국내외 주요 자동화 전문 기업들의 ‘스마트 팩토리’ 개발 동향

최근 들어 ICT 융합으로 제조의 서비스화와 제조과정의 지능화가 진전되고 있다. 제조의 서비스화는 제품의 다양한 서비스를 결합함으로써 차별화 포인트를 부가시키는 것으로 최근 제품의 일반화가 가속화되면서 제품 자체만으로 타사 제품과 차별화가 어려워 제조업의 가치사슬에서 서비스의 역할을 높여 제품을 고부가가치화 하고 있는 실정이다. 제조과정의 지능화는 ICT 기술을 제조와 융합하여 과정을 자동화, 지능화시키는 것으로 사물인터넷, 유무선 네트워크 인프라. 빅데이터, 클라우드 컴퓨팅 등 첨단 ICT 기술을 제조기술에 융합해 자율적이고 지능화된 생산체계를 구비하고 생산성을 극대화하고 있다.

이를 통한 스마트 팩토리는 제품의 기획, 설계, 제조, 공정, 판매 등 전 과정을 IT로 통합해 최소비용과 시간으로 제품을 생산하는 첨단 공장이다. 특히 최근 독일 미국 등 제조업 강국들이 고령화 등 노동기반 약화와 스마트 산업혁명으로 제조와 ICT간 융합을 통한 경쟁력 확보를 가속화하는 가운데 국내외 주요 산업자동화 기업들도 ‘스마트 팩토리’ 확산에 적극 참여하고 있어 눈길을 끌고 있다. 월간 모션컨트롤이 이들의 주요 스마트 팩토리 개발 동향을 살펴본다.
 

미국 기업의 적극적인 개발 참여

시스코의 글로벌 파트너사인 로크웰오토메이션은 사물인터넷 기반의 스마트 제조 혁신을 이끌고 있는 기업으로 혁신의 중심을 IT(정보기술)와 OT(제조운영 기술) 분야의 융합으로 보고 2008년부터 시스코와 협력해 이더넷/IP 기반으로 기업과 플랜트 전체를 통합할 수 있는 아키텍쳐를 공동 개발했으며, 최근에는 무선까지 확대하고 있다. 이더넷/IP 기반의 개방형 통합네트워크 모델을 제시하고 이를 지원하는 커넥터 장치 및 운용 S/W를 개발했다.

또한 스탠리 블랙앤데커사는 디지털화와 IoE를 구현해 생산장비 가동률을 78%에서 97%로 높인 결과를 얻었는데, 무선 네트워크를 오버레이로 연결하고 다양한 장비에 센서를 탑재해, 애널리틱스를 구현하여 생산장비의 가동률과 효율성을 파악하는 스마트 팩토리 플로어 환경을 구현하였다.
 

일본 기업들의 ‘스마트 팩토리’

일본의 경우, 미쓰비시전기는 로봇과 제어기계 등 공장자동화에 필요한 장치를 거의 대부분 직접 생산해 스마트폰 제작 관련 공장을 중심으로 강점을 갖고 있다. 2003년부터 ‘e팩토리’를 제창해 각 장치를 인터넷에 연결하는 구조를 추진했는데, 이러한 배경에는 기계음과 진동의 미묘한 차이로 장치의 이상을 간파하는 유능한 기술자들이 점점 고령화되는 것도 하나의 요인으로 작용했다. e팩토리는 IT 분야에서 숙련된 기능 재현을 목표로 한 시스템으로 e팩토리를 시범 도입한 인텔의 반도체 공장에서는 이상을 조기에 파악해 대규모 고장을 방지함으로써 연간 약 9억엔의 경비를 절감할 수 있었다. CC-Link 기반의 양방향 정보교환이 가능한 PLC, 측정장치 등과 이더넷 통신을 연계한 생산 운영 및 에너지 솔루션도 개발했다.

한편, 후지쓰는 프로그램이 다른 로봇과 장치를 동시에 제어하는 사업을 2014년 10월부터 개시했는데, 후지쓰가 중개역할을 담당해 국내 사업체들을 연결하고 있는 것으로 나타났다.
그 외에도 공작기계 업체인 DMG모리세이키는 상위시스템 연계를 위한 MTConnect 기반의 인터페이스를 적용하고 있다.
 

