독일·미국·일본 등 선진국 중심으로 공장자동화 물결(1)

최근 사물인터넷(IoT), 센서, 빅데이터, 인공지능 기술이 여러 산업에 접목되면서 ‘스마트(Smart)’라는 명칭이 많이 쓰이기 시작했다. 제조 산업에서도 첨단 ICT 기술이 적용된 스마트 팩토리의 필요성이 대두되면서 대대적인 산업 변화를 예고하고 있다.

스마트 팩토리는 18세기 후반 증기기관으로 대표되는 1차 산업혁명, 20세기 초반 대량생산의 2차 산업혁명, 1970년 이후 IT(정보기술)에 의한 3차 산업혁명에 이어 2020년 이후 다가올 4차 산업 혁명을 뜻한다. 제조업에서 3차 산업까지는 사람이 직접 생산을 통제하는 방식이었지만 4차 산업인 스마트 팩토리는 시뮬레이션을 통한 자동 생산 시스템을 구축한다는 면에서 지금까지의 산업과 확연히 다르다. 즉, 우리가 그동안 영화 속에서 봐왔던 인공지능이 결함된 최첨단 제조시설이 실현되는 것이다.

독일, 미국, 일본은 일치감치 정부와 민간기업 주도아래 스마트 팩토리 구축을 적극적인 구축에 나섰다. 이에 비해 한국은 ICT 강국이라는 타이틀이 다소 민망할 만큼 일부 대기업을 제외한 대다수의 중소기업들은 공장 자동화면에서 미흡한 제조 환경이다. 정부는 이를 개선시키기 위해 ‘제조업 혁신 3.0 전략’을 발표하면서 국내 중소?중견 제조업의 스마트 팩토리 구축 지원에 나섰다.

전세계적으로 스마트 팩토리가 주목받고 있는 이유는 무엇일까? 스마트 팩토리로 인해 생산량 및 인간의 노동력에 어떤 변화가 있을까?

맞춤형 대량생산 시대…IoT 기반 공장 자동화 ‘스마트 팩토리’

기존의 제조시설은 공장 네트워크와 행정 업무 관련 네트워크가 분리 돼 있었다. 공장에서는 물품 재고 관리와 시스템 운영관리를 수기로 적었고 추후에 액셀로 정리하며 공장 운영 사항을 관리하곤 했다.

공장의 기계에 오류가 생기거나 불량품이 나오는 원인을 파악하는 것에 어려움을 겪기도 했고 정보 전달이 원활하지 않아 즉각적인 대응이 이루어 지지 않기도 했다. 이를 개선시키기 위해 등장한 스마트 팩토리는 공장이 스스로 판단하고 이에 따라 작업을 수행할 수 있는 지능화된 공장을 의미한다. 즉, 인터넷을 바탕으로 서로 정보를 공유하는 사물인터넷(IoT)이 산업현장에서 진행되는 것이다.

스마트 팩토리는 단순히 사람의 노동력을 대체하는 공장자동화에서 한발 더 나아가 공장의 센서와 기기들로부터 축적된 정보, 빅데이터를 바탕으로 공장 스스로 공정 최적화나 생산 스케줄 수립 등과 관련된 최적의 의사결정을 내리는 것을 최종 목적으로 두고 있다. 다만 아직까지 현실적으로 스스로 정보를 판단하는 인공지능 수준의 시스템 구축은 쉽지 않은 상황이며 대부분 기계의 가동상태, 기계의 파손 및 제품의 하자 발생 가능성 판단 및 예측, 원격 관리 등을 통한 장비의 효율 및 안정성 확대, 생산성 향상, 비용절감에 초점을 두고 있다.

센서를 통해 위험을 감지하면 기계의 작동을 스스로 멈춰 작업장의 사고를 예방하고 이상 징후가 발생하면 즉각 대응할 수 있어 불량품의 수를 줄일 수도 있다. 또 각 생산시설 간 네트워크를 통해 재고 및 수량 정보를 자동으로 전송시켜 효율성 있는 물류 관리를 할 수 있고 에너지 및 원료 사용실적과 패턴을 분석해서 자동화 처리하게 때문에 에너지를 절약할 수 있게 한다.

