사이버-물리 시스템(CPS): 인더스트리 4.0의 원동력

인더스트리 4.0 솔루션 구현의 핵심 아이디어는 제조 기업이 다양한 부서 간 협업을 강화해 올바른 정보를 올바른 사람들에게 실시간으로 제공할 수 있게 하는 것입니다. 목표는 적절한 시기에 적절한 의사결정을 촉진함으로써 효율성과 생산성을 높이는 것입니다.

사이버-물리 시스템

인더스트리 4.0 개념 구현의 핵심 요소는 사이버-물리 시스템(CPS)이라는 아이디어입니다. '사이버-물리 시스템'이라는 용어는 미국 국립과학재단의 헬렌 길(Helen Gill)이 만들었습니다.

NIST 특수 간행물 1500-201 사이버-물리 시스템 프레임워크: 1권, 개요에 따르면, 사이버-물리 시스템은 물리적 및 계산 구성요소의 엔지니어링된 상호작용 네트워크를 포함하는 스마트 시스템입니다. 이 간행물은 이러한 고도로 상호연결되고 통합된 시스템이 삶의 질을 개선하고 개인 맞춤형 의료, 비상 대응, 교통 흐름 관리, 스마트 제조, 국방 및 국토 안보, 에너지 공급 및 사용 같은 중요한 분야에서 기술 발전을 가능하게 하는 새로운 기능을 제공한다고 강조합니다. 따라서 CPS는 혁신적인 애플리케이션을 가능하게 하고 전 세계 경제의 여러 부문에 영향을 미칠 큰 잠재력을 가지고 있습니다.

아카테크(acatech, 독일 국립과학공학아카데미)는 보고서 사이버-물리 시스템에서 CPS를 다음과 같이 설명합니다: 사이버-물리 시스템은 임베디드 소프트웨어를 가진 시스템입니다(장치, 건물, 운송 수단, 운송 경로, 생산 시스템, 의료 프로세스, 물류 프로세스, 조정 프로세스, 관리 프로세스의 일부로서). 사이버-물리 시스템은:

• 센서를 사용해 물리적 데이터를 직접 기록하고 액추에이터를 사용해 물리적 프로세스에 영향을 줌
• 기록된 데이터를 평가하고 저장하며 물리적 및 디지털 세계와 능동적 또는 수동적으로 상호작용함
• 디지털 통신 시설을 통해 서로 및 전역 네트워크와 연결됨
• 전역적으로 사용 가능한 데이터와 서비스 사용
• 전용의 다중 모달 휴먼-머신 인터페이스를 가짐

그 결과는 우리 일상생활의 모든 영역에 대한 광범위한 솔루션과 애플리케이션입니다.

제조업과 사이버-물리 시스템

제조업 관점에서 사이버-물리 시스템은 펌프나 압축기 같은 인터넷이 가능한 물리적 엔티티로, 컴퓨터와 센서, 액추에이터로 구성된 제어 구성요소가 내장되어 있습니다. IP 주소가 할당된 이러한 엔티티는 자기 모니터링, 자체 기능에 대한 정보 생성, 다른 관련 엔티티나 외부와의 통신이 가능합니다. 이는 자기 조절적이고 자율적인 운영입니다.

앞으로 몇 년간 제4차 산업혁명이 진화함에 따라, 산업 기업들은 CPS의 원칙을 점점 더 활용해 생산성 향상, 모든 자원(물적, 인적)의 효율적 배치, 고객 충족, 주주 가치 증대를 통한 운영 우수성 달성을 도울 것입니다. 이 발전을 예상하며, 세계경제포럼 설립자이자 집행위원장인 클라우스 슈바브(Klaus Schwab)는 '제4차 산업혁명'이라는 용어를 이 트렌드를 설명하는 데 사용했습니다.

인더스트리 4.0의 기초는 제3차 산업혁명 기간에 놓였으며, 이는 산업 생산 공정을 자동화하기 위해 전자공학과 컴퓨터가 광범위하게 적용된 것이 특징입니다. 전자공학과 컴퓨터의 사용 확대는 가격 하락, 컴퓨터의 소형화와 견고화, 컴퓨팅 및 처리 능력의 엄청난 증가를 가져왔습니다. 디지털과 통신 기술이 융합되기 시작했습니다. 에지/클라우드 컴퓨팅, 산업용 사물인터넷(IIoT), 인공지능(AI), 자율 로봇 등의 초기 개발 단계를 목격했습니다. 디지털 기술과 산업 기술의 통합은 제조업을 변혁하고 인더스트리 4.0의 비전을 실현하는 데 기여할 것입니다.

인더스트리 4.0의 원칙은 제조 기업이 기계/플랜트 장비, 물류 시스템, 재공품 구성요소, 기타 요소(사람 포함)가 협업을 달성하기 위해 직접 서로 통신하도록 함으로써 더 높은 효율성, 생산성, 생산 공정의 자율 운영을 달성할 수 있다는 것입니다. 인더스트리 4.0과 비전을 맞추려는 제조 기업은 기존 물리적 엔티티를 사이버-물리 시스템으로 전환하는 조치를 취해야 합니다.

자체 평가에 기반해 각 기업은 자사 산업 플랜트의 기계, 장비, 기타 물리적 시스템 중 최대 가치를 제공할 잠재력이 있는 것을 식별해야 합니다. 기업은 이를 사이버 시스템과 통합하고 사이버-물리 시스템 네트워크로 진화시켜야 합니다. 예를 들어 정유 단지는 본플랜트와 연결된 온사이트/오프사이트 탱크 팜에 파이프라인, 제어 밸브, 펌핑 스테이션을 가질 수 있습니다. 탱크 팜 유지보수에 대한 현재 관행은 일반적으로 수동 검사와 정기 유지보수이며, 이는 비용이 많이 들고 비효율적입니다. 이러한 자산을 CPS로 전환하고 적절한 분석 소프트웨어로 지원함으로써, 정유 단지는 원격 모니터링으로 전환할 수 있고 예지보전의 혜택을 볼 수 있습니다.