정보통신기술(ICT : Information and Communications Technologies)의 급속한 발전은 일상생활부터 산업군까지 많은 것을 변화시키고 있다. 제품개발, 제품수명관리, CAD/CAM과 고도 시뮬레이션, 생산자동화와 자율화 등 ICT를 통해 제품 및 설계생산을 고도화하려는 연구개발은 사실 어제오늘 시작된 것이 아니다. 통신 네트워크 시스템은 모션컨트롤 애플리케이션, 그중에서도 공장자동화 분야에서 언제나 채택됐던 방식으로, 과거에는 핵심 데이터의 교환에만 사용했으나, 오늘날에는 시간에 민감한 데이터 처리에서의 강력한 수행능력을 자랑한다. 공장자동화의 한 분야인 모션컨트롤은 전자장비를 이용해 기계의 위치·속도를 제어하며 패키징, 프린팅, 반도체 생산 및 조립공정 등에 널리 사용하고 있다.

IEEE 802.3으로 정의된 근거리통신망 기술 Ethernet 역시 실시간 애플리케이션에 적용하기 어려웠으나, 최근 실시간 Ethernet(Realtime Ethernet) 개념이 도입되며 실시간 감시·제어가 가능해졌다. 공장자동화의 모션컨트롤 분야에서의 실시간 제어 네트워크에 대한 요구는 생산 비용의 절감과 실시간 결정을 위한 필요성이 증가하며 더욱 커지고 있다.
그러나 최근 컴퓨터뿐만 아니라 센서, 액추에이터 등의 고기능·고정밀도·소형·저가격화가 실현되며 고속·대용량의 네트워크가 광범위하게 보급되고 소프트웨어의 지원 및 표준화로 ICT의 실현이 용이해졌다.
이에 FA저널은 ICT의 발전이 관련 업계에 어떠한 변화를 가져올 수 있으며, 가져오고 있는지, 또한 관련 업계의 반응과 향후의 전망은 어떠한지를 살펴보기로 했다.


Point 1. ICT, 전 세계와 만나다

[IMAGE2]지난 2000년 일본 정부는 ‘모노즈쿠리 기반기술 진흥기본법’을 제정, 중소기업의 기술개발을 통해 고부가가치 제품 생산을 경기부활의 원동력이자 중소기업 강화의 열쇠라고 주창했다. 이후 일본정부는 모노즈쿠리법에 ICT, CAD/CAM/CAE와 같은 신기술을 접목해 제조업을 노동집약형 단순노동이 아닌 고도화된 기술 활동으로, 모노즈쿠리 역시 단순한 제조기술을 넘어 경영철학과 기반기술의 고도화가 어우러진 종합정책으로 승화시켜 나갔다.
모노즈쿠리는 ‘혼신의 힘을 다해 최고품질 제품을 만든다’란 뜻으로 일본중소제조업의 특징을 통칭하는 용어. 모노즈쿠리법은 금형 등 6대 분야를 20개 부문으로 세분화해, 각 분야에 속한 기업이 산업 고도화를 위한 사업계획서를 내면 정부가 타당성 여부를 검토해 연구·개발(R&D) 비용, 정책자금 등을 지원한다.
오늘날 유럽, 미국 등 선진국의 공장기계기술은 개발도상국과의 가격경쟁에서 점차 밀리고 있는 상황이며, 최근에는 전통적인 제조업마저 쇠퇴의 위기를 겪고 있다. 이에 독일은 2013년부터 ICT와 기계 산업의 융합을 통해 제조업의 완전한 자동 생산 체계 구축과 모든 생산 과정의 최적화를 목표로 ‘인더스트리 4.0’ 시대의 문을 열었다. 독일 국가과학위원회는 이를 통해 산업 생산성이 30%까지 향상될 것으로 전망하고 있다. 인더스트리 4.0은 제조업에 CPS, IoT, 클라우드 컴퓨팅을 적용해 스마트팩토리를 구축하려 한다. 사람·사물·서비스 간 임베디드 시스템을 통해 네트워크가 확산되고 지능형 생산시스템이 구축됨으로써 기존 제조업의 생산방식을 스마트, 그린 및 도심형 생산으로 변화시킨다. 따라서 사물 간 인터넷, 서비스 간 인터넷의 확산으로 사람, 제조과정, 제품까지도 양방향의 정보 교환이 자유롭게 이뤄지고 이들 사이에 형성된 빅 데이터의 정확한 분석을 통해 최적화된 생산 시뮬레이션을 가능케 해 준다.
이와 관련 최근 독일정부의 두 개 부처 장관이 참여한 스마트팩토리 협의체가 발족됐는데, 관련 기업으로 ERP 분야에서 ‘SAP’, PLM 분야에서 ‘지멘스’, 통신 분야에서 ‘텔레콤’, 모션&핸들링 분야에서 ‘훼스토’가 선정됐다. 특히, 한국훼스토 김진성 이사는 “최근의 트렌드는 공압에서 모션으로 변화하고 있다”며, “ICT 기술과 빅 데이터는 제품 생산 전에 고객이 원하는 것을 미리 알아낼 수 있게 해줬다”고 소감을 밝혔다.
자타가 공인하는 제조업·IT 분야의 강국인 한국은 인더스트리 4.0을 실현하기에 좋은 여건을 지녔다고 볼 수 있다. 국내 정부 역시 2014년 10월부터 ‘제조업 혁신 3.0’ 추진본부를 통해 스마트팩토리의 보급·확산을 추진 중이다. 미국과 영국, 일본에서도 ICT를 활용한 혁신적 설계생산 시스템이 구체화됐다. 구체적 내용은 각국의 상황에 따라 조금씩 다르지만 이러한 혁신에는 CPS, IoT, 서비스인터넷, MBD, II(Industrial Internet), 빅 데이터, 디지털 생산 등의 키워드가 사용된다.

