스마트 팩토리란 무엇인가

스마트 팩토리는 기술을 지칭하는 용어이기보다는 사이버물리제조시스템 기술이 적용된 미래의 지능화된 제조 공장이라고 하는 비전을 나타내는 것이다.

이것은 독일의 인더스트리 4.0의 개념 안에서 4차 산업혁명을 유발하는 가장 중요한 동력원이다.

최근에 스마트폰으로 시작된 ‘스마트’라는 수식어가 다양한 분야에서 사용돼 스마트 컨버전스, 스마트 카, 스마트 그리드 등으로 확대되고 있다.

스마트 팩토리는 지능적이고 자율적인 공장을 지칭하는 것이라고 할 수 있다. 실제에서는 다양한 관점에 따라서 조금씩 다른 스마트 팩토리의 정의를 찾을 수 있다.

‘사전적 의미는 영리한 + 공장이라고 할 수 있으나, 이를 다시 풀어서 보면 ‘생산 전략에 기반을 둔 제조 여건 변화에 유연하게 대응하고,공급망 관리Supply Chain Management,SCM, 통합관점의QCD(Quality, Cost, Delivery)  및 제약 관리로 생산 운영을 신뢰성 있게 수행하는 공장’이라 할 수 있다.

더욱 기술적인 용어인 사이버물리시스템에 비해 좀 더 일반적인 용어로 여겨지는 스마트 팩토리는 다양한 개념으로 정의될 수 있다.

첫 번째 정의는 인더스트리 4.0의 선행연구 주자인 스마트 팩토리SmartFactoryKL 에서 제시한 것이다. 여기서는 무선 통신 인프라 스트럭처를 활용한 사물인터넷에 기반한 스마트 팩토리에 초점을 두고 있다. 작은 디바이스들까지 포함해 모든 디바이스들은 지능을 가지고 있고 무선 네트워크에 의해 상호 연결돼 있다.

독일 슈트트가르트 공대에서는 스마트 팩토리를 “사람과 기계가 수행하는 임무를, 문맥인지 능력을 갖춘 시스템들이 도와주는 공장”이라고 정의하고 있다. 문맥 인지 시스템은 예를 들면 객체의 위치와 상태와 같은 문맥적 정보를 고려하는 시스템이다. 이들 시스템은 물리적 및 가상적 세계로부터 전해지는 정보를 기반으로 임무를 수행한다. 예를 들면 물리적 세계의 정보는 공구의 위치와 조건 등이 될 수 있고 가상적 세계의 정보는 전자문서, 도면, 시뮬레이션 모델 등이 될 수 있다. 문맥인지 시스템은 다른 시스템과는 다르게 자신의 환경과 통신하고 상호작용할 능력이 있다.

독일의 위키피디아에서는 다음과 같이 스마트 팩토리를 정의하고 있다. 이 정의는 주창되고 활발하게 진행돼왔던 스마트 팩토리 분야의 다양한 초기 연구들의 기본에 입각한 적절한 정의라고 할 수 있다.

“스마트 팩토리는 제조 장비와 물류 시스템들이 인간의 개입 없이 폭넓게 자율적으로 조절되고 운용되는 공장이다. 스마트 팩토리의 기술적인 기반은 사물인터넷의 도움으로 상호 커뮤니케이션하는 사이버물리시스템들이다. 이 미래 시나리오의 중요한 부분은 제품(혹은 제공품)이 제조 장비와 커뮤니케이션한다는 것이다. 제품은 자신의 제조 정보를 스스로 보유하고 제조 장비로 전달한다. 이 정보에 기반해 제조 공정과 제조 장비를 포함하는 제품의 다음 공정 흐름이 자율적으로 제어된다.”

이상의 정의들을 종합해볼 때 다음과 같은 간략화된 도식화가 스마트 팩토리의 이해에 도움을 준다.

