤라이나주 캐리, 취리히)와 Hewlett Packard Enterprise Co.(HPE; 캘리포니아주 팔로알토)의 최근 발표된 파트너십은 ABB의 산업 자동화 및 운영 기술(OT) 전문성을 HPE의 하이브리드 IT 경험과 소프트웨어 포트폴리오와 결합할 것입니다.

OT와 IT의 협력

2017년 11월 발표된 ABB/HPE 파트너십에서 ABB의 Ability 디지털 제공이 HPE의 하이브리드 IT 솔루션과 결합됩니다. Ability 솔루션은 고객의 산업 플랜트와 데이터센터, 또는 성능, 보안, 교차 사이트 협업 요구 사항을 충족하기 위해 Microsoft 퍼블릭 클라우드에서 선호하는 위치에 있는 HPE ProLiant for Microsoft Azure Stack 같은 하이브리드 플랫폼에서 실행됩니다.

이 파트너십은 '엣지 컴퓨팅'을 사용하여 컴퓨팅 리소스를 필요한 곳에 더 가깝게 이동시킵니다. ABB와 HP는 Ability 데이터센터 자동화(인프라 제어 및 모니터링)를 HPE의 IT 인프라 자동화 소프트웨어인 OneView와 통합할 것입니다. "솔직히 우리 혼자서는 할 수 없습니다. 이 하이브리드를 위해 파트너가 필요하며, OT/IT가 필요합니다."라고 더블린 기반 ABB 글로벌 데이터센터 솔루션 그룹 부사장 겸 책임자인 Ciaran Flanagan은 말했습니다. 오늘날 크게 사일로화된 IT와 OT를 결합함으로써 "우리는 엄청난 기회가 있다고 생각하며, 그것은 빠르게 성숙하고 있습니다."라고 그는 덧붙였습니다.

원격 산업 환경을 위한 안전한 엣지 데이터센터를 제공하는 ABB/HPE 파트너십은 Rittal 랙 인프라에 ABB의 산업용 전력 분배 시스템과 HPE의 소프트웨어 정의 인프라 및 서비스를 사용합니다. "프로토콜 계층은 OT에서 IT와 매우 다릅니다."라고 HPE 글로벌 제조 산업 부사장 Volkhard Bregulla는 관찰했습니다. "IT 쪽이 꽤 앞서 있습니다." ABB-HPE 솔루션은 2018년 상반기에 제공될 예정입니다.

현장 데이터 수집 후 분석

현장에서 모니터링과 데이터 수집을 위한 많은 옵션이 있으며, 대부분 최소한 기본 기계 분석과 일부 정교한 현장 분석을 제공합니다.

기계를 모니터링할 때 현장 관리자는 특정 기계가 가동 중인지, 다운되었는지, 오프라인인지 먼저 알아야 합니다. CNC 프로그래머가 포스팅한 원래 G-코드와 비교할 수 있도록 기계가 프로그램 제어 하에 있는지 아는 것이 중요하다고 Memex Inc.(온타리오주 벌링턴)의 사장 겸 CEO David McPhail은 말했습니다. "연결 방식에 대해 우리는 중립적입니다."라고 그는 말했습니다.

Memex의 MERLIN(Manufacturing Execution Real-Time Lean Information Network) Tempus 플랫폼으로 공정 및 개별 제조업체는 온프레미스 또는 클라우드 환경에서 기계를 연결할 수 있습니다. MERLIN Tempus는 대시보드를 특징으로 하는 MES 소프트웨어이며, FANUC FOCAS, MTConnect, OPC 및 기타 프로토콜을 사용하여 인터넷을 통해 공작기계를 연결할 수 있습니다.

레거시, 비지능형 장비의 경우 Memex는 MTConnect 인터페이스를 개발했습니다. "기계에서 16개의 디지털 입력 신호가 있습니다."라고 McPhail은 말했습니다. "세 가지 데이터 스트림이 있습니다: 장비로부터; 인적 자본으로부터, 인간이 통제하는 것[그리고] 기계가 알려줄 수 없는 것; 그리고 ERP 같은 외부 솔루션으로부터."

