지능형 공정 제어 솔루션 

스마트 제조 및 스마트 설비 프로세스 효율 극대화 지향 

산업 전망위 분야의 혁신주도하며 미래 경쟁력 견인 예상

스마트 제조는 앞으로 산업계의 혁신을 주도하며 국가 및 기업의 미래 경쟁력을 끌어 올릴 것으로 기대를 모은다. 지능형 공정 제어 솔루션은 자동화된 스마트 제조 현장의 공정 및 생산 전반의 효율을 한 차원 강화하는 역할을 하고 있다. 인공지능 기술을 활용해 생산 프로세스를 최적화하는 만큼 향후 제조 현장에서도 기반기술이 갖춰진다면 빠르게 확산될 것으로 예상된다. 중소기술정보진흥원(TIPA)의 중소기업기술로드맵(2023~2025) 자료를 토대로 지능형 공정 제어 솔루션 현황 및 기술개발 동향 등을 살펴봤다.

스마트 제조 업그레이드하는 지능형 제어 솔루션

지능형 공정 제어 솔루션은 스마트공장의 특정 절차 또는 프로세스를 스스로 규제하여 정해진 매개변수에 최대한 근접해 가동될 수 있도록 지원하는 제어 시스템 기술이다. 이를 통해 스마트공장은 이전보다 더 뛰어난 고신뢰 제어 성능을 확보할 수 있다. 지능형 공정 제어 솔루션은 자율제어 알고리즘, 지능형 HMI(Human Machine Interface), 센서 네트워크, 엣지 컴퓨팅 등 차세대 신기술이 융합 중이다. 

제어 시스템은 특정 작업이나 공정을 감시, 제어해 목표하는 결과나 값을 얻는 시스템으로, 기본적인 형식은 결과를 바탕으로 행동을 수정하는 피드백(feedback) 방법, 미래의 결과를 예상하고 수정하는 피드포워드(feedforward) 방법으로 구분할 수 있다. 

지능형 공정제어는 목표와의 오차에 더 빠르게 반응하는 장점이 있다. 가장 이상적인 것은 오차를 예상해 사전에 대응할 수 있도록 해 생산 시스템을 예측 가능한 체계로 형성한다는 점이다. 

공정 자동화는 기존 수작업의 한계를 극복하고 생산 시스템의 효율을 높이는 한편 공장 프로세스 대부분에 접용이 가능해 균일한 품질 유지가 가능하다. 자율제어의 가장 간단한 형태는 하나 또는 다수의 매개변수를 모니터링하고 정해진 임계값 초과 시 메시지를 전송하거나 신호를 보내어 수동으로 대응할 수 있게 하는 것이다. 하지만 한 단계 더 나아간 완전한 자율제어 시스템은 자재가 소진되면 필요한 양을 자동으로 주문하는 내장된 컨트롤 기능으로 불필요한 재고 발생을 현격히 감소시킬 수도 있다. 

지능형 공정 제어 솔루션은 IoT 기반 센서에서 얻은 데이터를 인공지능을 통해 분석하고 생산공정을 관리하여 일정 계획을 스스로 조정한다. 이를 통해 제품 품질과 생산 효율이 높아지며 인건비와 같은 고정비용의 감소 효과를 얻을 수 있다. 지능형 공정 제어 솔루션은 기존 MES(Manufacturing Execution System), 즉 생산관리시스템과 더해지면서 더욱 효율적이고 신속한 공정 제어가 이뤄질 수 있다.

효율 극대화를 위한 스마트제조 핵심기술-자동화 공정제어

자동화된 공정 관리는 스마트제조 분야에서 필수 핵심기술이라고 할 수 있으며, 다양한 제조업 분야에 접목되어 기업 경쟁력을 높이고 있다. 프로세스 산업은 자동화를 통해 대량 생산을 가능하게 하며 지속적이고 연속적인 프로세스 생산을 보장해 준다. 최근에는 프로세스 산업의 디지털화가 가속화되는 추세다. 일반적으로 석유&가스 산업, 화학 산업, 식품&음료 산업, 광업&금속 산업, 전력 산업, 제약 산업, 제지&펄프 산업 등이 프로세스 산업으로 분류된다. 

