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[스마트팩토리 기초지식 #1] 국제 표준 프레임 워크: ISA-95



들어가며


최근 정보통신기술(ICT)의 발달과 함께 이를 적용하여 비즈니스 분야를 혁신하는 것이 필수적인 것으로 여겨지고 있다. 이러한 혁신을 소위  DX(Digital Transformation)라고 하는데 그 중 제조업 분야에서의 DX를 별도로 부르는 용어가 스마트팩토리라고 할 수 있다.


스마트팩토리가 무엇인가 알아보기 위해 관련 내용을 살펴보면 바로 부딪히는 장벽이 PLC, SCADA 등의 생경한 용어들인데.. 이를 이해하기 위해 각각의 개념에 대해 개별적으로 공부하기 보단 전체의 그림에서 각각의 역할을 살펴보는 것이 더 빠르게 이해할 수 있는 방법이다. 


스마트팩토리의 전체적인 구조를 위해 만들어진 국제 표준 프레임 워크가 바로 ISA-95이다. 이하에서는 ISA-95의 전체적인 구조 속에서 각각의 용어 및 개념에 대해 알아보기로 한다. 




ISA-95의 개요


상용 MES/ERP 패키지들은 각자의 데이터 정의를 사용하며 서로 다른 인터페이스를 사용하다 보니 이로 인해 시스템 통합이 용이하지 않았고 이에 기업 및 제어 시스템 통합을 위한 국제 표준에 대한 필요성이 대두되게 되었다.  이를 위해 ISA((International Society of Automation)과 ANSI(American National Standards Institute)가 SAP, ABB 등과 같은 주요 시스템 업체들과 함께 1995년부터 개발한 표준이 ISA-95 이다. 

이 표준은 기업이 시스템 전반에 걸쳐 생산 및 관련 활동을 정의하고 통합하도록 하여 비즈니스 영역에서 더 나은 의사결정을 할 수 있도록 돕는 역할을 한다. 




ISA-95 프레임워크: 5가지 레벨




레벨 0: 생산 과정

이 레벨은 자동화 시스템을 위해 수집해야 하는 데이터를 생성하는 실제 물리적 생산 환경을 의미한다. 이곳은 제조 공정의 일부로 센서와 신호가 생성될 수 있는 공장 현장, 시설, 차량 또는 기타 소스에서 가장 원시적인 데이터가 나오는 곳으로 이 데이터는 대개 매우 작은 단위로 되어 있고 볼륨이 엄청날 수 있으며 종종 매우 빠른 시간 증분(밀리초 또는 심지어 µ초까지)으로 측정된다.

이 수준에는 여러 us/ms의 실시간 데이터를 제공하는 센서 및 계측기 제품군, 스마트 스타터 및 기타 장치가 포함된다 . 


보다 구체적으로는 다음 항목의 엔지니어링, 설치, 전기 연결, 구성 및 프로그래밍에 관한 것이다.


  • 센서, 감지기, 분석기 및 지능형 기기

  • RFID 및 바코드 리더기

  • 스캐너 및 카메라(인공 비전)

  • 전력 품질 측정 시스템(PQM)

  • 스마트 스타터, 과부하 계전기, 가변 주파수 드라이브 및 모터

  • 지능형 포지셔너가 포함된 밸브 및 액추에이터

  • 산업용 및 협동로봇

  • 계량 시스템(저울), 투여 시스템 등

  • Fieldbus 및 실시간 산업용 네트워크(통신 프로토콜, EtherNet/IP, Profinet, Modbus TCP, EtherCAT, HART, DNP3, IEC 61850, OPC UA 등)




레벨 1: 감지 및 조작

레벨 1은 공장 현장에서 사용하는 센서와 기타 IoT 장치로 제조 공정에서 데이터를 수집하고 해당 데이터를 컨트롤러나 하위 시스템으로 전송하는 과정을 말한다.

제조 환경의 자산은 "감지"(센서 브로드캐스트 온도, 압력, 사이클 수 등 고려)되거나 "조작"(밸브 차단 또는 장비 끄기/켜기 등)될 수 있다. 


이 항목의 엔지니어링, 설치, 전기 연결, 구성 및 프로그래밍은 다음과 같다. 


  • 산업용 컨트롤러/프로그래밍 가능 논리 컨트롤러(PLC)

  • 분산 제어 시스템(DCS)

  • 안전 계장 시스템(SIS)


레벨 1에서는 데이터 집계가 허용된다. 예를 들어, 레벨 0 센서와 통합된 레벨 1의 기술 및 자동화를 통해 센서의 데이터를 상황에 맞게 조정하고 의미 있는 정보로 변환할 수 있다.




레벨 2: 모니터링 및 감독

이 레벨에는 I/O 하위 시스템, 로직 솔버 및 DCS 컨트롤러가 포함된다. 이 수준의 시스템과 컨트롤러는 제조환경을 모니터링하고 제어할 수 있다. 예를 들어, 가속도 센서는 진동 데이터를 PLC(programmable logic controller)로 전송할 수 있으며, PLC는 진동이 허용가능한 수준보다 높거나 낮을 때 기계를 끌 수 있다.