사용자는 Tempus MES를 현장에서 실행할 수 있는데, 이는 제조 운영 관리(MOM) 포트폴리오로 기계 상태를 확인한다고 McPhail은 말했습니다. "일반적으로 우리 직원들이 태블릿에서 소프트웨어를 실행하며 현장을 돌아다닙니다. 운영자가 부품 문제로 어려움을 겪고 있다고 합시다. '내부 고객 지원' 메시지를 받게 됩니다. 이는 운영자를 수동적에서 능동적 모드로 전환시킵니다."

"커스텀 프로그래밍이 없습니다."라고 McPhail은 계속했고, 시스템에 분석 도구가 포함되어 있다고 말했습니다. "데이터 수집 부분은 기초입니다. 우리가 선택한 비즈니스 케이스는 OEE지만, TPM[총 예측 유지보수] 등을 삽입할 수 있습니다. 본질적으로 저조한 성능의 재정적 영향을 계산합니다."

Memex는 올해 말 출시될 FOEE(Financial OEE) 모듈을 개발 중으로, 이는 현장이 최적 설정 미만으로 장비를 운영하는 비용을 계산해 줄 것입니다. 이 모듈은 현장 관리자에게 "지금 당신은 델타만큼 최고 성능 미만으로 운영 중이며, 그 수준으로 매시간 운영할 때마다 그만큼 비용이 든다"를 보여줄 것이라고 McPhail은 말했습니다.

모니터링은 필수지만 분석 마비 피하기

데이터 모니터링/분석을 설정하는 현장의 큰 질문은 얼마나 많은 데이터를 수집해야 하는가입니다. 업계가 '빅데이터' 분석 필요성을 과대광고하지만, 평균적인 현장에는 적은 것이 더 많을 수 있습니다.

"우리는 고객과 협력하여 방정식을 이해합니다. 어떻게(how)는 알려진 실체입니다. 왜(why), 그것을 뒷받침하는 비즈니스 케이스"가 Memex가 작업하는 것이라고 McPhail은 말했습니다.

일부 기업이 CAE 데이터 같은 시뮬레이션 환경을 포함한 대규모 빅데이터 문제를 다루지만, 대부분의 현장에서는 그렇지 않습니다. "빅데이터, 우리는 그것을 디지털 배기(digital exhaust)라고 부릅니다."라고 McPhail이 덧붙였습니다. "Mazak 기계를 예로 들면, 모든 태그를 구독하면 그 [데이터 양]이 여러분을 압도할 것입니다. 모든 데이터 포인트를 정말 알 필요가 있습니까?"

다른 개발사 Predator Software(오리건주 포틀랜드)는 2인 현장부터 대형 제조 조직까지 모든 것을 겨냥한 Predator 현장 모니터링 애플리케이션 제품군을 제공한다고 Predator Software 자동화 및 OEM 관계 이사 Mike Rogers는 말했습니다. "Predator MDC[기계 데이터 수집]이 모니터링을 위한 핵심 제품이며, Mori, OPC, OPC/UA 등 20가지 이상의 프로토콜로 현장의 모든 것을 모니터링할 수 있습니다."라고 Rogers는 말했습니다.

데이터 수집과 분석이 오늘날 현장에서 더 받아들여지고 있습니다. "이것이 가장 뜨거운 주제가 될 것입니다."라고 Rogers는 말했습니다. "모두 원하지만 모두가 가진 것은 아닙니다. … 대기업은 빅데이터를 원합니다. 작은 업체는 달리기 전에 걷는 법을 배워야 합니다. 그렇지 않으면 압도될 것입니다."

핵심은 고객이 단순한 것에 집중하도록 설득하는 것이라고 그는 지적했습니다. "기계가 사이클을 도는가? 멈춰 있는가? 가동 중인가? … 압도적인 과정이 될 수 있습니다."라고 Rogers는 말했습니다. "내가 마주치는 문제 중 하나는 그것을 끝까지 따라갈 조직 내 챔피언을 찾는 것입니다."

