07.24 디지털 트윈 부트캠프(OT) 16일차

IoT

4차 산업 혁명의 주요 기술

빅데이터, 인공지능, 사물인터넷, 클라우드 컴퓨팅, 가상현실, 로봇, 보안 등

• GPU(Computer Power)
• AR/VR(UI/UX)
• AI(Self Decision & Configuration)
• Cloud&Big Data(Low-Cost Mass Storage)
• CPS(Data Hub)
• Network(Connection & Communication)
• Memory(Fast Storage)

스마트폰 등장 -> IoT 기기 증가 -> 모바일 앱과 SNS 등장

클라우드 컴퓨팅 기술 발전, 분산데이터 처리 기술 발전, 빅데이터 처리 기술, 인공지능 발전

 

IoT(Internet of Things - 사물인터넷)

인터넷을 기반으로 모든 사물을 연결하여 사람과 사물, 사물과 사물 간에 정보를 교류 및 상호 소통하는 지능형 기술 및 서비스

• 사물 식별 - 사물만의 고유한 아이디(IP)
• 감각 부여 및 정보 교환 - 사물 변화 감지 및 정보 교환
• 사물 조정 - 사물 정보 바탕의 행동 지시

IoT 구성요소

• 센서 - Actuator, 저전력 에너지 소요, 최적화된 통신 기능, IoT Gateway, Open-source, H/W(Device)
• 연결성 - 원거리/근거리 유무선 네트워크, Network Security, IoT 특화 Network, Any Device, Any Where
• 데이터 처리 - 대용량 저장 장치, Data Analytic, Cloud Computing, 정보시각화
• 사용자 인터페이스 - App & Web Application, Legacy 시스템 연계, 다양한 도메인의 Service

 

IoT 발전 단계

1.0 - 디바이스 연결 단계(시스템), 단순한센서 연결 및 모니터링

2.0 - 인프라 구축 단계(플랫폼), IoT 미들웨어, 스트리밍, 빅데이터 플랫폼

3.0 - 산업별 혁신 솔루션 개발 단계(비즈니스 최적화), 클라우드, 인사이트 시스템

 

Sensor & Device

반응하는 물리적 특성의 탐지 또는 측정을 위한 신호를 제공하는 장치

대부분의 물리적 기계, 장치, 설비, 플랜트 등에 다양한 형태로 내장되어 정보를 수집 및 제공

ex) 온습도 센서, 진동/소음 센서, 심전도, 심박 센서 등

 

IoT에 사용되는 Network

IoT 기술 및 서비스에 적합한 다양한 근거리, 원거리 네트워크 통신 기술이 필요

• 근거리 통신 기술: Sensor Node-Device Gateway
• 원거리 통신 기술: Device Gateway-IoT Platform-IoT Service
• IoT 특화망(전용망): NB-IoT, LTE-MTC, LoRa, Sigfox -> 저전력, 저비용, 낮은 성능, 넓은 침투

Wireless Sensor Network - RF Wireless Technology

장애물 내성 강함, 저속 -> 1GHz -> 2GHz -> 5GHz -> 직진성 강함, 상대적으로 고속

NB-IoT, LTE-M, LPWA: RF 단순화, 커버리지 유지, 속도 하향, 가격/요금 하락

 

Platform과 Big Data

IoT Frontend와 Backend의 중심에 위치한 Platform

수집 저장된 데이터를 분석할 수 있게 해주는 빅데이터 기술

IoT 플랫폼을 중심으로 빅데이터 분석을 통한 서비스 선순환 구조가 중요

Things -> Platform -> BigData -> Sevice -> Things

 

IoT Platform 예시

애플(홈킷) - 전등, 스위치, 선풍기 등 제어 또는 정보 확인

삼성(smartThings) - 여러가지 기기들을 한 테마에 맞춰 조절 가능

Microsoft(Azure IoT Suite): 공장의 IoT 기기들을 연결해 운영 생산성과 수익성 향상 가능

 