이러한 지능화된 생산설비를 위해서는 필요한 기술인 생산관리시스템(MES)과 전사적 자원관리시스템(ERP)이 서로 IoT로 연동돼 중앙정보처리장치의 일방적 명령이 아닌 작업장 내 모든 설비가 상호간, 또는 중앙정보시스템과 실시간 공유돼야 한다.

또 고객 니즈 저장, 설비부문과 생산방식간의 통신, 생산정보를 고객사와 공유하기 위해서는 무선주파수인식장치(RFID) 기술 개발과 시스템 구축도 중요하다. 보쉬는 디젤엔진 핵심부품인 연료 인젝터를 생산시에 RFID 기술을 적용시켜 수십만 가지 제품사양과 실시간 생산정보를 고객사와 공유할 수 있게 됐고 국내 기업 포스코도 RFID 체제를 구축해 창고에서부터 유통기지, 고객사에 도착까지 효율적인 재고 및 유통관리가 가능해졌다.

스마트 팩토리는 고객의 니즈에 따라 맞춤형 소량생산을 목표로 한다. 생산 라인을 모듈로 구성해 제품 생산에 필요한 모듈을 그때그때 조립식으로 붙이고 필요 없는 모듈은 즉각 이동시켜 라인에서 제외시키는 방식. 즉 고객 개개인의 주문 사항에 따라 즉각적으로 공정 라인이 바뀌는 ‘모듈화 시스템’을 구현한다.

여기에 필요한 기술은 CPS(Cyber Physical Systems)라고 불리는 가상 물리 시스템이다. CPS는 맞춤형 생산을 위해 공장의 라인을 교체할 때 물리적으로 바로 수정하면서 시행착오를 겪기보다는 가상에서 먼저 변화를 시뮬레이션한 후 이를 실제 제품 생산에 반영할 수 있다. CPS의 지능화가 한층 고도화될수록 자율적 의사 결정이 가능해지고, 고객 니즈 변화에 따라 공정 역시 즉각적으로 변화시키기가 훨씬 수월하다는 장점이 따른다.

CPS를 구축한 성공 사례로 BMW는 신차 출시에 따라 수시로 변하는 부품형상을 3D 프린트로 제조함에 따라 비용절감 및 생산성 제고는 물론 고객니즈에 즉각 대응할 수 있게 됐고 GM도 신속 프로토타입(Rapid Prototyping) 프로그램을 통해 차량 부품의 사전 조립 시뮬레이션과 성능 검증 등을 하며 생산력을 향상에 도움이 됐다.

이러한 모든 기술을 적용시킨 스마트 팩토리 사례로는 독일 지멘스 암베르크(Amberg) 디지털 공장이 대표적이다. 암베르크 공장은 평범한 공장으로 1989년만 하더래도 불량률은 500dpm(100만개당 불량품이 500개)에 달했지만 현재는 약10dpm에 불과하다. 99.9989%라는 세계적인 수율을 달성했고 창립 이후 인력은 그대로 유지하면서, 생산량을 8배 끌어올렸다.
 

신흥 제조국에 위기의식 느낀 선진국, 스마트 제조 시스템이 ‘답이다!’

제조업의 혁신으로 불리는 스마트 팩토리는 독일, 미국, 일본 등 선진국을 중심으로 개발이 적극적으로 이뤄지고 있다. 그 이유는 개발도상국으로 부터 지적재산권, 라이선싱, 기술력 확보에 대한 위기감을 느끼고 있기 때문이다.

그동안 선진국들은 높아진 인건비로 인해 개발도상국으로 제조시설을 대다수를 내주었다. 일례로 중국(북경)의 경우 인건비가 독일(뒤셀도르프) 대비 1/7 수준, 우리나라(서울) 대비 1/3 수준에 불과하다(2014 제조업 종사자 평균 임금 기준, LG경제연구소 자료). 이로 인해 제조업 중국의 상품 수출 비중은 2012년 10%를 돌파하게 됐으며 중국을 비롯해 신흥국들은 선진국 기업들의 위탁 생산과 기술협업을 통해 상당한 기술적 진보를 이루어냈다.

선진기업에 근접한 기술력에 가격경쟁력까지 더해져 압도적인 가성비로 시장에서 좋은 평가를 받게 된 것이다.

