ICT 기반 스마트공장

(그림 1)은 독일에서 제시한 Industry4.0으로의 발전단계이다[2]. 이 그림을 기반으로 우리나라 제조업의 동향을 살펴 보자.

(그림 1)

독일의 인더스트리4.0 발전단계

<출처>: Recommendations for implementing the strategic initiative Industry 4.0 - Final report of the Industrie 4.0 Working Group

18세기 산업혁명 당시 우리나라는 산업이 없었기 때문에 우리는 Industry2.5 수준에서 출발했다. 이 당시는 선진국의 공장 모델을 그대로 들여와서 제품생산에 필요한 생산기기를 도입하는 것이 매우 중요했다. 이 때는 ICT가 도입되기 전이라 로터링 펜으로 종이에 도면을 그리고 생산지시서를 종이로 써서 내려주면 작업자가 그것을 보고 물건을 만드는 수준이었다.

80년대 들어오면서 공장에도 ICT가 적용되기 시작했다. 제조기업의 사무환경이 MIS(Management Information System)로 바뀌고, 설계에 CAD(Computer-Aided Design)가 도입이 되기 시작했고, 생산에도 CAM(Computer-Aided Manufacturing)이 도입되었다. 생산을 계획하고 운영해나가는 것 역시 컴퓨터로 해보고자 CAPP(Computer-Aided Process Planning), MRP(Material Requirement Planning) 등이 도입되었다.

CIM(Computer-Integrated Manufacturing)은 이러한 시스템 도입 후, 각 시스템들을 통합해서 생산성을 올려보자는 시도로 만들어 졌다. 이후 CIM이라는 이름은 e-Manufacturing, u-Manufacturing, 지능생산시스템 등 다양한 용어로 포장되면서 발전되어 왔다.

이들 시스템의 목표는 사람 없는 완전 자동화였다. 하지만 현실은 달랐다. 시스템은 너무 복잡했고, 기술은 미성숙했고, 이러한 기술적 미성숙을 사람에게 떠맡김으로써, 작업자는 피로감이 너무 컸다.

그 과정 중에 ICT 기술은 급발전했다. 컴퓨터는 모바일기기나 웨어러블기기로 발전하고, 기기나 사물들은 인터넷으로 연결되고, SoA(Service-Oriented Architecture)를 기반으로 하는 개방형 SW 플랫폼이 도입되었으며, 인공지능이나 기계학습 같은 기술이 성숙되었다. 이러한 시점에서 독일은 Industry4.0을 가지고 나왔다. 하지만 우리는 독일과는 다른 산업특성으로 Industry4.0을 그대로 수용하기는 어려우며, 우리 나름의 새로운 제조 ICT 융합을 고려해야 하는 시점에 있다.

현 정부에서는 창조경제를 기치로 세우고 있다. Fast Follower이기 보다는 First Mover로서 경제를 살리고, 고용을 창출하고, 국민 행복시대를 달성하자는 것이다. 이러한 배경에서 제조 ICT 융합은 다음 두 가지 관점에서 고려할 수 있다. 첫째는 CIM의 개념에 머물러 있는 국내 제조공장의 수준을 최첨단 수준으로 끌어올리는 것과 둘째는 완전히 새로운 개념의 미래 공장을 제시하는 것이다.

(그림 2)는 이러한 두 가지 관점을 잘 보여주는 공장이다. ((그림 2 (a))는 전기자동차를 만드는 미국 Tesla Motors사의 Fremont 공장이다. 이 공장은 세계 최고의 첨단기술이 적용된 공장으로, 자동차뿐만 아니라 무엇이든 만들 수 있는 유연 생산체계를 갖추고 있다. 기존의 공장을 최첨단으로 선진화시킨 공장이라고 할 수 있다.

반면, ((그림 2 (b))는 미국 Arizona주 Chandler에 있는 Local Motors사의 공장이다. Local Motors 역시 자동차를 만들지만, 완전히 새로운 개념으로 운영되는 오픈소스 자동차 공장이다. Local Motors는 웹으로 자동차를 만들겠다는 의지를 갖고 출발한 새로운 개념의 맞춤형 제조 공장이다.

(그림 2)

미래 공장 모델의 예[5][6]

다음 장에서는 이러한 맞춤형 제조 또는 개인화 제조와 관련한 내용을 소개한다.