ICT 환경에서의 생산 현장 전망
공업선진국과 개발도상국의 경쟁이 치열한 가운데, 제조활동뿐만 아니라 인재육성과 제품개발에서도 개발도상국의 진출이 확대되고 있다.
향후 생산현장은 기술의 고도화로 인한 지식 집약적 활동이 될 것으로 전망된다. 이는 특수한 고기능 제품에 특화되기보다 일상 제품에 대해 신기술, 신재료, 고도의 소프트웨어 등이 적용돼 저렴한 가격의 제품이 대량으로 공급된다는 의미며, 또한 대규모·복잡화하는 생산프로세스 관리에서도 ICT 활용에 의한 합리적 관리가 가능해진다는 의미다.
ICT 환경에서 제품 및 제조 라이프사이클 관리는 공급망 관리·정비, 자원회수, 재활용은 물론 CPS, IoT, 빅 데이터 등의 ICT 환경을 활용해 항상 지속적인 실시간 정보를 획득하므로 제품의 전 라이프사이클에서 새로운 부가가치 활동이 가능해진다.


Point 2. ICT, 현장적용의 가능성을 묻다

설계와 가공현장을 이어주는 ICT 시스템
제조업에서 제품설계와 가공현장의 연결 필요성은 오래전부터 강조됐던바나, 아직 충분히 실현되고 있는 상황은 아니었다.
제품설계에서 가공까지의 업무 프로세스인 ‘엔지니어링 체인’에서는 데이터 연계의 중요성이 강조돼왔다. 동시에 설계 데이터의 3D가 진행되고 있으며, 제품과 관계된 정보에는 3D-CAD 및 DMU(Digital Mock-Up), 3D 뷰어 등을 활용한 작업지시서가 활용되기 시작했다. 그러나 이는 공정설계, 작업표준, 설비계획, 공장 배치 및 물류 조달, 작업 편성 등 가공현장에서는 부족한 상황이다. 가공현장에서는 DMU나 3D-CAD로 대응할 수 없으며, 이러한 상황은 엔지니어링 체인의 영역에서도 마찬가지다. 이 경우 제작 개시 후 수정사항이 발생하는 등 업무효율이 떨어지기 마련이다. 설계와 가공현장의 확실한 연계를 위해서는 제품의 연쇄적인 생산 및 공급 과정을 고려해야 한다. 공정설계 및 물류계획을 비롯한 생산체제를 제작 전 단계에 미리 준비해야 하는 것이다.

