01 - 스마트팩토리 기반 개방형 제조 서비스 현황 및 과제
▲ 손지연 책임연구원
한국전자통신연구원(ETRI)
제조업 차원에서 4차 산업혁명을 대비하기 위해서는 거시적 관점에서 시장 변화와 첨단 ICT 기술 발전의 트렌드를 살피고, 그에 따른 미래 제조 패러다임 변화에 주목할 필요가 있다.
미래의 제조업은 ICT기술과 서비스가 융합되면서 소량 생산 제품이라도 효율적으로 생산 가능하고, 이것을 다양한 제조 서비스의 형태로 제공하게 될 것으로 보인다.
이와 관련한 기술 개발 현황 및 과제에 대해 살펴보자.
개요
산업 혁명의 역사는 과학기술 발전의 역사와 맥을 같이 한다. 산업혁명을 거치면서, 사람들의 먹고사는 방식이 달라질 만큼 기술혁신은 경제적·사회적 구조상에서 많은 변화를 가져왔다.
증기기관과 대량생산으로 대표되는 1차, 2차 산업혁명을 거치면서 많은 농민들이 도시 공장 근로자로 전환되었고, 대량생산의 자동화를 통해 생산성과 부가 획기적으로 증대되었다.
현재는 인터넷을 통한 3차 산업혁명을 넘어 4차 산업혁명으로 진행되면서, 우리 삶의 방식에 또다시 큰 변혁이 있을 것임을 예고하고 있다.
4차 산업혁명이라는 용어는 독일의 Industry 4.0과 함께 처음 거론된 것으로, 그 기반이 되는 제조 산업을 빼놓을 수 없다.
과거의 제조업은 산업혁명을 거치면서 공급자 주도의 대량생산 체계에 최적화하는 방향으로 발전해 왔으나, 최근 시장 수요는 제품주기의 단축, 개인화 추세와 함께 생산을 소비자가 주도하는 형태로 변화되고 있다.
또한 이러한 시장의 트렌드를 기술적으로 뒷받침할 수 있는 3D프린터나 지능형 로봇과 같은 혁신형의 장비와 사물인터넷, 인공지능, 빅데이터와 같은 첨단 ICT 기술이 비약적으로 발전하면서 제조업에 새로운 패러다임 전환이 일어나고 있다.
이에 따라 미래 제조업의 발전 방향은 다음과 같이 네 가지의 트렌드로 요약할 수 있다.
첫째는 첨단 ICT기술 융합을 통해 개인화된 시장의 요구에 따라 생산체계가 가속화되면서, 대량생산에서 다품종 소량 생산, 나아가 개인화 생산 체계로 변화될 것으로 전망된다01.
이러한 추세는 초기에는 적용이 비교적 쉬운 플라스틱, 섬유, 의류 산업에서 시작될 것이나, 점차 전자, 화학, 자동차, 반도체 등의 전 산업 영역으로 확대될 것으로 보고 있다.
또한 혁신형의 장비 및 ICT 기술 발전에 따라 현재의 자동화 수준에서 유연 생산이 가능한 지능화 수준으로 향상되면서 생산성이 극대화될 것이고, 서비스 융합 요구에 따른 제조업과 서비스업의 경계가 붕괴되면서, 제품 자체보다는 제품에 서비스가 부가되어 제품의 가치를 극대화하는 제조업의 서비스화(Servitization)가 가속될 것으로 전망된다.
아울러, 기존의 대규모 공장과 글로벌 공급망 체계 중심에서 소규모 유연 민첩 생산이 가능한 공장과 고객과의 근접성에 따른 로컬 공급망 체계로의 변화가 가시화될 것이다.
이러한 배경 하에 이 글에서는 미래형의 ICT 융합스마트팩토리 모델로서 제시된 개방형 제조 서비스(FaaS: Factory as a Service)에 대한 현재까지의 기술개발과 공장 구축현황을 소개하고, 이를 통한 경험을 토대로 향후 해결되어야 할 과제들에 대해 언급하고자 한다.
스마트팩토리 기반의 개방형 제조 서비스(FaaS) 개념
개방형 제조 서비스(FaaS)02는 개인 맞춤 생산을 지원하는 IoT 기반 스마트팩토리를 개인 또는 기업에게 서비스의 형태로 제공하는 개념으로서, 그림 1에서와 같이 개인화 제조 스마트팩토리와 개방형 제조 서비스 플랫폼으로 구성된다.
