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제목 스마트팩토리 구축을 위한 디지털 제조 시스템 및 솔루션 개발/사례
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2019/06/01 14:42

 

 

스마트팩토리 개요 및 추진동향

4월 29일과 30일 서울 여의도 전경련회관에서 산업교육연구소가 주최하는 ‘2019 스마트팩토리 구축을 위한 디지털 제조 시스템 및 솔루션 개발/사례 세미나’가 개최됐다.

 

스마트공장 국가표준(KS X 9001)에서 규정하고 있는 스마트팩토리는 전통 제조산업에 ICT기술을 결합해 제품 기획, 설계, 생산, 유통, 판매 등 전 과정을 ICT기술로 통합함으로써 최소 비용과 시간으로 고객맞춤형 제품생산을 지향하는 공장이다. 기술적으로는 공장자동화가 진화한 형태로 ICT와 제조업 기술이 융합해 IoT, 빅데이터, 클라우드, CPS(Cyber Physical System) 등을 통해 공장 내 장비, 부품들이 연결 및 소통하는 생산체계를 말한다.

 

세계 스마트팩토리 수요시장은 2020년까지 연평균 8% 성장을 예상하고, 스마트팩토리 공급시장을 구성하고 있는 디바이스 및 ICT시장도 연평균 7.8%, 8.1% 성장을 전망했다. 국내 스마트팩토리 시장은 2020년까지 연평균 11.2% 고성장을 예상했다. 그 이유는 정부차원의 지원정책이 확대되고, 기업 스스로 자체적인 생산성 확보 및 효율성 증대를 위해 스마트팩토리 도입이 가속화될 것으로 전망했다.

 

국내외 스마트팩토리 추진 동향은 독일이 2012년부터 산업계 중심의 인더스트리 4.0 플랫폼을 발족해 스마트팩토리 구축에 2억 유로를 투자하고 있다. 우리나라는 제조업 혁신 3.0 프로젝트로 2024년 제조업 4강 도약을 목표로 스마트공장 3만개 이니셔티브 전략 및 보급사업을 추진중이다.

 

미국은 산업계 중심의 SMLC(Smart Manufacturing Leadership Coalition)을 발족해 국가적 캠페인으로 메이킹 인 아메리카를 추진하고 있고, 일본은 차세대 생산 인프라를 구축해 핵심기술 선정 및 실용화, 사업화 연계 로드맵을 구상하고 있다. 중국 또한 Manufacturing 2025 프로젝트로 제조업과 IT를 융합해 제조강국으로 업그레이드하면서 산업간 시너지 효과로 촉진제 역할을 하고 있다.

 

  

스마트팩토리 구축 사례

로크웰오토메이션코리아 서태원 컨설턴트는 ‘2019년 스마트팩토리 국내외 산업 트렌드 및 시장규모와 성공적 구축을 위한 필수요소’라는 강연에서 제조업 환경 트렌드를 신흥국 중산층의 급격한 증가와 제조인력의 노령화, 생산인구 감소 및 생산성 정체 등으로 인해 국내 제조업의 경쟁력 순위 하락과 생산시설의 질적 향상이 필요하다고 지적했다. 이어서 “스마트공장은 생산시스템(수직적 통합)과 공급사슬(수평적 통합), 시뮬레이션이 유기적으로 결합하고, Digital Transformation를 재정의해야 보다 폭넓은 스마트 제조가 가능해질 수 있다”고 밝혔다.

 

이어 타이어 업계 미숙련 작업자의 설비고장 및 유지보수과정, 산업용 IoT플랫폼과 증강현실 활용사례, 하드웨어 교체를 통한 공정시간 최소화, 올해 2월 종료된 시멘트 회사 무인화 프로젝트, F&B 회사의 생산량, 설비운영, 인력운영, 품질관리, 노무비(경비) 절약 등 로크웰오토메이션코리아의 국내 고객 스마트팩토리 구축 트렌드와 사례를 제시했다. 성공적인 스마트팩토리 구축 필수요소에 대해서 서태원 컨설턴트는 “정답은 없지만, 과거보다 스마트팩토리에 대한 근원적인 접근과 상생을 통한 파트너십 강화는 반드시 잊지 말아야 할 키워드”라고 밝혔다.

 

(주)에이시에스 차석근 부사장은 ‘국제표준 플랫폼 기반 기술을 활용한 스마트공장 구축사례 및 고려사항’이란 주제에서 “Digital Transformation를 넘어 새로운 프로세스 혁신이 예상되고, 제조기술이 하드웨어 중심의 정적 고정형 모델에서 소프트웨어 중심의 동적 성장형 모델로 무게 중심이 이동하고 있으므로 스마트공장을 검토중이라면 성공사례보다는 실패사례 위주로 살펴봐야 한다”고 강조했다. 스마트공장은 협의의 의미로 생산정보(4M1E, Man, Machine, Material, Method, Energy)를 활용한 지능화된 공장운영시스템이다. 스마트제조는 크게 디바이스, 플랫폼, 애플리케이션으로 구성되고, 이를 가상공간과 현실공간 사이의 디지털 트윈으로 발전될 것으로 예상된다.