Predator의 MDC 솔루션은 직관적인 인터페이스를 특징으로 하여 사용자가 쉽게 시작할 수 있다고 Rogers는 말했습니다. "MDC에 [내장된] 차트 및 보고 엔진이 있습니다. 순열을 실행하면 20,000~30,000개 사이의 리포트가 있습니다." MDC는 현장 데이터 수집, 모니터링, 제어, 통신을 겨냥한 Predator의 8개 핵심 제품 중 하나입니다. 제품들은 모두 하나의 데이터베이스에서 작동하며, 고객이 MDC를 구매하면 DNC 통신 모듈도 함께 얻습니다. Predator 소프트웨어는 많은 소규모 현장에서 사용하는 Microsoft Access 데이터베이스를 지원한다고 Rogers는 말했고, Microsoft SQL Express, SQL Server, Oracle 데이터베이스도 지원합니다. Predator 소프트웨어는 온프레미스나 클라우드에서 작동할 수 있습니다.

OEE 추적

작고 큰 현장 모두 OEE 지표에 세심한 주의를 기울여야 하며, 이는 기계 운영자와 관리자가 효율성을 최적화할 수 있게 합니다. 프로세스를 시각화하여 현장 인력이 변화하는 조건을 빠르게 보고, 이해하고, 반응하기 쉽게 만드는 것이 중요합니다.

"우리는 데이터 수집과 데이터 분석 양쪽을 모두 제공하며, 그것을 알라카르테로나 전체 솔루션으로 제공할 수 있습니다."라고 5ME LLC(신시내티)의 수석 부사장 겸 총괄 매니저 Jeff Price는 말했습니다. 5ME의 Freedom 제품군으로 사용자는 다양한 기계를 연결하고 제어하는 데 사용할 수 있는 소프트웨어와 사용 가능한 하드웨어를 얻습니다.

"우리 팀은 OT 유형 장치와 오랜 역사를 가지고 있으며, 플랜트 내 거의 모든 자산에 대한 인터페이스나 어댑터를 가지고 있습니다. 종종 CNC 컨트롤러에 있습니다."라고 Price는 덧붙였습니다. "레거시 컨트롤러가 있으면 네트워크에 연결하는 하드웨어 어플라이언스도 있습니다." Freedom eLog 소프트웨어와 함께 5ME는 평면 TV에 표시되는 맞춤형 스마트보드로 데이터 시각화를 제공한다고 Price는 말했습니다.

"스마트보드 기술로 대시릿(dashlets)이나 위저드(데이터 모음에 파이 차트와 막대 차트)가 있어 그것을 스마트보드에 저장할 수 있습니다."라고 그는 말했습니다. 스마트보드는 데이터가 가장 필요한 곳에서 처리 속도를 높이기 위해 Raspberry Pi 임베디드 시스템을 사용합니다. "우리는 스마트보드로 현장에 시각화를 구동하기 위해 Raspberry Pi를 사용합니다."라고 Price는 말했습니다. "수년간 자동차 공장에서 Andon 보드가 있었지만, 그것들은 꽤 경직되어 있습니다."

클라우드나 온프레미스에 위치한 Freedom 서버에서 데이터 처리가 일어납니다. 제공되는 연결성으로 고객은 산업이 이미 이룬 성과를 기반으로 구축할 수 있다고 Price는 말했습니다. 린 제조와 식스 시그마 같은 것들입니다. "우리는 그 전체 과정을 단축시킵니다."라고 그는 덧붙였습니다. "우리 고객 대부분은 OEE로 최소 20% 생산성 향상을 볼 것입니다. OEE는 가용성, 성능, 품질로 구성됩니다. 가용성은 최적 수준으로 가동 중인가, 성능은 있어야 할 수준으로 생산 중인가, 품질은 순수하게 수율 상황입니다."

OEE 지표만으로도 현장은 큰 성과 향상을 이룰 수 있다고 그는 말했습니다. "가용성이서 큰 이득이 있습니다. 초기 개선은 30일 내 10-20%입니다." Freedom 제품군은 웹을 통한 소프트웨어 설치입니다. "가벼운 IT 풋프린트, 컨트롤러의 처리 능력 활용. 4주에 100대 기계 가능."

Price는 현장이 데이터를 가장 중요한 것으로 추려야 한다고 덧붙였습니다. "분석 도구에 따라 다릅니다. 우리는 그것을 drip—데이터 부자, 정보 가난—이라고 부릅니다."라고 그는 말했습니다. "시스템이 올바른 지표를 제시하면 얻을 수 있는 개선이 엄청납니다."

