[논문]공장자동화 시스템의 생산성 향상을 위한 SEB 시스템 설계 및 제작

최호성; 정진영; 김진묵; 박구락

공장자동화 시스템의 생산성 향상을 위한 SEB 시스템 설계 및 제작
A study of Big-data analysis for relationship between students 원문보기

융합보안논문지 = Convergence security journal, v.16 no.5, 2016년, pp.87 - 93

최호성 (공주대학교) , 정진영 (대전보건대학교) , 김진묵 (선문대학교) , 박구락 (공주대학교)

초록
AI-Helper

국내 외에서 공장자동화에 대한 관심과 개발이 활발하게 시도되고 있다. 특히, 중소기업들은 공장자동화를 통한 생산성 향상을 위해서 노력하고 있다. 최근에는 독일의 인더스트리4.0 표준을 준수하고자 하는 노력이 전 세계적으로 시도되고 있다. 하지만 이것은 높은 개발 비용과 설비 비용 때문에 실질적인 투자나 개발은 이루어지지 않고 있다. 그러므로 우리는 공장자동화시스템의 생산성을 높이기 위해서 SEB를 설계 및 제작하고자 시도하였다. SEB는 RFID와 WiFi 네트워크를 연동해서 기존 공장자동화 시스템보다 통신 범위를 넓히고, 전송 속도도 빠르게 개선하였다. 그리고 기존에 공장자동화 시스템에서 취약점인 보안 문제를 해결할 수 있도록 사용자 인증에 대한 부분을 추가로 해결할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

An Interest and development of an automation of the manufactory technology has been attempted actively in domestic and outside country. In particular, small and medium-sized manufactory are striving for the improvement of productivity through the automation of the plant. And manufactories to comply with the German's Industry 4.0 standard has attempted worldwide recently. But, This is not performed because a substantial investment-cost and development-cost and high efforts. Therefore, we attempted to design and mockup the SEB to enhance the productivity of the factory automation system. SEB, in conjunction with RFID and WiFi networks, expanding the communication range than the automation system of the existing plant, the transfer speed was also improved rapidly. And to be able to solve the existing factory automation system of vulnerability security of the problem, it can be solved by adding a section for user authentication.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

그러므로 우리는 본 연구에서 제조실행시스템에 적용할 수 있도록 스마트 전자브라켓(SEB: SmartElectronic Bracket)에 대한 설계 및 제작에 대해서 제안한다. 제안한 SEB는 중소형 제조공장에서 RFID 테그와 센서를 사용해서 실시간으로 생산 정보들을 수집하고, 기존의 RFID 네트워크의 단점인 통신거리의 제약을 극복할 수 있도록 WiFi 네트워크와 연동한다.
우리는 본 논문에서 인더스트리 4.0 정책에 부합하는 실시간성과 생산 효율성을 높일 수 있도록 SEB를 제안하고 설계 및 제작하였다. 뿐만 아니라 제안한 시스템에 대한 신뢰성을 확보하고자 국내의 공인인증기관 3곳에서 인증시험을 실시하고 적합판정을 획득였다.
0이라는 세계 표준을 개발하였다[5, 6]. 이 표준은 안전하고 높은 생산성을 지원할 수 있는 다양한 통신 프로토콜과 통신 장치들을 어떻게 조합해서 운영해야 하는지에 대하서 제안하고 있다. 국내에서도 이에 발맞추어 2014년부터 ‘제조업 혁신 3.
0은 제조업에서 사이버물리시스템 기술을 융합해 제조업의 경쟁력을 강화하기 위해서 2012년 독일 정부의 핵심 미래 프로젝트로 제안되었다. 이는 사이버 물리 시스템, 사물 인터넷, 클라우드 컴퓨팅 서비스를 융합적으로 적용하여 지능형 공장을 구축하는 것을 목표로 하고 있다. 국내에서도 지난 2014년부터 제조업 혁신 3.
이는 제조업에 IT시스템과정보통신기술을 융합해서 지능형 공장으로 진화하자는 주장이다. 이를 통해서 기계마다 인공지능이 설치되어 모든 작업과정을 자동으로 통제하고, 사람 없이도 자가 생산 및 수리가 가능하도록 하고자 한다. 이는 생산에서 인건비용을 줄일 수 있고, 제조업의 경쟁력을 향상시킬 수 있다.