 

해결방안에서 중소기업벤처부와 산업자원통상부의 전략 소개, 생산자원(4M1E) 데이터 통합화와 수평통합 플랫폼이 필수적이며, IoT 스마트 디바이스를 활용한 스마트공장 전환, 게이트웨이 확장 및 4M1E 데이터 관리를 통한 데이터베이스 Lock 안정적 처리, 앞으로 부각될 스마트공장의 예지관리의 중요성과 요구사항, 정보화 수준평가 표준화 등이 요구되고 있다.

적용사례로 염색공정 세계 4위 기업의 제조실행시스템(MES, Manufacturing Execution System)으로 양방향 통신, 특수화학분야 월드클래스 300 기업의 표준화된 4M1E 정보와 실시간·양방향 정보통합 및 표준화, 카메라 모듈을 제조하는 또 다른 월드클래스 300 기업의 시스템 구축 사례들이 소개됐다.

 

구축 고려사항으로 정부의 스마트공장 지원사업에 대한 상반된 평가와, 생산방식에 따른 비표준업무 프로세스로 개별 시스템 구축과 사후관리의 어려움이라는 현실적인 문제를 지적했다. 이외에도 스마트공장 정보화 수준, 생산자원(4M1E) 데이터 통합, 표준 적용, 규정 준수 검토, 사이버 보안, 단계별 구축 등의 고려사항과, 현장의 문제점 해결과 더불어 전사적 비즈니스 관점에서 핵심과제를 도출하고, 이를 바탕으로 구축해야 한다고 강조했다.

 

 

 

다쏘시스템코리아(주) 송중권 이사는 ‘Digital Transformation을 위한 미래 Manufacturing의 전략’에서 “Digital Transformation은 디지털 비즈니스 변화의 기반 위에서 사람들이 사고방식 및 일하는 방식을 바꿔 비즈니스가 보다 효율적이고, 데이터 중심으로 적시해 의사결정을 지원하는 플랫폼”이라고 소개했다. 비즈니스 플랫폼, Digital Twin, 글로벌 아키텍쳐, IIoT, 빅데이터 등 다섯 가지 기술 트렌드 위주로 설명했다.

 

먼저, 비즈니스 플랫폼은 사람 뇌의 역할을 담당하는 CPS(Cyber Physical System)와 실제 Action을 수행하는 EDGE로 구성되며, 플랫폼 기반의 Digital 정보연계 및 양방향 커뮤니케이션을 구현한다. 다쏘시스템코리아는 Digital Transformation 기반 3D EXPERIENCE 플랫폼으로, 파일 기반의 정적인 정보전달에서 디지털 기반의 실시간 가치전달 네트워크로 확장하고 있다.

 

Digital Twin은 사이버 공간의 공장설계 및 사전검증, 다이나믹 스케줄링 등 최적화된 시뮬레이션을 거쳐 Physical 공간에서 수행 복제를 통한 효과적 모니터링과 분석, 피드백 Loop 형성을 위한 커뮤니케이션 기반을 제공한다. 생산스케줄까지 시뮬레이션을 통해 현장 설치, 작업 지시, 각종 이슈 관리, 실시간 모니터링, 축적 데이터 분석 등 빅데이터를 관리하게 된다.

 

Agile Manufacturing은 공정계획과 실행을 디지털 정보 기반으로 연결해 계획과 실행의 GAP 분석을 통해 현장 개선활동을 빠르게 지원하고, 시뮬레이션 기반의 엔지니어링으로 최적의 작업조건을 조성하며, 가상·현실 기반의 제조실행으로 피드백 단계의 작업효율 개선과 운영환경 최적화로 빅데이터 분석을 통해 생산활동을 최적화한다.

 

글로벌 아키텍쳐는 Digital Transformation에서 요구되는 글로벌 Manufacturing 통합 아키텍쳐 기반의 요구기능별 우선순위와 단계별 고도화 로드맵을 수립 및 실행해 완전한 스마트팩토리에 가깝게 구현할 수 있다. 또한 IIoT(Industrial Internet of Things) 데이터는 가공방식에 따라 다양해지며, 1단계의 IIoT가 2단계 플랫폼에서 1차 가공되고, 다시 3단계 빅데이터에서 2차 가공된다. 빅데이터는 과거 불량모델에 대해 사후조치 경향이었다면 최근에는 패턴분석과 모니터링해을 통해 생산 최적화하는 추세로 변하고 있다.