지능화된 연계 구축과 기업 간의 협업체계 구축이 필요
사이버 물리 시스템(CPS : Cyber Physical Systems)은 로봇, 의료기기 등 물리적인 실제 시스템과 사이버 공간의 소프트웨어 및 주변 환경을 실시간으로 통합하는 시스템을 일컫는다. 에너지, 건강진료, 수자원관리 시스템, 공공기초 시설, 운송 시스템 등 매우 복잡한 핵심 인프라가 모두 사이버 물리 시스템의 적용대상에 해당된다.

센서기술 등 복잡한 CPS를 가능하게 하는 요소기술이 급격히 발전하며 물리세계의 데이터를 쉽게 ICT 세계에 적용할 수 있게 됐고 대량의 빅 데이터 분석도 가능해졌다. 한국은 세계적으로 경쟁력있는 ICT 인프라를 구축하고 있으며, 글로벌 제조업 경쟁력도 높은 편이나, 이들 양자를 결합하려는 시도가 미미한 실정으로 모든 생산체계를 스마트 ICT 기반으로 구축하기는 쉽지 않은 상황. 스마트팩토리 같은 거대한 최적화 시스템 구축을 위해서는 엔지니어링 체인과 서플라이 체인의 지능화된 연계 구축이 필요하며 모든 기업 간의 협업체계 구축 역시 필수적이다.

또한 일각에서는 보안에 대한 우려의 목소리도 나오고 있다. LS메카피온 이설민 부장은 “ICT는 중앙집약적 시스템을 의미하나, 공장은 여전히 보수·폐쇄적으로 운영되고 있는 게 사실”이라며, “분명히 나아갈 방향이지만, 다소 느리게 변화하더라도 안정성을 가져가야 할 것”이라고 의견을 피력했다.
반면 누리로봇 이태영 대표는 “아직은 안정성에 대한 걱정보다 좀 더 완벽한 시스템을 구축하는 것이 우선”이라며 시스템의 신속한 구축을 강조하기도 했다.


Point 3. ICT를 이용한 새로운 제작 프로세스

상품기획, 가상현실을 이용하다
상품기획단계에서는 어떻게 ICT를 활용할 수 있을까? 무엇보다 중요한 것은 시장가치가 높은 제품의 기획이다. 우선 SNS 등의 소셜 데이터 및 POU(Point Of Use) 데이터를 이용해 예측확인을 실시한다.
현재 제품이 어떻게 이용되고 있는지를 평가하기 위해 가상의 DMU 모델을 적용하고 상활을 변화시키며 검증하는 과정을 거친다. 대형 플랜트나 항공기 엔진 및 건축물 등은 시험 제작이 쉽지 않기에 4D 가상현실(VR : Virtual Reality)
을 이용해 가상평가를 하는 경우도 증가하고 있다.

구상설계, 상류공정의 품질을 확보하다
클라우드 상에 개발 플랫폼으로 엔지니어링 클라우드를 구축하고 개발부문의 노하우를 집적함과 동시에 구상설계 단계에서 기계적, 전기적, 조립 소프트웨어 등의 복합 시뮬레이션을 연계시켜 고정밀도, 고속처리로 최적의 조합성을 평가한다. 이를 통해 상류공정에서의 품질 확보가 가능해진다. 제조 단계의 설계변경을 방지하기 위해서는 DMU 모델에 의한 설계·생산기술·제조·품질보증 등의 복수 부문에 의한 가상 검증 및 해외개발·제조 거점 등의 원격지와의 설계 검토, 조립·조작·보수성의 검증을 실현한다. 물리 시뮬레이션에서 HUB 기능을 통한 설계상의 철저한 검증 역시 가능하다.