IoT 진화방향

센싱, 정보처리, 원격제어 -> 학습, 자율제어, 인공지능 => 지능의 고도화

전자기기의 연결 -> 비전자기기의 연결 => 인터넷 연결의 확대

 

IIoT(Industrial Internet of Things)

산업용 사물인터넷: 산업용 애플리케이션에서의 사물 인터넷 기술의 사용

산업용 기계에 더 많은 자동화와 자체 모니터링을 도입함으로써 효율성 상승

 

엣지컴퓨팅

사용자 또는 데이터 소스의 물리적 위치에서 더 가까운 곳으로 컴퓨팅 리소스를 이동하는 전략

컴퓨팅 서비스를 사용자가 사용하는 단말 장치와 가까운 위치에서 처리해 더욱 빠르고 안정적인 서비스 제공

디지털 트윈

현실에 존재하는 시스템의 가상 복제본으로서, 성능을 모니터링하고 문제를 진단하는데 자주 사용

IIoT와 디지털 트윈 전략을 통해 장치의 모니터링, 성능 최적화, 다운타임 감소을 줄일 수 있음

 

IIoT 활용사례

• 코카콜라: 언제나 계획대로 생산
  20만개의 스마트 센서 -> 생산현장 모니터링 시스템 구축 -> 생산성↑, 비용↓
  생산 설비의 예지정비를 통해 유지보수 비용 감소
• AIRBUS: 안정성·효율성 동시 향상
  PTC 쌍웍스를 제조 공정에 도입 -> 효율성↑ -> 생산속도↑
• 두바이: 도심 교통 문제 해결
  지멘스 통합 모빌리티 플랫폼을 활용 -> 애플리케이션 통합 -> 대중교통 이용의 편의성 개선

 

스마트팩토리의 이해

감각을 공장에 새겨주는 일

공장 내 설비와 기계에 IoT 센서가 설치되어 데이터가 실시간으로 수집, 분석되어 스스로 제어할 수 있는 공장

제조업의 패러다임을 바꾸기 위해 등장

 

스마트팩토리의 핵심 기술

공장 컨트롤룸: 설비관리, 물류관리, 에너지관리, 생산관리, 품질관리

 

스마트팩토리 구축사례

• 포스코(PosFrame): 4차 산업혁명을 이끄는 등대공장 선정
  • AI제어 시스템을 통한 생산량, 품질 개선
  • 세계 최초 연속 제조 공정 플랫폼 개발
  • 워크벤치 기능을 통해 자동화 모델 개발
• 아우디: 최고의 기술이 활용된 자동차 공장
  • 작업자의 신체적 부담을 줄여주는 외골격 장비
  • 시스템 결함을 알려주는 유지관리 어플
  • 디지털 선반 라벨링 및 가상현실 트레이닝

 

구축 효과

생상성, 품질, 에너지 절감, 무인화 등 생산 효과

비즈니스 플랫폼을 통한 기회 및 일자리 창출

중소기업의 스마트화와 고부가치화를 도움

 

스마트 팩토리 고려사항

안전성, 보안성, 관리성

 

프로토콜

컴퓨터나 통신 장비 사이에서 메시지를 주고 받는 양식과 규칙 체계

통신 규약 및 약속

산업용 프로토콜: 의존성 높음 / IoT 프로토콜: 의존성 낮음

산업용 프로토콜 종류

필드버스(Fieldbus), 산업용 Ethernet

필드버스: 실시간 분산제어를 위해 사용되는 네트워크 프로토콜 집합(별도의 I/O 장치를 통한 연결)

 

인터페이스

서로 다른 사물이나 시스템 간에 커뮤니케이션이 가능하도록 설계한 상호 작용 방식

하드웨어 인터페이스: 서로 다른 물리적인 기기들을 연결하여 상호작용할 수 있도록 하는 장치나 방법

소프트웨어 인터페이스: 소프트웨어, 즉 컴퓨터의 하드웨어의 동작을 지시, 제어하는 프로그램들이 상호 작용하는 방식

 

통신환경의 변화

넓은 호환성, 강력한 보안

통신 환경은 Any Device, Any Where에 맞게 변화하고 있으며, 다양화된 공격에 대응하기 위해 보안을 강화해 가고 있다.

