사물인터넷(IoT), 센서, 빅데이터, 클라우드, 모빌리티, 인공지능 기술이 제조업에도 적용되기 시작했다. 우리는 이를 ‘스마트 팩토리’라고 부른다. 3차 산업까지는 사람이 직접 생산을 통제하는 방식이었지만 2020년에 다가올 것으로 예측되는 4차 산업 스마트 팩토리는 시뮬레이션을 통한 자동 생산 시스템을 구축한다는 면에서 지금까지의 산업과 확연히 다르다.

지난 ‘스마트팩토리 1부’ 기사에서는 독일, 미국, 일본 등의 선진국의 정부 정책을 소개하고 한국 정부의 스마트 팩토리 구축 지원 사항, 중소기업 제조업의 자동화 기술지원, 개선점에 대해 다뤘다. 이번 기사에서는 공장 자동화에 필요한 핵심 기술과 기업별 자동화 기술에 대해 소개하겠다.

센서·소프트웨어·클라우드·모빌리티 ‘연결’ 중요

인터넷의 발달은 우리의 생활을 크게 바꿔 놓았다. 컴퓨터, 스마트폰으로 인터넷을 활용하는 것을 넘어서서 이제는 사물 간을 연결시키는 사물인터넷(IoT)으로 스마트홈, 커넥티드카 등이 등장했고, 이는 제조업에 접목되면서 스마트 팩토리 시대를 앞두고 있다.

스마트 팩토리는 공장이 스스로 판단하고 이에 따라 작업을 수행할 수 있는 지능화된 공장을 의미한다. 즉, 제조 현장에서의 정보뿐만 아니라 가치 사슬 상에서 실시간으로 발생하고 입력되는 모든 정보에 따라 최적의 의사결정을 내리는 것이다.

이를 구현하기 위해서는 센서, 최첨단 공정, 데이터를 축적하는 ‘디지털화’, IoT를 통한 네트워크 ‘연결화’, 수집된 데이터 분석을 통한 문제점을 발견 및 의사결정을 내리는 ‘스마트화 등 3가지 핵심 요소가 중요하다. 더불어 수집된 데이터를 분석하는 빅데이터, 안전하게 정보를 보호하는 보안기술도 뒷받침돼야 한다.

▲ 인더스트리 4.0

스마트 팩토리는 기술 적용에 따라 크게 4가지 단계로 분류할 수 있다. ▲ICT 미적용 단계에서는 생산설비, 물류 등의 모니터링 관리가 수작업으로 이뤄지고 종이문서에 의해 운영된다. ▲기초 단계에서는 생산설비, 물류 정보를 바코드를 통해 정보를 수집해서 생산관리를 운영한다. 대다수 국내 중소기업들은 1, 2단계에 해당된다. ▲중간 단계는 센서와 IoT, 빅데이터를 활용해 자동화 설비를 구축하고 실시간으로 제조상황을 파악이 가능한 공장이다. 국내 대기업들이 중간단계에 해당된다. ▲고도화 단계는 실제와 가상이 결합된 고도화된 ICT가 접목된 생산시설로 완전한 자동화 시스템이다. 지멘스, GE 등 해외 일부 기업만이 이 시스템을 구축한 것으로 알려져 있다.[표1]

디지털화, 센서·메모리 탑재 최첨단 공정시스템

공장을 디지털 및 자동화하기 위해서는 하드웨어 총괄 역할을 하는 PLC(Programmable Logic Controller) 구축이 매우 중요하다. PLC란 디지털 또는 아날로그 입출력 모듈과 프로그래밍을 통해 산업 및 제조 현장의 기계 장치를 제어함으로써 생산 효율 최적화를 구현하는 디지털 동작의 전자 장치다.

쉽게 말하면 컴퓨터에 두뇌 역할이 CPU라면 공장자동화에서 전체 하드웨어의 총괄 역할을 하는 것은 PLC인 것이다. PLC는 릴레이, 카운팅, 타이머, 래치 릴레이 등의 기능을 프로그램으로 처리가능하고 데이터 처리가 용이하다.