생산준비, 제품설계부터 가공현장까지 정보를 공유하다
생산준비단계에서는 제품설계의 3차원 설계기법이 도입되며 DMU에 의한 조립성의 검증이 가능해졌다. 3D 설계 데이터를 활용한 3D 뷰어에 의해 제품설계부터 가공현장까지 제품에 대한 정보가 연계되는 것이다. 그러나 가공현장의 공정설계, 작업성 검토, 작업표준 책정, 설비계획, 생산 공장 배치도, 사내 물류의 생산 시스템 설계 등은 개별적으로 시행된다.
생산준비업무에 대한 ICT화는 이미 시도된 바 있다. 특히 후지쯔사의 GP4가 그 사례가 될 수 있을 것이다. GP4는 작업자의 작업성을 검증하는 기능 및 생산라인의 배열을 즉석에서 변경할 수 있는 기능 등을 지닌 소프트웨어다. 그러나 GP4의 평가기능이 한정돼 있으며, 이를 적용하기 위한 준비와 전문기술이 필수적이다.

설계생산, 물리적 구성에 자유를 주다
제품 및 설계생산을 위한 ICT의 적용에는 두 가지 측면이 있다. 하나는 고도한 제품 및 그 설계생산요소 기술의 디지털화이며, 다른 하나는 요구에 따른 여러 가지 기능의 제품 및 설계생산 형태의 실현을 지원하기 위한 시스템 구축 지원의 ICT 환경이다.
전자의 경우 ICT 발전이 추진력을 얻어 계속적인 연구개발을 거친 CAD/CAM/CAE, 제품정보관리(PDM), 제품수명주기관리(PLM), 제조실행 시스템(MES), 보급망관리(SCM), 전사적 자원계획(ERP) 및 각종 자동화 시스템 소프트웨어, NC, 편집 소프트웨어 등이 있다.

후자의 ICT 환경은 전자의 소프트웨어 집단을 조합해 제품 및 설계생산 시스템을 창출하는 것으로 최근 ICT 발전에 따라 목적에 맞는 다양한 시스템 구성이 가능해지면서 주목받고 있다. 특히 통신기능의 발전은 시스템의 물리적 구성에 자유도를 증가시키는 큰 효과가 있다.
부품정보의 부문 간 일원화 관리를 통해서 EOL(End Of Life) 등의 부품 라이프사이클 정보를 공유하고 최적 부품 검색, 조합 검증 등에 관한 부품정보 데이터베이스를 활용하며, VDR/VMR에 의해 프로세스를 앞당기고 개발 기간을 단축, 제조의 수직 상승을 실현한다. 또한 설계 검증·개선을 위해 가상으로 품질을 확인하며, 조립 공정의 설계·평가, 제조의 각종 문서 작성을 3D 가상 제품 데이터를 바탕으로 제작하고, 디지털 생산 준비에 의해 제조시 설계 품질을 반영해 준비 기간 단축을 실현할 수 있다.

가상시작 단계, 실기 전 평가하다
실기시작을 통해 검증된 사항을 컴퓨터의 가상시작 단계에서 검증해, 실기시작에서의 테스트 시간 단축 및 효율화를 꾀한다. 스마트폰 등의 박형화 및 부품 수량의 삭감을 위해, 골격 유무화에 따른 장단점을 가상시작 단계에서 확인할 수 있는 것이다. 또한 기구 부품과 전기 부품 등을 조립해 낙하할 때 내부 충격이 어느 정도인지를 검증하고, 가동부 배선 부품의 상태나, 조립 순서 및 조립성 등을 검증하며, 조립 지시서 및 정비 점검표 등을 작성하는 등 작업이 보다 효율적으로 진행된다. 더불어 3D 프린터를 사용해 제품 형상 등을 감각적으로 평가하는 것도 가능해졌다.

제품개발, 정보의 표준화를 이루다
제품의 부가가치 상승을 위해서는 기존 제품의 품질, 기능, 자원 및 에너지 절감, 비용 절감 등을 높여주면 된다. 이를 위해 네트워크 인프라의 보급 및 데이터 수집·처리 능력의 향상 등이 필요하며, ICT는 이러한 향상에 효과적으로 기능한다. 한국훼스토 김진성 이사는 “변화는 빠르고 경쟁은 치열해지는 시장에서 경쟁력을 확보하기 위한 유일한 방법은 사용자 중심 비즈니스가 돼야 한다는 것”이라며, “그렇기에 모든 데이터의 수집·처리 능력은 갈수록 중요해졌다”고 설명한다.

