스마트 공장(Smart Factory), 이제는 공장도 똑똑해지는 시대이다. 아마 4차산업혁명에 대해 관심이 있는 사람이라면 스마트 팩토리를 들어본 적이 있을 것이다. 하지만 우리는 뉴스로 공장으로 인한 환경오염에 대한 이야기를 듣고 있고 우리는 이미 충분히 많은 공장에서 제조된 물품들을 누리면서 살고 있다. 그렇기에 공장의 발전이 더 필요할까? 라는 생각이 드는 것은 어찌보면 당연한 일이다. 그럼에도 스마트 팩토리는 미래의 일이 아닌 지금 발전되고 실현되고 있는 기술이다. 그렇다면 기업들은 왜 스마트 팩토리로 지향하려는지 관련 기술들은 무엇이 있는지 확인해보자.
스마트 팩토리의 배경
스마트 팩토리에 대한 설명에 들어가기에 앞서 먼저 스마트 팩토리가 왜 필요하게 되었는지를 간략하게 살펴보자.
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세계 경제성장률 장기적 둔화
현재 전세계적으로 제품의 공급이 과잉되어 많은 제조품들의 구매 매력이 상실하게 되었다. 즉 물건이 넘처나니 사람들의 소비가 줄어들고 이로 인해 돈의 흐름도 멈추게 된 것이다. 즉 사람들이 소비할 수 있도록 다변화, 맞춤화를 통해 고부가가치를 지닌 제조품을 생산할 필요가 있게 되었다. -
제조 원가 상승
잘 알다시피 최근 여러 정치, 경제적인 이유로 물가가 크게 올랐다. 원자재 또한 이러한 상승 흐름을 피할 수는 없다. 하지만 이보다 공장 근무자들의 임금 상승이 큰 영향을 준다. 많은 기업들이 임금을 줄이기 위해 오프쇼어링을 하고 있다는 것을 생각해보면 그 영향이 얼마나 큰지 알 수 있다. 하지만 이 오프쇼어링에도 배송원가의 상승이나 불매운동과 같은 한계가 있다. 이를 극복하기 위해서 자동화, 유연화를 통한 제조원가 상승 억제가 필요하다. -
환경 규제 강화
이는 최근 뉴스를 살펴보면 금방 알 수 있는 문제이다. EU, 미국(최근은 아닌 것 같지만...) 등 선진국을 중심으로 탄소중립을 지키고자 하고 있고 관련 규제 및 법안도 강화하고 있는 추세이다. 또한 에너지 및 자원의 효율성 요규가 증가하며 지속가능성에 대한 요구 또한 증가하고 있다. -
소비 트렌드의 변화
넘처나는 공산품은 소비 트렌드에도 영향을 주었다. 패션과 같이 쉽게 소비되고 빠르게 변화하는 상품들은 보다 더 빠르고 다양하게 바뀌고 더 나아가 자동차, 집과 같이 규모와 수명이 큰 제품에도 자신을 잘 표현할 수 있는 자신만을 위한 제품을 선호하기 시작하였다. 즉 Mass Production(소품종 대량 생산)에서 Mass Custiomization(다품종 대량 생산)으로 소비의 트렌드가 변화하였다.
기존 공장과의 차이점
그렇다면 스마트 팩토리가 기존 공장에 비해 어떤 차이가 있을까? 우선 현재 우리가 알고 있는 교무가 있는 대부분의 공장들은 자동화 또는 부분적인 자동화 단계이다. 자동화란 기계가 설정된 입력을 바탕으로 특정 행동(사출, 프레스, 용접, 이동 등)을 반복하는 시스템을 의미한다. 하지만 스마트 팩토리는 자동화를 넘어서 지능화, 자율화까지 구현하고자 하는 것이다.
지능화란 데이터를 바탕으로 기계 스스로가 의사결정 능력(모니터링, 진단, 예측, 최적화...)를 부여하는 것을 의미한다. 예를 들어 기계에 부착된 값을 센서를 바탕으로 이번 출력물에 결함이 발생할 것을 예측 또는 모니터링하여 작업자에게 알려주는 시스템이 있다. 자율화는 지능화에서 더 나아가 기계들이 자율적이고 협업적인 방식을 통해 제어 를 하는 것을 의미한다. 앞선 예시에서 불량으로 예측되는 출력물을 수거하는 로봇팔이 수거하지 않도록 동작하는 것을 예로 볼 수 있다.
이처럼 스마트 팩토리는 기존 공장에서 발생하는 일들을 데이터 로 수집하여 이를 단순 기록 및 보관을 넘어서 실시간으로 분석하고 예측 모델을 구축하여 생산 전반을 지능적으로 관리하고 최적화함으로써 기존 공장의 한계를 넘을 수 있다.
스마트 팩토리의 정의
네이버 백과 사전에서는 스마트 팩토리를 아래와 같이 정의하고 있다.