2004년 와이어드 편집장인 Chris Anderson은 인터넷과 전자상거래가 바꾸어 놓은 롱테일 경제에 대해서 소개하였다[7]. 지금까지의 경제가 수백만개씩 팔릴 제품을 개발하는 기업들, 즉 20%의 Short Head를 중심으로 주도되었다면, 앞으로는 사소한 것으로 간주되던 나머지 80%의 롱테일이 점점 더 중요하게 될 것이라는 것이다. 과거에 제품 구매를 위해 소비자가 마트의 전시공간에 가던 것이 이제는 인터넷 검색으로 바뀌고 있고, 이로 인해 기존에 소량으로 판매되던 제품이 장기간에 지속적으로 매출을 발생시켜, 결과적으로 큰 시장을 형성하게 된다는 것이다. 나아가 Chris Anderson은 최근에 발간한 ‘Makers’에서 콘텐츠와 소프트웨어와 같은 비트(Bit)세상에 집중되던 롱테일 제품이 물리(Atom)세상으로 전파되고 있으며, 개방형 혁신(Open Innovation)으로 무장한 공통의 관심사를 가진 커뮤니티가 이러한 움직임의 강한 추진력으로 동작하고 있다고 역설하고 있다[8].

이러한 개념은 전통적인 제조과정에 변화를 가져올 것으로 예측된다. 즉, 음반이 MP3로, 책이 e-Book으로, 필름사진이 디지털사진으로 바뀌면서 ‘디지털 제품’에 혁신이 있었듯이, 공장에서 생산되는 ‘물리적 제품’의 제조방식이 ICT에 의해 혁신을 이루게 된다는 것이다.

이러한 예측에 전제되는 것은 웹, 사물인터넷, 소셜네트워크, 클라우드 등의 ICT 기술을 기반으로 한 맞춤형 제조 또는 개인화 제조이다. 대량생산이 필요한 곳에서는 여전히 지금과 같은 형태의 제조방식이 유지되지만, 획일화된 제품이 아닌 창의적 아이디어가 융합된 개인화된 제품의 제조를 담당하는 개인화 생산공장이 도입될 것이다. (그림 3)은 이러한 롱테일 제조의 특성을 보여준다.

(그림 3)

롱테일 제조의 특성

2001년 MIT 미디어랩 Neil Gershenfeld 교수에 의해서 설립된 Fab Lab을 시작으로 현재는 전세계 수천여 개의 소형 공작소가 운영 중이다[9]. 이 공간에서는 개인화 제조의 주요 장비인 3D프린터, CNC장치, 레이저커터, 3D스캐너 등을 구비하고, 제품 활용에 대한 교육과 훈련, 개인 참여 개발 및 제조를 지원해주고 있다.

아직은 주로 교육기관, 지역 커뮤니티센터, 문화시설, 비영리기관, NGO 등이 운영을 하고 있으며, DIY 수준의 시제품 제조에 초점이 맞추어져 있으나, 이 작은 공간들은 향후 미래형 공장에 적지 않은 영향을 줄 것으로 예상되고 있다[10][11].

3D프린터와 지능형로봇 등 첨단 디지털 제조도구와 공장자동화 및 지능화를 위한 ICT 기술(스마트 디바이스, 유무선 네트워크 인프라, 웹 기반의 아이디어/부품/제품 유통, 생산 빅데이터 분석, 지능 제조운영/관리 등)이 융합할 경우, 새로운 제조 패러다임을 이끌어갈 미래형 공장으로 재탄생할 것이다.

이러한 개인화 생산공장은 대량생산 위주의 전통 제조시장과 DIY 수준의 소량 제조시장의 간극을 극복할 수단이 되며, 새로운 스타트업을 장려하는 구조로써 새로운 형태의 고용창출 역시 가능할 것이다.

기존의 공장에서는 소비자 니즈를 분석하고, 이로부터 제품을 기획 및 디자인하고, 이를 기반으로 제품을 설계하고, 부품을 조달하고, 생산하고 출하한다. 이러한 과정에서 고객관계 관리시스템, CAD/CAM시스템, 제품수명주기 관리시스템(PLM: Product Lifecycle Management), 공급망 관리시스템(SCM: Supply Chain Management), 전사적 자원관리시스템(ERP: Enterprise Resource Management), 생산실행시스템(MES), 유통관리시스템(LMS: Logistics Management System) 등 다양한 시스템들이 이미 개발되어 활용되고 있다.