조립산업은 자동화 공정을 통해 공정의 일관성 향상, 처리량 증가, 품질향상, 작업 시간 단축, 수동 작업 감소, 높은 안전성 등 생산 전반의 효율성을 증가시키고 있다. 이외에도 자동화된 공정관리 시스템은 자동차 산업, 반도체 및 전자기기 산업, 기계 제조 산업, 항공우주 및 방위산업, 의료기기 산업 등 다양한 산업 분야에 활발히 적용되고 있다. 최근에는 생산 공정의 전 과정을 통합하는 추세로 소수의 운영자가 공정을 직접 제어할 수 있는 가상의 지능형 공정 제어 시스템 도입을 진행 중이며, 기존에 활용해 오던 생산관리 시스템인 MES((Manufacturing Execution System, 제조실행시스템), ERP(Enterprise Resource Planning, 전사적자원관리)와 연계해 범용성을 확보하고 있다. 또한 클라우드 기반의 MES, ERP를 도입한 스마트 산업 제어 시스템은 센서나 디바이스로부터 정보를 실시간으로 수집할 수 있다. 

제조 분야의 디지털화에 대응하기 위한 스마트제조 생태계 내에서도 파트너십이 활발하게 진행 중이다. 특히, 산업용 제어 및 공장 자동화 분야의 경우, 기업 간 협업의 형태로 IoT, 인공지능, AR/VR, 블록체인 등 다양한 디지털 기술과의 연계를 시도하고 있다. 이에 따라 스마트 제조 생태계 관련 시장이 지속적으로 성장하는 추세를 보이고 있다. 자동화 솔루션 분야에서는 연속 공정보다 이산 공정 산업 분야에 자동화 솔루션을 공급하는 기업의 디지털 친숙도가 높은 것으로 나타난다.

PLC, DCS 경계 사라지며 Total Solution으로 진화

과거 산업계 공정제어 분야에서 PLC(Programmable Logic Controller)와 DCS(Distributed Control System)는 큰 차이점이 존재했으며 완전히 독립적인 시장을 형성해 왔다. 시간이 흐름에 따라 컴퓨팅 기술의 발달로 1990년대 중반부터는 서서히 PLC와 DCS를 큰 차이 없이 활용 중인 상황이다. 

PLC는 논리 제어를 위해 사용되는 컴퓨터 기반의 제어장치로, 주로 제조 공장의 생산 라인 자동화에 사용된다. PLC는 센서와 엑추에이터를 제어하며, 프로그래밍을 통해 운전 모드를 조정하는 방식으로 작은 시스템에서 보편적으로 사용되며, 연속적이지 않은 단순, 단일 공정에 사용되고 있다. DCS는 공장에서 발생하는 다양한 데이터를 수집하고, 처리해 공정의 자동화를 지원하는 시스템으로 센서, 액추에이터, 제어 장치 등의 하드웨어를 포함하며, 데이터 수집 및 분석, 시각화, 제어 등을 수행해 왔다. DCS는 대형 시스템에서 주로 사용되며, 주로 연속적이고 중요 공정에 활용된다. 기존 제조업 공정에 활용되던 PLC와 DCS는 기능과 용도가 다르며, 시스템의 크기와 복잡성도 상이하다. 

단순하게 접근하며 PLC는 제어와 모니터링에 중점을 뒀다면, DCS는 데이터 수집과 분석, 제어 및 모니터링에 중점을 둔다고 할 수 있다. 최근에는 예전부터 분산처리시스템으로 구성됐던 DCS 시스템은 컴퓨팅 기술 발달에 따라 정보의 활용 측면이 강조되면서 통합 운영 시스템으로 구성되고 있다. 최근 공정 제어 시스템을 공급하는 주요 기업들은 DCS 시스템을 토털 솔루션(Total Solution) 형식으로 제시하고 있다. 

제어 시스템은 제조, 발전, 가공 등의 산업 시설 뿐만 아니라 전력, 자원 운송 등 주요 정보통신 기반 시설 및 빌딩, 공항 등의 시설에도 폭넓게 적용되고 있다. 현재 제어 시스템의 경우 정보통신 기술의 발달로 IT와 산업제어시스템(Industrial Control System, ICS) 네트워크가 빠르게 융합되는 중이다. 일반적으로 산업제어시스템은 OT(Operation Technology) 영역과 IT(Information Technology) 영역의 결합을 기반으로 하고 있다.