정보통신기술을 활용하여 제품의 설계, 개발 및 생산 과정에서의 데이터와 완성품 및 부품, 원자재 등에 대한 데이터를 수집한 뒤 이를 디지털화하고 모든 공정에서 데이터를 공유, 교환하며 유기적으로 연결하는 공장
하지만 이를 좁은 의미와 넓은 의미로 다시 나눌 수 있다.
좁은 의미 (= 제조 시스템 관점 = 수직적 통합)
위 그림은 자동화 피라미드라고도 불리는 ISA 95 모델(IEC 62264), 제조 시스템 구조 표준이다. ERP, MES 등 제조 어플리케이션 통합을 위해 필요한 구조, 인터페이스, 객체 모델 및 용어를 정의한 모델이라고 볼 수 있다. 이러한 계층 구조 사이 즉, 공장의 하위 생상설비 및 상위 시스템 "양방향 데이터 통합( = Data 흐름)"을 좁은 의미의 스마트 팩토리라고 볼 수 있다. 풀어서 설명하면 다양한 설비에서 센서, 디바이스를 통해 데이터를 획득하고 PLC,HMI을 통하여 설비 제어를 수행하며, 생산 프로세스 관리를 위한 MES를 거쳐 상단의 ERP까지 유기적으로 통합 관리하는 과정이라 볼 수 있다.
넓은 의미 (= 가치/공급 사슬 관점 = 수평적 통합)
Bull whip 효과를 들어본 적이 있는가? 나비 효과와 비슷한 의미인데 경제에서 고객의 조그만한 수요 변화가 실제 공급에는 크게 변화로 다가오는 것을 의미한다. 악성 재고는 엄청난 손해를 유발한다. 즉 소비자의 수요를 예측하는 것은 cost적으로 매우매우 중요한 일이다. 이로 인해 가치 사슬 및 공급 사슬의 Data 통합이 중요하게 작용한다. 즉 고객 요구사항 도출을 위한 시장 조사 및 제품기횐 단계를 거쳐, 요구사항 충족을 위한 R&D단계, 공정 설계 후 제품을 생산하여, 고객에게 전달 및 제품의 사용 및 폐기까지를 일관적으로 통합 관리하는 과정이라 볼 수 있다.
스마트 팩토리 5대 요건
스마트제조혁신추진단, KOSMO에서는 스마트 팩토리의 5대 요건을 아래와 같이 설명하고 있다.
1. 4M + 1E의 디지털화
4M+1E의 각 요소 (Man, Machinery, Material, Method, Environment) 들의 실시간으로 디지털 값을 인지하고, 측정 가능한 정보를 제공해야 하며, 통신을 통해 대화가 가능해야 함
2. 지능화
알고리즘 또는 인공지능 등의 솔루션을 이용, 최적해 또는 예측가능한 해를 제공해야 함
3. 통합
사회망과 가치사슬을 통해 단대단 (End-to-end) 의 정보 교류가 이뤄지도록 하는 수평적 통합과 최하위 수준인 기계장치부터 기업비즈니스 수준까지 수직적 통합을 지향
4. 엔지니어링 지식의 창출
지속해서 정보를 확보하고 저장한 후, 이를 바탕으로 자동화를 위한 제조 지식을 점진적으로 창출할 수 있어야함
5. 스마트 시스템과의 연결
향후에 발전할 스마트 제품들과 통신 표준에 의거해 연결이 가능해야함
스마트 팩토리 수준별 모델
모든 공장들이 완전 자율화까지 이루어진 스마트 팩토리가 되면 좋겠지만 아쉽게도 Cost적인 이유로 그러기는 쉽지 않는 것이 현실이다. 또한 우리나라는 중소/중견 제조업이 많은 특성상 스마트 팩토리는 기업의 여력이나 상황에 따라 점진적으로 구현 가능하기 때문에 기업의 사정에 따라 적절한 수준 및 기능을 선택해 집중 하는 것이 중요하다. 스마트 공장 사업 관리 시스템에 따르면 기초 단계라 해도 실시간 만들어지는 제품을 바로 집계해 관리할 수 있고 자재 이력관리(lot-tracking)까지 가능하기에 현재 많은 중소기업들이 비교적 적은 비용으로 쉽게 시작할 수 있는 기초 단계를 구축하고 있으며 기대 이상의 성과에 만족하고 있다고 한다.
마무리하며
이번에는 스마트 팩토리의 배경 및 정의에 관해 간략하게 알아보았다. 개인적으로 이번 수업을 듣고 정리하면서 스마트 팩토리는 재료에 가치를 더하는 공정(OT)을 IT기술을 통해 새로운 가치를 창출해 나아가는 방식 이라고 정의할 수 있을 것 같다. 앞으로도 많은 공장들이 스마트 팩토리를 통해 자신들의 물건의 새로운 가치를 더하고 소비자를 넘어 재품의 폐기까지 똑똑하게 관리, 최적화 할 수 있기를 바란다.