스마트팩토리라고 하면, 생산방식별, 업종별, 기업군에 따라 워낙 범위가 광범위하고, 특성 및 성능 요구수준의 차이가 크기 때문에 대상을 명확하게 정의할 필요가 있다.
이에 FaaS 스마트팩토리는 중소 제조기업들의 제품개발 프로세스 상에서 생산 진입의 어려움을 가장 겪고 있는 샘플 제작 및 초도 물량 생산단계를 지원하는 것을 목표로 하며, 이를 위해 생산방식은 적층·가공·조립 중심의 M2O(Make-to-Order) 방식을 따르며, 생산 제품은 현재의 디지털 제조설비의 기술 수준을 감안하여 IoT(Internet of Things) 단말, 웨어러블 디바이스와 같은 ICT 기반 신산업 제품군을 대상으로 한다.
반면, IoT를 기반으로 한 개방형 FaaS 플랫폼은 스마트팩토리를 인터넷에 연결하여 웹을 통해 기업 또는 개인 고객이 아이디어 시제품이나 기업 고유 부품, 시제품 제작을 의뢰하면, 플랫폼 상에서 고객과 설계 전문가, 공장 엔지니어 다양한 사업 주체들이 참여하여 제품설계 검증 및 생산 계획, 부품 조달 및 유통을 연계한 협업기능을 제공한다.
FaaS 스마트팩토리 구축 및 기술개발 현황
FaaS 스마트팩토리는 그림 2와 같이 3D프린터와 후가공 장비, 로봇들을 IoT 기반으로 연결하여 기업들로 부터 주문받은 이종의 다양한 제품들에 대해 서로 다른 공정 라우팅을 갖더라도 혼류 생산이 가능하도록 설계되었으며, 옥타곤 모양의 팔각형 셀(Cell)을 기본단위로 해서 다양한 형태로 확장 가능한 모듈형 팩토리이다.
현재는 그림 3과 같이 대전, 광주, 안산, 대구 4개의 지역에 구축되어 있으며, 주목할 만한 점은 대전을 제외한 3개 지역은 별도의 재원을 통해 구축 및 운영되고 있다는 점이다.
4개 스마트팩토리는 각각의 지역 및 도입 기관의 목적에 따라 다양한 용도의 실증 테스트 베드로 활용되고 있다.
대전 ETRI 융합기술생산센터에 구축되어 있는 FaaS 스마트팩토리 1호는 클라우드 기반의 개방형 제조 플랫폼 기술과 첨단 ICT 기술융합을 통해 다품종 유연 생산을 지원하기 위한 R&D 결과물을 적용 검증하고, 기업의 시제품 생산 지원 용도로 활용되고 있다.
현재는 2개의 셀로 구성되어 12대의 3D프린터와 셀 중간에 버퍼 설비를 갖추고 다른 공정들은 나머지 셀에 배치되는 형태로 구성되어 있다.
반면, 광주정보문화진흥원에 구축된 FaaS 스마트팩토리 2호는 광주 지역의 제조스타트업 및 중소기업 활성화를 위한 기업 시제품 생산 목적으로, 한양대 에리카(ERICA) 캠퍼스에 구축된 3호는 대학 교육 및 인력 양성과 함께 인간 상호작용을 위한 연구 목적, 대구폴리텍대학에 구축된 4호 팩토리는 대구 지역 내 재직자 교육 및 기업 확산 목적의 실증 테스트베드로 활용될 예정이다.
스마트팩토리 구축과 함께 병행되고 있는 개방형 제조 플랫폼 및 개인 맞춤 생산 지원 제조운영 시스템 기술 개발은 그림 4와 같은 기술 구성을 갖는다.
현재 개발된 FaaS 클라우드 플랫폼은 공공 클라우드 상에 구축되었으며, 고객이 업로드한 제품의 설계검증에서부터, 공정 설계와 엔지니어링, 제품유통이 연계된 웹 기반의 협업 환경을 제공한다.
일종의 IoT를 기반으로 공장들과 연결된 커넥티드 PLM(Product Lifecycle Management) 개념이라고 볼 수 있다.
아직은 개방형 제조 서비스를 위한 워크플로우를 정의하고, 핵심이 되는 기본 기능을 개발한 수준으로, 현재 클로즈드 베타 시험 단계에 있다.