최근에는 3차원 CAD를 비롯한 대규모 시뮬레이션 등 많은 지원 소프트웨어가 제품개발의 필수 수단으로 사용되고 있으며, 사용자의 요구를 기능에 반영한 설계가 주목받고 있다. 또한 모델기반개발(MBD) 등이 새로운 소프트웨어 개발법으로 각광받고 있기도 하다.
ICT 지원을 통합하고 제품개발을 통해 일관된 활용이 가능하도록 하기 위해서는 지원 소프트웨어 기능의 제어와 정보의 공유가 가능하도록 하는 참조 소프트웨어 아키텍처가 중요하다. 특히 제품 개발의 상류공정에서 하류공정에 이르기까지 제품 정보 및 그에 부수된 기술 정보의 모델 표준화가 중요한 것이다.


Point 4. ICT, 새로운 생산형태의 실현 이룬다

라이프사이클 관리와 새로운 생산형태의 실현
ICT 침투에 의해 생산시스템 역시 크게 변화했다. 생산형태는 수량, 품종, 납기, 품질, 비용, 변동요인 등에 따라 변화하는데, 이러한 여러 가지 요인에 따라 신속·유연하게 형태를 변화시키는 것이 곧 공장의 능력일 것이다. 최근에는 제조 전, 제품의 라이프사이클을 부감해 적절한 방책을 결정하고 자동화기기를 적절히 재편성하는 방식으로 생산형태가 변화하고 있다.
라이프사이클 관리는 ICT가 가장 깊숙이 침투한 분야 중 하나다. ICT는 산업기기 등을 중심으로 실현돼왔으나 최근에는 서비스 제공과 환경성능 향상의 관점에서 모든 제품에 적용 가능해졌다. 온라인을 통한 지속적인 모니터링이 가능해짐에 따라 제품 라이프사이클의 합리적 관리가 가능해졌기에 순환형 생산 정착과 인프라 비용의 절감이 실현됐다.

일반적인 생산과정에는 많은 물리적 제약이 따르므로 이를 충분히 반영한 모델링을 바탕으로 생산계획을 수립하는 것이 좋다. 기술정보, 설비, 생산 프로세스, 비즈니스 프로세스 등의 연계는 그래서 중요하며, 이러한 연계성은 ICT 기술이 발전하고 실세계로부터 실시간으로 정보획득이 가능해지며 높아졌다.
설비의 정보화·자율화 역시 발전했다. 범용 네트워크가 대용량·고속화되고 실시간 조작이 가능해짐에 따라 설비가 ‘레고 블록화’돼 시스템 재구성이 손쉬워졌다. 물리적/논리적 간의 인터페이스와 사람/시스템 간의 인터페이스 설정에 따라 공장의 물리적 설비세계와 정보세계가 결합돼 다양한 형태의 생산이 가능해진 것이다.

동시병행공정으로 납기 단축과 품질확보 이뤄
1990년대 후반, 자동차 업계를 중심으로 동시병행설계(CE) 시스템이 등장, 신제품 개발기간이 단축되기 시작했다. CE는 제품의 기획 단계에서부터 설계, 완성, 테스트, 양산에 이르는 모든 생산 공정을 병렬적으로 진행하고, 판매, 유지·보수, 폐기 과정에서의 사후지원업무까지 통합적으로 관리하는 시스템을 말한다. CE가 등장하며 납기의 대폭적인 단축과 공정 단위의 품질을 담보할 수 있게 됐다.
CE는 앞 공정의 설계공정과 연계해 다음 공정에서의 재작업 발생을 막아준다. 최근 일본의 제조업은 중국을 비롯한 아시아 여러 국가와의 경쟁력에서 납기 및 가격의 어려움을 겪게 됐고 이를 극복하기 위해 모노즈쿠리의 재정립과 품질확보 방법의 개선법이 필요해졌다. ICT는 각 공정의 결과물을 평가해 품질을 담보해주기에 상류공정의 품질 확보, 규격 적정화, 검증 환경의 ICT화, 개발과 제조의 연계강화를 실현하게 됐다.


