IT 기술과 제조 기술의 융합으로 진화 예고하는 스마트팩토리
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IT 기술과 제조 기술의 융합으로 진화 예고하는 스마트팩토리
  • 신동윤 기자
  • 승인 2019.03.14 08:26
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IIoT와 디지털 제조가 변화의 핵심

[테크월드=신동윤 기자] 다양한 ICT 기술과 기존의 제조업이 융합해 만들어가는 스마트팩토리는 기존의 생산 프로세스 개선과 최적화, 그리고 인간과 기계간의 상호작용을 강화함으로써 시장과 고객의 요구에 유연하게 대응하면서도 생산의 효율성을 높여줄 것으로 기대되고 있다.

스마트팩토리는 설계, 개발, 유통, 물류 등 생산의 전 과정에서 최신 IT 기술을 적용함으로써 지금까지 공장에서 이뤄졌던 중앙집중식 통제 대신, 기기와 기기 사이, 기기와 인간 사이의 다양한 정보의 교류를 통해 가치 사슬의 수평적 통합으로 발전해 나가고 있다.
다시 말해 스마트팩토리는 수직적인 생산시스템과 수평적인 가치사슬이 통합된 형태로 진화하고 있으며, IoT, 빅데이터, AI, CPS 등 최신 기술의 등장으로 더욱 정교하고 세밀한 수직적/수평적 통합의 구현이 시도되고 있다.
수평적 통합 지원 기술에는 CAD/CAE 등을 포함한 PLM 솔루션, 시제품 생산을 빠르게 지원할 수 있는 3D 프린터, 가상과 실재의 연동이 가능한 CPS, 제조 프로세스 분석을 위한 공정 시뮬레이션 등이 있으며, 수직적 통합 지원 기술에는 생산설비의 많은 데이터를 획득하기 위한 스마트 센서와 IoT 기술, 생산 현장의 에너지 절감 기술, 제조 데이터 분석을 위한 빅데이터 기술 등이 있다.

점진적 성장 예상되는 스마트팩토리 관련 기술
시장조사기관 마켓앤마켓(Markets and Markets)에 따르면, 전세계 스마트팩토리 시장 규모는 2016년 1210억 달러에서 연평균 9%의 완만한 성장세를 보이며, 2020년에는 1713억 달러에 이를 전망이다. 마켓앤마켓은 스마트팩토 리 관 련 소 프 트 웨 어 시 장 에 서 는 DCS(Distributed Control System), PLC(Programmable Logic Controller), MES(Manufacturing Execution System)이, 그리고 디바이스 분야에서는 로봇과 IoT 센서가 가장 큰 비중을 차지할 것으로 전망했다.
적용 산업별로는 자동차, 반도체/전자, 에너지, 광업/금속업, 화학, 식음료 업종에서 스마트팩토리 도입이 활발할 것으로 기대되고있다.
골드만삭스는 스마트 팩토리 도입으로 기업들은 공장당 평균 10~15%의 비용절감 효과를 얻을 수 있을 것으로 예측하고 있다. 이에따라 전세계적으로 5000~6000억 달러의 잠재적인 경제 효과를 얻을 수 있을 것이라고 예측했다. 특히 전자, 기계, 식음료, 자동차, 화학/플라스틱, 금속 등의 업종에서 절감 효과가 클 것이라고 예상했다.
골드만삭스는 PLM, IIoT, 협업로봇, 3D 프린팅, AGV(Automated Guided Vehicle), RFID 등이 스마트팩토리의 6개 핵심 기술이 될 것이라고 정의하고, 이 기술들로 인해 창출되는 시장 규모가 2020년에 2500억 달러 이상이 될 것이라고 전망했다.

IIoT로 인해 진화하는 SCADA
오랜 역사를 갖고 있는 SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)은 여전히 스마트팩토리의 핵심 요소로 자리잡을 예정이지만, 이전의 IIoT와의 결합으로 이전의 SCADA에서 한층 진화한 모습을 보일 것으로 예상된다.
IIoT의 도입으로 인해 SCADA의 데이터 수집은 현재와는 다른 양상을 보일 것이기 때문이다. 정해진 경로를 통해 정해진 순서대로 수집되던 데이터가 IIoT로 인해 무수히 많은 노드로부터 동시다발적으로 수집되는 데이터를 병렬로 처리해야 하는 상황이 됐다. 이는 과거 시리얼 통신 중심의 네트워킹에서 벋어나야 함을 의미하며, 안정성과 정합성을 확보하기 위해 유선을 통해서만 수집되던 데이터도 이제는 LoRa, LPWAN 등은 물론 블루투스나 Wi-Fi, 심지어 5G에 이르는 다양한 무선 통신으로 구성될 것으로 예상된다.
SCADA에 IIoT 접목되면서 가장 큰 차이를 보이는 부분은 무수히 많은 센서들로 인해 생성되는 데이터의 급증이다. 물론 제조 공정에 대한 매우 세밀한 부분에 이르기까지 모두 파악할 수 있다는 것은 장점이나 수많은 데이터 중 유의미한 데이터를 분석해 내는 것이 또 다른 어려움으로 드러나고 있다. 특히 작업자가 모든 데이터를 항상 주시하고 있을 수는 없기 때문에, 빅데이터 분석과 AI를 이용해 유의미한 정보를 분석해 내고, 관리자에게 알리거나, 혹은 사전 조치하는 방식으로 발전해 나가고 있다.
이외에도 과거와 같이 콘트롤룸에서만 SCADA를 사용하는 것이 아닌 모바일 환경에서도 사용할 수 있도록 발전해 나감에 따라 더 많은 데이터 중에서 중요한 데이터만 최소한으로 보여줄 수 있는 비주얼라이제이션과 UI, UX 측면의 개선도 같이 이뤄져야 한다.
이외에도 이전과 달리 모바일 등 원격 관리가 가능해짐에 따라 보안 위협에 대한 대비가 더욱 중요해지고 있으며, 특히 BYOD(Bring Your Own Device)와 같은 새로운 트렌드의 등장으로 증가하고 복잡해지는 보안 위협에 대한 철저한 대응이 필요한 시점이 다가오고 있다.

