산업용 데이터 인식과 통제 (IDAC) 시스템은 강력하고 헤드리스이며 분산된 시스템으로 감시와 통제를 통해 효율성을 증진시키기 위해 설계되었다. 고속 감시와 분석을 통하여 IDACs는 자산의 건강도에 관한 이해를 제공하여 실패를 예측하거나 작동하지 않는 시간을 줄여준다. 이런 시스템은 자산 통합 아키텍처 (AIA)의 모든 측면과 접속할 수 있다. 그리고 이를 통하여 빠르고 믿을 수 있는 의사결정을 위해 정보를 뽑아내는 상호연결 시스템의 방대한 네트워크를 구성할 수 있다. 스마트 그리드에서 스마트 기계까지, IDACs는 자산과 기업 수준에서 정보를 획득하고, 분석하며 소통한다. 내장된 이기종 처리를 통하여, IDACs는 어려운 실시간 결정을 100만분의 1초안에 해내고 시간, 네트워크 대역폭, 중앙 처리 동력을 절약한다. 감시뿐만 아니라 감시의 과정에서 얻은 정보를 기반으로, IDACs는 높은 수준의 빠른 통제를 수행하는데 필요한 입출력과 처리 능력을 가지고 있다. 이러한 능력들은 IDACs가 통제 순환의 속도를 늦추지 않고도 처리된 정보를 통제 시스템으로 획득, 분석 및 소통할 수 있도록 도와준다. 그 대가로 이 정보는 실시간으로 사용되어 통제 알고리즘과 유지 계획의 최적화를 통해 자산의 건강도, 효율성, 처리량을 개선할 수 있다.

IDACs는 통일된 통합 개발 환경으로 함께 묶여진 몇 가지 하드웨어와 소프트웨어의 핵심 구성요소로 정의된다. 많은 자산들이 멀고, 평탄하지 않거나 심지어 위험한 환경에 위치하기 때문에, 이 하드웨어와 소프트웨어 솔루션은 내구성 있고, 믿을 수 있으며 홀로 작동 가능할 수 있어야 한다. 이를 통해 네트워크 소통의 손실과 같은 가장 최악의 조건에도 지속적인 통제와 감시를 보장할 수 있다. IDAC의 기초 구성요소는 다음과 같다:

• 이기종 처리: 최고의 반응 시간과 처리량을 얻기 위해서, IDAC 시스템은 많은 처리 옵션들을 결합하여 다양한 업무를 수행하는데 최적화할 수 있도록 한다. 이러한 처리의 구성 요소들은 다층-코어 프로세서, 디지털 신호 프로세서, 현장-프로그램작동 게이트 어레이 (FPGAs) 그리고 검색 표를 포함한다. 이러한 요소들은 각각 다른 방법들을 이용하여 정보를 저장 및 처리하여 다양한 업무에 적절하도록 만든다. 고속 평행 프로세싱과 같은 낮은 수준의 업무는 이런 업무에 최적화된 FPGA로 옮겨질 수 있다. 소통과 소프트웨어 건설같은 높은 수준의 업무는 프로세서에서 실행될 수 있다. 각 요소는 사용자-프로그램작동이 가능해서, 하드웨어는 기성품 솔루션으로 맞춤 디자인의 유연성을 달성하기 위하여 갖가지 다양한 방식으로 결합될 수 있다. 맞춤 디자인에 대해 좀 더 간단히 말하자면, 이런 요소들의 많은 경우가 칩 위의 시스템(SOC)으로 알려진 개별된 칩으로 통합되어왔다. 그들은 많은 종류의 처리 요소들을 통합하기 때문에, IDACs는 핵심 구성요소의 변경 없이 시각, 움직임 또는 인간 기계 인터페이스 (HMI) 시스템으로 설정될 수 있다. 그러므로 이러한 IDAC 시스템은 종종 하드웨어 기능을 정의하는 소프트웨어라는 의미에서 “소프트웨어 정의”로 묘사되곤 한다.
• 소프트웨어와 운영 시스템: 사물 인터넷은 시스템 설계에 많은 양의 복잡도를 추가하여 효율성을 유지하기 위하여 모든 방식에서의 간소화를 하는 것이 가장 중요해졌다. 하드웨어를 자각하고 있는 통합 소프트웨어 패키지를 갖는 것이 이런 복잡성을 줄이기 위한 핵심이다. 이 소프트웨어는 낮은 수준의, 낮은 가치의 업무를 추상화하여, 사용자는 많은 어플리케이션에 거쳐 이용될 수 있는 재사용 가능한 코드의 기본 토대를 형성할 수 있다. 소프트웨어와 하드웨어가 함께 묶여있는 경우, 하드웨어는 최상위 코드 재사용과 함께 최신의 처리 요소로 업그레이드될 수 있다. 보안은 사물 인터넷에 의해 제기된 또다른 해결 과제이다. 세계의 거의 모든 곳에서 자산이 조작 가능해지면서, 보안에 대한 필요성은 증가하였다. 이를 해결하기 위하여 IDACs는 IT 친화적인 운영 시스템에 기반을 두고 있다. 이 시스템은 적절히 사용자를 확인 및 인증하고 시스템 완전성을 유지하며 시스템 가능성을 최대화하기 위하여 안전하게 공급 및 설정될 수 있다. 또한 IDACs는 공개 OS에 기반할 수 있어 전세계의 개발자들은 함께 내장형 보안의 최신형을 개발한다.
• 입력/출력 (I/O): 효율성을 위하여, IDACs는 가능한 가장 정확하고 효율적인 방식으로 자산으로부터 정보를 공급받고 자산에게 정보를 제공해주어야 한다. 이 방식은 보통 센서와 작동기의 네트워크를 통해 이루어진다. IDAC 시스템의 I/O는 진짜 세상의 신호를 디지털 세계에서의 처리를 위한 것으로 바꿔주는 수단을 제공한다. 그리고 이 과정은 아날로그에서 디지털로, 디지털에서 아날로그로 바꿔주는 변환기를 통해서 이루어진다. 처리가 중요하듯, 계산도 I/O 가 데이터를 생성하는 것만큼 중요하다. 이러한 이유로 IDAC의 I/O는 굉장히 정확하고 빠른 샘플 및 업데이트 속도 (>1kS/s)를 구현하여 자산 수행에 있어 매우 높은 정확도와 충실도를 가능하게 한다. 이러한 속도가 필요한 공동 어플리케이션은 샘플 속도가 매초 수백 킬로-샘플에 다다르는 회전 기계류의 조건 감시에 관한 것이다. I/O는 모듈화되어 오면서 단일 IDAC 시스템은 상당히 다양한 자산과 변화하는 센서 조건에 적응할 수 있게 되었다. I/O 모듈은 넓은 범위의 신호 조절을 특징으로 하여 자산에 의해 요구되는 어떠한 센서로든 맞출 수 있도록 한다. 다양한 방식으로, I/O는 자산과 처리 사이에서 아날로그와 디지털 모두의 방식으로 움직인다.
• 커뮤니케이션: 자산과 처리 레이어 사이의 커뮤니케이션과 더불어, 이더넷 기반의 커뮤니케이션 프로토콜은 자산 시스템을 다른 자산들이나 기업과 소통할 수 있도록 해준다. 과거에 이러한 프로토콜들은 개인 제조업자에게 소유권이 주어져 방대한 자산의 네트워크를 유지하기 어려운 환경이었다. IDACs는 많은 커뮤니케이션 프로토콜들을 지원하는 방식으로 이런 문제를 해결한다. 하지만 더 나은 간소화와 수행 증진을 위한 보편 커뮤니케이션 표준의 문제는 여전히 존재한다.

