[CCTV뉴스=박세환 전문연구위원] 4차 산업혁명의 핵심 산업으로 주목받고 있는 산업 자동화(Industrial automation)를 위한 스마트 팩토리(Smart factory) 기술이 빠르게 확산되고 있다. 스마트 팩토리를 구축하기 위해서는 생산 기획과 설계 단계에서 공중 인터넷(Public internet)과 연계된 빅 데이터 수집과 분석이 필요하다.

또한 제품의 유통과 판매 단계에서는 전국 또는 글로벌 커버리지를 갖는 셀룰러 기반의 통신 인프라(네트워크)와의 연계가 필수적이다. 아울러 생산 자동화를 위해서는 로봇을 이용한 생산라인 단위의 초정밀 모션제어, 공장단위의 다양한 센서를 이용한 생산공정 모니터링과 실시간 제어, 원격로봇을 이용한 탐지와 제어, 공장 내 장비와 제품의 트래킹 등이 필요하다.

셀룰러 기반의 자동화 시스템을 구축하기 위해서는 5G 이동통신 시스템에서 요구되는 저지연과 고신뢰성, 초연결 통신기술 기반의 산업용 사물인터넷(IIoT : Industrial IoT) 기술이 필수적이다. 이처럼 5G 시스템 수준의 고신뢰성 통신기술을 확보하기 위해서는 다음과 같은 기술개발이 필수적이다.

* 주파수효율을 향상시킬 수 있는 새로운 웨이브 폼(Wave form)과 프레임구조 설계기술
* 다이버시티/HARQ 기술/변조와 코딩기술 등을 통한 무선전송시스템의 신뢰성 향상기술
* M2M 통신기술 기반 근거리 자율 네트워킹 기술
* 네트워크 리소스 재사용을 통한 단위면적당 접속단말 수 확장기술 등

이런 기술개발 결과는 비욘드 5G(Beyond 5G) 시스템 기반의 저지연, 고신뢰, 초연결 통합 전송 및 접속기술에 대한 표준화로 이어질 수 있을 것이다. 이 글에서는 기존 생산자동화 솔루션의 문제점을 진단하고, 이를 토대로 스마트 팩토리와 5G 시스템을 접목할 수 있는 셀룰러 기반의 생산자동화 시스템 중심의 차세대 스마트 팩토리 구축 이슈, 스마트 팩토리 전방위 기술인 산업용 IoT의 국내외 기술과 시장동향에 대해 알아 보겠다. 아울러 셀룰러 기반의 통신 인프라와 연계된 스마트 팩토리 구축기술에 대한 시사점과 기대효과에 대해서도 알아보자.

기존 생산자동화 솔루션의 문제점
공장 내의 생산자동화 시스템을 효과적으로 구축하기 위해서는 단위 공정마다 다양한 센서와 센서 구동기(actuator)를 이용한 생산공정 모니터링과 실시간 제어, 로봇을 이용한 초정밀 모션제어/원격탐지, 공장 내 장비와 제품의 위치 트래킹(Position tracking) 기술 등이 필요하다.

그러나 현재 대부분의 공장에 설치된 자동화시스템은 필드 버스(Field bus)나 산업용 이더넷(Industrial ETHERNET)과 같은 유선 네트워크 솔루션을 기반으로 구축돼 있다. 이로 인해 ①설치와 유지보수 비용 증가 ②커버리지와 확장성의 한계 ③설치 유동성과 유용성의 한계 ④외부 네트워크와의 상호운용성 한계 ⑤이동성과 배선 노후 등 안정성 저하 등의 문제점이 있다. 아울러 비면허대역의 근거리 무선솔루션도 낮은 커버리지와 확장성, 전송데이터 충돌 등으로 인한 QoS 저하 등의 문제점이 나타나고 있다.

스마트 팩토리와 5G 시스템
5G 시스템은 초고속/대용량 전송뿐 아니라 저지연과 고신뢰, 초연결 통신이 가능한 기술을 목표로 하고 있다. 아울러 서비스대상을 사람과 다양한 사물(기계와 컴퓨팅기기 등)로 확대시켜 타 산업과의 연계를 통해 관련 시장을 확대해 나가는 점이 4G 시스템과의 획기적인 차이라고 볼 수 있다. 이런 5G 시스템의 수직 기술개발(Vertical technical development) 분야로 스마트 팩토리, 자동화, 스마트 에너지, 모바일 헬스, 미디어와 엔터테인먼트 등이 포지셔닝돼 있다.

특히 5G 이동통신 시스템과 스마트 팩토리 기술력을 결합해 생산제품의 기획과 설계 단계에서부터 유통이나 판매 단계까지 전 과정을 지원할 수 있는 셀룰러 기반 통신 인프라로 발전하고 있다. 공장 내의 생산자동화 시스템에 셀룰러 통신기술을 적용해 전체 공급망(Supply chain)을 대상으로 셀룰러 통신 인프라를 기반으로 하는 스마트 팩토리 구축이 가능할 것이다.

셀룰러 기반의 생산자동화 시스템
5G 이동통신 시스템에 적용 가능한 스마트 팩토리를 구축하기 위해서는 다음과 같은 핵심기술이 필요하다(표 1 참조).