딥러닝 기반 AI 알고리즘 활용해 설비제어시스템 진화

스마트 제조가 완성되기 위해서는 우선적으로 전체 생산공정 안에서 각 공정 단계별 실시간 상호 작용이 가능해야 한다. 더불어 많은 애플리케이션에서 비전 기반 AI를 구현할 필요성이 있어서, 다양한 산업 분야의 분산된 기계를 모니터하기 위해서는 IIoT 기반의 데이터 교환이 요구된다. 

최근 스마트 설비 제조 및 제어 관련 분야의 연구개발 동향을 살펴보면 다양한 실시간 및 비실시간 작업 제어(스마트 비전, 인공지능(AI), 로봇 제어 및 선택적 IIoT 기반 모니터링, 유지 보수 및 관리 등)를 통한 딥러닝 기반 인공지능 알고리즘을 활용한 다양한 연구개발이 진행되고 있다. 예를 들면 다양한 작업을 병렬 처리해야 하는 차세대 비전 기반의 협업 로봇, 완전화 자동화 제어 및 자율주행 차량의 연구개발이 활발히 진행되고 있다. 

과거 설비 제어 시스템의 아키텍처는 PLC → MES → ERP로 수직 구조화되어 있던 것이 일반적이었다. 하지만 최근에는 PLC와 바로 실시간 인터페이스가 가능한 MES와 통합된 ERP를 제공해 생산 환경의 동적 변화에 유연하게 대응할 수 있는 방향으로 진화 중이다. 

OPC-UA, MQTT, Node-RED 등 송수신시스템 시장 확장  

최근 IoT 제품들은 직접 TCP/IP망을 통해서 측정값이나 상태값을 바로 HMI나 IT시스템 서버에 전송하고 조작 신호를 받아 수행한다. 비교적 최근에 등장한 기술은 OPC-UA, MQTT, Node-RED 등으로 관련 제품이 2016년부터 시장점유율을 높여 나가는 중이다. 

OPC UA(Open Platform Communication Unified Architecture, 개방형 플랫폼 통신 통합 아키텍처)는 특히 산업 자동화 및 제조 환경 면에서 IoT 에코시스템의 초석으로 부상한 개방형 다목적 산업 통신 프로토콜이다. OPC UA는 상호 운용성, 확장성 및 보안 문제를 해결하기 위해 개발되었으며, 이로 인해 IoT 애플리케이션의 데이터 교환의 신뢰성을 한 차원 높인 것이다. OPC UA의 한 가지 뛰어난 기능은 장치들의 통신을 위해 플랫폼 독립적인 표준화된 방법을 제공한다는 것이다. MQTT(Message Queuing Telemetry Transport, 메시지 큐 원격 측정 전송)는 초기에 설계된 낮은 대역폭, 긴 지연 시간 또는 불안정한 연결을 가진 네트워크를 위한 가볍고 효율적인 메시징 프로토콜이다. 원래 원격 모니터링 및 제어를 위해 개발됐으며 통신 신호가 끊기지 않는 등 항상 최적의 네트워크 조건을 갖는 것은 아니지만 데이터 도착이 보장되어야 하는 IoT 애플리케이션에 이상적이라고 할 수 있다. MQTT의 주요 강점 중 하나는 송신자(Publisher)-Subscriber(수신자) 아키텍처를 들 수 있다. Node-RED(노드 레드)는 하드웨어 장치들, API, 온라인 서비스를 사물인터넷의 일부로 와이어링(배선화)시키기 위해 본래 IBM이 개발한 시각 프로그래밍을 위한 플로우(Flow) 기반 개발 도구이다.

이외에 HMI나 SCADA와는 다른 새로운 클라우드 시스템에 데이터를 전송해 빅데이터 수집, 통계, 분석, 예측으로 제어기술의 본래 목적인 최적화 제어 중심으로 연구 개발이 진행 중이다. 

