The Role of Software in Smart Factories


▪ 세계 스마트공장 시장은 연평균 9.3% 성장 예상되며, 아시아태평양 시장은 가장 큰 시장이 될 것으로 예상
▪ 제조업 기술, 하드웨어, 소프트웨어 등의 요소기술의 연동을 통한 전 제조과정의 통합 및 생산성 향상을 목표로 스마트공장 기술 개발 필요

▪ The global smart factory market is expected to grow at an average annual rate of 9.3%, and the Asia-Pacific market is expected to be the largest market
▪ Smart factory technology should be developed aiming at integration of manufacturing process and productivity improvement through convergence of element technology such as manufacturing technology, hardware, and software


■ 스마트공장은 ICT와 제조 기술이 융합되어 제조공정이 통합을 통해 생산성 향상과 수익성 증대를 추구하는 공장

  • 스마트공장 구현은 단순히 공장자동화가 아니라, 전 제조공정을 통합하는 과정

- 스마트 공장은 원부자재 생산·공급, 생산운영, 연구개발, 유통, 물류, 폐기 등 제조 전체 과정에 정보 통신 기술(ICT)을 적용하여 생산성, 품질, 고객만족도 등을 향상시킬 수 있는 공장

  • 스마트공장은 IoT, CPS(Cyber Physical Systems), 인공지능, 빅데이터, 클라우드 컴퓨팅 등 ICT와 제조업 기술을 융합하여 공장 내의 장비, 부품들이 연결 및 상호 소통하는 생산체계

- 다양한 센서, 액추에이터, 제어기, 각종 모바일 디바이스로부터 데이터를 수집하는 산업 IoT(Industrial of Internet of Things) 인프라 계층은 상위 시스템과 서비스 계층으로 제어 데이터를 전달
- 지능형 제어 계층인 CPPS(Cyber Physical Production Systems)은 IoT 계층에서 수집된 공장 데이터를 기반으로 모델링&시뮬레이션을 통해 최적의 공정을 실시간 설계하고 공정을 재구성하여, 고객의 다양한 생산요구 및 시스템 오류에 대응

[그림 1] 다쏘시스템의 가상디지털 공정 솔루션‘ 델미아(DELMIA)’

- 지능형 관리계층인 IIoS(Industrial Internet of Services) 계층은 기존 공정관리시스템인 PLM, SCM, MES, ERP를 플랫폼 서비스화하며, 생산성 향상, 에너지 절감, 안전한 생산 환경을 구현하고, 다품종 복합생산이 가능한 유연한 생산체계 구축을 제공1

[그림 2] 스마트 공장 개념도

■ 세계 스마트 공장 시장은 연평균 9.3% 성장 예상되며, 아시아태평양 시장은 가장 큰 시장이 될 것으로 예상

  • 스마트 공장 시장은 2016년 1,200억 달러이며, 2017년에서 2022년까지 연평균 9.3% 성장할 것으로 예상

- 스마트 공장 시장은 2016년 1,200억 달러이며, 2017년에서 2022년까지 연평균 9.3% 성장할 것으로 예상2
- 산업용 로봇의 사용 증가, IoT의 진화, 스마트 자동화 솔루션에 대한 수요 증가, 규정 준수가 스마트 공장 시장의 성장을 주도하는 주요 요인
- 가장 높은 비율로 성장할 것으로 예상되는 분야는 실시간 데이터 분석을 통해 기업의 비즈니스 데이터를 중앙 집중화하고 다중 작업을 추적을 가능하게 하는 MES(Manufacturing Execution System)임
- 사람의 실수를 줄이며 생산성을 높일 수 있는 산업용 로봇 시장은 세계 스마트 공장 시장의 최대 점유율을 차지할 것으로 예상

  • APAC(Asia-Pacific)은 큰 스마트 공장 시장이 될 것으로 예상

- 2016년 BCC Research 자료에 따르면 APAC가 2020년 가장 높은 시장 비중(39%)과 연평균 성장률(21%)을 기록할 것으로 예상