이 프로세스는 모든 센서 제어 시스템 조합에 적용할 수 있다. 다만 먼저 IIoT(산업용 사물 인터넷)를 사용하여 센서를 서브시스템, 로직 솔버 또는 컨트롤러와 연결해야 한다.


이 항목의 엔지니어링, 설치, 전기 연결, 구성 및 프로그래밍은 다음과 같다. 


  • 인간-기계 인터페이스(HMI)

  • 감독 제어 및 데이터 수집(SCADA)


레벨 2에서는 HMI 및 SCADA로 초당 수천 개의 데이터를 추세 곡선으로 표시하거나 과거 데이터를 분석할 수 있다. 이 때 SQL, REST API, XML, OPC UA, MQTT 등이 자동화 피라미드의 상위 시스템과의 실시간 양방향 데이터 교환을 가능하게 한다. 




레벨 3: 제조 운영 관리

레벨 3 에는 제조 실행 시스템(MES)을 사용하여 스케줄링, 작업 부하 균형 조정, 생산 최적화 등 생산 목표를 달성하는 데 도움이 되는 워크플로우가 포함된다 .


이 단계에서는 CMMS( 컴퓨터 유지 관리 시스템 ), SCADA (감독 제어 및 데이터 수집 ), APC(고급 프로세스 제어) 와 같은 소프트웨어 솔루션을 사용하여  품질, 생산, 각 시스템의 정보 및 제어 범위의 무결성, 배출, 유지보수 등 공장에서의 다양한 활동을 관리한다.


레벨 3의 작업 흐름은 장비 제어에만 국한되지 않고 공장의 자동 및 수동 활동을 통합하기 위한 조치를 취하도록 사람들에게 지시하는 것까지를 포함한다.


이 항목의 엔지니어링, 설치, 전기 연결, 구성 및 프로그래밍은 다음과 같다. 


  • 데이터베이스(예: Microsoft SQL Server, Oracle 등)

  • 생산 보고서, 환경 보고서, 이벤트 보고서

  • 핵심 성과 지표가 포함된 대시보드(예: Excelpro의 MIA 애플리케이션 )

  • 레시피 및 배치 관리자(배치)

  • 제조실행시스템(MES)

  • 자재 취급 및 보관 관리

  • 품질 관리


레벨 3은 산업 IT와 관련된 모든 것을 의미한다. 데이터 수집 및 수집, 생산 일정, 직원 관리, 자원 관리, 제품 및 배치 추적, 제품 추적 및 계보, 품질 관리, 공정 관리, 성과 분석, 문서 관리 및 유지보수 관리와 관련된 모든 것을 자동화 피라미드의 다른 모든 수준과 수직적으로 통합하는 것이 레벨 3의 목표이다.




레벨 4: 사업 계획 및 물류

레벨 4는 ERP(전사적 자원 관리), SCM(공급망 관리) 및 CMMS와 같은 시스템을 통해 비즈니스 목표와 제조 운영을 일치시키는 단계이다. 


이 단계에서 생산량과 원자재 종류 등 여러 비즈니스 및 물류에 관한 의사결정을 하게 되는데 레벨 4의 현명한 의사결정을 위해서는 레벨 3의 데이터가 필수적이라고 할 수 있다. 


즉, ERP 시스템이 생산 현장의 운영 시스템과 수직적으로 통합될 때 운영 상태를 실시간으로 명확하게 파악하여 효과적인 의사 결정을 내릴 수 있게 된다.




결론: ISA 95의 의미


스마트팩토리란 생산과정에 정보통신기술(ICT)를 적용하여 공장 내 설비와 기계에 설치된 사물인터넷(IoT)으로 공정 데이터(process data)를 실시간으로 수집하고, 이를 분석해 스스로 제어할 수 있게 하여 보다 효율적인 제조가 가능한 공장을 말하는 것이고 ISA-95는 이러한 개념을 하나의 프레임워크로 만들어 시스템 통합을 하기 위한 하나의 기준이다.


ISA-95의 프레임워크는 제조 운영 환경의 여러 측면에 걸쳐 일관된 용어를 만들기 위한 것이나 이는 또한 디지털 세계와 물리적 세계 사이의 역동적인 관계를 시각화한 것이기도 하다. 


즉 맨 앞의 그림에서 나타나듯이  ISA-95의 각 레벨은 피라미드형 구조를 이루고 있다. 이는 단순히 하부구조와 상부구조를 표현한 것이 아니라 피라미드의 맨 아래에서 실제로 수집, 필터링, 컴파일,  처리 및 분석되는 방대한 데이터가  통합된 시스템 안에서 각 레벨의 과정을 거치면서 정제되고 의미있는 데이터로 변환되어 활용되는 과정을 나타내고 있는 것이다. 


이번 글에서는 스마트팩토리의 전체적인 프레임워크 안에서 각각의 구성요소가 어떤 단계에서 어떤 역할을 하는가를 개략적으로 살펴보았다. PLC, SCADA 등 각 구성요소에 대해서는 다음 글에서  조금 더 깊게 설명하기로 하면서 이 글을 마치기로 한다. 



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