FaaS 제조운영 시스템은 현재 공장 내 서버 시스템에 구축되어 있고, 클라우드를 통해 제품생산 주문이 제기되면, 제품구조 및 파트별 공정 정보와 생산량에 대한 정보가 함께 전달된다.
이를 기반으로 제조운영시스템에서는 제조현장에서 발생되는 다양한 예외 상황들을 고려하여 실시간 동적 작업계획 및 설비 할당을 위한 알고리즘이 개발 적용되었으며, 데이터 기반의 이상 상황 실시간 감지 및 최적 공정·설비 제어 기술, 실시간 시뮬레이션 기술이 개발 적용되었다.
또한 각 설비 단에는 IIoT(Industrial IoT) 프로토콜 및 미들웨어가 탑재된 오픈 하드웨어 기반의 IoT 단말이 탑재되어 설비 상태뿐 아니라, 센서 데이터의 실시간 수집, 저장, 분석을 위한 제조 빅데이터 처리 플랫폼이 구축되어 있다.
또한 다품종 유연 생산을 위해서 중요한 것이 장비 제어인데, FaaS 시스템에서는 설비 유형마다 단위 레시피를 정의하여 단위 레시피 기반의 동적 조합을 통해 효율적인 장비 제어가 가능하도록 설계, 개발되었다.
현재 FaaS 제조운영 시스템은 대전 실증 테스트베드에 적용되어 운영 중에 있으며, 향후 3개 지역의 FaaS 테스트베드에 추가 적용될 예정으로 있다.
결론 및 향후 과제
이 글에서는 4차 산업혁명에 대비한 미래 제조의 발전방향을 전망하고, 개인 맞춤 생산을 위한 선도 모델로서 제안된 개방형 제조 서비스(FaaS) 스마트팩토리와 플랫폼을 소개하였다.
FaaS 모델을 통해 궁극적으로 실현하고자 하는 목표는 인프라가 취약한 제조 스타트업 및 국내 중소 제조기업들이 수평적 협력을 통해 적은 자본으로도 시장수요 변화에 신속하고 유연하게 대응할 수 있는 새로운 제조 생태계를 구축하고, 이를 통해 국가 산업구조를 혁신하는 것이다.
이를 실현하기 위해서는 아직 해결해야 할 많은 기술적, 정책적 과제들이 남아 있다.
개방형 제조 서비스 플랫폼 관점에서 보면, 기존 공장과의 연결성 확대, 공급체인 동적 구성 관리, 온디맨드 엔지니어링 협업 등과 같은 기술개발 요소뿐 아니라, 사업 주체들 간의 제조 관련 거래 활동 활성화를 위한 다양한 비즈니스 모델의 발굴, 제조 거래에 관한 계약 및 변경합의 절차, 거래 수익에 대한 사업 주체 간 배분 정책의 개발, 조달 및 유통 연계를 위한 절차 간소화 및 제도개선 등이 해결해야 할 과제로 남아 있다.
또한 개인화 제조 스마트팩토리 관점에서는, 맞춤 제품의 품질 계측, 분석 및 보장, 개인 맞춤형 시제품 생산 과정에서 축적되는 데이터 분석을 통한 이상 상황 실시간 감지 및 예측, 설비 티칭의 자동화, AI 적용을 통한 공정 지능화, 최적화 등 많은 기술적 이슈들이 해결되어야 할 과제로 남아 있다.
마지막으로, 이 글에서 소개한 FaaS 스마트팩토리 및 플랫폼 결과물과 경험들이 새로운 제조 생태계 구축과 국가 제조업 혁신 성장에 조금이라도 일조할 수 있기를 기대한다.
01 Yoram Koren, "The Global Manufacturing Revolution," Wiley, 2010.
02 손지연, 강현철, 배희철, 이은서, 한효녕, 박준희, 김현, “개인맞춤생산을 위한 IoT 기반 개방형 제조서비스 플랫폼” 한국통신학회지(정보와통신), 제33권, 제1호, pp. 42-47, 2015.
* 이 논문은 2015년에서 2018년도까지 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 정보통신기술진흥센터의 지원(No. B0364-17-1008, 고객-제조-유통 연계 개방형 FaaS IoT 서비스 플랫폼 기술개발)과 동일년도(과학기술정보통신부)의 재원으로 정보통신기술진흥센터의 지원을 받아 수행된 연구임(No. R0140-16-1005, ICT융합형 제조서비스 실증·확산 기반구축)