일찍부터 시작된 유럽 지멘스의 스마트 팩토리 구축

유럽의 기업인 지멘스는 발전, 송/변전, 스마트 그리드 솔루션, 전력 에너지의 효율적인 애플리케이션에 이르기까지 전력화 가치 체인 전반과 더불어 메디칼 영상과 임상 진단 분야의 글로벌 선도기업이다. 전자화, 자동화, 디지털화 영역에 핵심 역량을 집중하고 있으며, 독일 사회의 고령화로 인해 숙련공 확보가 어려워지자 지멘스는 일찍부터 스마트 팩토리 구축에 주력하고 있다. 지멘스 암벡 공장은 PLC 등 산업자동화 시스템 구축에 필요한 부품을 생산하고 있다. ICT를 제조라인에 융합해 수만 개의 센서를 통해 수집되는 빅데이터를 자동으로 분석하고 어떻게 활용할 것인지 스스로 결정을 내리는 장인 것이다.

사물인터넷 기반의 빅데이터를 수집 및 분석해 공장의 개선방향을 찾고 개선활동을 수행한다. 공장의 가동률과 불량률 등을 실시간으로 체크하고, 기계가 언제 가동돼야 하고 언제 작동을 멈추게 될지, 전력 소모를 낮추는 최적의 공정은 무엇인지 초단위로 예측한다. 장시간 작동을 하지 않아도 된다고 판단한 기계의 전원을 내려 전력소모도 줄이고, 직원들이 자리를 비워도 되는 시간을 알려 효율을 증대시키고 있다. 공장 내 생산 자원들의 상태와 현황을 실시간으로 추적 및 관리하고 통합 모니터링을 수행하는데 모든 부품, 제품에 바코드를 적용해 공정 중 문제가 없는지 실시간으로 개별적으로 확인한다.

공장 관리자는 모니터링 시스템을 통해 전 공장의 생산, 불량 현황을 한 눈에 확인할 수 있는 것이다. 유연자동화 시스템과 연계해 공장 스스로 생산하는 환경을 실현하는데 발주가 들어오면 컴퓨터가 스스로 지하에 있는 자재창고에 필요한 부품을 1층으로 옮기라고 지시를 내리고, 옮겨진 부품들은 컨베이어를 타고 이동하면서 타 부품들과 결합해 제품을 생산한다. 자동화·디지털화된 생산라인에서 로봇이 생산하고, 직원들은 불량제품을 테스트하거나, 생산량 조절, 제품개선 활동, 의사결정 등 고부가가치 업무를 담당한다. 공장 내부에 장착된 센서가 장치와 부품으로부터 각종 데이터를 수집해 인공지능으로 분석해 사람의 손을 거치지 않고 생산라인의 교체와 생산량 조정이 가능해 기계들이 서로가 대화하는 것 같은 형태로 가동되고 있다. 장비·공정 레벨의 PLC, CNC부터 운영·제어, MES, PLM까지의 라인업을 구축했으며, 사물인터넷과 빅데이터 기술을 적용한 플랫폼으로 확장하고 있다.
 

국내 기업들의 현재 상황은?

해외 유수 기업과 비교해 국내 스마트 팩토리 구축은 어떤 상황일까? 먼저 LG CNS는 2012년 8월 소프트웨어와 하드웨어 솔루션 구매는 물론 공장 구축을 위한 컨설팅과 유지보수 서비스도 함께 제공하는 ‘스마트 팩토리 솔루션’을 출시한 바 있다. 공장 구축과 운영서비스를 한 번에 해결할 수 있는 최초의 공장 구축 통합 솔루션인 셈이다. 기존에는 공장 시스템을 구축하려면 공장 운영에 필요한 소프트웨어 솔루션, 공장 설비 같은 하드웨어, 운영과 유지보수를 각각 따로 주문해 업체를 선정한 뒤 관리해야 했으며, 이 모든 걸 통합해 제공해주는 국내 업체도 없어서 프로젝트가 1, 2, 3차에 나뉘어 발주해야 했다.

그 결과 각 프로젝트별로 도입한 제품 설비 사양이 다양해 소프트웨어와 하드웨어 간 연동에 어려움이 발생했는데, 외산 설비는 소프트웨어에 접근하는 것을 원천적으로 봉쇄했고, 국산 제품은 소프트웨어 전문인력이 부족해 업그레이드가 어려웠다. 이러한 문제를 해결하기 위해 장비 구축과 설계, 소프트웨어까지 한 번에 할 수 있는 ‘스마트 팩토리 솔루션’이 개발된 것이다. LG CNS의 스마트 팩토리 솔루션을 도입하면 공장 구축 경험이 없는 고객이라도 표준화된 통합관리 서비스를 받을 수 있다. 스마트 팩토리 솔루션은 ezMES(생산실행시스템), ezUMS(에너지절감 솔루션), ezControl(설비제어솔루션) 등의 소프트웨어 솔루션과 ezScrane, ezConveyer, ezVision 등의 지능화 설비 솔루션으로 구성되어 있다.
 