제안 방법

정보수집 범위에 대해서는 50m 이내에서 통신이 가능하도록 개발목표를 설정하였으나, RFID와 WiFi연동 네트워크 구조에 대한 시험을 공인인증기관인 GSTL에서 10m 이내 통신에 대한 인증서를 획득하였다. 그러나 개발 목표로 삼은 50m 통신에 대한 실험을 수행할 수 있는 공인인증기관을 찾는데 어려움이 있어, 자체 시험으로 대체하였다.
내부적으로 보드는 아두이노 나노 3.0보드를 기본으로 적재하였으며, FT232RL IC를 내장한 USB　MiniA 형 커넥터로 연결해서 적은 전력 소모를 지향하도록 설계하였다. 그림 2는 본 연구에서 설계한 SEB의“ㄱ”자형 제품에 대한 설계도면과 시제작품 제작 전상태의 사진이다.
두 번째로, 공인인증시험기관인 TTA에 의뢰하여 응답지연시간과 정보수집능력에 대한 시험을 실시하였다. 통신응답지연시간에 대해서는 실시간성을 보장할 수 있는 0.
세 번째로 RFID와 WiFi 통신망에 공통으로 적용하수 있는 기기 장치 인증 및 사용자 인증과정을 수행하는 통신 프로토콜을 적용한다.
스마트 전자브라켓(SEB)는 기존의 자동차 부품들을 생산하는 제조 공장에서 발생하는 정보들을 각종센서들을 사용해서 실시간으로 수집하고, 이를 RFID 통신을 통해서 가까운 스마트 전자브라켓 쌍에게 전달한 후, WiFi 네트워크를 통해서 자동차 부품 제조 공장내에서 빠르고 효과적으로 정보를 전달할 수 있도록 설계하였다.
앞서 제안하고 설계한 SEB와 SEB끼리의 통신, 또는 SEB와 MES 서버와의 통신은 RFID 또는 WiFi로 구성된 무선 통신을 사용한다. 하지만 자동차 부품 제조공장에는 기존에 설치한 공장자동화 프레임워크로 RS232 또는 USB로 연결 가능한 장치들이 많다.
본 논문에서 제안한 SEB의 송신장치와 수신장치 사이에 실시간(3 초 이내)으로 통신이 수행되는지 여부에 대한 실험과 SEB로부터 제조실행시스템 서버로 WiFi를 통해서 50m 이내에서 통신이 가능한지 여부를 공인인증시험기관이 발급한 시험 인증서를 발급받았다. 이때 WiFi 통신 도달거리 실험에 대해서는 국내의 공인인증시험기관들이 도달거리 실험에 10m 이내까지만 시험이 가능하여 자체 실험을 추가로 실시하였다.
이때 내부 목합 케이스인 플라스틱은 단단하기가 개발목표인 15 hpa보다 단단하므로 단순실험만을 실시하고, SEB의 외형을 감싸고 있는 우레탄 재질에 대해서 깨지지 않음을 실험하였다.
특히 제조한 상품에 대한 검사장치들이 그러하다. 이런 장치들과의 통신을 위해서 Y자형 통합 케이블을 설계하고 시제작품을 제작하였다. 이를 그림 4에 설계도면을 나타내고, 그림 5에 수작업으로 제작한 프로토타입, 그림 6에 시제작품을 나타내었다.
그러므로 우리는 본 연구에서 제조실행시스템에 적용할 수 있도록 스마트 전자브라켓(SEB: SmartElectronic Bracket)에 대한 설계 및 제작에 대해서 제안한다. 제안한 SEB는 중소형 제조공장에서 RFID 테그와 센서를 사용해서 실시간으로 생산 정보들을 수집하고, 기존의 RFID 네트워크의 단점인 통신거리의 제약을 극복할 수 있도록 WiFi 네트워크와 연동한다. 그리고 빠른 응답속도를 제공할 수 있도록 통신 프로토콜을 구성한다.
첫 번째로 SEB의 강도에 대해서 공인시험기관인 한국고분자시험연구소에 의뢰하여 KSM-6518 규격에 적합한지 여부를 시험하고자, 시료를 크기별, 재료의 재질별로 구분해서 3가지 제출해서 시험을 실시하여 적합 판정을 받았다.

대상 데이터

본 논문에서 제안한 SEB의 송신장치와 수신장치 사이에 실시간(3 초 이내)으로 통신이 수행되는지 여부에 대한 실험과 SEB로부터 제조실행시스템 서버로 WiFi를 통해서 50m 이내에서 통신이 가능한지 여부를 공인인증시험기관이 발급한 시험 인증서를 발급받았다. 이때 WiFi 통신 도달거리 실험에 대해서는 국내의 공인인증시험기관들이 도달거리 실험에 10m 이내까지만 시험이 가능하여 자체 실험을 추가로 실시하였다.
0 정책에 부합하는 실시간성과 생산 효율성을 높일 수 있도록 SEB를 제안하고 설계 및 제작하였다. 뿐만 아니라 제안한 시스템에 대한 신뢰성을 확보하고자 국내의 공인인증기관 3곳에서 인증시험을 실시하고 적합판정을 획득였다. 하지만 정보수집 범위와 통신 속도 부분에 있어서 개발목표로 했던 것보다 다소 부족한 결과를 얻거나 실험에 어려움이 있었다.
정보수집 범위에 대해서는 50m 이내에서 통신이 가능하도록 개발목표를 설정하였으나, RFID와 WiFi연동 네트워크 구조에 대한 시험을 공인인증기관인 GSTL에서 10m 이내 통신에 대한 인증서를 획득하였다. 그러나 개발 목표로 삼은 50m 통신에 대한 실험을 수행할 수 있는 공인인증기관을 찾는데 어려움이 있어, 자체 시험으로 대체하였다.

