RFID 기술은 일상생활에서도 익숙한 기술이다. 하지만 일반 상업용도로 쓰이는 기술과 산업용도로 쓰이는 기술이 다르다는 것을 인지하는 이는 드물다. 산업용도로 설계되지 않은, RFID 기술을 산업용 응용사례에 도입했다간 낭패를 보고 만다. 산업용 RFID를 성공적으로 도입하고 수명을 높일 수 있는 방법에 대해 알아본다.
자료｜BALLUFF(www.balluff.com)

상품의 소매현장은 산업용 제품의 생산현장과는 전혀 다른 환경이다. 신차 대리점과 자동차 제조공장을 떠올리면 이해가 빠르다. 하지만 아직까지는소매점 및 공급망 관리를 위해 만들어진 RFID 제품이 제조업체의 생산 공정에도 쓰이고 있다. 생산 공정에 쓰이는 제품들은 일반 다목적 제품 혹은 창고에서 쓰이는 제품과는 다른 형태의 하우징 혹은 IP 등급을 가지고 있다. 반면 일반적인 제품들은 산업용 등급을 충족하지 못한다.

제조환경에서는 고유한 견고성과 성능 그리고 연결 등의 요구사항을 필요로 하며, 특정 목적을 위해 만들어진 산업용 장비만이 요구사항을 안정적으로 달성할 수 있다. 예를 들어 다목적(범용) RFID 제품 중 일부는 PLC와 연결하기 위한 물리적 이더넷 포트를 필요로 한다. 하지만 이더넷 포트를 지원하는 장비를 구비했다 하더라도 이더넷/IP나 프로피버스 혹은 PLC를 구동하는 산업용 프로토콜 및 산업자동화 장비까지 뒷받침하지는 못한다. 물론 몇몇 장치는 프로토콜 변환을 추가로 지원하는 시스템을 제공한다. 하지만 전체 시스템의 성능 저하와 구축시간 및 비용 증가라는 단점을 야기한다.
 

이더넷/IP를 비롯한 산업용 프로토콜 지원 여부는 진정한 산업용 RFID 솔루션을 구분하는 많은 기준 중 하나일 뿐이다. RFID 장비를 평가할 때에는 ‘어떤 환경에서 사용할 수 있는지’와 ‘어떤 환경에 최적화되어있는지’의 차이점을 구별하는 것이 중요하다. 이 백서는 산업용 RFID 장비의 기능과 차별화된 성능에 대한 개요를 제공함으로써 현장에 있는 설계자들이 산업용 RFID 장비의 차이를 구분할 수 있도록 돕기 위해 만들어졌다.

RFID 시스템이 까다로운 생산 환경에서 안정적으로 작동할 수 있는지 확인하기 위해서는 세 가지를 확인하면 된다.

 

1. RFID 시스템이 산업용 제어시스템과 원활하게 통합하는가?

2. 생산시스템 및 정보시스템이 요구하는 안정성과 속도를 충족하는가?

3. 한 생산라인 안에서 작동하는 동안 가동시간 및 성능을 일정하게 유지할 수 있는가?

 

RFID는 ‘솔루션’ 형태로 시장에 소개되고는 한다. 하지만 제조공정에서 RFID는 대부분 자료를 제공하고 이를 가시화하는 등, 주로 보조 기술로 쓰인다. MES부터 시작해 ERP·전자 칸반(e-Kanban)·로봇·자산 추적(Asset Tracking)·자재관리·품질관리·기타 생산시설 구동에 필요한 작업에 이르기까지 다양한 작업에서 RFID를 볼 수 있다.
 

산업용 RFID 시스템의 가장 기초적인 요구사항은 바로 기업의 생산관리 시스템(즉, PLC와 센서 네트워크 그리고 HMI 등)과 완벽하게 통합할 수 있어야 하며, 동시에 산업 프로토콜을 통해 이들을 작동할 수 있어야 한다는 점이다. 시스템에 정확한 데이터를 제공하지 못하면 안정성과 속도 중 어느 하나도 달성하지 못하게 되며, RFID 시스템은 결국 도태되고 만다.