SCADA는 IIoT를 통해 수집된 폭발적인 증가량의 데이터를 수집, 분석해 유의미한 결과만 압축해 보여주는 방향으로 발전해 나가고 있다.

사이버 공간에 구현된 물리적 공간
CPS(Cyber Physical System)는 물리적 사물과 시스템에 대한 동적 소프트웨어 모델로, IoT 기반의 센싱 데이터를 기반으로 물리적인 대상의 현재 상태를 파악하고, 변화에 대응하며, 운영을 개선하고, 가치를 부가하는 기술이다. 다시 말해 물리적 공간에 존재하는 생산 시스템을 사이버 공간의 디지털 트윈(Digital Twin)과 연동해 시뮬레이션으로 제어할 수 있도록 하는 디지털 제조의 기술이다. 이를 통해 제품의 설계시, 설계의 구현 가능성, 성능, 품질 등을 사전에 검증하고 제품의 기획, 설계 과정을 최적화한다. 또한 CPS를 통해 구축된 생산 라인은 실시간 성능 학습이 가능해, 새로운 생산 라인의 시뮬레이션을 통한 효율적인 자원 관리가 가능하다.
또한 물리적 대상, 극 공정의 기계와 환경을 제어하기 위한 것으로, 일정한 온도 조절 등을 위해 설비의 밸브나 공조 시설 제어를 하는 등, 특정 조건을 유지하기 위한 작업을 수행한다. 그리고 이외에도 물리적 대상의 데이터를 활용해 운영을 최적화하기 위한 시뮬레이션을 수행한다.
마켓리서치퓨처(Market Research Future)의 예측에 의하면 전세계 디지털트윈 시장은 2016년부터 2023년까지 연평균 37%씩 성장해 150억 달러의 시장을 형성할 것이라고 한다.

3D 프린팅과 협업로봇의 등장 예고하는 디지털 제조
CAD나 CAE와 같이 설계 부분부터 시작된 디지털 제조의 역사는 제조 과정까지 점차 영역을 넓혀왔으며, 공장자동화와 같은 기술의 등장으로 용접, 밀링, 선반, 절단, 프레스 등 대부분의 작업을 디지털화하고 있다. 특히 최근에는 디지털 제조를 위한 3D 프린터나 협업 로봇과 같은 새로운 기술이 등장하면서 시제품의 제작이나 개인 제조업 등의 분야에서 점차 영향력을 넓혀 나가고 있다.
특히 3D 프린터와 같은 적층 제조 기법은 기존의 제품 생산 방식과는 달리, 각 기구가 조립된 형태나 복잡한 형태도 한번에 제작할 수 있다는 점, 그리고 별도의 금형이나 절삭 과정 없이 완성품을 만들 수 있어 생산 과정을 크게 줄일 수 있어 비용 절감에 큰 도움을 주고 있다.
또한 초기에는 플라스틱 등 특정 소재만 가능했지만, 최근에는 금속이나 콘크리트, 인공생체 조직, 식재료 등의 다양한 소재를 활용할 수 있게 됨에 따라 항공기 부품이나 인체조직, 혹은 음식이나 건축물까지 적용 영역을 넓혀가고 있다.
디지털 제조는 도면과 공작기계만 있으면 언제 어디서라도 원하는 시간에 동일한 제품을 만들어 낼 수 있으며, 재고 부담없이 필요한 때 상품을 제조, 판매할 수 있어, 물리적인 상품에 디지털 콘텐츠와 같은 롱테일 경제를 적용할 수 있다는 것도 장점이다.
또한 도면의 수정만으로 간편하게 상품을 커스터마이징할 수 있어 다품종 소량생산과 같은 새로운 트렌드에 맞는 제조 기술이라는 평가를 받고 있다.
또한 협업로봇(Cobot, Collaboration Robot)과 같은 기술과 함께 적용할 경우 소규모 제조업이나 1인 제조업에 적합한 디지털 제조 환경을 구성할 수 있다는 것도 장점이다.

사람과 협업을 목적으로 만들어진 협업로봇은 저렴한 가격과 간편한 프로그래밍으로 초보자도 쉽게 사용할 수 있다.

협업로봇은 기존의 제조용 로봇과 같은 거대하고 위압적인 로봇이 아닌, 사람 바로 옆에서 함께 작업할 수 있도록 만들어진 로봇으로, 사람의 안전을 위한 다양한 안전장치를 갖추고 있으며, 저렴한 가격과 간편한 제어 방식을 제공한다. 
특히 기존의 산업용 로봇과 같은 전문적인 교육받은 엔지니어가 아니더라도 쉽게 프로그래밍하고 사용할 수 있도록 만들어졌다는 것이 특징이다. 다만 아직 협업로봇에 대한 표준이나 안전 규제 등에 대해서는 아직 미진한 부분이 남아있지만, 저렴한 가격과 안전하게 반복적인 작업을 대신 해 줄 수 있는 로봇이라는 점에서 많은 관심을 모으고 있다.