스마트 팩토리 = 자율운용공장

                   = 사이버물리시스템들 + 상호 커뮤니케이션(제품 설비 사이 및 수직, 수평적 부문 사이)

                   = 물리적 객체 + 임베디드 시스템 + 디지털 네트워크

                   + 자율 제어 및 기계학습 +상호 커뮤니케이션

여기서의 상호 커뮤니케이션은 디바이스, 제조 설비, 근로자와 같이 공장 내부의 사이버물리제조시스템들이 해당하는 수평적 부문에만 국한된 것이 아니다. 제품 개발, 생산 관리, 생산 기술, 서비스 등 가치창출사슬에 수직적으로 관련된 부문들에 산재하는 사이버물리제조시스템들을 포함하는 개념이다. 이와 같은 개념은 독일기계설비산업협의 VDMA의 장학재단인 임펄스 재단IMPULS-Stiftung이 발간한 보고서에도 살펴볼 수 있다.

“스마트 팩토리는 지능적이고 네트워크로 연결된 공장의 개념을 나타낸다. 공장 내의 제조 설비들은 생산관리시스템MES, 전사적 자원관리ERP 시스템, 공급망관리SCM와 같은 상위의 IT 시스템뿐만 아니라 스마트 제품과 직접적으로 통신한다. 모든 제조 프로세스의 상호 연결과 자율적인 조정을 통해 가치창출사슬 전체의 디지털화가 폭넓게 구현된다.”

이러한 개념에 따르면, 스마트 팩토리는 공장 레벨에서의 임무에만 국한된 것이 아니라 제조기업에서의 전체 가치창출 사슬의 디지털화로 확대되고 있다. 그것은 마케팅으로부터 시작해 제품의 개발과 구성, 공정 계획, 생산, 영업과 사용, 폐기와 리사이클링을 포함한다.

스마트 팩토리의 구성요소들과 범위

스마트 팩토리에서는 사이버물리제조시스템들을 통해 지능화된 스마트 요소들이 자율적으로 최적화된 생산에 필요한 활동들을 수행해 나아갈 것이다. 지능형 기계, 시설, 창고, 물류 시스템들은 독자적으로 정보들을 보유하고 교환할 수 있다. 이를 통해 상호 교류하며 스스로 주변 환경에 적응시켜 자율적으로 제어한다. 공장을 이루는 모든 장치, 운송수단, 운송도로, 생산설비, 물류 및 관리 프로세스 등의 모든 요소는 사이버물리제조시스템이 될 수 있다. 필요하다면 전세계적으로 가용한 데이터와 서비스들을 글로벌 네트워크를 통해 사용할 수 있다.

스마트 팩토리에서는 고객과의 연결 수단도 구성요소가 될 수 있다.

한국에 있는 고객이 컴퓨터 앞에 앉아서 독일의 슈트트가르트에 있는A 공장의 세번째 구역 다섯 번째 기계에서 내 자동차에 사용할 알루미늄 휠을 가공해 달라고 하는 특별한 주문이 가능해진다. 물론 품질이나 사양 등 그 기계에서 가공한 휠만의 특별한 차별점이 있고 그러한 특성을 고객이 맞춤형으로 원할 때 이러한 주문이 의미가 있다.스마트 팩토리에서는 이렇게 주문이 고객으로부터 직접적으로 기계로 전달되고 이어서 부품 공급자까지 실시간으로 전달될 수 있다. 이러한 방식으로 신속하게 고객의 특별한 요구에 빠르게 반응할 수 있다.

광의의 스마트 팩토리에서 사이버물리제조시스템은 제조 활동뿐만 아니라 생산활동에 영향을 미칠 수 있는 모든 가치창출 사슬과 연동돼 있다. 예를 들면 제조 고려 설계Design for Manufacturing의 개념을 통해 알고 있듯이 제품의 설계 단계에서는 생산 단계에서 발생하는 품질과 원가의 문제를 반영해야 한다. 영업과 마케팅의 상황과 수요 예측에 따라서 제조 생산 용량이 유연하게 대응돼야 한다. 고객의 사용과 폐기 정보는 제조 생산의 품질 제고와 신제품의 개발에 매우 유용하게 활용될 수 있다. 이와 같이 제조 생산과 그것을 둘러싼 모든 활동을 디지털 데이터의 상호교환을 매개로해 하나의 거대하고 고등한 지능적인 시스템이 되는 것이야말로 스마트 팩토리의 궁극적인 모습이다.

