▲ 차석근 부사장/CTO (주)에이시에스
한계에 부딪힌 양적 투입 위주의 제조업 성장 방식에서 벗어나 제조업에 IT 서비스를 융합한 스마트 공장을 도입함으로써 생산기술 및 체계가 변화하고 있다.
스마트 공장에 도입 가능한 CPS·에너지 절감·스마트 센서·3D 프린팅·IoT·클라우드·빅데이터·홀로그램의 8대 스마트 제조 기술들을 살펴보자.
들어가면서
제조업은 국민 총생산 대비 부가가치 비중이 31.1%까지 확대되면서 국가 경제에 차치하는 비중이 세계에서 가장 높다.
그러나 원가상승 및 대외환경 변화로 기존의 대기업 및 수출산업 중심의 제조업 성장 방식은 한계에 다다르며 경영성과가 하락되고 있는 실정이다.
그래서 양적투입 위주의 제조업 성장 방식의 한계를 극복하고 부가가치 증대를 위한 제조업과 IT 서비스를 융합한 스마트 공장 도입을 통하여 시장의 수요에 능동적으로 대응하고 부가가치를 높이기 위한 다품종 유연생산을 위한 생산기술과 생산체계로 변화가 필수적이다.
스마트 공장에 요구되는 기술
최근 부각되고 있는 인더스트리 4.0은 제조업 강국인 독일이 ICT와 제조업의 융합을 통해 생산 경쟁력을 높이고 제조강국으로서의 입지를 더욱 강화하고자 국가 차원에서 수립한 제조업 발전 전략이다.
인더스트리 4.0은 상대적으로 발전되어 있는 ICT의 활용 폭을 넓히고 적용 대상을 다양하게 하려는 것으로서 그 결과를 ‘스마트 공장’이라 명명하여 사용하기 시작하였다.
인더스트리 4.0은 독일 제조업이 직면한 사회, 기술, 경제, 생태, 정치 부문에 ICT를 접목해 총력적으로 대응하겠다는 전략으로 사물인터넷, 기업용 소프트웨어, 위치정보, 보안, 클라우드, 빅데이터, 가상현실 등 ICT 관련한 기술들을 적극 활용하는 스마트 공장을 목표로 하고 있다.
스마트 공장은 그림 2에 제시한 것과 같이 이러한 ICT 기술과 생산기술(OT, Operational Technology)의 융합을 통하여 제조업의 품질 향상, 비용 절감, 공급기간 단축이란 핵심 성과 지표에 대한 주요 관리 항목의 지속성장을 위한 연속 개선 추진으로 시시각각 변화하는 생산현장의 생산자원을 실시간으로 통합하지 않으면 스마트 공장은 사상누각이 된다.
스마트 공장이란 그림 2와 같이 제조공장의 인적·물적 자원을 최적화하여 제품개발, 생산계획, 물류운영(조달 및 배송) 공정, 품질, 설비 및 자재(보관)등 제조운영 과정을 PLM(Product Lifecycle Manage-ment), ERP(Enterprise Resource Planning), SCM(Supply Chain Management), FEMS(Factory Energy Management System) 제조정보시스템으로 통합하여, 생산성, 품질, 비용, 공급, 안전 및 에너지정보 등을 실시간 집계하고 유연성 확보, 이상 대응, 지능화와 에너지 및 기준 관리의 핵심 기능이 적용되는 공장이라 할 수 있다.
이와 관련하여 CPS·에너지 절감·스마트센서·3D 프린팅·IoT·클라우드·빅데이터·홀로그램의 8대 스마트 제조기술들이 표 1과 같이 제조업에 적용 가능한 수준으로 발전하고 있다.
이에 대한 기술을 소개하면 다음과 같다.
가상 세계와 현실을 이어주는 플랫폼인 Cyber-Physical Systems(CPS)
• CPS는 사이버 세계에서 제공하는 서비스 및 응용 애플리케이션을 중심으로 실제 세계에서 일어나는 생산과 관련된 센싱 및 데이터 수집을 연결해 주는 위치에 존재하며, 소프트웨어, 센서, 정보처리장치 등에 기반한 스마트 생산을 지원
• CPS 생산 시스템은 입·출고 물류부터 생산, 마케팅, 응용 서비스까지 ICT 기반의 End2End 통합 기능을 제공하는 스마트 기기, 창고 시스템, 생산 설비 등으로 구성됨
• 생산에 필요한 다양한 데이터가 CPS를 통해 교환되고 제조공정과 생산 시스템에 최적화된 플랫폼을 구성함으로써 스마트 공장의 전체 생산과정을 제어 관리하고 상품의 최적화 및 개인화를 가능하게 함
• 수직적 생산공정과 제한된 정보교환 등의 한계를 지닌 인더스트리 3.0과 달리 CPS는 유연한 생산 환경을 설정 가능하게 하고 차별화된 관리와 제어 프로세스를 구현할 수 있도록 함
3D 프린팅의 활용으로 생산 경제성 증대
• 3D 프린팅의 활용으로 수시로 변하는 부품 형상에 맞추어 반제품을 실어 나르는 Jigs&Fixtures를 3D 프린팅 기술로 생산함으로써 경제적이고 신속하게 대응
• 현재에도 많은 양의 데이터가 제조 부문에서 발생하고 있으며, 유연성 향상을 위해 즉각적이고 정확한 정보를 수집하고 제공함으로써 데이터에 기반한 의사 결정이 가능
• 센서, 액츄에이터의 연결, 소재와 제품의 메모리 사용으로 유통 데이터가 기하급수적으로 늘어나면서 빅데이터 처리 기술과 분석 기술의 중요성 증대
• 센서와 액츄에이터 기술의 발전을 통해 스마트 공장의 기초가 되는 데이터를 수집하고 활용하는 근간을 마련할 수 있음
제조공정의 가상화 및 제조설비와 시스템 간의 연동을 통해 최적화 생산 및 제어, 에너지 절감 기술
• 공정 기기의 센서로부터 수집된 정보를 가상화시켜 다양한 센서 기반의 응용 서비스 또는 사전에 많은 가능성들을 타진해 볼 수 있게 하는 기술로서, 실제 물리적 충돌 또는 움직임의 중첩, 재연이 어려운 상황을 소프트웨어로 연출하여 발생 가능한 문제점을 예측하여 혁신적인 비용 절감을 실현할 수 있게 해 줌
• PLC(Programmable Logic Controller)와 같은 제어기를 통해 프로그래밍, 확장성, 이더넷 등과 같은 기능을 제공하고 각종 설비 제어는 물론 센서들로부터 다양한 정보를 받아들여 전체 공정을 제어할 수 있도록 함.