또 자가 진단 기능으로 이상 처리 신호를 출력해 내고 시퀀스 진행상황 및 내부 논리 상태 모니터링 가능하다. 따라서 PLC는 공장 자동화와 고능률화, FMS(Flexible Manufacturing System)으로 인해 소규모 공작기계에서 대규모 시스템 설비에 이르기까지 적용 범위가 확대되고 있다. 또 인버터는 전원의 전압과 주파수를 변화시켜 모터의 회전 속도를 제어하는 장치로 각 생산 현장 환경에 맞게 기계 장치의 속도를 최적화시켜 불필요하게 낭비되는 에너지를 절감하는 효과가 있다.

공장 자동화 기술 기업 로크웰오토메이션은 PLC 공급을 주축으로 설계 장비 컨트롤 시스템, 모터 컨트롤 장비, 센서 장비, 산업 제어 컴포넌트 등의 하드웨어뿐 아니라 소프트웨어, 보안 기술까지 다루고 있다. 로크웰오토메이션의 전략 브랜드 중 하나인 알렌 브래들리(Allen-Bradley)는 1970년대부터 PLC를 개발해 왔으며 대표적인 제품군으로는 컨트롤로직 제어 시스템, 안전 제어 시스템, 소프트로직 제어시스템, 소형 제어 시스템, 마이크로 및 나노 제어 시스템 등 다양하다. 로크웰코리아측에 따르면 최근 보급형 PLC 제품군을 강화해 국내 중견·중소기업으로도 고객을 확대하겠다는 전략이다.

▲ 공정 시스템의 센싱 기술 <출처: 로크웰오토메이션>

또 일본 미쓰비시(Mitsubishi)는 PLC 제품으로 MELSEC 시리즈를 비롯해 엔지니어링 소프트웨어, 관련 네트워크 제품을 선보이고 있다.

국내 기업으로는 LS산전이 대표적이다. LG산전은 지난 1987년 PLC 독자 개발·생산에 성공했으며 중·대형 응용분야에 적합한 GLOFA-GM 시리즈, 소형 단위기계 응용에 적합한 마스터-K 시리즈, 초고속 오픈 네트워크 솔루션을 지향하는 PLC XGT 시리즈를 선보이고 있다.

LS산전은 스마트공장 구축 핵심 솔루션 기업으로 주목 받음으로써 지난해 9월 한국품질만족지수에서 PLC와 인버터 부분에서 4년 연속 1위로 선정되기도 했다. LS산전의 대표적인 구축 사례로는 자사의 청주 1사업장에 스마트 생산라인을 구축한 결과 38개 품목의 1일 생산량이 7500개 수준에서 2만개로 확대됐고 에너지사용량이 60% 이상 절감됐으며 불량률도 글로벌 스마트공장 수준인 97PPM(백만분율; Parts Per Million)로 감소되는 효과를 거뒀다.

이 외에도 최첨단 공정 시스템은 센서와 메모리도 중요하다. 센서와 메모리를 기계설비 뿐만 아니라 소재반제품까지 부착시켜 자율제어 생산체계를 구현하면 이들은 주문에 따라 설비에 가공 명령을 주고 생산 공정의 병목현상을 자가 진단하고 최적 생산 경로를 안내해준다.

이는 여러 개의 센서에서 전송하는 데이터를 기계가 읽고 소비자 선호도, 공정상태, 가공방향 등을 스스로 분석해 실시간으로 최적 경로를 계산한 다음, 결과 값을 플랫폼에 전송시켜주는 방식인 것이다. 즉, 고객 맞춤형 생산, 물류·유통현황 파악이 손쉽게 가능해 진다는 것을 뜻한다. 한마디로 ‘센서 융합’이 이뤄져야 한다.

▲ 공장 자동화에 사용되는 다양한 종류의 센서들 <출처: 로크웰오토메이션>

반도체 업계에서는 인더스트리얼(Inderstrial) 시장을 성장 가능성이 높은 시장으로 보고 산업용 고성능 센서, 전력 및 통신칩을 시장에 선보이고 있다. 통상적으로 반도체칩은 산업용와 일반용으로 따로 구분해서 출시하지 않지만 산업용 제품은 거친 산업 환경 조건으로 인해 일반 컨슈머 제품 보다 온도에 더 강해야하고 고효율 전력, 긴거리 통신 등 더 엄격한 품질이 요구된다는 것이 반도체 관계자의 설명이다.