성능/효과

두 번째로, 기존의 구형 제조공정에 사용되던 장치들과 새로운 SEB 장치의 통신을 효과적으로 수행할 수 있는 복합형 통신 케이블에 대해서도 제작해 사이버 물리시스템의 통신 효율성을 높인다.
두 번째로, 공인인증시험기관인 TTA에 의뢰하여 응답지연시간과 정보수집능력에 대한 시험을 실시하였다. 통신응답지연시간에 대해서는 실시간성을 보장할 수 있는 0.69초를 획득하였으나, 정보수집능력에 대해서는 13.56Mhz RFID 통신 프로토콜을 사용하는 한계로 인해서 다소 부족한 결과를 얻었다. 이를 보완하고자 제안한 WiFi 통신 부분에 대해서는 자체 실험한 화면을 제시한다.

후속연구

하지만 이를 기업이나 관공서들이 개별적으로 시도 및 운영하기에는 많은 선결해야할 숙제들이 산적해 있다. 그러므로 본 연구에서는 인더스트리 4.0 정책에 부합하는 실시간성과네트워크 구조의 통합에 부합하는 SEB를 제안하고 제작하는 것으로 연구의 범위를 제한한다.
위와 같이 4가지 요구사항을 해결하고 추가로 보안요구사항 및 개발 및 장치 도입을 위한 비용 문제를 해결해야만 인더스트리 4.0에 부합하는 스마트 공장시스템이 구축될 것으로 예상된다. 하지만 이를 기업이나 관공서들이 개별적으로 시도 및 운영하기에는 많은 선결해야할 숙제들이 산적해 있다.
특히, 기존 제조업의 생산방식을 스마트, 그린 및 도심형 생산으로 변화시킬 수 있고, 생산성 향상을 통해서 원가 절감, 안전사고 감소 등을 추구할 수 있을 것으로 예상된다.
하지만 정보수집 범위와 통신 속도 부분에 있어서 개발목표로 했던 것보다 다소 부족한 결과를 얻거나 실험에 어려움이 있었다. 향후 연구를 통해서 이를 개선하고 보다 안전한 기기 인증 및 사용자 인증이 가능한 시스템을 제안 및 구현하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	제조실행시스템은 무엇인가?	제조실행시스템(MES)[8]]은 1990년대 초, 미국의 매사추세츠 주 보스턴 시에 위치한 AMR(Advanced Manufacturing Research)에 의해서 최초로 소개된 공장관리를 위한 개념이자 구현도구이다. 이는 제조업의시스템 계층구조를 ‘계획 > 실행 > 제어’의 3계층으로 구분하고, 그중에서 두 번째 단계인 실행의 기능을 정의한 것이다.
	SEB의 특징은 무엇인가?	그러므로 우리는 공장자동화시스템의 생산성을 높이기 위해서 SEB를 설계 및 제작하고자 시도하였다. SEB는 RFID와 WiFi 네트워크를 연동해서 기존 공장자동화 시스템보다 통신 범위를 넓히고, 전송 속도도 빠르게 개선하였다. 그리고 기존에 공장자동화 시스템에서 취약점인 보안 문제를 해결할 수 있도록 사용자 인증에 대한 부분을 추가로 해결할 수 있다.
	인더스트리 4.0은 무엇을 제안하고 있는가?	0이라는 세계 표준을 개발하였다[5, 6]. 이 표준은 안전하고 높은 생산성을 지원할 수 있는 다양한 통신 프로토콜과 통신 장치들을 어떻게 조합해서 운영해야 하는지에 대하서 제안하고 있다. 국내에서도 이에 발맞추어 2014년부터 ‘제조업 혁신 3.

참고문헌 (10)

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Dae-Geun Kim, Man-Gon Park, Horizontal Integration between Cyber Physical System Based on Industry 4.0 and Manufacture Execution Systems through Middleware Building, Journal of Korea Multimedia Society, Vol. 17, No. 12, pp.1484-1493, 2014. 12.

원문보기 상세보기
Young-Sik Kim, Cyber-Physical System Security Technology Trend in IoT era, The Magazine of the IEEE, Vol. 42, No. 8, pp.16-25, 2015. 8.
Jae-Hyun Lim, German, Again Industry 4.0, Journal of Korea Association of Machinery Industry, Vol. 45, No. 7, Total-vol. 457, pp.34-39, 2015. 7.
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Zhixin Yang, Pengbo Zhang, Lei Chen, RFID-enabled indoor positioning method for a real-time manufacturing execution system using OS-ELM,

상세보기
Francisco Almada-Lobo, The Industry 4.0 revolution and the future of Manufacturing Execution System(MES), Journal of Innovation Management, Vol. 3, No. 4, pp16-21, 2015.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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