■ 각국은 제조업의 저성장 및 생산성 하락 문제의 해결책으로 제4차 산업혁명에 따른 제조업의 진화 형태인 스마트 공장 정책 마련

  • 선진 주요 국가는 제조업 관련 제4차 산업혁명 대응 정책을 수립하고 실행3

- (미국) 첨단 제조혁신을 통해 국가 경쟁력 강화 및 일자리 창출을 위한 첨단제조파트너십(AMP, Advanced Manufacturing Partnership), 첨단제조업을 위한 국가 전략 수립
* 첨단제조파트너십은 산학 및 정부가 협력하여 신생기술 확보를 위한 제조업 투자를 늘리고, 제조업에 대한 오해를 불식하여 전문가를 늘리며, 세금 개혁 등의 비즈니스 환경 조성 정책을 포함
- (독일) 제조업의 주도권을 이어가기 위해 『Industry 4.0』을 발표하고 ICT와 제조업의 융합, 국가 간 표준화를 통한 스마트팩토리 추진
* 인더스트리 4.0은 독일 정부에서 발표한 CPS(Cyber Physical System) 기반 스마트 공장 구축을 위한 범국가 차원의 이니셔티브로 임베디드 시스템 생산 기술과 스마트 생산 프로세스를 결합하여 제조업과 관련 산업의 가치사슬 및 비즈니스 모델을 획기적으로 변화시키기 위한 시도4
- ( 중국) 혁신형 고부가 산업으로의 재편을 위해 『제조업 2025』를 발표(2015년 5월)하고 30년간 3단계로 나누어 산업구조 고도화 계획 수행
* 제조업 2025는 특허 등 혁신역량, 품질, 생산성 등 질적 성과, IT제조업융합, 친환경 성장 목표로 차세대 정보기술, 고정밀 수치제어 및 로봇, 에너지절약 및 신에너지 자동차, 전력설비 등 10대 산업 성장 추진
- (일본) 일본산업부흥전략, 산업 경쟁력강화법을 발표하여 비교우위산업을 발굴, 신시장 창출, 인재육성 및 확보체계개혁 추진

  • 한국은 제조업 패러다임 변화에 따른 전략『 제조업 3.0』발표

- IT·SW 융합으로 융합 신산업을 창출하여 새로운 부가가치를 만들고, 우리 제조업만의 경쟁우위를 확보해 나갈 계획
- 스마트센서, CPS, 3D 프린팅, 에너지 절감, 사물인터넷, 빅데이터, 클라우드, 홀로그램 등 8대 스마트 제조기술에 대한 5년간(’16~’20년)의 기술 개발방향 제시

■ 스마트공장 기술은 제조업 기술, 하드웨어, 소프트웨어 등의 요소 기술 등의 융합 기술

  • 스마트 공장 요소는 스마트공장 시스템 모델에 따라 디바이스, 플랫폼, 어플리케이션으로 구분

- 하드웨어 디바이스로 스마트 센서5, 센서모듈과 게이트웨어를 연결하는 무선센서 네트워크, 산업용 로봇 기술 등이 필요
- 플랫폼은 스마트 공장 하위 디바이스에서 입수한 정보를 스마트 공장 서비스에 제공하고, 서비스에서 나온 데이터를 가지고 하드웨어 디바이스를 제어하도록 제공하는 시스템

  • 스마트공장 기술요소 중 IoT, CPS는 스마트 공장 효율화를 실행하는 매개체

- IoT 기술은 공장 내 외부 관리 자원을 연결하고 제조 및 서비스를 최적화하기 위한 기술이며 CPS 계층에 데이터 제공
- CPS 기술요소는 센서 등의 디바이스와 가상세계의 만들어진 데이터의 연결과 데이터 관리, 분석 및 실제 시스템의 제어 기술
- CPS 기술은 센서 융합, 패턴 인식의 물리적 감지, 인공지능 등으로 미래 예측 가능한 자동화 기술, 인공지능을 통한 협동 및 합의, 의도 파악과 인간 모델링을 통한 인간과 기계의 상호작용, 머신 러닝 기술6
- CPS를 위한 기본 소프트웨어 기술은 병렬, 분산, 실시간 컴퓨팅, 미들웨어, 플랫폼, SW설계 및 테스트, OS 기술 등