미래 맞춤 또는 개인화 제조공장에서의 프로세스는 이러한 전통적인 과정이 아닌 새로운 과정으로 변화될 것이다. 고객이 자신의 요구사항을 전달하면, 크라우드소싱 방식으로 제품이 기획되고 디자인되며, 인터넷에 존재하는 부품 공급자들로부터 부품을 공급받아서, 첨단화된 소규모 공장에서 제조되어, 고객에게 직접 전달되는 과정을 생각해보자.

이러한 공장은 웹을 기반으로 한다. 웹을 통해 주문을 받고, 웹을 통해 제품을 기획하며, 웹을 통해 부품을 조달하여 생산한다. 이러한 개념은 기존의 고객관계관리, 공급망관리 또는 유통관리의 개념을 완전히 바꾸어 놓는다. 만들어진 제품의 판매 역시 웹상의 쇼핑몰에 올려서 전세계 고객에게 직접 판매한다.

고객의 입장에서는 누구나 공장을 가질 수 있게 되고, 생산수단을 통제할 수 있게 된다. 공장을 갖출 수 없어 창의적 아이디어나 제품을 구현해볼 수 없었던 문제들이 해소된다.

(그림 4)는 미래창조과학부에서 운영 중인 창조경제타운과 연계한 스마트공장을 구체적 사례를 들어 설명한 것이다. 이러한 개념을 미래 제조공장과 연계한다면, 기존의 제품 설계-생산-유통과는 완전히 다른 생산과정이 제시될 수 있을 것이다.

(그림 4)

Idea-To-Market 과정의 예

그러면 이러한 미래 스마트공장의 내부는 어떻게 변화할지를 살펴보자. 일반적으로 공장 내에는 5M(Man, Machine, Material, Measurement, Method)이 존재한다. (그림 5)는 ICT 기반 스마트공장의 특성을 보여준다.

(그림 5)

ICT 기반 스마트공장의 특성

사람(Man)은 더 이상 산업용 컴퓨터 앞에 앉아있지 않을 것이다. 바로 모바일 디바이스 또는 웨어러블 디바이스의 발전 때문이다. 생산설비(Machine)은 더 이상 독자적인 생산장비가 아니다. 다른 장비들과 서로 소통하면서 일을 하는 Smart Social Machine이 될 것이다. 센서, 네트워크, 지능에이전트 SW 등과 같은 ICT 기술 덕분이다. 소재/부품(Material)과 관련한 정보는 제품 자체가 갖게 된다. 즉, 제품 자체가 부품뿐만 아니라 모든 관련 정보를 안고 있는 Smart Product가 될 것이기 때문이다. 이는 RFID, Smart Memory, 센서 등 ICT 기술을 기반으로 한다. 검사(Measurement)의 많은 부분이 3D Depth Camera 등과 같은 첨단 검사장비가 맡게 될 것이다. 이 역시 스마트 센서와 같은 ICT 기술의 발전 덕분이다. 생산방식(Method)은 유연생산 체계를 갖춘 맞춤형 생산방식으로 전환될 것이다. 분산 시스템(Distributed System)이나 분산 인공지능(Distributed AI)과 같은 ICT 기술이 중요한 역할을 할 것이다. 또한 이러한 공장은 더 이상 폐쇄된 공간이 아니며, 어디에서든 모니터링과 제어가 가능한 개방형 공장이 될 것이다. 인터넷이라는 ICT 기술 덕분이다(<표 1> 참조).

<표 1>

스마트공장 구성의 특성 및 관련 기술

좀 더 자세히 설명한다. 단, 생산최적화, 생산설비 또는 생산시스템 등 생산공학 쪽에서 늘 논의되어왔던 내용은 생략하고 ICT를 중심으로 전개한다.

가. Man: 공장 작업자가 일하는 방식이 어떻게 변하는가?

공장에 밸브가 적절하게 작동을 하지 않아서 시스템이 과열되는 상황이 발생했다고 하자. 작업 담당자가 어디에 있던 알람은 스마트폰으로 전달되고, 위치 기반 시스템을 통해서 해당 위치로 안내해서 빨리 조치를 취하게 해준다.