 

정부 정책 및 보안기술 동향

중소기업벤처부 박지환 사무관은 ‘2019년 스마트팩토리 보급/확산사업 현황과 육성정책 및 지원방안’에서 “정부는 올해 3125억원으로 4000개 신규 보급 및 고도화를 지원하고, 보급수준 고도화를 위해 동일연도 최대 2회까지 수혜가 가능하며, 기업부담 완화를 위해 과제당 지원금액을 확대하고, 지원범위를 협동로봇, 장비 등 자동화설비까지 확대했다”고 밝혔다. 정부는 지역별 19개의 제조혁신센터를 구축해 스마트공장 보급 확산과, 현장 밀착지원기능을 수행하게 된다. 신규 보급과 고도화 지원이라는 투 트랙을 통해 대중소 상생형 스마트공장 지원을 위해 주관기관과 중소·중견기업이 총 사업비의 70%를 부담하면 정부는 30%(최대 5천만원)를 지원하고, 기초수준의 스마트공장 구축시 기업 부담 없이 정부와 대기업이 100% 지원하게 된다.

 

스마트공장 도입을 희망하는 중소기업이 벤치마킹할 수 있는 시범공장을 기업 거점을 중심으로 지역·업종별로 구축하고, 총 사업비의 50% 이내, 최대 3억원을 지원한다. 스마트공장 견학과 연수 프로그램을 운영해야 하는 의무사항이 있다. 또한, 업종별 특화 스마트공장 구축지원에서 유사 제조공정을 가진 중소·중견기업이라면 솔루션을 공동구매를 통해 저렴하게 구축할 수 있다. 이외에도 사람과 로봇의 협업을 통해 안전한 일터 조성과 로봇 활용 중소제조 혁신지원사업에 90억원, 스마트화 역량 강화사업에 30억원, 올해 시행되는 스마트 마이스터 사업에 20억원, 스마트공장 수준확인제도에 7.8억원을 지원한다. 정부지원 없이 자체 시스템을 구축한 기업도 참여가능하고, 이미 정부 지원을 받은 기업도 시스템을 구축하고 운영중이라면 지원받을 수 있다.

 

한전KDN(주) 현무용 차장은 ‘스마트팩토리 보안기술 동향 및 대응전략’에서 “스마트팩토리는 AI, IoT, 빅데이어 등 ICT기술 작용으로 더 복잡하고 발전된 산업제어시스템(ICS)이 필수적이며, 최근 들어 ICS의 취약점 발견 건수와 침해사고 건수가 2배가량 증가했다”고 밝혔다. 스마트팩토리 보안 위협경로는 해킹, APT 공격 등 IT 보안 업무망에서 ICS망으로 비인가 연결 악용, ICS망 내 무선 AP 인증 우회 및 취약점 공격, USB를 이용한 악성코드 유포나 중요 정보 유출, 외주·유지보수 인력의 감염된 노트북, 제조사 원격 유지보수채널 악용 등이 있다.

 

보안전략에서 산업 네트워크는 사이버 공격 탐지시에도 시스템을 중단하고 사고조사 및 대응이 힘들다. 어떤 환경에서도 정상적인 생산활동이 가능하도록 가용성 확보가 중요하다. 최근 계층적 보안 솔루션과 심층방어체계를 지원하는 추세로, IEC62443 기준의 공장시스템 계층별 맞춤형 보안기술이 필요하고, 업무영역과 OT영역의 네트워크를 분리해 공장망에서 업무망으로 데이터 전송시 일방향자료 전달시스템을 구축해야 한다. 또한, 이상징후 탐지솔루션을 구축과 바이러스 백신 설치, 모니터링 가능한 통합관제시스템을 구축해야 한다. 국가 핵심기술인 특허, 제품 생산정보, 설계도면 등 기업의 중요 정보들은 DB 접근통제, 암호화, 인증·권한 관리, 매체제어 등의 보안기술을 적용해, 생산설비를 우선 사고로 부터 예방해야한다.

 

  

티쓰리큐(주) 박병훈 대표는 ‘빅데이터/AI 플랫폼 기술을 활용한 스마트팩토리 구축 및 적용방안’에서 “4차 산업혁명은 디바이스와 데이터, 서비스가 결합돼 디지털화와 아날로그화 된다. 각종 센서 및 장치를 통해 받은 현실세계의 데이터를 빅데이터와 인공지능이 통합된 플랫폼인 가상세계에서 반복학습을 통해 생성된 결과물을 다시 현실세계에 피드백해주는 초연결 지능사회는 O2O(OffLine to OnLine) 융합”이라고 설명했다.