 

통신

어떤 정보를 다른 상대방에게 전달하는 것

병렬통신: 여러 개이 병렬 채널 위로 데이터를 동시에 전송

직렬 통신: 순차적으로 데이터를 한 번에 하나의 비트만을 전송

 

시리얼 통신(직렬 통신)

시리얼 통신에서 데이터가 계속 전송되면 각 비트를 구분할 방법이 필요

디지털 회로 입장에서 수신된 데이터의 비트가 시간적으로 어디서부터 시작이고 끝인지 알 필요가 있음

• USART 통신 ( 동기 방식 )
  동기신호(클럭 신호)를 통한 동기의 유무로 데이터를 구분하여 송수신하는 방식
  송수신 효율, 전송속도↑
  동기판의 추가, 비용 증가 및 구조적 어려움
  ex) SPI, I2C
• UART 통산(비동기 방식)
  데이터에 스타트 비트와 스톱 비트를 붙여 데이터 신호를 송수신하는 방식
  회로 수성 간편, 비교적 느린 통신, 통신 비용 절감
  ex) PC Serial port (RS232, 422, 485)

 

비동기식 시리얼 프로토콜 동작 방식

비동기식 시리얼 프로토콜은 몇 가지 규칙에 기반해서 동작

프로토콜 세부 내용들은 유연하게 변경될 수 있도록 짜여 있다. 따라서 두 기기가 시리얼 통신을 하기 위해서는 반드시 같은 설정을 사용해야 한다.

 

Parity Bits

데이터 송수신의 오류를 검사하기 위해 추가된 비트

데이터에서 1의 짝/홀수를 판별해 검사

짝수(0)/홀수(1) 패리티 존재

ex) 10101010

실제 전송하고자 하는 Data의 1의 개수: 4개

Data + 짝수 패리티 = 1의 개수 : 4개(1의 개수가 짝수)

Data + 홀수 패리티 = 1의 개수 : 5개(1의 개수가 홀수)

 

Baud Rate / BPS(Bit Per Second)

시리얼 통신에서 통신선의 1초간 신호 변경 횟수를 가리키는 용어

통신 속도가 19200BPS면, 1초간 19200개의 비트 데이터 전송 가능

비동기식 데이터 패킷 구조

• 동기화 비트
  Start비트는 1비트, Stop 비트는 1~2비트로 설정
• 데이터 영역
  실제 전송할 데이터, 5~9비트의 크기, 8비트가 기본
• Parity 비트
  데이터 송신 시 발생하는 에러를 검출하기 위해 사용하는 비트
  데이터 영역에 해당하는 비트를 모두 더해서 홀수인지 짝수인지 정하기 위한 비트

 

전송 선로에 따른 통신방식

단방향 통신: 한쪽 방향으로만 전송할 수 있는 통신 방식

반이중 통신: 두 디바이스 사이에 한쪽이 송신하는 동안 다른 한 쪽은 송신할 수 없는 방식

전이중 통신: 두 디바이스 사이의 데이터 통신을 위해서 각각 독립된 회선을 사용하는 방식

 

RS232

컴퓨터와 주변 기기를 연결하는 대부분 비동기식 직렬방식의 통신 표준 중 하나

송신 장치와 수신 장치를 연결할 때에는 각각의 송신 신호(TxD)와 수신 신호(RxD)를 교차해 결선

교차 결선을 통해 양방향 데이터 전송을 하기 위함

 

RS422

4선식 전이중 통신 방식을 사용하며 입출력 신호 자체가 차동 신호 타입으로 노이즈에 강함

 

RS485

RS422의 제한된 디바이스 개수를 확장, 입력과 출력 부분을 강화한 통신 방식

 

PLC(Programmable Logic Controller)