SCADA 시스템의 경우 기존 Windows나 유닉스/리눅스 플랫폼을 탈피해 완전한 개방형 구성으로 변화해가고 있다. 기존 DB와 Visualization은 SCADA 기능 서비스를 넘어 MES와 EMS 영역에서 아주 중요한 역할을 수행 중이다. MS Windows 플랫폼을 활용한 SCADA도 Silverlight, HTML 5 그리고 WPF 기술을 사용해 과거보다 고급화가 진행 중이다. 

제어 H/W, S/W 플리폼 분리 가속화 등 PLC 진화

디바이스 네트워킹(Device Networking), 개방형 입출력 시스템(Open I/O System), PC기반 제어(PC based Control), 이 세 가지 기술은 현재 산업 자동화(Industrial Automation) 시장의 핵심 트랜드라고 할 수 있다. 제조현장의 원가 절감과 유연한 확장성(Flexibility)이라는 강점때문에 업계에서 주목받고 있다. 

특히 제어 하드웨어(Control H/W)의 독립성, 유연한 운용(Operation), 낮은 가격의 자동화 솔루션(Automation Solution)에 대한 업계의 요구가 두드러지고 있다. 이런 이유때문에 제어 하드웨어 플랫폼(Control H/W Platform)과 소프트웨어(S/W)의 분리, PLC 플랫폼과 입출력(I/O)의 분리를 가속화시키고 있다. 또한 이런 경향이 심화함에 따라, 제어(Control) 기능이 입출력 장치(I/O Device)에 내장되는 현상이 나타나고 있으며, 이에 따라 분산 제어(Distributed Control)가 제조기업들에 의해 주로 채택되는 상황이다. 

소규모 제어에 활용되는 로우 엔드(Low-end), 개별 PLC 시스템은 앞으로도 지속해서 사용될 것으로 예상된다. 또한 다양한 기업에서 생산하는 제어기(Controller)를 혼합 사용해 가장 가격 경쟁력 있는 제어 시스템(Control System)을 구성하는 대규모 제어도 활성화 될 것으로 보인다. 

기존 PLC의 가장 커다란 장점은 신뢰성과 고속의 제품성능에 있었다. 개방형 제어(Open Control)에서는 다양한 유연성에도 불구하고, 종래 PLC에서 제공됐던 장점을 제공하는 데 성공하지 못하고 있는 것이 사실이다. 하지만 최근에 주목받고 있는 내장형 시스템(Embedded Control)은 기존 강점과 더불어 OCS(Open Control Software)의 장점도 같이 제공할 수 있는 기술을 접목하며 다시 부상하고 있다. 

네트워크 환경의 산업 제어 시스템 보안 강화 추세

산업 제어 시스템은 내부의 장비들을 연결하기 위한 내부 네트워크로서 ▲전사적 네트워크, ▲제어 네트워크, ▲필드 네트워크가 있으며 각 영역의 장비를 연결하고 있다. 이렇게 연결된 제어 장비는 다양한 경로로 접근할 수 있지만 각 접속점 및 네트워크 영역별 보안성이 취약해 향후 피해가 빠르게 확산될 것으로 예상된다. 

주요 기반 시설의 경우 산업 제어 시스템 특성 및 구성요소, 벤더에 종속적인 통신 프로토콜 등의 문제로 인해 기존 기업의 보안 시스템 적용이 불가능한 상황이다. 

의도적이든 또는 비의도적이든 네트워크에 침입 혹은 간섭하는 행위는 주요 기반 시설이 운용하는 산업 제어 시스템의 안전한 운영을 방해할 것으로 예상돼 이에 대한 우려가 점차 커지고 있다. 

현재의 네트워크 보안 솔루션인 방화벽(Firewall), IDS(Intrusion Detection System, 침입탐지시스템), IPS(Intrusion Prevention system, 침입방지시스템) 등의 기업 보안 제품군은 외부 네트워크 경계 영역에 집중되어 있어서 내부 인프라에서 발생하는 문제에 취약하다. 내부자의 네트워크 위협을 포함해 침투경로가 다양해지는 상황에서 제어망도 경계망 보안에 초점이 맞춰져 있다보니 내부 행위에 대한 분석 방안이 미약한 상황이다. 

