2022년 8월 13일 토요일

T 기술기고문

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통합 솔루션을 활용한 빌딩 자동화 컨트롤러 구현의 이점

글: 미칼 라니넥(Michal Raninec) 시스템 애플리케이션 엔지니어 / 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)
 
빌딩 자동화 시스템(BAS)은 조명, 에너지, HVAC, 안전, 보안을 하나의 직관적 시스템으로 통합해서 빌딩 가동 효율을 극대화하고 빌딩 내 입주자들의 생산성과 편의성을 높인다. 빌딩 자동화 시장은 매우 보수적인데, 에너지 가격 상승과 에너지 절약에 대한 인식 고양, 안전 및 보안 관련 규제 강화 등 여러 요인들로 인해서 이 시장이 빠르게 성장하고 있다. 화재 경보와 관련한 UL 217처럼 빌딩을 더 안전하고 효율적이고 쾌적하게 만들기 위한 새로운 표준이나 규정들이 도입되고 있다. 이에 따라서 새로운 빌딩 자동화 제품이나 솔루션이 요구되며, 제조회사들은 새로운 기술을 촉박한 일정으로 내놓아야 하는 압박을 받고 있다. 그러므로 BAS 회사들이 이러한 요구들을 충족하기 위해서 플랫폼화가 가능하고 전력 소모를 줄이고 크기를 소형화하는 유연한 시스템 솔루션이 필요하게 되었다.
 
빌딩 자동화 컨트롤러는 오늘날 급변하는 시장에서 빠르게 혁신하기에는 민첩성이 떨어지는 대표적인 제품일 것이다. 컨트롤러는 BAS의 두뇌 역할을 한다. 빌딩 전체에 설치되어 있는 센서들로부터 데이터를 수집하고 그에 따라 조치를 취하기 때문에, 컨트롤러는 특정한 숫자의 입력과 출력 채널을 필요로 한다. 그런데 일부 컨트롤러는 고정된 채널 기능만을 제공하므로 사용되지 않는 채널들이 발생한다. 이렇게 사용되지 않는 채널은 고객에게는 비용적으로 손해이다. 각 채널을 유연하게 재구성할 수 있다면 모든 채널을 활용할 수 있다. BAS에 사용되지 않는 잉여 채널 숫자를 최대한 줄임으로써 고객이 활용하지 않는 기능 때문에 비용을 지불할 필요가 없게 해야 한다. 채널을 완벽하게 재구성 가능하도록 하면 BAS를 설계하고 구축할 때 유연성을 극대화할 수 있다.

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그림 1: AD74412R 개발 작업의 모든 단계에서 ROI 개선
 
기존에 빌딩 자동화 컨트롤러는 디스크리트 소자들로 고정 기능 채널과 구성가능 채널을 구현했다. 구성가능 채널을 디스크리트로 구현하려면 수백 개의 부품들이 BOM(bill of materials)에 포함된다. 개발이 거듭되면서 디스크리트 솔루션이 최적화되고 비용에 민감한 시장의 요구에 부응할 만큼 BOM 비용을 낮추게 되었다. 그래도 여전히 빌딩 자동화 컨트롤러와 관련해서는 많은 수의 부품을 계획하고, 설계, 제조, 운송하는 것이 복잡한 과제로 남아 있다. BAS 솔루션은 단순히 BOM 비용의 차원이 아니라 전체적인 유지관리 비용의 차원에서 살펴야 한다.

통합 솔루션 vs. 디스크리트 방식
필요에 따라서 채널을 재구성할 수 있게 하면 쓰지 않는 채널을 없앨 수 있다. 하지만 이것만으로는 컨트롤러 설계의 다른 문제점들을 해결할 수 없다. 핵심은 통합 수준을 높임으로써 채널 설계를 간소화하면서 풋프린트를 소형화하고 성능을 높이는 것이다. 통합 솔루션과 함께 소프트웨어 명령을 통해서 채널 기능을 손쉽게 구성 가능하도록 할 수 있다. 소프트웨어 구성가능 입력/출력(I/O) 기술은 설계를 손쉽게 재사용할 수 있게 하고 플랫폼화를 가능하게 하므로, 궁극적으로 BAS 솔루션의 총 소유비용(TCO)을 낮추고 빌딩 자동화 컨트롤러의 전체 수명주기 동안 가치를 창출한다(그림 1).
 
컨트롤러 개발의 첫 번째 단계는 시스템 아키텍처이다. 이 단계에서는 고객의 모든 요구사항을 파악해서 새로운 제품을 정의한다. 디스크리트 솔루션이 유연성이 떨어지는 문제는 이 조기 단계에서부터 불리하게 작용한다. 예를 들어서 입력과 출력 채널의 비율이나 갯수 같은 다양한 고객 요구사항을 충족하기 위해서 여러 번 작업을 반복해야 할 수 있는데, 그러려면 비용이 증가하고 시장의 요구에 발빠르게 부응하지 못할 수 있다. 통합적이면서 소프트웨어 구성가능한 I/O는 플랫폼화가 가능하고 다양한 애플리케이션에 따라서 검증된 설계를 재사용할 수 있다. 재사용 가능성은, 뒤에서 살펴보듯이, 설계와 제조 비용을 낮추는 중요한 역할을 한다.
 
