산업기술/제조/경영

Nikkei Monozukuri_2019.11 특집 요약 (p43-61)

5G로 공장을 변화시킨다
고속∙대용량∙저지연 통신, 다수 기기 동시 접속

차세대무선통신규격 ‘5G’. 장점은 고속∙대용량에 저지연 통신과 다수의 기기와의 동시 접속이다. 제조업계에서도 5G를 통한 공장 개혁에 대한 기대가 높아지고 있다. ‘공장 내의 무선화를 추진해 생산라인을 유연하게 단기간에 변경할 수 있게 된다’ ‘NC장치나 공작기계 등을 무선으로 제어할 수 있다’. 주위를 한정해 5G의 운용을 인정하는 ‘로컬5G’의 제도화도 눈앞으로 다가왔다. 공장의 5G화도 점점 현실적이 되고 있다. 실제로 벤더나 유저는 5G를 어떻게 활용할 생각이며, 어떠한 과제에 직면해 있는가. 그 실태를 취재했다.

● 활용 사례

• SCENE 1: 치밀한 데이터로 작업 지원, 원격지에서 실시간으로
5G에 의한 고속∙대용량 데이터 통신을 활용하면 생산 현장의 작업 지원이 진화된다. 고화질 동영상이나 AR/VR 영상 등을 송수신할 수 있기 때문에 원거리에 있는 숙련 기능자가 생산 현장을 마치 그 자리에 있는 것처럼 파악해 실시간으로 지원할 수 있게 되고 시간과 거리의 제약도 없어진다.

• SCENE 2: 네트워크에 접속한 설비의 추가∙변경이 쉬워진다
5G에서는 유선과 거의 동등한 99.999%라는 안정적인 통신 네트워크를 구축할 수 있다. IoT(사물인터넷)의 실현에 반드시 필요한 ‘설비의 네트워크화’ 실현에 케이블 배선 공사가 불필요하기 때문에 저비용, 단시간에 자유도가 높은 생산 라인을 구축할 수 있게 된다.

• SCENE 3: 디지털트윈은 항상 최신 상태로 유지, 피드백 타임래그도 불필요
데이터의 송신에서 수신까지 필요한 시간이 최단 1m초 정도로 거의 지연이 없는 5G 통신이라면 컴퓨터 상에 구축한 디지털트윈을 항상 최신 상태로 유지할 수 있다. 생산 라인에 오류가 발생했을 때도 그 자리에서 사태를 파악해 대응할 수 있다. 디지털트윈 상에서 시뮬레이션한 결과를 타임래그 없이 현실의 로봇에 피드백하는 것도 가능해진다.

• SCENE 4: 공장 내를 다수의 AGV가 돌아다닌다. 각각을 개별 제어해 통합관리
100만대/㎢라는 다수동시접속을 실현할 수 있는 5G는 공장 안을 돌아다니는 다수의 자동운반차(AGV)를 안정적으로 제어할 수 있다. Wi-Fi와 달리 혼잡해도 통신이 끊어지지 않기 때문에 AGV가 멈춰서 공정이 지연되는 사태도 방지할 수 있다.

Part 1. 동향
보급을 전망한 실증 시험에 속속 참여, 스마트공장을 가속하는 인프라로

19년 4월에 개최된 유럽 최대의 산업전시회 ‘하노버 메세 2019’. 올해는 5G 관련 특설 전시 공간을 신설, 많은 관람자의 이목을 집중시켰다.

국내에서 열리는 많은 제조업용 전시회에서도 5G는 키워드가 되고 있다. 국내 제조업체들의 5G 활용을 위한 움직임도 활발해지기 시작했다. 예를 들면 오므론은 자사 공장에서 5G 활용의 실증 시험에 도전한다. 오므론 산하의 Industrial Automation Business Company의 후쿠이(福井) 본부장은 “5G로 팩토리 오토메이션(FA)은 더욱 진화∙확장될 것이다”라며 5G에 큰 기대와 의욕을 보이고 있다.

-- 속도 10배, 지연은 1/10 --
5G는 간단히 말하면 유선통신 수준의 성능을 실현할 수 있는 무선통신규격이다. 게다가 공장 등 산업 용도를 강하게 의식한 기술 사양으로, IoT에 의한 생산 라인의 상세한 데이터 수집이나 생산설비의 실시간 제어 등을 실현할 수 있을 것으로 기대를 받고 있다.