■ 스마트공장 기술은 제조업 기술, 하드웨어, 소프트웨어 등의 요소 기술도 중요하나, 각 기술의 연동을 통한 전 제조과정의 통합 및 생산성 향상을 목표로 기술 개발

  • 스마트공장 기술 중 소프트웨어 요소 기술로써 CPS는 모델링 및 시뮬레이션을 제공하여 공장 최적의 운영 방법 지원
  • 각 기술의 연동 및 신기술을 이용한 제조과정을 효율화하여 생산성을 높일 수 있는 스마트 공장 기술7

- 공정수행의 효율성과 품질 측면에서 제조공정의 최적화를 위해 정·동적인 운동 특성, 구동부의 제어 특성, 가공공정 특성을 통합하여 가공공정, 장비의 구동 등을 시현하는 가상장비 모델링 및 시뮬레이션
- 짧아지는 제품 수명 주기와 제품 다양화 등에 대비하기 위해 민첩한 생산, 품질 요구에 대한 동적 대응, 공정변화에 대한 실시간 대응, 자율 최적화 등을 가능하게 하는 첨단 지능화, 인지 및 지능 에이전트 기능들을 가진 유연 자율 생산 시스템

■ 시사점

  • 스마트공장을 확대하고 기대한 효과를 발생시키기 위해서는 제조기술과 하드웨어, 소프트웨어 각각의 기술을 발전시키고 융합하는 것이 필요

- 스마트 공장은 단순히 기존의 작업을 자동화시키는 것이 아니라, 단순 반복적인 작업은 자동화시키고, 데이터의 부족이나 작업의 복잡함 등으로 효율성이 나지 않는 일들은 생산성을 높이는 방안이 되어야 함
- 스마트공장의 효율성과 생산성을 높이기 위해서는 ICT 기술을 통한 기존 프로세스의 자동화가 아닌 제조 프로세스의 혁신이 필요


1 PLM(Product lifecycle management) : 제품의 전 생명 주기를 통해 제품의 관련된 정보와 프로세스를 관리, SCM(supply chain management) : 부품 제공업자로부터 생산자, 배포자, 고객에 이르는 물류의 흐름을 하나의 가치사슬 관점에서 파악하고 필요한 정보가 원활히 흐르도록 지원하는 시스템, MES(Manufacturing Execution System) : 완성품이 나올 때까지 공장의 모든 생산 활동을 데이터로 기록하여 관리하는 시스템, ERP(Enterprise Resource Planning) : 기업 내 생산, 물류, 재무, 회계, 영업, 구매, 재고 등 경영 활동 프로세스들을 관리하여, 기업에서 빠른 의사결정을 도와주는 시스템
2 Markets and Markets(2017.4), Smart Factory Market by Technology (DCS, PLC, MES, ERP, SCADA, PAM, HMI, PLM), Component (Sensors, Industrial Robots, Machine Vision Systems, Industrial 3D Printing), End-User Industry, and Region - Global Forecast to 2022
3 융합정책연구센터(2017.2.), 제4차 산업혁명과 국내외 스마트 공장 산업동향, p2
4 산업통상자원부, KIAT(2017.3.), GT 심층분석보고서, 독일 인더스트리 4.0-스마트 공장
5 제조업에서의 다양한 정보를 감지할 수 있는 센싱 소자와 신호처리가 결합하여 데이터 처리 자동보정 자가진단 의사결정 기능을 수행하는 소형 경량 다기능 센서
6 a catech(2015.3.), Integrated research agenda Cyber physical systems
7 울산과학기술원(2016.1.), 스마트팩토리 연관된 생산제조기술 동향


 

키워드 스마트팩토리 스마트공장 월간SW중심사회2017년9월