아래의 도표는 IDAC의 주요 특징을 우리의 자산 통합 아키텍처로 안내한다

                         Key elements of an IDAC mapped to the Ignite AIA
                         

많은 어플리케이션은 I/O와 처리를 필요로 한다. 다음 부분에서 우리는 IDACs가 성공적이었던 세 가지 종류의 어플리케이션에 대해 다루도록 한다:

• 조건 감시: 조건 감시는 자산들을 감시하는 것으로 실패를 예측 및 방지하여 계획에 없는 정전을 방지하고 기기 능력을 최적화하며 수리 시간을 줄일 수 있도록 한다. 이것은 IDAC 시스템에게 본직적인 어플리케이션이다. 동력 발전에서 산업 제조업까지, IDACs는 데이터를 취득하고 처리하기 위한 환경설정이 가능하여 자산의 실패를 예측 및 방지할 수 있도록 한다. 관련 사례 연구 참고: Remote condition monitoring of London Underground track circuits
• 스마트 기계: 스마트 기계는 변화하는 조건과 업무에 적응할 수 있도록 해주는 내장형 지능을 가지고 있는 고성능 기계이다. 이들은 많은 모양과 크기로 제작되며 다양한 이질적 특징을 종종 통합하기도 한다. 그 특징으로는 움직임, 시각, 커스텀 프로토콜, HMI, 통제 그리고 감시가 있다. IDACs는 처리와 I/O 측면에서 굉장히 쓰임새가 많기 때문에, 이들은 스마트 기계를 만들 수 있는 플랫폼에서 개별 플랫폼을 제공할 수 있다. 관련 사례 연구 참고: Viewpoint systems improves gear finishing using a real-time control system
• 스마트 그리드: 동력의 경로를 변경하고 동력의 질을 향상시키며 자가치료가 가능하도록 하기 위해, 변화하는 그리드 조건에 맞게 반응하는 전자 그리드를 제작하는 것은 현실이 되고 있다. 스마트 그리드와 관련 표준들을 진화하여 이러한 변화된 조건들을 충족시키고 있다. IDAC 시스템은 스마트 그리드 뒤에 있는 핵심 기술들 중 하나이다. 왜냐하면 IDAC 시스템은 능력을 처리하면서 I/O를 가지고, 변화하는 동력 기준에 적응하고 동력 계산을 수행하기 위해 필요한 구조를 개방하기 때문이다. 관련 사례 연구 참고: Increasing power service reliability and energy security with MicroGrids

IDAC 시스템의 한가지 사례는 NI의 CompactRIO 시스템이다. LabVIEW 재구성 I/O (RIO) 아키텍처에 의해 작동되며, CompactRIO는 프로세서, 사용자-프로그램가능 FPGA 그리고 모듈 I/O를 LabVIEW 통합 개발 환경과 결합한다. 시스템의 기능이 매우 다양하기 때문에, CompactRIO는 개방되고 소유권이 존재하는 프로토콜과 소통하여 기존의 시스템과 결합하거나 독립 솔루션처럼 작동할 수 있다. CompactRIO 하드웨어의 소프트웨어 디자인의 기능은 개방된 실시간 Linux 운영체제에서 실행된다. 이 운영체제는 시스템이 감시와 통제 솔루션을 함께 또는 각각으로서 주문제작 되도록 해준다.

IDAC 시스템의 다른 예는 커스텀 하드웨어와 고성능의 프로그램가능한 자동화 조절기 또는 이 두가지 시스템의 혼합에서 찾아볼 수 있다.