기존에는 공장 내의 네트워크는 유선이 중심이었다. 확실히 유선은 안정적인 고속통신이 가능하지만 다수의 생산설비를 연결하기 위한 배선 공사에는 비용이 든다. 또한 설비 추가나 변경 등이 있으면 배선 공사를 다시 해야 하기 때문에 유연한 레이아웃 변경에 대응하기 어렵다.

그러나 무선통신이라면 레이아웃 변경의 유연성은 확보할 수 있다. 단, 현행 이동통신규격인 LTE/4G는 통신속도에 제한이 있어 사진이나 영상과 같은 대용량 데이터를 다루기 어렵다. Wi-Fi는 복수의 접속 디바이스가 선착순으로 대역을 쟁탈하기 때문에 일정 시간 내에서의 동작을 보증하지 못하므로 생산설비 제어 등에는 적합하지 않다.

그래서 주목을 받은 것이 성능을 높인 5G다. 구체적으로는 (1)최대 20Gbps(비트/초)의 ‘고속∙대용량’, (2)사방 1km당 100만대의 디바이스와 동시 통신이 가능한 ‘다수동시접속’, (3)송신하고 나서 수신까지 걸리는 시간차(지연)가 1m초라는 고신뢰∙저지연의 성능을 실현할 수 있다고 한다. LTE/4G와 비교해 압도적인 통신속도와 10배의 다수동시접속, 4G의 1/10의 저지연이라는 성능을 자랑한다

일본에서는 5G의 공중 서비스 제공이 2020년 봄에 시작될 예정이다. 통신사업자가 아니라도 한정된 지역에서 5G 네트워크를 구축할 수 있는 ‘로컬5G’의 활용도 산업 용도를 지원할 것으로 기대를 모으고 있다. 눈 앞으로 다가온 5G 실용화 시대를 위해 제조업뿐 아니라 통신사업자, 설비업체, 연구기관 등이 참여한 5G 실증 실험이 잇따르고 있다.

-- 덴소-규슈 공장에서 실험 --
국내에서 조기에 공장 내에서의 실증 시험을 실시한 곳은 국제전기통신기초기술연구소(ATR)와 KDDI, 덴소, 규슈공업대학 등이다. 이 실증 시험에서는 로봇에 의한 Pick and Place 작업을 모방했다. 목적은 2개다. 첫 번째는 산업용 로봇 제어의 무선화 가능성의 검증이다. 두 번째는 로봇 배치를 바꿀 수 있는 유연한 레이아웃 변경이 가능한지 여부의 검증이다.

실증 시험에서는 벌크 피킹의 자동화를 상정. 로봇을 포함한 작업 공간 전체를 3D 스캐너로 계측, 그 정보를 바탕으로 로봇이 워크를 파지(把持)해 벨트컨베이어 위에 둔다. 스캐닝 정보를 바탕으로 로봇의 동작 프로그램을 동적으로 수정하는 규슈공업대학의 동작계획(모션 플래닝) 기술을 적용하고 있어 로봇의 위치를 변경해도 다시 학습할 필요가 없다.

이 시스템에서 3D 스캔한 사진데이터(3D 점군 데이터)나 워크의 위치 정보를 모니터링용 제어장치에 전송하는 회선과, 제어정보(위치정보)를 로봇 측에 전송하는 회선에 밀리파대라고 부르는 28GHz대의 5G를 이용했다. 특히 중요한 것이 이미지 데이터를 다루는 회선이다. “회선에 100Mbps의 통신 속도가 필요해 LTE로는 대응이 어렵다”(ATR 적응커뮤니케이션연구소의 요시다(吉田) 부장). 현재 널리 이용되고 있는 LTE의 최대 통신속도는 150Mbps지만 실효 속도는 100Mbps 이하가 되기 때문이다.

요시다 부장에 따르면 덴소에서는 일찍부터 Wi-Fi에 의한 복수 디바이스의 접속을 검증하고 있었다. 그러나 현재 기술로는 안정된 접속이 어렵고, 고속∙대용량으로 복수 기기를 접속할 수 있는 5G에 기대를 걸고 있다고 한다.