작업자는 모바일 디바이스를 이용해서 깨진 밸브를 RFID나 카메라 등으로 인식하고 증강현실을 통해 이 밸브에 관련된 정보를 받아 어디서 어떻게 구매해서 대치할 지 알아본다. 현재 문제가 있는 장면을 동영상으로 찍어서 부품업체에 수리를 요청한다.

작업자는 식당에서 식사를 하던 중 스마트폰을 통해 수리가 끝나서 재가동되고 있다는 소식을 받는다.

작업자가 생산시스템의 한 부품(Blue Color)으로 존재하지 않고 일반 회사 관리자(White Color)와 같은 일을 하게 된다. 우리는 ICT 기술에 의해 증강된 방식으로 편하고 효과적으로 일하는 작업자를 Augmented Operator라고 한다((그림 6) 참조). 미래의 스마트공장은 이와 같은 인간 중심의 공장이 매우 중요하다.

(그림 6)

Smart Operator

나. Machine: 공장 내 설비는 어떻게 변하는가?

지금까지 공장에서의 설비는 특정 일만을 잘 하는 자동화기기로 고려되었다. 따라서 설비 자체의 기능이 매우 중요했다. 미래의 스마트공장은 이들 설비 간의 커뮤니케이션에 의한 일처리가 매우 중요해진다.

설비들은 스스로의 상황을 이해하고, 이를 다른 설비가 알 수 있도록 하여 전체 공정이 잘 조화될 수 있게 하는 것이다. 우리에게 익숙한 SNS(Social Network Services)와 같은 개념으로, 사람과 사람간 연결을 모사한 기계간의 연결 개념이다.

미래의 스마트공장은 이와 같은 설비 간의 연결과 이로부터 발생되는 지능화(Intelligence)가 매우 중요하며, 우리는 이를 Smart Social Machine이라고 한다((그림 7) 참조).

(그림 7)

Smart Social Machine

다. Material & Product: 공장 내 자재와 제품은 어떻게 변하는가?

공장에서 자재가 최종 제품이 되는 과정에서 많은 정보가 요구되고 발생된다. 현재 이들 정보는 공장의 Shop Floor로부터 MES(Manufacturing Execution System) 시스템에 이르기까지 다양한 시스템에서 관리되고 운영된다. 이들 정보의 통합과 관리의 문제는 늘 머리가 아프다.

미래의 공장에서는 제품 자체가 정보전달자가 되어 공장 내 다양한 정보를 연결하게 될 것이다. 즉, 제품 자체 내에 제조과정에 대한 히스토리가 저장되고, 생산설비들은 이 정보를 이용해 생산현장 내 상황을 이해하고, 이를 기반으로 공정이 진행된다.

미래의 스마트공장 내 제조되는 제품에는 자신을 알리는 ID, 자신이 가진 정보를 저장하는 메모리, 이 정보를 주고 받을 통신수단이 장착된다. 우리는 이러한 제품을 Smart Product라고 한다((그림 8) 참조).

(그림 8)

Smart Product

라. Monitoring & Operation: 공장 내 모니터링과 제어 방식은 어떻게 변하는가?

일반적으로 기존 공장은 On-Site(관리 대상이 되는 장치를 직접 동작시킬 수 있는 물리적으로 같은 장소) 관리였다. 하지만 미래 스마트공장은 인터넷으로 접근 가능한 어떤 장소에서도 장치를 살피고 동작시킬 수 있게 될 것이다.

공장에 예기치 못한 문제(동작오류, 위험감지 등)가 발생하는 경우 원격에서 접근해서 유지보수를 할 수 있다면, 비용절감, 나아가 무인관리까지도 생각해볼 수 있을 것이다.

나아가 제품을 주문한 고객 역시 자신의 제품이 어떻게 생산되고 있는지 모니터링하고 직접 생산에 참여할 수도 있을 것이다.

미래의 스마트공장은 이와 같이 인터넷에 연결되어 공장 내 현장과 제조공정이 투명하게 노출될 수 있을 것이고, 우리는 이러한 공장을 Transparent Factory라고 한다((그림 9) 참조).

(그림 9)

Transparent Factory