 

빅데이터는 데이터 소스, 데이터 수집, 데이터 저장, 데이터 분석, 시각화 등의 과정을 거치게 된다. 인공지능의 기계학습에는 지도학습, 비지도학습, 강화학습 등 있고, 인공지능의 알고리즘에는 분류, 회귀, 군집화, 이상탐지 등이 있다. 기계학습과정에는 데이터 수집, 데이터 전처리 및 탐색과정을 통해 학습모델을 선택해 훈련시킨 후 테스트 데이터로 학습성능을 평가하고, 목표 성능에 이르면 현장 적용 과정을 거쳐 성능이 미달인 경우 그 추정된 원인에 따라 그 이전 단계로 돌아가는 과정을 반복한다.

 

티쓰리큐에서 최초로 상용화한 빅데이터·인공지능 통합 플랫폼인 T3Q.aisms는 비즈니스 문제해결을 목적으로 AI 솔루션을 개발·제공하기 위한 지능형 분석·예측 인프라로, 통신, 보안, 서비스, 금융분야에 플랫폼을 제공하고 있다. 서비스 사례로는 사고차량 판정, 치아교정, 원추각막 서비스 등 객체 인식솔루션을 비롯해 전자문서 자동분류 솔루션, 불법 스팸 식별솔루션, 고객성향 분석솔루션, 신약 개발분야에 추진중인 스마트 약물 감시 협업 및 공유 플랫폼 등이 있다.

 

시스코시스템즈코리아(주) 김완수 스페셜리스트는 ‘엣지컴퓨팅(포그컴퓨팅) 기술을 이용한 스마트팩토리 구축 및 적용방안’이란 주제에서 “클라우드 컴퓨팅이 중앙 데이터센터와 직접 소통하는 방식이라면 엣지 컴퓨팅은 기기 가까이 위치한 엣지 데이터센터와 주로 소통하며 2차 작업을 중앙 클라우드에 맡기는 방식”이라고 설명했다. 시스코시스템즈코리아의 포그 아키텍처는 Docker(컨테이너)를 지원하는데, 컨테이너(Container)는 중복되는 OS, Binary, Library를 제외하고 배포한다. 앱 스토어의 앱처럼 독립된 형태로 동작하기 때문에 빠른 배포가 가능하다.

 

실시간 로컬 데이터를 처리해주는 지역분산형 데이터 센터인 Edge Date Center와 필요한 기술만 나갈 수 있게 구축하고, USB를 사용하지 못하게 보안에 중점을 둔 제조사 장비관리, 자동차 공장에 운영중인 로봇 관리를 위해 로봇 제조사와 데이터 수집, 관리, 분석을 구축한 자사 로봇 관리 등을 사례로 들었다. 국내 사례로는 아날로그 PLC를 디지털로 전환해 케이블 비용이 감소하고 데이터 품질을 향상시키며 시간이 빨라진 Serial 대체 사례와 해외 사례로 루마니아 전력회사의 장비 통합으로 비용을 절감한 전봇대용 컴퓨팅 사례가 소개됐다. 끝으로, 호주 60억 상당의 광산용 차량을 컴퓨팅해 운행시간, 타이어 교체시기, 운전자 상태, 운전효율 및 사고예방 등의 시스템 구축도 소개했다.

 

전자부품연구원 정일균 센터장은 ‘AI Robot를 활용한 스마트팩토리 구축 및 적용방안’이란 주제로 “스마트팩토리에서 로봇은 목적성을 가지고 탄생한 범용 기계장치로 비교적 단순한 역할을 수행하지만, 도입 대비 효과성이 크게 부각되지 않았다. 하지만 제조용 로봇을 생산, 제조시스템에 적용하면 조립, 픽 앤 플레이스, 핸들링, 포장 및 적재, 품질검사, 머신텐딩, 접착 및 용접, 모바일 및 매니플레이션 등의 프로세스를 수행한다”고 설명했다.

 

스마트팩토리에서는 지능을 부여해 대량생산보다는 맞춤형 생산에 적합한 로봇 개발이 필요하다. 로봇이 생산과정에 투입된 것은 사람이 하기 힘든 일을 대신해주는 역할로, 단순하고 간단한 공정에 투입돼지만, 적용하기 힘든 공정도 많다. 가령, 각기 크기가 다른 담뱃잎을 분류하고, 젖은 담뱃잎을 떼어내는 일을 로봇이 담당할 수 없다.

 

따라서 로봇에 인공지능을 더하는 딥러닝 머신과정을 거쳐 로봇 자동화 공정 적용은 인공지능 기반 인식으로 상자 안에 뒤섞여 있는 딱풀을 24시간 기계학습을 통해 성공한 사례를 소개하고, 여러 제품들이 섞여 있는 상태에서 원하는 제품을 골라내는 인공지능 기반의 피킹 시스템을 설명했다. 이처럼 로봇은 단순 반복로봇에서 조립로봇/고밀도로봇/고속로봇 단계를 거쳐 협동로봇 이후 완전 무인화 로봇으로 기술난이도가 높아질 것으로 전망된다.

 

 

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