이러한 광의의 스마트 팩토리는 제조 생산과 기업 운용이 유기적으로 연동되는 이상적인 모습을 나타낸다. IT 시스템 관점에서 본다면, 최근20여 년 동안 지속적으로 확대돼 온 기업 운용을 위한 IT 시스템들과 생산관리시스템MES과 컴퓨터 지원설계CAD/컴퓨터 사용 제조CAM,Computer Aided Manufacturing 영역의 통합을 지향하고 있다고 볼 수 있다. 반대로 자동화 시스템 관점에서 본다면 각각의 디바이스와 설비들이 지능과 네트워크를 갖춰서 상위 시스템과 연결된다.

이상을 종합하면 스마트 팩토리의 구성요소는 제조업의 가치창출사슬과 수평적 수직적으로 연결된 일부 혹은 모든 것들이 될 수 있다. 한 제조업의 한 라인만이 스마트 팩토리가 될 수도 있고, 혹은 특정 지역의 공장만 스마트 팩토리가 될 수도 있다. 글로벌 기업이라면 전세계의 분산된 생산거점의 공장들이 모두 연결될 수 있고, 제조 비용과 물류 비용을 거의 실시간으로 비교해 최적의 생산을 수행할 수 있을 것이다.

인터넷의 속성이 그렇듯이 상호 연결된 것들이 많을수록 스마트 팩토리의 도입 효과는 커질 것이다. 대규모기업이 아니라고 하더라도 변화가 산업 전반에 스마트 팩토리를 통한 생산성과 이익이 극대화될 것이다.

스마트 팩토리의 주요 특징

스마트 팩토리는 기존의 공장에 대비해볼때 다음과 같은 특징들을 가지고 있다. 이러한 특징들은 스마트 팩토리로의 전환 혹은 신규 도입을 고려할 때 현재 수준에 대한 점검과 구현 목표 설정을 휘해 참고해야 할 방향성을 제시한다.

 

첫째, 자율화, 스마트 팩토리를 통해 제조기업의 공장은 극도의 자율 조직화Self-organization와 자율 최적화 Self-optimization 특성을 갖게 된다. 자율성은 생산현장의 변화나 고객의 요구가 변동하더라도 생산 시스템이 스스로 적응하기 때문에 재조정 혹은 구조 변경에 소요되는 시간과 비용을 최소화하게 된다. 자율화로 이행할 수 있으려면 스마트 팩토리를 이루는 개발 사이버물리시스템들에 포함된 의사결정 시스템이 각각의 역할에 필요한 만큼의 최소한의 지능을 갖추어야 할 것이다.

둘째, 분권화, 자율화는 필연적으로 분권화를 동반한다. 스마트 팩토리의 자율적인 구성요소들은 중앙집중 서버로부터의 정해진 실행 명령을 절대적으로 수행하는 것을 거부한다. 제조 현장의 부분 시스템에서 발생하는 이벤트들에 대한 최적의 대응 방안은 해당 부분을 담당하는 자율적인 사이버물리시스템이 결정한다.

셋째, 디지털화, 스마트 팩토리를 구성하는 가장 중요한 요소인 사이버물리시스템은 가상의 시스템이 물리적 시스템을 완전하게 표현할 수 있는 수준에 근접한 모델과 데이터를 가질 때 성립된다.가상의 시스템은 오늘날 디지털화된 정보만을 처리할 수 있는 컴퓨터에 의해 구성되고 있으므로 사이버물리시스템의 확대는 필연적으로 광범위한 디지털화를 통해서만 가능하다. 프로세스 내부에 남아있는 아날로그적 요소들은 한 기업의 스마트 팩토리의 적용 수준을 결정할 것이다.