프로그램이 가능한 논리 제어 장치

산업 현장에 자동 제어 및 감시를 위한 제어 장치

스위치 센서, 온도, 위치, 로직, 카운팅, 연산 정보 등을 입력 받아 프로그램에 의해 순차적으로 논리를 처리하고 출력값을 기반으로 공기 실린거, 유압 실린거, 진동판과 같은 외부 장치를 제어

 

릴레이 제어: 비교적 간단한 설비 구동 시 저렴한 가격으로 제어할 수 있어 좋지만 추가 디바이스 확장 시에는 판넬의 부피가 커지고 전기선을 다시 연결하는 등의 번거로운 작업 발생

PLC 제어: PLC 카드를 추가로 사용해 간단하게 확장

PLC 타입

일체형(블록형)

CPU & 메모리, 전원부, 입력부, 출력부의 기능이 하나로 이루어짐

다른 기능을 추가하기 힘들며, 확장성이 요구되는 설비에는 지양

고도 기능보단 간단한 설비의 자도오하나 단독적인 제어 설비의 자동화에 쓰임

모듈형

중~대형 PLC, 모듈을 더하고 뺄 수 있어 확장성이 뛰어남, 원하는 기능을 추가, 제거 가능, 디테일 작업, 고속 통신 가능

 

C#

C++을 계승한 객체지향언어

C++과 VB의 장점을 모두 흡수한 언어

.NET이라는 가상머신에 의존해 타 언어에 비해 쉽고 프로그래밍이 가능

이식성 높은 응용프로그램을 개발하는데 유리

 

C# vs Java

처리속도: <

활용성: 게임개발가능(그래픽 파워 커버) / 웹 활용성

편의성: 개발에 용이 / UI 지원 x

 

.NET

Microsoft에서 개발한 프레임워크로 여러 플랫폼에서 사용할 수 있도록 하는 개발 플랫폼

다양한 언어를 지원하며 높은 수준의 지원을 제공

.NET Framework와 .NET Core를 사용해 윈도우 및 크로스 플랫폼 개발 가능

다양한 라이브러리와 API 제공

메모리 안전성 및 형식 안정성 보장, WPF, WinForms 등의 UI 기술 제공

 

.NET Framework vs .NET Core

전용 운영체제에 따라 달라 개발 분야에 따라 필요한 프레임워크 사용

.NET Framework는 더 이상 출시되지 않고 .NET Core, Xamarin이 통합된 .NET만 출시

.NET Framework: 윈도우 전용 -> windows 응용 프로그램 개발에 용이

.NET Core: 크로스 플랫폼 -> Linux 등 크로스 플랫폼 개발에 용이

 

C#의 사용처

응용 및 확장 프로그램 개발에 주로 쓰이며 게임 개발과 같은 부분에도 활용

정부의 스마트 팩토리 보급 계획에서 C#은 주요 언어로 지목되어 확장

공장 자동화 설비 구축, 키오스크 및 응용 프로그램, Unity 게임 개발

 

C# 프로그래밍 언어

마이크로소프트에서 만든 객체 지향 프로그래밍 언어

닷넷을 위한 언어 중 하나

절차적 언어와 객체 지향적 언어의 특징, 함수형 프로그래밍 스타일을 제공하는 다중 패러다임 프로그래밍 컴파일 기반 언어

전역 변수나 함수가 없고 모두 클래스 안에서 생성

일반적인 프로그래밍 영역을 모두 다룸

 

닷넷

소프트웨어 프레임워크, 응용 프로그램의 개발 속도를 높이는 데 도움이 되는 PAI 및 서비스 모음

크로스 플랫폼 개발환경, 런타임 엔진, 모든 영역의 개발 환경 제공

 

C# 구조

명령문 체계는 네임스페이스, 클래스, Main() 메서드로 구성

using System; 사용 시, 네임스페이스를 생략하고 클래스.메서드() 형태로 사용 가능

Main() 메서드는 프로그램의 진입ㅈ덤으로 반드시 존재해야 한다.중괄호로 프로그램 범위를 구분한다.