통합이라는 측면을 충족하지 못하면 연결망 지향적인 RFID 제품과 산업 사용자가 요구하는 사항 사이에 근본적인 단절이 일어나며, 이로 인해 제어 시스템 지원에 대한 필요성이 생겨난다. RFID 판독기는 대부분 ASCII식 데이터를 처리할 수 있도록 프로그램되어 있다. 반면 PLC를 비롯한 산업자동화 장비들은 여전히 이더넷/IP·프로피버스·프로피넷·CC링크·DeviceNet·EtherCat 등의 산업용 프로토콜을 통해 작동한다. 
 

산업용 프로토콜은 2진법으로 구성되어있는 반면, ASCII 문자는 더 많은 바이트로 구성되어있다. 따라서 산업용 프로토콜이 ASCII 기반 시스템보다 빠르게 자료를 전송할 수 있다. ASCII 바이트를 처리하는 데에 필요한 시간이 증가하면 처리량 문제와 직접적으로 이어진다.

데이터 스트림을 ASCII로 변환하고 ASCII 문자에 대해 더 많은 처리를 거치는 과정에서 전체 공정에 몇 가지 단계가 추가된다. 공정시간이 늘어나고, 나아가 생산성에 한계가 생기는 것이 당연하다. 

프로토콜 변환으로 인한 지연은 생산자동화 환경 내에서는 받아들일 수 없는 것으로 간주된다. 예를 들어 재공품(생산 공정 중에 있는 미완성 제품을 말함)의 경우 개별 제품 식별과 기록 그리고 다음 공정으로 이송하는 과정이 필요하며, 이 모든 과정을 3초 이내에 마쳐야 한다. 여기서 지연이 발생하면 전체 공정에 차질이 발생한다.
 

물론 산업자동화와 관련한 각종 프로토콜을 기본적으로 지원하는 RFID 판독기가 시중에 출시되어있다. 하지만 보편화되어 있지는 않다. 심지어 일부 제품은 어떠한 산업용 프로토콜도 지원하지 않는다. 기본사항이 아닌 부가사항(옵션)으로도 말이다. 이는 업체 및 제품이 산업 시장에 초점을 맞추고 있는지 확인할 수 있는 중요한 지표다.
 

RFID가 필수적인 산업용 프로토콜을 지원토록 하는 대안으로 프로토콜 변환이 있다. 프로토콜 변환 작업은 일반적으로 RFID 데이터 문자열을 특정한 프로토콜로 변환하는 소프트웨어 코드를 개발해 RFID 판독기와 산업자동화 장비 등에 설치함으로써 이루어진다. 하지만 소프트웨어를 개발하는 데에 걸리는 시간은 전체 시스템을 계획 및 하드웨어에 대해 평가할 때 고려되지 않는 숨겨진 비용으로 작용한다. 코드를 개발·실험·적용하는 과정은 시스템 구축에 필요한 시간을 증가시키는 요인으로 작용한다. 시간과 비용 측면이야말로 산업용 RFID 판독기와 범용 RFID  판독기 사이의 비용을 직접적으로 비교하기 어려운 이유다.
 

산업용 프로토콜을 기본적으로 지원하지 않는 RFID 판독기는 프로토콜 변환 소프트웨어를 사용하더라도 재빠른 작업을 기대하기 어렵다. ASCII 자료를 2진법 프로토콜로 변환하기 위한 추가적인 단계가 필요하기 때문이다. 단, 작업수행속도의 감소를 제품설명서 및 사양 표에 반영할 수는 없다. 얼마나 빨리 태그를 식별하는지를 표기할 수는 있어도 얼마나 빠르게 자료를 처리하고 상위 시스템으로 전송할 수 있는지를 수치화할 수는 없는 것. 
 

앞서 언급한 바와 같이, 성능에 저하가 발생하면 그 내용이 무엇이든간에 자동화 생산 시스템에 큰 위협으로 다가온다. 기본적인 프로토콜을 지원하지 않는 RFID 판독기는 작업에 대한 위험과 시스템 비용을 높이며, 동시에 성능에 제한을 초래한다. 추가적인 혜택이나 이점이 없음은 두말할 것 없다.

생산 속도를 신뢰할 수 있는가?

산업용으로 쓰이는 RFID 기술과 공급망 관리 용도에 쓰이는 RFID 기술은 차이점을 가지고 있다. 그 물리적인 환경이 다른 것. 도매·소매업 및 공급망 관련 환경에서 RFID 기술을 통한 관리를 실현하는 1차 자료는 서로 유사한 수백 개 내지 수천 개의 태그(Tag)다. 하지만 태그는 잠재적인 간섭원이기도 하다.
 