-- 예상 이상으로 통신속도를 확보할 수 있었다 --
19년 1월 하순에 규슈공업대학의 도바타캠퍼스에서 동작 검증을 한 후에 2월 중순부터 일주일간 근처 덴소-규슈의 공장에서 실증 시험을 했다. 덴소-규슈에서도 시험한 이유는 공작기계 등의 설비가 다수 있는 실제 환경에서 제대로 통신이 가능한지를 평가하기 위해서다.

고속∙대용량이라는 특성을 중심으로 검증한 이번 실증 시험은 결론부터 말하면 희망 성능 확보를 확인할 수 있었다. 통신속도에 대해서는 “예상한 것보다 공장에서의 속도 저하는 없었다”(요시다 부장). 밀리파대는 고속통신에 적합한 한편, 감쇠율이 크고 지향성도 높기 때문에 충분히 도달하지 못할 가능성이 있었다. 그러나 공장 내에서는 통신속도 100Mbps 이상을 확보할 수 있어 아무런 문제가 없었다고 한다. 공장의 가동일/비가동일을 비교해도 큰 차이는 없고, 다른 설비로부터의 간섭도 다른 설비에 대한 간섭도 확인되지 않았다고 한다.

시험에서는 무선단말의 위치를 바꾸면서 통신속도도 조사했다. 그 결과, 차폐물이 없다면 안테나로부터의 거리가 50m 이상 있어도 150Mbps를 확보할 수 있었다. 설비에 의한 차폐가 있어도 50Mbps 정도의 성능을 얻을 수 있었다. “(차폐물이 있어서) 생각만큼 통신속도가 떨어지지 않았다. 공장 내 벽 등에 의한 반사파가 도달하기 때문은 아닐까 생각한다”(요시다 부장).

-- 배경에 노동력 부족이나 다품종 소량생산 --
실은 국내에서는 최근까지 공장에서의 5G 활용은 그다지 논의되지 않았다. 그러나 하노버 메세에서 유럽이 보여준 의욕적인 자세에 자극을 받은 것인지, 일본 업체의 공장에서의 실증 시험이 증가하고 있다.

오므론은 NTT도코모, 노키아그룹과 공동으로 공장에서 5G 활용의 실증 시험을 19년 내에 시작한다. 구체적으로는 공장 내에서의 5G의 전파 측정과 전송 실험, 생산성 향상 등에 착수한다. 실험을 통해 5G의 특성을 제조현장에서 어떻게 활용하는가를 평가함과 동시에 과제를 찾아내 대응책을 검토하는 것이 목적이다.

오므론은 실증 시험에서 목표하고 있는 공장에서의 유스케이스로서 다음의 2개를 제시한다. 하나는 다품종소량∙변종변량생산이나 Mass Customization에 대응하는 ‘레이아웃 프리 생산라인’이다. 생산설비를 무선으로 네트워크화해서 정보를 교환하고 동시에 오므론의 자동운반로봇을 조합해 수요 변동에 따라서 설비나 공정을 유연하게 다시 구성할 수 있다.

다른 하나는 ‘실시간 코칭’이라는 시스템에서의 이용이다. 설비 데이터와 함께 작업자의 작업 동선 등을 촬영한 영상 데이터를 수집해 인공지능(AI)으로 해석한다. 숙련자와의 차이를 작업자에게 거의 실시간으로 피드백해 생산성 향상과 조기의 작업 진척을 목표한다.

화낙과 히타치제작소도 NTT도코모와 공동으로 공장에서의 5G 실증 시험을 실시한다. 화낙의 본사 공장(야마나시현)과 히타치의 오미카사업소(이바라키현)에서 전파 측정과 전송 실험을 할 계획이다. 또한 화낙에서는 NC 장치나 로봇, 공작기계 등을 5G로 접속한 후에 무선에 의한 제어 가능성을 찾는다. 히타치의 오미타사업소 내에서는 제어 네트워크에 대한 5G 적용성을 검토한다. 또한 고화질 영상의 공유를 통한 원격 유지 작업 지원을 시험한다고 한다.