더불어 기술력의 지표로 활용되는 특허 출원 측면에서도 2011년을 기점으로 중국은 이미 일본, 미국, 한국의 출원 건수를 넘어서며 선진국의 제조업에 위협을 주기 시작했다.

결과적으로 월드뱅크이 발표한 국가별 제조업 경쟁력 지수에 따르면 1990년대와 비교해 2010년대에 들어서면서 미국(3→5), 독일(2→4), 일본(10→12), 한국(5→6), 대만(6→7) 국가들은 하락했다. 중국은 압도적인 1위로 상승했으며 브라질(8→3), 터키(20→16), 인도(4→2), 베트남(18→10), 인도네시아(17→11) 등 신흥국가들이 떠올랐다.

이에 대응하기 위해 선진국들은 단일 제조 상품만 판매하던 방식에서 벗어나 상품 수출과 기술 서비스를 접목시키면서 차별화에 나선다는 계획이다. 스마트 팩토리는 IoT, 클라우드 컴퓨팅, 빅데이터 등 주요 ICT 기술을 제조업에 적용시켜 좀 더 효율적인 제조 환경 시스템을 만드는 것을 목표로 한다.

독일, 미국, 일본 등의 스마트 팩토리 핵심 사업과 지향점은 조금씩의 차이가 있지만 네트워크를 기반으로 지능형 제조 시스템을 구축하겠다는 궁극적인 목표는 같다. 독일은 인더스트리4.0, 미국은 첨단 제조 기술사업(AMP), 일본은 전략적 이노베이션 창조사업(SIP)으로 정부 주도 아래 추진해나가고 있는 것이다.

독일, 인더스트리 4.0에서 ‘플랫폼 인더스트리 4.0’으로 변화

독일 정부는 2006년부터 ‘하이테크 전략 2020’ 전략을 추진하기 시작했고 제품 판매와 기술 서비스의 융합을 확대하면서 서비스 수출과 세계화에 집중해 왔다.

독일은 제조업에 IoT, 사이버물리시스템(CPS), 센서 등의 ICT를 접목해 모든 생산공정, 조달 및 물류, 서비스를 통합적으로 관리하는 시스템을 만들겠다는 취지다. 또 사물인터넷, 클라우드 컴퓨팅, 임베디드 시스템 등의 기술을 접목해 노동생산성 향상에 기여하고 인터넷 등의 네트워크를 통해 공장 내외의 사물?서비스와 연계해 효율성을 높인다는 계획이다.

독일이 지향하는 인더스트리 4.0은 2011년 하노버 산업박람회에서 처음 용어가 사용됐으며 독일 전기?통신?기계 공업회(BITKOM, VDMA, ZVEI)가 운영하는 ‘인더스트리 4.0 플랫폼’ 사무국에서 산학연관 워킹그룹이 공동으로 추진하고 있다.

인더스트리 4.0 워킹그룹에는 독일을 대표하는 기업과 연구기관, 대학들이 참여하고 있는데 대표적으로 ABB, BASF, BMW, 보쉬(Bosch), 다임러(Daimler), 인피니언(Infineon Technologies), SAP, 지멘스(Siemens), 티센크루프(ThyssenKrupp), 트럼프(TRUMPF) 등 민간기업 주도로 인터스트리 4,0 프로젝트를 진행해 왔다.

2015년 10월 독일은 스마트 팩토리가 제대로 실행되고 있는지 여부를 내부적으로 평가했고, ‘실패다’라는 결론을 냈다. 그 이유는 대부분 지멘스와 같은 대기업들만 스마트 팩토리를 구축할 뿐 대다수의 중소기업은 필요성은 알지만 아직도 인프라 비용 등으로 도입을 어렵게 여기고 있기 때문이다. 더불어 인터넷 등의 네트워크를 통해 공장 내외의 사물·서비스와 연계하는 시스템 부분에는 아직까지 미흡하다는 평이 많았다.

이에 따라 독일은 2015년 민간주도에서 정부주도로 바꾸면서 연방교육연구부와 연방경제기술부 지원 하에 4가지 프로젝트를 추진하고 있으며 ‘인더스트리 4.0’에서 ‘플랫폼 인더스트리 4.0’으로 정책을 변경했고 2012년부터 2015년까지 2억유로를 제조업 혁신에 투자했다.