첫 데이터 단계 밟기

모든 현장, 특히 큰 OT/IT 예산이 없는 소규모 현장이 공장 데이터 모니터링의 가치를 쉽게 확신하는 것은 아닙니다. "사람들은 베이스라인을 이해하려 노력합니다."라고 Price는 말했습니다. "장비가 얼마나 자주 가동되는지 같은 것들. 여전히 갭이 있습니다—우리의 역할은 그 갭을 메우는 것입니다. 그들은 그것을 이해하지 못합니다." 5ME 고객인 Textron, Bell Helicopter, Caterpillar, Schlumberger, Cummins는 빅데이터에 관심이 있지만 모두 그에 대한 유스 케이스가 있는 것은 아니라고 Price는 말했으며, 예측 유지보수에서 그런 유스 케이스 하나를 본다고 했습니다.

"데이터 수집과 분석은 소규모 현장부터 기업까지 모든 현대 제조업체에 필수적입니다."라고 Cimco Americas Inc.(일리노이주 스트림우드)의 CEO Jody Romanowski는 말했습니다. "정확한 실시간 데이터는 장비, 프로세스, 인력 등 개선할 수 있는 영역을 식별하는 데 도움이 됩니다. 그 데이터는 상당한 개선에 도달하는 데 필요합니다." Cimco의 현장 제품인 MDC-Max는 구조화되고 자동화된 생산 모니터링을 제공하는 데이터 수집 솔루션입니다. 확장 가능한 MDC-Max는 소규모 현장과 대형 제조업체 모두에 이점을 줄 수 있다고 Romanowski는 말했습니다.

"고객이 실시간 데이터 분석을 고려할 때, 종종 다양한 데이터 포인트 전체 범위에 약간 압도됩니다. 우리의 접근 방식은 처음에 3~5개 데이터 포인트를 분석하여 초기 성공을 확보하는 것으로 프로젝트를 단순하게 유지하는 것입니다."라고 그녀는 말했습니다. "제조업체는 그런 다음 경험과 극복한 과제를 바탕으로 더 많은 데이터 포인트를 점차적으로 분석할 수 있습니다. OEE 맥락에서 모든 제조업체는 품질 매개변수의 완전하고 일관된 분석에 어려움을 겪습니다.

"우리는 기계 데이터 수집에 빅데이터 접근 방식을 권장하지 않습니다."라고 Romanowski가 계속했습니다. "단순하게 유지하고 처음에 손쉬운 과실을 수확한 다음 경험과 극복한 과제를 바탕으로 구축하라고 조언합니다. 전 세계 현장에서 운영하는 기업들이 사업 단위를 포함하여 전 세계적으로 일관된 개요를 얻으려 할 때, 프로젝트 복잡성은 빅데이터 관점이 아닌 레거시 기계/시스템과 다른 절차 및/또는 문화 처리로부터 증가할 것입니다. 이는 첫 단계를 최대한 운영적이고 단순하게 유지하면서 ERP 통합 같은 전술적 목표에 초점을 맞추는 것을 더욱 강조합니다."

데이터를 수집하지만 적절히 분석하지 못하는 현장의 경우 새로운 분석 도구가 이점을 제공할 수 있습니다. "종종 현재 소프트웨어가 너무 제한적이고 경직되거나 복잡합니다."라고 Romanowski는 말했습니다. "MDC-Max는 고객의 미래 니즈를 충족하도록 확장하고 확장할 수 있을 만큼 유연합니다. 데이터는 어떤 기기에서든 쉽게 접근 가능해야 하고 의미 있는 방식으로 집계되어야 합니다—리포트와 실시간 대시보드 같은 방식으로."

중국 톈진 외곽의 한 Cimco 고객에서, Romanowski는 핵심 기계가 생산성 병목이 되어 다른 기계에 영향을 주고 있었다고 말했습니다. "단순한 MDC-Max 시스템을 제한된 데이터 포인트로 운영에 투입하자, 해당 기계의 활용률이 30% 높아졌습니다."라고 그녀는 언급했습니다. "이로써 그 특정 병목 해소와 다른 모든 기계의 생산성 향상으로 생산성이 증가했습니다. 이 경우 예상 투자 회수 기간은 4개월 미만이었습니다."