태그의 밀도(Tag Density)는 산업용 RFID 사용자에게도 중요한 고려사항 중 하나다. 하지만 산업용 환경에서는 훨씬 강력한 1차 자료가 있다. 전자기계식 기기·센서·무선제어·여타 자동화장비 등 RFID의 기능 수행을 방해할 수 있는 요소들이 산재해있는 것. 예를 들어 금속은 극초단파(Ultrahigh Frequency, UHF) RFID 기술에 간섭하는 주요 원인이다. 따라서 현재 많은 생산시설이 RFID가 활약하기 어려운 환경에 처해있다고 말할 수 있다. 공장 안에는 수많은 금속 제품·장비·공구 등이 있기 때문이다.
 

따라서 산업환경에서 사용하는 RFID 시스템은 잠재적인 간섭원의 방해를 방지하기 위한 장치를 내장하고 있어야 한다. 

산업자동화 시스템에 쓰이는 RFID 시스템은 높은 정확도와 신뢰성이 필수다. RFID가 계산대 혹은 소매점에서 오독(誤讀)하게 되면 몇몇 사람을 불편하게 하는 수준에서 끝나지만, 공장에서 같은 실수를 일으킨다면 생산라인에 지연이 발생하게 되어 생산성에 손해를 입히며, 나아가 큰 금액 손실로 이어진다.
 

RFID는 태그와 판독기가 사용하는 환경에 적합하게 매치되었을 때 신뢰도가 가장 높아진다. 소매 및 공급망 분야에서는 EPCglobal Gen 2 표준 및 ISO 18000-6 표준을 충족하는 초단파 기술을 사용하는 반면, 산업 분야에서는 초단파 기술 외에도 고주파(13.56㎒)·저주파(125㎑)·마이크로파(2.45㎓) 및 다양한 주파수에서 사용할 수 있는 실시간 위치추적 시스템(RTLS) 등을 요구한다. 고주파(HF) 태그는 제품생산 작업에 특히 효과적인데, 금속 간섭에 저항을 가지고 있으며 제품의 시리얼 넘버 이외의 생산 관련 자료를 수집할 수 있는 기억 용량을 갖고 있기 때문이다.

하지만 고주파 태그는 판독 범위가 약 2ft(약 61㎝) 가량으로 제한적이다. 따라서 생산공정 내에서 사전에 지정한 지점으로 제품을 전달하는 운반용기를 추적하는 작업에 적합하다. 극초단파는 생산현장에 판독기 혹은 작업자가 없을 경우 선호하는 방식이다. 극초단파 기술은 약 3ft~18ft(약 91.4㎝~548.6㎝)에 이르는 보다 넓은 범위 내에서 사용할 수 있으나 메모리에 제한을 가지고 있다(일반적으로 512비트 사용자 메모리를 쓸 수 있다).
 

작업 등에 적합한 주파수 및 태그를 채택하면 RFID를 통해 보다 많은 작업을 자동화하고 공정에서 많은 이점을 얻을 수 있다. 일부 제조업체는 제품을 생산하는 컨베이어에 고주파 태그를 사용한다. 태그는 일련번호의 조합으로 암호화되어있으며, 제조과정을 거침에 따라 생산일자·오류 교정 결과·구성정보 등 다양한 생산정보가 업데이트된다. 한 단계에서 생산을 완료해 다음 단계로 넘어갈 준비가 끝나면, 고주파 태그를 통해 전송되는 부품의 ID 및 여타 자료를 자동적으로 수집해 RTI(Returnable Transport Item, 회수가능 운송용 아이템) 혹은 물류 관련 작업에 쓰이는 극초단파 태그를 수동으로 자료입력하거나, 혹은 작업자의 개입 없이 암호화 및 사용할 수 있다. 극초단파 태그는 내부 자재를 관리·취급·보관·출하하는 등의 작업에도 쓰인다.
 

간섭을 최소화하고 신뢰성을 극대화하는 최선의 방법은 각 개체의 식별 및 판독 환경에 최적화된 RFID 태그를 활용하는 것이다. 현재 다양한 소비자용 상품에 쓰이는 저비용·다목적의 태그 및 라벨은 재공품 추적을 비롯한 산업용 응용사례에는 부적합하다. 
 