넷째, 네트워크화, 사물인터넷의 구현을 통해 사람과 기계와 자재와 제품은 모두 네트워크로 연결된다. 관리자 혹은 관련자는 필요할 때는 언제든지 특정한 제공품이 어떤 장비에 머물고 있는지 알수 있다. 이러한 정보는 심지어 고객에게도 제공될 수 있다. ‘주문하신 자동차의 엔진이 울산 A 공장의 B 기계에서 가공 중입니다.’ 라는 안내 문자가 발송될 수도 있다. 이와 반대로 기계나 자재가 스스로의 상태에 이상이 발생했을 때 관리자에게 알림을 알릴 수 있다.  공장 내 연결된 통신 포인트의 숫자는 한 공장의 스마트화 수준을 가늠할 수 있는 중요한 지표가 될 것이다.

다섯째, 모듈화와 표준화, 지능형 기계, 제품, 주변장치들은 모두 모듈화돼 환경 변화에 맞춰 유연한 조합이 가능하도록 변화될 것이다. 오늘날 고객의 기호와 같은 시장 환경과 협력사의 공급망과 같은 비즈니스 환경이 동적으로 변화하고 있다. 이러한 가운데 제조의 경쟁력을 유지하기 위해서는 시스템 내부의 모든 요소가 적은 비용으로 신속하게 변경될 수 있어야 한다. 모듈화는 필연적으로 표준화를 수반한다. 하나의 모듈을 다른 제품의 제조에도 사용할 수 있도록 하기 위해서 모듈 간의 연결 혹은 인터페이스가 표준화돼야 한다.

여섯째, 수평 수직 협업, 사이버물리제조시스템들은 공장 및 기업내의 여러가지 비즈니스 프로세스들과 수직적으로 연결되고 분산된 다른 사이버물리제조시스템들과 수평적으로 연결된다. 이것은 수직적인 커뮤니케이션이 더욱 강조되는 기존의 운용 방식과는 매우 다르다. 이벤트가 발생하면 상위 서버에 알리고 조치를 기다리기보다는 주변의 기계와 장치에 자신의 상태를 알리고 필요한 도움을 스스로 받도록 하는 것이 우선시될 것이다

일곱째, 전사적으로 일관된 엔지니어링, 주문에서 납품까지 그리고 그 이후 고객의 사용 정보까지 통합돼 디지털 데이터로 관리됨으로써 전체 가지창출 사슬을 관통해 일관되게 적용되는 엔지니어링을 가능하게 한다. 설계에 의해 생성된 3D 형상 데이터에 컴퓨터 이용 공학 CAE 구조해석의 결과가 더해지고 다시 제조를 위한 데이터가 추가된다. 공정 단위의 가공과 조립 데이터, 중간 조립품의 시험 데이터, 사용자의 서비스 데이터까지 모두 한꺼번에 통합 관리 될 수 있다. 극단적으로 발전되면 고객의 서비스 데이터에 대한 분석으로부터 자동적으로 설계 대안들이 검토될 수도 있다. 이러한 디지털 데이터 기반의 일관된 엔지니어링은 전사적인 데이터 기반 의사결정을 가속한다.

여덟째, 고객중심 제조, 기존의 제조 시스템에서는 품질, 원가, 납기 등에 주요 초점이 맞춰져 있었다. 따라서 고객에게 추가적인 만족을 줄 수 있는 성능이나 기능 등이 도입되는 데 장애물이 됐다. 개인 맞춤형 제품을 대량 생산 수준의 비용으로 생산 가능한 스마트 팩토리에서는 개별 고객의 만족을 극대화시킬 수 있게 된다. 이것은 종래의 제품 중심에 일종의 서비스 개념이 더해지는 양상으로 전개된다.  스마트폰에 다양한 앱을 거래할 수 있는 앱 마켓도 함께 제공하으로써 핸드폰을 개인화된 서비스가 더해진 제품으로 만들어준다.

이러한 방식은 하나의 공장에서 다양한 제품을 생산하는 형태로 구현될 수 있다. 또 다른 형태는 전 세계적인 제조 공장의 네트워크를 통해 특정 제품에 특화되어 제품을 가장 효과적이고 효율적으로 생산할 수 있는 공장으로 주문이 이루어지는 방식이 될 수 있다.

Industie4.0, 4차 산업혁명과 제조업의 귀환 – 김은, 김미정 등 –

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