실제로 최근 반도체 업계는 인더스트리 시장을 겨냥한 제품 및 마케팅이 전보다 더 활발해진 분위기다.

텍사스인스트루먼트(TI)는 인더스트리 4.0에 최적화된 무선 커넥티비티 모듈에 안테나를 통합한 심플링크(SimpleLink)을 지난 2015년 10월 선보였다. 이 모듈 제품은 초저전력 소모와 함께 긴 거리를 가능하게 하고 블루투스 저에너지 모듈 이외에도 와이파이, 듀얼 모드 블루투스, 와이파이+블루투스 콤보 커넥티비티 등을 모두 지원한다. PLC 개발을 위한 플랫폼도 개발되고 있다.

맥심인터그레이티드는 인더스트리 4.0 애플리케이션의 제조 생산성을 극대화하는 ‘포켓 IO’ 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC) 개발 플랫폼을 지난 2016년 10월 발표했다. 이 제품은 생산성 극대화를 위해 효과적인 결정을 빠르게 내릴 수 있도록 데이터를 신속하게 처리하고 5V 공급만으로도 동작 가능하며 안전한 자기 제거 클램프를 이용해 맥심의 이전 버전보다 16개의 다이오드를 없애 공간을 15배 절약할 수 있다는 점이 특징이다.

▲ 맥심 포켓 IO PLC 개발 플랫폼

연결화 - 모든 공급업체 시스템간 연결 최적화

스마트 팩토리가 성공하기 위해서는 독립적인 공장 하나의 시스템만이 중요한 것이 아니라 그 공장에 부품과 재료를 제공하는 공급업체들까지도 서로 연결이 최적화돼야 한다. 한마디로 스마트 팩토리의 핵심은 ‘연결화(Connectivity)’이며 이를 가능하기 위한 산업용 사물인터넷(IIoT) 기술이 요구되고 있다.

IIoT 기술의 핵심은 다양한 데이터를 수집해 표준화된 포맷으로 타 시스템에 전달하는 것이다. 제조 공장의 설비를 다양한 물건이나 서비스와 연결해야 하기 때문에 인터페이스 표준화와 데이터 저장 및 변환 기술이 필요하다.

수집된 데이터들을 기존에는 종이에 기록했다면 이제는 가상의 데이터센터인 클라우드를 활용하는 시대가 됐다. 제조업을 위한 데이터센터는 두 가지 방식이 있는데, 공장에 직접 설치하는 온프라미스(On Promise)의 경우에는 자체 기능 보완, 추가, 변경이 자유롭고 자체적으로 서버관리하기 때문에 보안에 강하다는 장점이 있다. 반면 모든 기능을 자체 개발해야 하는 불편함이 따른다.

클라우드 방식의 경우에는 SaaS(Software as Service) 시스템으로 머신러닝과 알고리즘 활용이 가능하고 글로벌 확장이 용이하다는 장점이 있다. 그러나 보안에 있어서 불안감을 안겨줄 수 있다.

일례로 로크웰오토메이션은 ‘커넥티드 엔터프라이즈’를 비전으로 IT와 OT의 완벽한 융합을 목표로 하고 있다. 데이터 분석 및 클라우드 컴퓨팅을 지원하기 위해 시스코와 전략적 제휴를 맺고 있으며 보안문제에 대응하기 위해 네트워크 아키텍처를 공동 개발하고 있다.

양사가 공동 개발한 유무선 이더넷 아키텍처인 ‘CPwE(Converged Plantwide Ethernet)’ 보안 확장판은 IEC 62443과 같은 개방형 산업 표준을 이용하고 안전한 네트워크를 구축할 수 있는 디자인 가이던스와 인증된 아키텍처를 포함한다. 또 로크웰과 시스코는 산업용 보안기기에 사용될 수 있는 심층패킷검사(deep-packet inspection, DPI) 기술 개발에 협력을 강화하고 있다.

스마트화, 데이터 수집·분석위한 산업용 소프트웨어·빅데이터

2015년 미국 실리콘밸리에서 열린 ‘마인즈+ 머신(Minds + Machine conference) 컨퍼런스’에 참석한 제프 이멜트(Jeff Immelt) 제너럴일렉트릭(이하 GE)의 회장은 “GE는 전세계에서 10위권 소프트웨어 기업으로 발돋움할 것”이라고 밝혀 많은 화제가 됐다.