ezMES는 생산공정 전반을 제어하는 시스템으로 생산계획에 따른 실적과 생산현황 정보를 실시간으로 관리하고 공유한다. ezUMS는 공장 내 설비들이 최적의 상태에서 운영될 수 있도록 기기와 제조환경을 자동으로 제어하는 시스템으로 조명, 온도, 습도 등 제품 생산에 관련된 공장 환경을 실시간으로 감지하는 공장 통합 관제, UPS 모니터링, 빌딩 관제 기능을 제공하며, 공장 전체뿐 아니라 공정단위까지 에너지 사용량을 파악해 에너지 사용을 조절하고 제어할 수 있게 도와준다.

ezControl은 프로그래밍에 대한 지식이 없어도 공장 내 생산·물류·유틸리티 설비를 쉽고 빠르게 제어시스템을 구축한다. 그리고 ezScrane은 생산설비와 물류센터에서 화물을 자동으로 저장하고 이송하는 물류 설비로 컨베이어와 생산, 공정 설비 같은 타 설비와 연결돼 있고, 저장 및 출고 기능을 담당한다. ezConveyor와 ezVision은 생산운영 시스템과 통합돼 효율성 극대화, 실시간 작업 지시와 물류 흐름을 제어할 수 있고, 불량제품을 실시간으로 감지한 뒤 피드백 해준다. LG CNS는 소프트웨어 솔루션이 자사 기술로, 하드웨어 솔루션 쪽은 중소기업을 포함한 다른 기업들과의 협력을 통해 OEM 형식으로 제공하는데, 스마트 팩토리 솔루션은 공장 규모에 상관없이 도입할 수 있으며, 소프트웨어나 하드웨어 솔루션을 각각 따로 선택해 도입할 수 있다.

현재 인천의 두산인프라 엔진공장과 중국에 있는 두산인프라 건설기기 공장에서 스마트 팩토리 솔루션을 도입해 운영중이다. LG CNC의 글로벌 MES는 현대자동차 북미공장과 울산1공장, 말레이시아 프로톤공장, 이란 파스코드르 공장에 도입되어 생산성을 높이고 균등한 품질을 가능케 하고 있다. 한편 포스코 ICT는 2015년 3월 산업용 사물인터넷과 빅데이터를 적용한 스마트 팩토리를 구축하고 이를 국내외 산업현장에 확대 적용해 새로운 성장동력으로 육성할 계획이다. 포스코와 협력해 설비관리, 제품 결합관리, 안전관리 분야에 산업용 IoT를 적용한 스마트 팩토리를 구축하고 이를 국내외 산업현장에 확대 적용할 방침인 것.

센서와 소프트웨어를 통해 공장 내 모든 활동이 계획대로 진행되는지, 설비는 제대로 가동되고 있는지 등에 대한 정보가 담당자에게 실시간으로 전달 및 제어되게 하여 직업자의 경험에 의존했던 공정들이 자동으로 이뤄지는 지능형 공장이다. 그 외에도 어드밴택은 스마트 팩토리의 핵심 솔루션을 개발하는 기업으로 2015년 4월 RFID와 연계해 공장에 지능을 부여하는 첨단 산업용 컴퓨터를 공개한 바 있다. 바코드, 센서. RFID 등 ICT 도구를 활용해 생산시스템의 최적화를 구현하는 스마트 팩토리는 해당 시스템 간에 온라인 정보교환이 중요하다. ADAM-6000 시리즈 모듈은 사용자가 원거리에서도 오븐 전류, 생산 기계 카운터 및 경고도 감독할 수 있을 뿐만 아니라 공장 환경의 기온 및 습도도 모니터 할 수 있다.

스마트 팩토리 솔루션을 통해 개발 시간의 절감, 통신 인터페이스의 일원화, 기존 시스템의 통합, 더 많은 데이터의 공유, 소모성 제품의 구입 시기를 알려주는 알림 기능 추가 등 많은 이점을 얻을 수 있다. 시스템의 장점은 시시각각 변화하는 생산자원 정보들이 현장에서 취합돼 CEO에게 의사결정을 위한 실시간 정보를, 고객에게는 주문된 생산 제품에 대한 납기 정보를, 공장 관리자에게는 현장의 상태 정보 등을 신속하게 제공할 수 있다는 점이다. 또 다른 기업인 나무아이앤씨는 표준화된 IT시스템과 다양한 산업현장의 비표준화 시스템을 하나로 통합하는 미들웨어 기술 관련 역량을 보유하고 있다. 공장 현장의 각종 장비에서 발생하는 각기 다른 포맷의 데이터를 수집하고 표준화해 IT 시스템과 연계시켜주는 역할을 하는 플랫폼을 시스코 컴퓨팅 상에서 구현한다. 제조사들은 이 솔루션을 통해 공장 현장에서 수집된 각종 데이터 현황을 비즈니스 단에서 실시간으로 모니터링 할 수 있는데, 시스코와 로크웰오토메이션, 나무아이앤씨는 서로 협력해 스마트 팩토리를 실제 구현할 수 있다.