Point 5. ICT 혁신을 맞이하는 신속·유연한 대응법

ICT의 혁신은 공업제품 및 그 설계생산에만 국한되지 않고 타 산업군에도 확산되고 있으며, 타 산업에서의 실시에 의해 ICT를 기반으로 한 산업의 융합이 진전되고 새로운 산업구조가 생겨나고 있다.
제조분야에서의 ICT 활용은 그 필요성이 갈수록 커지고 있다. 제조분야의 ICT 활용은 각 공정 단계마다 품질을 확인하고 평가해 전 공정을 마쳤을 때 만족할 만한 결과를 얻을 수 있도록 하는데 목적이 있다. 공작기계 산업 부문에서 ICT와의 융합은 가공 자동화와 밀접한 연관을 가지며 미래 신시장 창출을 가능하게 할 전망이다.

국내 기계 산업계에서도 ICT 융합의 가치를 인식하며, ICT 융합 제품 기술개발에 박차를 가하고 있다. 우리의 공작기계 산업이 중국 및 신흥 개도국과의 경쟁으로 인한 이윤감소와 생산기지의 해외 이전에 따른 고용 정체 등으로 부가가치 유발효과가 감소하는 상황임에도 불구하고 국내의 ICT 융합 사례는 기계 산업 생산에 따른 부가가치 유발에 긍정적인 역할을 하고 있다.

일상적인 기술은 디지털화되고 산업은 지식집약화되는 것이 현재의 제조방식이 변화하는 방향이다. 철저한 디지털화, 요구되는 상황의 적합도, 사람 역할의 명확화 등의 기반 위에 ICT의 안정적 발전도 이뤄질 것이며, 제품이나 상황에 따라 적용·실현되는 형태 역시 다를 것이다. 그러나 ‘컨트롤’이란 말은 기본적으로 통신 네트워크와 규착될 수밖에 없다. 따라서 이 분야에 대한 연구와 관심, 애플리케이션의 개발 등은 앞으로도 오랜 기간 지속될 것이며, 우리는 새로운 변화에 대한 신속·유연한 대응을 위해 힘써야 할 것이다.

사물인터넷을 활용한 제조 시스템
사물인터넷(IoT)의 개념을 제조부문에 적용하려는 움직임도 시작됐다. 앞서 다뤘던 독일의 인더스트리 4.0과 미국의 Indus
trial Internet(산업 사물인터넷)의 구체화 추진이 그 예다. 이는 생산시스템의 구성기술에 관한 것이지만, 이에 대응해 제품설계를 시작으로 하는 엔지니어링 체인의 변화 역시 제품설계와 가공현장의 연계에 있어 중요한 안건 중 하나다.

인더스트리 4.0은 스마트 머신이나 스마트 단말을 장착한 작업자를 M2M 또는 M2H 기술과 연계해 생산 시스템 전체가 생산 요구에 대해 능동적으로 동작하는 것을 목표로 한다. 스마트 머신을 플러그&플레이로 생산 시스템에 적용하면 유연 생산이 가능해지며, 빅 데이터와 연계해 분석적인 대응도 가능하게 된다. IoT를 활용해서 유연 생산이 되도록 하면 다품종 소량생산 역시 실현된다.

IoT을 활용한 제조는 장래성 있는 생산 시스템이지만, 한편으로는 새로운 생산 형태를 도입하는 것이기에 기술 과제라는 부담 역시 지워진다. 인더스트리 4.0이 추구하는 것은 운용 시스템의 실현으로 현재 스마트팩토리나 빅 데이터 해석이 중점적으로 논의되고 있으나, 향후에는 생산시스템 설계 및 숙련 기술자의 노하우를 체계화하는 문제 역시 중요해 질 것이다. 문제 발생 후 대책보다 제품설계와 가공현장의 연계강화로 엔지니어링 체인의 상류에 방안이 마련돼야 한다는 점 또한 기억해야 할 것이다.

FA Journal 김 엘 진 기자 (fa@infothe.com)

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