미국을 대표하는 제조기업 GE는 가전, 제트엔진, 풍력 터빈, 석유 시추 장비 분야로 사업을 확장했고 이번에 새롭게 소프트웨어 사업으로 확장하면서 새로운 경쟁사로 SAP, IBM 등을 지목했다. GE는 2020년까지 소프트웨어 사업으로만 150억달러(약17조9200억원)를 벌어들이겠다는 목표다.

독일의 전기전자 및 제조기업 지멘스(Siemens) 또한 디지털 변화에 발맞춰 2014년 10월 디지털팩토리사업본부(Digital Factory)를 설치했으며 하드웨어·소프트웨어·서비스를 통합해 지원하고 있다. 지멘스는 자회사 지멘스PLM 소프트웨어의 산업용 소프트웨어 포트폴리오를 확장하기 위해 미국의 IC 설계 분석 기업 멘토그래픽스(Mentor Graphics)를 지난해 11월 인수해 업계의 큰 이슈가 된 바 있다.

지멘스 측은 “이번 인수를 통해 자사가 보유한 기계 및 소프트웨어 솔루션에 전기와 전자 시스템에 대한 설계, 테스트, 시뮬레이션 역량을 강화하고 완전히 자동화된 전기 시스템 설계 솔루션을 제공하겠다”는 소감을 전했다.

이처럼 글로벌 제조전문 기업들이 잇따라 소프트웨어 전문 기업으로 탈바꿈을 시도하는 이유는 공장 자동화 시스템에 있어서 소프트웨어의 중요도가 더욱 높아지고 있기 때문이다.

▲ 생산관리시스템(MES)

자동화 공장을 구현하는 소프트웨어로는 생산관리시스템(MES), 전사적 자원관리시스템(ERP), 사이버물리시스템(CPS), 전자배치기록(EBR) 등이 대표적이다. 스마트 팩토리는 중앙정보처리장치의 일방적 명령이 아닌 작업장 내 모든 설비가 상호간, 또는 중앙정보시스템과 실시간 통신하고 공장별 MES와 연동시켜 최적화된 제조업 솔루션을 도출해야 하기 때문에 인터넷을 통해 연동돼야 한다.

공장 내 최적화 솔루션은 실시간으로 전사적 자원관리시스템(ERP)과 연동되기 때문에 그룹사 전체의 경영·재무·재고·유통·인사전략 수립에 기여할 수 있다. MES의 오류 방지 기능은 자재 명세표, 작업 지시서 및 절차를 운전자가 각 생산 공정에서 생산량을 증가시켜 비용과 시간 모두 절약할 수 있다.

또 작업자들은 자동으로 재고와 자재 거래를 관리하기 때문에 생산 라인이 보다 유연해 진다. 이 시스템을 활용하면 자동으로 공급업체에게 요청을 보내고 동시에 이에 대한 구매 주문서를 회계팀에 전송할 수 있게 된다.

더불어 사물인터넷(IoT)으로 연결시키는 사이버물리시스템(CPS)을 통해 제품의 생애전주기(PLC) 관리를 수행할 수도 있다. CPS가 주목 받는 이유는 센서기술 등 복잡한 CPS를 가능하게 하는 기술이 급속히 발전하면서 물리세계의 데이터를 쉽게 ICT 데이터센터에 넣을 수 있고 모아진 대량 데이터의 분석도 가능해 졌기 때문이다. 이런 최첨단 시스템은 실시간 제품 정보가 출하에서 폐기 단계까지 공유되고 저장된 모든 정보가 생산 과정에 환류되면서 자원 효율의 극대화에 도움을 주고 있다.

전자배치기록(EBR)은 종이 문서를 보다 민첩한 소프트웨어 중심의 시스템으로 교체한다. 이 시스템은 워크플로우를 관리하고 레시피 생성에서 배치 품질까지 모든 자료를 기록할 수 있다.