독일의 성공적인 인더스트리 4.0 도입 사례로는 지멘스의 암베르그(Amberg) 공장, 지멘스와 SAP의 장비 및 솔루션을 적용한 BMW 공장 등이 대표적이다.

미국, 리쇼어링 정책과 함께 ‘첨단 제조 기술 산업(AMP)’ 추진

독일이 민간주도에서 뒤늦게 정부주도로 바뀌었다면 미국은 초기부터 정부 주도아래 스마트 팩토리 도입을 권장하고 있다. 오바마 행정부는 2017년 7월 ‘미국 제조업 재생 계획’을 발표하고 신흥국으로 이전한 공장들을 세제 혜택과 규제를 완화를 통해 미국으로 회귀시키는 리쇼어링 강화 정책을 펼쳤다.

법인세를 35%에서 28%로 인하하고 해외진출 기업 중 국내 이전기업에 인센티브 확대, 제조업 혁신 허브 증설, 첨단 제조 기술 전략(AMT), 제조업 혁신연구소 45개 건립 등을 추진하며 첨단 제조(Advanced Manufacturing), 스마트 제조(Smart Manufacturing)를 위한 R&D 예산을 확충하고 있다.

미국은 연방정부 주도로 발족된 연구개발 컨소시엄인 SMLC(Smart Manufacturing Leadership Coalition)를 통해 지능형 시스템을 공장에 적용하려는 프로그램 개발에 집중하고 있다.
또 독일의 인더스트리 4.0 워킹그룹과 마찬가지로 민간 기업들이 참여하는 컨소시엄인 IIC(Industrial Internet Consortium)이 2014년에 설립돼 GE, IBM, 인텔(Intel), 시스코(Cisco), AT&T, SAP 등 200여 개의 기업이 제조업 강화 프로그램에 실질적인 중추 역할을 하고 있다.
스마트 팩토리는 인터넷으로 연결되기 때문에 보안에 있어서 안전한 시스템을 구축하기 위한 노력이 필요하다. 이를 위해 미국은 참조 모델(reference architecture), 보안체제(security framework), 공개표준 등을 통한 산업 생태계 조성을 지향하고 있다. 미국 정부는 스마트 공장 구축에 2014년에만 29억달러를 지원한 것으로 알려졌다.

일본, 2018년까지 ‘전략적 이노베이션 창조사업(SIP)' 목표

일본도 미국과 마찬가지로 세제혜택 강화, 제조 R&D 강화 및 제조업 효율화를 위한 정책으로 제조업의 기술 개발에 투자하고 있다. 아베 정부는 2013년 6월 제조업 경쟁력을 강화하기 위해 6대 전략, 37개 과제로 구성된 산업재흥플랜을 제시했고 향후 5년간을 긴급 구조 개혁 기간으로 지정했다. 이 프로젝트 안에는 전략적 이노베이션 창조사업(SIP, Cross-ministerial Strategic Innovation Promotion Program)을 통해 에너지 및 차세대 인프라 기술 투자를 강화한다는 계획이며 2014년에만 510억엔을 지원했다.

정부 외에도 일본은 기계학회를 중심으로 IVI(Industrial Value-chain Initiative)를 발족했고  공장마다 서로 다른 규격으로 운영되고 있는 설비 간에 데이터 전송이 가능하도록 통신규격과 보안기술의 표준화를 추진하고 있다.

※  참고 설명

- 생산관리시스템(MES, Manufacturing Execution System) : 생산계획·작업지시·자재소요·생산추적·설비관리·생산성과분석 등으로 생산관리의 효율성을 높이는 시스템.

- 전사적 자원관리시스템(ERP, Enterprise Resource Planning) : 기업 내 생산, 물류, 재무, 회계, 영업과 구매, 재고 등 경영 활동 프로세스들을 통합적으로 연계해 관리해 주며 기업에서 발생하는 정보들을 서로 공유하고 새로운 정보의 생성과 빠른 의사결정을 도와주는 시스템.

- 사이버물리시스템(CPS) : 모든 사물이 IoT 기반으로 연결되고 컴퓨팅과 물리세계(physical
world)가 융합돼 사물이 자동·지능화되는 시스템으로 향후 제조와 의료·헬스케어, 에너지·송전, 운송, 국방 등 다양한 분야에 광범위한 적용이 예상되고 있다.

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