산업 제어 시스템은 외부 인터넷망과는 차단돼 있어 일반 통신망을 통해 제어 시스템에 침투하는 것은 사실상 불가능하다고 생각할 수 있다. 하지만 USB 메모리·CD 롬·외장하드 등 외부 장치를 내부 전산망의 컴퓨터에 연결하면 악성코드가 침투할 가능성도 많다. 

기업용 시스템은 범용 OS 및 IP 기반 프로토콜을 가진 아키텍처의 보안솔루션이다. 그렇지만 고유의 OS와 네트워크, 통신 프로토콜을 사용한 산업제어시스템은 기존 보안솔루션 사용에 어려움이 존재한다. 

기존 산업제어시스템들은 제어용 컴퓨터 내장기기와 독자적인 통신 프로토콜이 적용되어 외부에서 분리, 독립된 구성으로 구축·운영됐다. 최근 스마트 산업제어시스템은 업무 효율화와 다양한 분야 적용을 위해 일반 업무용 시스템 망과 연계하기 위해 IT 및 인터넷 기술을 이용하게 됐다. 이에 따라 산업용제어시스템에도 범용 표준 기술이 적용되고 개방화가 빠르게 진행되는 중이다. 

폐쇄적인 제어 프로토콜을 수행하는 고립 시스템의 경우 MS 윈도우, Unix, TCP/IP와 같은 표준 기술 및 프로토콜로 전환되고 있고 IT 망과의 통합이 이루어지고 있다. 정보통신 인프라에 존재하는 사이버 보안 취약성 및 사고의 가능성이 산업제어시스템에도 그대로 재현될 가능성이 커지고 있다. 

설비제어 시스템에 대한 정보보호 필요성이 점차 증대됨에 따라 산업제어시스템의 보안솔루션 도입이 가속화되고 있다. 기존 보안솔루션을 스마트 산업제어시스템 환경에 적합하도록 변경하거나 새로운 스마트 산업제어시스템용 보안솔루션이 필요한 상황이다. 

스마트 제어기술 주도하는 해외 기업 연구개발 현황 

현재보다 미래 성장 잠재력이 더 큰 스마트 제조 및 제어 솔루션 시장에서 글로벌 기업들도 치열한 경쟁을 펼치고 있다. 

스마트 공정 제어 분야에서 가장 인지도가 높은 독일 기업, Siemens는 모터, 센서 시스템, 생산관리시스템(MES) 등 스마트제조를 위한 다양한 부품들을 공급하고 있다. 이외에도 빅데이터, 인공지능을 활용한 자율형 통합 솔루션을 제공하며 글로벌 시장을 주도하고 있다.  

Siemens는 기계 제작 시 최대 정밀도와 속도를 제공할 수 있는 소프트웨어인 ‘SIMOTION’을 출시한 바 있다. 해당 제품은 OPC UA 통신 프로토콜을 준수하고 다른 소프트웨어와 쉽게 통합될 수 있는 ‘SINAMICS Safety’ 기술이 접목되어 보안이 한층 강화된 솔루션이다. 

프랑스 국적의 다국적 기업 Schneider Electric도 스마트 공정 제어 솔루션으로 기술력이 뛰어나다. 이 기업은 계장(Instrumentation) 기술로 유명한 Foxboro(Invensys), PLC로 유명한 Modicon과 Indusoft Web Studio를 인수해 기술력을 흡수하며 사업을 확대해나고 있다.

하드웨어, 소프트웨어 및 서비스에 이르는 에너지관리 및 자동화 솔루션 전문기업인 Schneider Electric는 현재 분산 제어 시스템(DCS), 프로그램 가능 논리 제어기(PLC), 서보모터, 휴먼 머신 인터페이스(HMI), 전용 컨트롤러, 인클로저, 감시 제어&데이터 수집기(SCADA) 소프트웨어, 산업용 통신 기기 등의 자동화 제품을 제조 및 공급하고 있다. 

Schneider Electric는 이더넷과 프로피버스로 구성되어 여러 장치를 연결하는 산업용 통신기기와 배선 및 연결용 케이블 제품을 포함하는 인클로저 등을 개발하기도 했다. 