EBR 시스템은 데이터 수집을 자동화해 문서화 절차를 가속화하고 오류 발생을 감소시킬 수 있다. 또 기록된 데이터는 재고 회전 시간을 향상시킬 뿐 아니라 제품 수명주기의 모든 단계를 최적화함으로써 주기 시간을 단축하는데 도움을 줄 수 있다.

▲ 자동화 공장 소프트웨어 시스템

로크웰오토메이션의 통합 아키텍처와 자동차 제조 정보 솔루션이 결합된 소프트웨어 로크웰 오토수트(AutoSuite)는 자재, 운영 및 완제품에 대한 정확한 정보를 제공하고 적시 적소에서 올바른 컴포넌트를 적정량 출고할 수 있도록 해 납품 시간을 단축해준다.

이런 토털 솔루션을 구축한 로크웰의 국내 고객사로는 현대기아 자동차를 포함해 삼성전자, LG전자, CJ, 넥슨타이어, 유한캠벌리 등의 대기업이 다수이며 미국의 경우에는 자동차와 식품산업이 다수라는 게 회사 측의 설명이다.

로크웰오토메이션코리아 관계자는 “MES는 특히 높은 신뢰성이 요구되는 자동차 제조업체들이 필요로 하는 솔루션이다”며 “자동차 리콜사건은 큰 이슈가 되고 있는데 이는 수십억의 보상비용이 발생하고 자동차 기업의 이미지에 큰 타격을 입히기 때문이다”고 설명했다. 이어서 “점점 더 복잡해져 가는 제조 환경에서 품질을 유지하기는 상당히 어려운 일이지만 MES가 도울 수 있다”고 덧붙였다.

GE 역시 스마트 팩토리를 지원하기 위해 클라우드 기반의 데이터 분석 서비스 프리딕스(Predix)를 출시했다. 항공기 엔진이나 발전소 터빈 등에 수많은 센서를 부착하고 이를 통해 수집된 데이터를 분석함으로써 연료 절감, 고장 예방 등의 효과가 있다.

GE의 대표적인 스마트 팩토리는 2015년 건설한 인도 푸네에 위치한 67에이커(27만1139제곱미터)의 규모의 멀티모달 공장(Multi-Modal Factory)으로 GE의 ‘생각하는 공장(Brilliant Factory)’을 처음으로 적용한 곳이다. 이 공장에서는 공장시설과 컴퓨터가 산업인터넷을 통해 실시간으로 대화를 나누고 정보를 공유하고 품질유지와 돌발적인 가동 중지를 예방할 수 있는 의사결정을 내릴 수 있다. 또 GE의 분석 서비스를 알이탈리아 항공에 제공한 결과 도입 첫해 연료비의 1.5%, 금액으로 환산시 약 1500만달러를 절약할 수 있었다고 한다.

▲ 인도 푸네에 위치한 GE ‘생각하는 공장’

국내에도 다수의 산업용 소프트웨어 기업들이 국내 표준화에 최적화된 소프트웨어를 제공하고 있다. 국내의 제조업의 경우 현대자동차, 삼성전자, LG전자 등으로 납품하는 기업이 약 30~40%를 차지하는 특수성이 있으며 이들 기업은 자사만의 인증제도 및 표준을 사용하고 있다. 따라서 국내 소프트웨어 기업들은 국내 기업들의 각각 표준화에 맞는 솔루션을 제공함으로써 글로벌 기업들과의 차별성을 두고 있다.

또 글로벌 소프트웨어 기업의 경우에는 유지보수비용을 별도로 받는 경우가 많고 의무적인 경우가 많은데 국내 기업들은 10~15% 라이센스 비용을 부여하는 시스템이 많다는 것이 업계 관계자의 설명이다.

국내 산업용 소프트웨어 기업 솔바테크놀러지의 경우에는 QMS(Quality Management System)를 바탕으로 한 EMS 솔루션을 제공하고 있으며 이 외에도 공정 정보를 DB화 구축하는 표준관리시스템, 검사&공정관리 모니터링, 신제품 개발관리 시스템, Lot추적 관리 시스템 등을 제공하고 있다.