스마트 팩토리 발전을 위한 정책적 시사점은?

스마트 팩토리 산업의 발전을 위해서는 먼저 스마트 팩토리 핵심 요소기술의 경쟁력 강화가 필요하다. 2014년 Gartner Hype Cycle에 따르면 사물인터넷, 빅데이터, 클라우드 컴퓨팅은 이미 잠재성을 확인하는 태동기를 넘어 거품기와 거품붕괴기에 위치한 기술이다. 지능형 공장과 네트워크화된 제조 생태계를 기반으로 하는 스마트 팩토리 구축을 위해 사물인터넷, 빅데이터, 클라우드 컴퓨팅은 핵심 요소기술 개발과 적용을 통한 국제 경쟁력 강화가 필요하다.

그리고 디바이스 및 네트워크(하드웨어), 소프트웨어 운영 프로세스 등 팩토리 구축기술을 개발해야 한다. 자동차, 휴대전화, 가전제품 등 스마트 제품을 만들기 위해서는 제조현장의 스마트화보다 공장을 스마트 팩토리 만드는 기술(센서 및 사물 간 인터넷 기술, 디바이스 및 네트워크 기술 등)이 먼저 확보되어야 한다. 지멘스, 다쏘, ABB, 미쓰비시 등 스마트 팩토리 기술을 공급하는 기업의 경우 제조현장이 스마트해질수록 기술적으로 종속시킬 수 있는 기반을 마련했다. 안드로이드, I-OS, MS 윈도우 등 국내 개발이 어려운 기술과 더불어 스마트 팩토리 공급산업의 핵심 기술인 센서, 디바이스, 제어, MES, CAD, CAE 등의 기술 수준도 열악하나, 자체 스마트 팩토리 플랫폼을 구축해 공급기술 중 국내 개발이 필요한 정확한 진단 및 로드맵 수립이 필요한 것이다.

기술의 개방화와 보편화를 위한 모듈화와 산업 표준화도 중요하다. 스마트 팩토리를 위한 오픈소스 공통 소프트웨어 플랫폼과 오픈소스 하드웨어 디지털화로 생산품목이 다양한 공장들의 공정 부분을 대신함으로써 다양한 솔루션을 대신하고 있다. 다양한 하드웨어 디지털 라이브러리를 생성하고 모듈화 함으로써 보편성을 극대화 할 수 있다. 독일, 미국 등 선도자들의 표준화는 후발주자들에 대한 무역장벽으로 활용되기 때문에 스마트 팩토리 기술의 표준화를 적극 추진하고 있다. 스마트 팩토리의 요소 기술에 대한 표준화 필요분야의 발굴 및 표준화를 위한 세부 권고사항과 전략적 로드맵을 수립해야 한다. 독일 스마트 팩토리 프로젝트와 세계 IoT 포럼 등에 참여하여 표준화 의견 개진 및 동향 파악뿐만 아니라 기술교류에도 적극 임해야 할 것으로 보인다.

비전머신과 빅데이터 활용을 통한 기계의 지능화도 중요하다. 제조지설 내의 기기들이 스스로 상황을 판단하고 행동하며, 기기들 간의 자율적 협업이 가능케 함으로써 효율적이고 유연한 제조 시스템을 갖추고 제품을 생산하도록 해야 한다. 스마트 팩토리의 기술발전으로 생산설비들 간의 정보교환 속도를 실시간으로 조졸해 기기의 사용률을 최적화 할 수 있다. 그리고 산업용 네트워크와 인터페이스의 통합으로 기술의 활용성을 증대해야 한다. 다양한 산업기기가 통합된 네트워크로 연결되고 통합된 인터페이스를 통해 서로 소통함으로써 정보의 수집과 활용성을 제공할 수 있기 때문이다.

마지막은 국내 제조업의 산업, 업종 수준별 성공모델 구현이다. 산업용 통신, 미들웨어 등 스마트 팩토리 구축을 위한 코어 표준플랫폼 및 참조모델을 제시해야 할 것으로 보인다. 코어 표준플랫폼 및 참조모델을 기반으로 국내 제조업의 산업, 업종, 수준별 성공모델을 구현할 수 있을 것으로 보인다.

자료제공 | 한국전자통신연구원(www.etri.re.kr)