미국 기업 Emerson은 기술 및 엔지니어링 분야의 글로벌 선도 기업이다. 화학, 석유 및 가스, 정유, 펄프 및 제지, 발전, 수처리, 금속 광업, 식음료, 생명과학 등 다양한 산업분야의 생산, 가공 및 유통 관련 자동화 관련 제품을 제조하고 공급하고 있다. 

특히 모터, 센서, 제어 밸브, 감시 제어&데이터 수집기(SCADA), 스위치와 같은 자동화 제품에서 경쟁력이 뛰어나다. 

Emerson은 모니터링 응용 프로그램에 사용되는 SCADA 플랫폼인 ‘Open Enterprisev3’를 개발했다. 화학, 금속 광업, 식음료, 석유 및 가스와 같은 다양한 산업에서 압력, 유량, 온도를 자동으로 측정하는 계측 장비를 생산해 공급하고 있다. 

스위스 기업 ABB는 로봇, 에너지, 자동화 기술 분야를 주된 사업으로 하는 다국적 기업이다. 감시 제어 및 데이터 수집이 가능한 감시 제어&데이터 수집기(SCADA)를 생산해 공급하고 있다. 이 외에 변압기, 고전압 직류(HVDC) 시스템, 교류 전송 시스템(FACTS)과 같은 전기 및 자동화 제품, 시스템 등 다양한 제품들을 개발해 판매하고 있다. 

일본 기업 Mitsubishi는 전자 및 전기 장비를 제조하는 다국적 기업으로 프로그램 가능 논리 제어기(PLC), 서보모터, 휴먼 머신 인터페이스(HMI), 마그네틱 스위치, 전산 수치 컨트롤러, 산업용 로봇 등을 생산해 공급하고 있다. 

Mitsubishi는 공정 제조의 모니터링 및 감시에 사용되는 SCADA 소프트웨어인 ‘MC Works64’, ‘AX facility’, ‘MC historian’, ‘AX portal ’등을 개발했다. 특히 휴먼 머신 인터페이스(HMI)에 사용되는 엔지니어링 소프트웨어인 ‘GOT2000’시리즈를 개발하기도 했다. 

스마트제조 흐름 속 지능형 공정 제어 솔루션 시장 확대 

지능형 프로세스 자동화 시장은 제조산업의 디지털 전환 및 스마트 공장 활성화 흐름에 따라 지속적으로 성장세를 이어갈 것으로 예상된다. 글로벌 시장은 2021년 97억 5,400만달러 규모에서 2027년 192억 7,500만달러로 연평균 12% 성장률을 보일 것으로 전망된다. 

국내 지능형 프로세스 자동화 시장 규모는 2021년 8억 6,200만달러에서 연평균 14.3% 성장률을 보이며, 2027년에는 19억 2,700만달러를 기록할 것으로 예상된다. 세계 시장과 비교했을 때 국내 지능형 프로세스 자동화 시장의 연평균 성장률이 다소 높을 것으로 추정된다. 

지능형 공정 제어 솔루션의 후방산업으로는 ICT 관련 기술이 접목된 센서 산업, 보안, 인공지능, 빅데이터, 엣지 컴퓨팅, 네트워크 산업 등을 들 수 있으며, 전방산업은 모든 제조업 전반이 폭넓게 해당된다.  

우리나라는 정부 차원의 기술개발 전략을 내놓고 기업들의 연구개발을 독려하고 있다. 정부가 전략적으로 추진하는 네 가지는 △공정 운영 최적화 기술(스케줄링 엔진 및 스케줄링 기반), △자동화 설비 및 상황 대응 기술(인공지능 기반), △디지털 트윈 운용환경 구축을 위한 토대 확보(국내외 기술제휴 및 협력 기반), △기술 발전 선순환 유도(실증사업 확대&사례 공유 기반) 등이다.

인공지능 공정 제어 솔루션 분야는 국내 산업 경쟁력을 한 차원 끌어 올릴 수 있는 중요 기술임과 동시에, 스마트 제조 트랜드와 함께 미래 성장 잠재력이 큰 시장인 만큼 우리 기업들의 적극적인 연구개발 노력이 필요한 상황이다.