제품 정의가 완료되면 그에 따라 설계에 착수한다. 이 단계에서 설계 재사용이 빛을 발한다. 디스크리트 구현과 달리, 통합적이면서 구성가능한 I/O는 작업을 빠르게 반복할 수 있으므로 시간을 절약하고 귀중한 자원을 다른 작업으로 돌릴 수 있다. 하드웨어와 소프트웨어 설계 모두에 자원 집중적이고 시간이 많이 걸리고 여러 개의 제품 버전을 개발해야 하던 방식에서, 단일 설계로 다양한 요구사항을 충족할 수 있는 것으로 전환함으로써 R&D 시간과 비용을 절약하면서 검증된 아키텍처의 높은 신뢰성과 견고성은 그대로 유지할 수 있다. 통합적이면서 재구성가능한 설계의 “아무 핀으로 아무 기능이나 가능한” 접근법 덕분에 다양한 애플리케이션 요구를 훨씬 더 손쉽게 충족할 수 있게 되었다(그림 2).
 
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그림 2: 소프트웨어 재구성가능 I/O 아무 핀으로 아무 기능이나 가능하다.
 
사업 개발의 관점에서 보면, 기존 디스크리트 접근법은 민첩하게 대응하기가 어려우므로 사업 기회를 잃거나 고객의 마감 기간을 맞추지 못할 수 있다. 통합적이며 재구성가능한 I/O는 유연성과 사용 편리성이 뛰어나므로 투자 회수(ROI)를 극대화할 뿐만 아니라 출시 일정과 수익 실현까지의 시기를 앞당길 수 있다.
 
설계 단계 다음은 제조 단계이다. BOM을 조달 및 관리하는 단계에서부터 벌써 통합 솔루션의 이점을 실감할 수 있다. 디스크리트로 구현된 범용 컨트롤러는 수백 개의 부품들을 포함한다. 이들 각각의 부품을 조달하고, 창고에 보관하고, 생산 설비로 운송해야 한다. 이처럼 많은 가짓수의 부품 관리는 전반적인 비용을 증가시킨다. 단일칩 솔루션과 재사용 가능한 설계를 사용해서 BOM 물류를 대폭 간소화할 수 있다. 조달 부서가 더 적은 수의 회사들과 연락하면 되고 필요한 창고 공간도 줄일 수 있다.
 
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그림 3: 디스크리트 방식과 통합 솔루션 비교
 
부품 수가 줄면 PCB 크기를 40%까지 축소할 수 있으며, 제조 시의 픽-앤-플레이스 비용을 크게 낮출 수 있다. 뿐만 아니라 소프트웨어 구성가능 I/O는 설계를 재사용할 수 있으므로 컨트롤러 회사가 동일한 유형의 PCB를 사용할 수 있다. 따라서 동일한 보드를 대량으로 구매해서 가격 할인을 받을 수 있으므로 이 점 또한 비용을 절감한다. 그림 3은 디스크리트 방식과 통합 솔루션을 비교해서 보여준다.
 
또 한 가지 중요한 점은, 제조 테스트를 할 때 다양한 버전의 디스크리트 구현을 테스트할 때보다 작업을 통일시키고 시간을 절약할 수 있다는 것이다. 설계가 복잡하면 테스트 실패의 위험성 또한 커진다. 인증 취득 작업에 있어서도 통합적이면서 재사용 가능한 솔루션은 비용과 그 밖의 다른 자원을 절약할 수 있다. 이러한 이점들은 최종 제품의 운송, 설치, 기술 지원에 이르기까지 계속된다. 통합적이면서 소프트웨어 구성가능한 I/O에 기반한 범용 재사용가능 솔루션과 달리, 여러 플랫폼으로 다수의 다양한 설계를 취급해야 할 때는 영업 팀, 기술 지원 팀, 설치 기사들을 교육하는 것 또한 훨씬 더 복잡하다.

맺음말
소프트웨어 구성가능 I/O를 사용해서 빌딩 자동화 시장으로 빠르게 혁신을 이룰 수 있다. 빌딩 자동화 시장은 전통적으로 보수적인데, 갈수록 더 빠르게 변화하는 고객 요구에 좀더 민첩하게 부응하는 것이 요구된다. 이것을 가능하게 하는 것이 통합 솔루션과 설계 재사용이다. 통합 솔루션이 가격이 더 비싸다고 생각할 수도 있다. 하지만 거시적 안목으로, 제품 라이프사이클 전반에 걸쳐서 창출되는 가치들을 따져본다면 통합 솔루션이 훨씬 더 이득이라는 것을 알 수 있다.
 
디스크리트 설계의 단점들을 극복하도록 아나로그디바이스(Analog Devices)는 완벽하게 소프트웨어 구성가능한 I/O 제품으로서 AD74412R을 출시했다. 이 디바이스는 디스크리트 신호 체인을 단일 칩으로 통합하고 4개의 구성가능 채널을 제공한다. AD74412R은 제품 정의에서부터 설계와 생산을 거쳐 설치와 가동에 이르는 컨트롤러 라이프사이클 전반에 걸쳐서 가치를 창출한다. 업계 최초로 선보인 이러한 제품을 사용하여, 고객들은 손쉽게 ROI를 높이면서 출시 일정과 수익 실현까지의 시기를 앞당길 수 있다.
 
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그림 4: 통합적이며 소프트웨어를 통해서 완벽하게 구성가능한 I/O 디바이스인 AD74412R

저자 소개
미칼 라니넥(Michal Raninec)은 아나로그디바이스 자동화 및 에너지 사업부 산업용 IoT 솔루션 그룹의 시스템 애플리케이션 엔지니어이며, 전기화학식 가스 센싱과 무선 센서 네트워크를 주로 담당하고 있다. 체코의 브르노 공과대학에서 전자공학 석사학위를 받았다. 문의: michal.raninec@analog.com