김유신 솔바테크놀러지 이사는 “현대 자동차의 경우에는 자동차라는 제품 특성 때문에 상품의 질을 유독 더 중요시하고 있기 때문에 자사의 납품사들에게 인증제도 표준을 만들어서 운영하고 있다”며 “솔바는 현대 자동차 품질 표준화 TS16949를 적용한 맞춤식 소프트웨어를 제공함으로써 고객사의 93%가 현대 자동차의 납품 및 협력사 들이다”고 설명했다.

자동차 공정 모니터링 솔루션 기업인 씨엔비스 또한 공정 검사의 결과값을 분석하고 이상현상을 스스로 분석 및 진단하는 지능형 공정 예측 분석 시스템인 인텔리전스-SPC를 자동차 시장에 공급하고 있다.

스마트 팩토리 구축을 위한 IoT 솔루션과 관련해서 임베디드 솔루션 전문 기업 MDS테크놀로지는 수백만개의 센서를 통한 데이터 수집, 산업자동화 통신표준 OPC UA을 지원하는 네트워크, 산업설비에서 발생하는 실시간 빅데이터 수집 및 분석 서비스를 담당하고 있다.

MDS테크놀로지 측은 최근 스마트 팩토리의 생산성 향상을 위한 방법중에서 필드 데이터 통합 및 분석, 시각화 관련 기술이 핵심 이슈가 되고 있는데 자체 개발한 설비예지진단 시스템과 다양한 산업용 IoT 솔루션을 제공해 사업을 확대해 간다는 전략이다.

국내 대기업인 LGCNS도 스마트 팩토리 솔루션인 ‘ezMES(Manufacturing Execution System, 생산실행시스템)’는 제조 공정 진행 상황과 각종 설비시설을 모니터링하고 컨트롤 기능을 공급하고 있다. LGCNS는 스마트팩토리 솔루션을 도입한 기업들이 도입 전보다 30%의 원가절감 효과를 얻었고 설비 가동률도 80% 이상을 기록했다고 밝혔다.

▲ LG CNS 스마트 팩토리 솔루션

인공지능 수준의 시스템까지…넘어야 할 산 많다

아직까지 제조업은 현실적으로 스스로 정보를 판단하는 인공지능 수준의 시스템 구축은 쉽지 않은 상황이다. 진정한 디지털화 스마트 팩토리가 구축되려면 넘어야 할 산이 많다.

지난 2016년 11월에 개최된 ‘제9회 대한민국 제조혁신 컨퍼런스’에서는 스마트 팩토리로 나아가기 위한 개선점을 다음과 같이 언급했다.

첫째, 통신수단이나 데이터형식 등의 접속 문제를 보다 원활하게 하기 위한 글로벌 표준화가 실행돼야 한다. 둘째, 시스템이 다양하게 연결되고 시스템 전체가 복잡해지고 어려워짐으로써 복잡한 시스템 관리에 대한 문제가 지적되고 있다. 셋째, 산업용으로 견딜 수 있는 신뢰성(SLA) 높은 통신 인프라 정비가 필수적이다.

마지막으로 외부 네트워크와 접속하면 악성 소프트웨어 침입 등 사이버 공격의 위험성이 높아지므로 안전이나 시큐리티 확보가 급선무다. 이에 따라 기업들은 보안 강화에 노력을 하고 있으며 정보 유출을 차단하기 위한 보안 기술은 더 진화되고 있다.

국내의 경우에는 순수 소프트웨어 인력과 하드웨어를 움직이는 내장 소프트웨어 전문 인력 모두가 절대 부족하다. 업계에서는 지금부터 대대적인 인력 양성을 추진하지 않으면 제 4차 산업혁명시대에 뒤처질 수 있다는 우려가 나오고 있는 상황이다.

국내 대기업의 경우 자동화 수준이 높고 자본력이 뒷받침되기 때문에 디지털화를 추진할 준비가 잘되어 있지만 문제는 중견·중소기업이다. 제조업의 혁신으로 국가경쟁력을 높이기 위해서는 중견·중소기업에 정부의 지원도 필요하지만 제일 중요한 것은 기업 스스로 변화에 대한 필요성을 깨닫고 단계적으로 자동화를 추진해 나가야 한다.

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독일·미국·일본 등 선진국 중심으로 공장자동화 물결(1)
4차 산업 혁명 ‘스마트팩토리’ 한국 어디까지 왔나?(2)

이나리 기자  narilee@epnc.co.kr