PLC 기술의 발전을 통해 물리적 기기들을 신속하고 확장성 있게 통합 제어하여 스마트 공장을 구축하는 데 큰 역할 수행
제조공정 기기 사이의 자율 협업과 공장 - 설비 - 제품 - 소비자의 네트워크 연결 및 통합 관리가 가능한 기술
• 무선 네트워킹의 발전으로 기계 간의 통신 및 데이터를 언제 어디서나 센서를 통해 수집할 수 있고 산업 네트워크의 표준을 제시하고 통합할 수 있는 통신 기술의 발전 필요
• 작업장의 안전을 사전에 관리하고, 안전사고 발생시 지자체 안전관리망과 연계해 즉시 조치할 수 있도록 하는 기술
여기에서 가장 중요한 것은 생산현장의 생산자원(4M1E, Man, Machine, Material, Method, Energy)과 제조 기술(OT, Operational Technology)의 융합화를 통하여 정보화, 자동화, 지식화, 지능화를 구현함으로써 생산성 향상, 에너지 절감, 안전한 생산환경을 달성하여 다품종 복합 생산이 가능한 유연한 생산체계를 구축하도록 하며, 다양한 제품군과 짧은 제품 수명주기, 다변화된 시장 요구 등 급변하는 생산환경에 대비하기 위한 효율적 환경을 통하여 제조 경쟁력 및 시장 리더십을 확보하는 것이다.
이에 민관합동 스마트 공장 추진단에서는 모든 제조업에서 이를 같은 관점에서 시작할 수 있도록 스마트 공장의 정의와 수준평가에 대하여 그림 3과 같이 발표하였다.
기능 구분에서는 현장 자동화, 공장운영, 기업자원 관리, 제품 관리 및 공급사슬 관리 등과 같이 5개 분야로 구분하였고, 정보화 수준인 기초수준과 ICT 미적용, 자동화 수준인 중간수준 1, 중간수준 2와 지능화 수준인 고도화 등으로 수준평가를 하고 있다.
스마트 공장 추진 현황은 2016년 12월 말 누적 기준으로 중소·중견기업 2,800개사, 2020년까지 10,000개 기업 보급을 계획하고 있으며, 대표 스마트 공장으로 선정된 자동차부품 제조기업 ‘동양피스톤’에 스마트 제조 설비 시스템 고도화를 지원하여 구축을 완료하고, 견학 프로그램을 운영하고 있으며, 2017년엔 자동차 및 전자 제조업 적용을 계획하고 있다.
그간 1,861개사 구축 성과를 조사한 바에 따르면 생산성 향상 23%, 불량률 감소 –46%, 원가절감 –16%, 납기 단축 –35%, 매출 증가 5.3%, 고용규모 6% 확대로 조사되었다.
본 기업의 대부분은 ICT 미적용 수준에서 기초수준 혹은 중간수준 1까지 정보화 및 자동화를 구현한 경우가 되어 생산성 향상에 미치는 영향이 눈에 띄게 된 경우라 평가할 수 있다.
맺으면서
(산업별 중점관리수준 및 변화관리가 필수) 많은 기업들이 생산정보화 및 스마트 공장을 구축 후에도 지속적으로 활용하지 못하는 것은 산업별 요구되는 기능 요구에 성과 목표와 구축 후 변화된 모습에 대한 대처가 미비하여 사장되는 경우가 많기 때문이다.
(시시각각 변화하는 생산자원정보 : 4M1E 실시간 통합화) 최신 생산설비는 국제표준기반 통신 방식으로 4M1E 정보의 실시간 통합화가 가능하나 구형 생산설비와 사물인터넷 기술을 적용한 인터페이스 방안과 가성비에 대한 경제적 평가가 필요하다.
(표준화 모델의 적용) 스마트공장 구현에는 자동화(AT), 운영(OT), 정보(IT) 기술과 융합복합화를 위한 국제표준 기술과 융합화가 필수적이다.