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.

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.

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.

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.