경우에 따라 여러 종류의 태그가 필요할 수도 있다. 금속과 직접 접촉하거나 그 근처에 다다랐을 때 판독할 수 있도록 설계된 특수 태그가 좋은 예다. 태그 설계는 다양한 환경적 문제를 극복할 수 있는 열쇠다. 하지만 서로 다른 공정 영역에서 필요로 하는 요구사항을 모두 충족하려면 각기 다른 주파수의 RFID 또한 필요하다.
 

RFID 기술은 산업 공정에도 필요한 기술로 거듭났다. 따라서 고주파·저주파·마이크로파·극초단파 등 다양한 사양을 지원할 수 있는 공급업체를 선택하는 것 역시 중요한 고려사항이 되었다. 이 중 극초단파 사양을 제공하는 공급업체는 해당 기술만을 지원하는 경우가 많다. 일반적인 RFID 프로그램은 EPCglobal Gen2 및 ISO 18000-6 UHF 표준을 기반으로 하고 있기 때문이다. 물론 이 표준을 제조 관련 응용사례에 도입할 수도 있다. 하지만 산업 환경은 비교적 균일하지 않으며, 이를 극복하기 위해 극초단파 시스템을 여타 다른 RFID 기술 및 센서와 함께 병용하고는 한다. 
 

몇몇 산업용 RFID 판독기는 다른 주파수(고주파수 및 저주파수 등)의 신호를 동시에 입력할 수 있는 기능을 지원하고 있다. 또한 센서·PLC·여타 산업용 자동화 구성요소 등의 I/O 모듈과 통합할 수도 있다.

 

제조업계는 지난 수 년 동안 PLC를 포합한 산업자동화 장비에 익숙해져있다. 또한 RFID 장비에도 여타 장비에 거는 것만큼의 기대를 가지고 있다. 신뢰성 있는 성능과 긴 제품수명을 달성하는 것이 중요한 이유다. 하지만 이를 달성하기 위해서는 특별한 목적으로 만들어진 장치가 필요하다. 
 

RFID 제품의 견고함을 여실히 드러내는 몇 가지 척도가 있다. 객관적인 평가·인증 여부·기자재 종류·근본적인 제품 설계 등이 대표적이다.
 

‘견고함’을 특징으로 하는 제품이나 선택사항으로 보호 케이스를 제공하는 제품이 반드시 산업환경에 적합한 것은 아니다. 물론 IP·IEC·EN 등급 및 여타 인증사항 등이 제품의 견고함과 적합성을 드러내는 주요 척도로 작용한다.

하지만 이는 기본 사항에 불과하다. 장비가 안정적으로 잘 작동할 것을 보장하는 보증수표는 아닌 것. 유통센터 혹은 물류센터에서 사용하도록 설계된 RFID 제품은 생산 공정에서 사용하는 것과 달리 충격·진동·습도·온도·방사선·기타 간섭 등에 대해 취약하다. 조립·도장·연삭·용접·화학처리·세정·살균·소독·냉동·열처리·진동 실험·유해물질 등 다양한 변수들이 존재하는 생산 공정 내에서 유통센터 혹은 물류센터용으로 제작한 제품을 사용할 수는 없음을 의미한다. 일례로 극초단파 RFID 판독기는 물류창고 및 공급망 관련 작업을 위해 개발되었으며 IP54 등급을 자랑한다. 하지만 제조환경에는 IP65 및 EN60068 등급의 RFID 시스템 사용이 바람직하다.
 

IP등급이 성능을 보장하는 절대적인 척도는 아니다. 하지만 실제 생산환경에서는 IP65등급의 RFID 시스템이 IP54등급의 모델보다 더 많은 이점을 가지고 있다. IP65 및 EN 60608 등급의 각 장치는 보다 많은 충격과 진동에도 견딜 수 있으므로 장비를 효과적으로 보호할 수 있다. 또한 잠재적으로 오류의 원인이 될 수 있는 액체·먼지·기타 이물질의 침입을 방지하고자 장치를 밀봉한다.
 

각 제품 간의 작고 미세한 차이가 신뢰성과 성능에 큰 영향을 미친다. 케이블 연결방식이 좋은 예다. 케이블 연결은 거의 모든 종류의 전자기기가 작동 오류를 일으키는 원인이다. RJ45를 비롯한 여타 스냅인 혹은 클립인 방식의 커넥터들이 특히 취약하다. 케이블이 발에 걸리거나 여타 외부 요소의 방해가 있는 경우 커넥터가 부러지거나 플러그가 뽑히기 십상이다. 이처럼 잠재적으로 실패를 야기하는 원인으로부터 산업용 제품들을 보호하는 것이 바람직하다. 나사산으로 조일 수 있는 커넥터(M12 등)을 사용해 진동이나 우발적인 접촉으로 인해 장치가 분리되거나 부서지지 않도록 하는 것.
 