• 무선 센서 네트워크 기술: IDAC와 무선 센서 네트워크 (WSN) 기술은 모두 감시 활동에 쓰일 수 있지만, 수행과 채널 수치에 따라 차이를 보인다. WSN 접속점들은 상대적으로 느린 속도(<1 kS/s)의 정기 간격을 두고 몇몇 채널에서 데이터를 얻는다. 그리고 중요하지 않은 처리들을 수행하여 그 데이터를 심층 처리를 위한 중앙 프로세서에 보낸다. 이러한 시스템은 빠른 선택을 요구하지 않는 고정적인 환경을 감시하는데 아주 적합하다. 반면에, IDAC는 1 MS/S까지 되는 속도로 수백 개의 채널들을 처리할 수 있다. 그리고 더욱 심층적인 처리를 수행하고 변화를 감지하면 이를 보고한다. 결과적으로 IDAC는 더욱 역동적인 시스템을 감시하기 위해 설계되어, 빠른 선택을 위한 자산 기반 처리를 해낸다. 이러한 두가지 기술을 함께 이용하면, IDAC를 중앙 허브로 사용하여 데이터를 수집 및 처리하고 WSN 연결점들은 메인 어플리케이션 보조에 사용할 수 있다.
• 프로그램화 가능한 로직 조절기: IDAC와 프로그램화 가능한 로직 조절기들 (PLCs)은 통제를 위해 쓰일 수 있지만 다른 기능을 수행한다. PLC는 상대적으로 느린 순환 속도 (<1 kHz)에서 작동하고 간단한 통제 업무를 위해 설계되었다. 사용자는 시각, 움직임 또는 맞춤 프로토콜과 같은 더 고급화된 기능을 위해서 다른 시스템을 추가적으로 사용하여야 한다. 반면에 IDAC는 높은 순환 속도 (>100 kHz)를 가지고 있으며 더 고급화된 통제 알고리즘, 시각, 움직임 그리고 맞춤 프로토콜을 다룰 수 있다. PLC는 산업 기준을 제공하며 프로그램하기 쉽고 간단한 업무에 사용된다. 그러나 고기능 통제나 다른 업무를 통합하는 좀 더 복잡한 기능을 위해서는, IDAC가 훨씬 유용하다. 이 두가지는 종종 함께 짝지어져 서로 소통하면서, PLC는 메인 통제 순환을 담당하고 IDAC는 특수화된 업무를 맡는다.

아래의 표는 IDAC, 무선 센서 네트워크 그리고 PLC의 주요 차이점들을 정리한 것이다.

                          Comparison of IDAC, WSN Nodes and PLC
                         

IDAC 시스템을 고려할 때, 현재와 미래 수요 모두를 염두에 두어야 한다. 누구도 미래를 예측할 수 없지만, 대비하는 것이 중요하다. 블랙박스 솔루션이 아마도 오늘날의 과제를 해결할 수도 있겠지만 그것은 미래의 변화하는 표준, 센서, 어플리케이션에 대한 유연성이 없다. 이들 항상 변화하는 변수에 적응하기 위해 개방된 플랫폼에 대해 유연성이 있는 IDAC를 선택하라. 아니면, 간단한 펌웨어와 부품을 업데이트하는 대신 전체 시스템을 교체하게 될 것이다.

산업 부문에서 사물인터넷이 마주할 가장 큰 도전은 오늘날의 고성능 기계와 네트워크 수요를 충족시키고 이더넷 기술이 내일의 수요를 충족시키도록 발전시킬 수 있는 대역폭과 결정론을 가진 개방된, 세계적인, 이더넷 기반 통신 프로토콜의 결여이다. 이들 수요를 충족시킬 수 있는 한 기술이 시간감지 네트워크(TSN)이다. 전기 전자 엔지니어 기관The Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE)은 IEEE 표준 802.1을 이들 요구사항에 맞추기 위해 TSN 태스크 그룹을 형성했다. 이들 표준이 당신의 어플리케이션을 충족시키는 것을 보장하기 위해 여전히 할 일이 많다 – IEEE와 산업 인터넷 컨소시엄 같은 기관이 당신의 목소리를 듣고 관여하게 하려면.

우리는 National Instruments의 James Smith와 Brian Phillippi에게 산업 데이터 취득 플랫폼에 관한 이 챕터에 대한 기여에 감사한다.