-- DMG모리정기는 주력인 이가사업소에서 실증 --
DMG모리정기도 자사 공장에서 5G에 의한 생산설비의 모니터링 실증 시험을 계획하고 있다. 우선은 유럽의 공장에서 19년에 선행 시험을 실시, 20년 일사분기에 주력인 이가사업소에서 5G를 사용한 가동 감시의 실증 시험을 실시한다.

DMG모리정기는 일찍부터 기존의 이동전화 회선망을 사용한 원격 감시 서비스를 제공해 왔다. 지금까지는 수집하는 정보가 가동 로그 등으로 한정적이었기 때문에 3G나 LTE/4G 회선으로 충분했다. 그러나 센싱 항목이 늘어나면서 이미지나 영상을 다룰 필요가 생겼다. 그래서 기대를 걸고 있는 것이 5G다. 이미지∙영상데이터를 대량으로 수집할 수 있으면 AI를 사용해 서비스의 질적 향상이나 새로운 서비스를 제공할 수 있을 것으로 보고 있다.

-- 모든 작업자의 움직임을 이미지로 분석 --

Part 2. 공장 5G화 Q&A
‘대단한 점은 무엇인가?’에 대해 기초부터 해설

Q1: 5G 도입으로 공장은 어떻게 변하는가?
A: 공장 내의 통신 네트워크의 무선화가 단번에 진행된다. 이를 통해 네트워크에 접속하고 있는 설비의 배치를 유연하게 변경할 수 있다. 데이터를 상시 송수신하는 센서나 무인운반차(AGV) 수를 대폭 늘리거나 대용량 데이터를 사용한 작업 지원을 실시간으로 실시하는 것도 가능해진다.

-- 원격 작업 지원도 원활하게 --

Q2: 5G의 대단한 점은 무엇인가?
A: ‘고속∙대용량(eMMB)’ ‘다수동시접속(mMTC)’ ‘고신뢰∙저지연(URLLC)’의 3개 목표를 제시, 각각에서 4G의 10배 이상의 성능을 실현하려 하고 있다. 이 중에 다수동시접속과 고신뢰∙저지연의 성능 향상이 산업계에서 주목을 받고 있다.

Q3: 5G의 고성능은 어떻게 실현하는가?
A: 고속∙대용량 통신의 실현은 사용하는 전파의 주파수 대역 폭의 확대와 Massive MIMO라는 초다수 안테나 소자 기술이 핵심이 된다. 다수동시접속과 고신뢰∙저지연은 아직 사양을 책정 중이다. 국내에서도 기술 제안이 나오고 있다.

-- 어레이 안테나로 대용량을 멀리까지 송신 --

Q4: 공장 내의 기계와 재료는 5G 통신의 장해가 되지 않는가?
A: 처음에는 문제를 지적 받았지만 기술적으로 해결할 수 있는 전망이 섰다.

Q5: 공장 내에서만의 5G 통신 네트워크를 만들 수 있는가?
A: 만들 수 있다. ‘로컬5G’ 제도를 적용하면 공장 부지 내 등 범위를 한정해 5G 네트워크를 구축할 수도 있다.

-- 면허 취득만으로 끝나지 않는 절차 --

Q6: 5G는 언제 도입하는 것이 가장 좋은가?
A: 5G 산업 이용의 핵심인 다수동시접속과 고신뢰∙저지연의 실용화는 빨라도 21년 이후다. 지금 서둘러 도입할 필요는 없다. 그러나 일찍 경험을 쌓아 대비해야 한다.

Part 3. 현장의 목소리
‘중소기업에도 5G는 도움이 된다’, 앙케트 응답으로 보는 기대와 불안

1. [저지연] [원격 작업] [AGV] [기능 전승]
원격 작업에 의한 기능 전승 등에 기대

2. [규격] [상호성]
통일 규격이 아니면 도입하기 어렵다

3. [도입 비용] [배선]
배선 공정 수의 삭감에 기대, 노후화 설비에 필요한 비용 우려

4. [대용량 전송] [규격]
중소기업은 Wi-Fi6 등도 선택지에

5. [대용량 전송] [저지연] [센싱]
센서의 적절한 배치가 과제

6. [저지연] [분산 제어]
중소기업의 시스템 구축 촉진에 한몫

  -- 끝 --