핵심적인 산업용 제품 설계는 모든 구성요소를 내부에 설치하도록 요구하고 있으며, 따라서 외부 위험요소로부터의 노출을 최소화할 수 있다. 하지만 RFID 안테나는 장치 성능을 최대화하기 위해 외부에 있는 경우가 많아 위험에 취약하다. 이 경우 내구성이 뛰어난 소재로 안테나를 설계하고 보안 연결을 활용하며 다양한 조립 선택사항을 채택함으로써 손상에 대한 위험을 줄일 수 있다. RFID 안테나에는 또한 IP65 등급 인증을 받은, 충격과 진동을 견딜 수 있는 제품을 사용할 수 있다.
 

RFID 제품이 특정한 환경에 적합한지 여부를 판단할 때에는 과장광고와 호도를 감안해 제품을 살펴야 한다. 제품의 설계 및 구성을 참고해 제품이 작업에 어떤 영향을 미치는지를 고려해야 한다. 또한 실험실이나 연구실 혹은 공식적인 실험 지점에서보다 실제로 제품을 사용할 장소에서 제품을 실험하는 것이 바람직하다. 실제 작업환경에서 일어나는 간섭 등의 조건을 다른 곳에서 정확하게 재현하기란 불가능하기 때문이다.
 

또한 극초단파 시스템을 적용하기 전에는 전문적인 RFID와 관련된 현장조사가 필요하다. 현장조사를 수행하는 과정에서 RFID 전문가 및 기술자들이 잠재적인 간섭원에 대해 알아보고 장비를 설치하기에 적합한 위치를 찾는다. 신호 세기를 측정하기도 하고 여타 정보를 수집하기도 한다. 이러한 작업들을 통해 극초단파 RFID 시스템을 특정한 시설 및 작업에 최적화할 수 있다.
 

현장조사관의 현장을 살펴보는 기술 및 RFID 시스템 제공업체의 전반적인 기술과 경험 그리고 제품 선택의 폭 등을 통해 시스템 성능과 안정성을 크게 높일 수 있다.

 

제품의 과대포장과 규정되지 않은 애매한 사양 그리고 영리하고 교묘한 영업계획 등 여러 요소들로 인해, 산업용 제품에 적합한 RFID 제품이 등장하기까지는 시간이 더 필요할 것으로 보인다. 
 

생산시설의 운영에서 나아가 회사 전반적인 경영적 측면까지 모든 부분을 만족시키기 위해 RFID 장비는 산업자동화 시스템과 완벽히 통합하고, 다양한 조건에서 안정적으로 작동하며, 갑작스러운 다운타임 없이 몇 년 이상의 오랜 시간동안 작동할 수 있어야 한다. 

공급망에 쓰이는 제품과 산업용 RFID 장비를 차별화하는 주요 특성은 다음과 같다.

 

1. 다양한 산업용 프로토콜을 지원할 수 있어야 한다.

2. 태그를 안정적으로 읽을 수 있어야 하며, 생산 시스템을 느리게 만들지 않을 정도의 지속적인 속도로 작동해야 한다.

3. 보안 커넥터를 탑재한 견고한 하우징이 필요하다.

4. IP65 등급과 충격·진동·온도 저항에 대한 적절한 인증이 필요하다.

5. 필요에 따라 여러 RFID 기술과 이를 지원하는 장치에 대응할 수 있어야 한다. 센서와 PLC 그리고 여타 산업자동화 장비 등이 이에 해당한다.

 

이러한 기준들 중 하나라도 충족하지 못하거나 적절한 지점에서 타협을 보게 되면 불필요한 도구 및 지원 기능을 도입하게 되고, 장비 교체비용이 추가적으로 발생하며, 시스템 오류의 위험이 높아진다. 
 

반면 적절한 장비를 사용하면 이러한 위험을 크게 줄일 수 있다. 산업용 RFID 시스템은 이미 다양한 환경에서 신뢰성과 가치를 입증해왔기 때문이다.