예측제어, 에너지 절감, 안전한 상품 제조 위한 기반

이순열 이사가 설명하는 스마트 공장은 스마트한 기기들이 네트워크로 연결돼 또 다른 가치를 창조하는 것이다. 여기서 핵심은 산업용 이더넷 네트워크다. 현장의 디바이스, 센서, 제어기기, 인포메이션 시스템 등이 하나의 이더넷 네트워크에 연결돼 스마트한 공장이 되는 것을 지원한다. 기업의 정보시스템과 현장의 설비가 스마트 네트워크에 연결돼 실시간으로 필요한 정보를 판단할 수 있도록 하고, 과거에는 불가능했던 새로운 부가가치가 창출된다.

스마트한 공장의 개념을 말한다면?

로크웰이 생각하는 스마트한 공장은 단위 설비 자체가 스마트한 자동화 기기가 설치되는 것에서 시작한다. PLC, DCS 등의 제어기기, 센서, 구동장치 등의 현장 디바이스, 산업용 네트워크 등이 디지털화하고 스마트한 고성능기기가 되는 것이다. 그런데 이런 스마트한 설비나 기기가 설치됐다고 해도 그것이 완전한 스마트한 공장이라 말하긴 힘들다. 이 정도 수준이라면 스마트한 공장의 1세대 정도로 볼 수 있다.

아날로그 시대에서 디지털 시대로 변화하고, 마이크로프로세서가 제어기기에 적용되면서 현장 디바이스, 센서 등 지능형 디바이스들이 만들어지고, 산업자동화 현장의 네트워크도 디지털로 변화하면서 이러한 기반이 갖춰졌다고 볼 수 있다.

그렇다면 1세대 이후의 스마트 공장이란?

2세대 스마트 공장은 앞서 말한 설비나 기기들이 하나의 시스템으로 연결되는 것이라 할 수 있다. 스마트 그리드를 생각해보면 단순히 전력망들이 연결만 되는 것이 아니라, 스마트한 기기들이 망에 연결돼야 그것이 가능하다. 이를 통해 그동안 상상치 못했던 부가가치를 창출하고 있다. 공장도 마찬가지다. 스마트한 기기들이 네트워크로 연결돼 또 다른 가치를 창조하는 것이 다음 세대의 스마트 공장이라 할 수 있다.

핵심은 산업용 이더넷 네트워크다. 현장의 디바이스, 센서, 제어기기, 인포메이션 시스템 등이 하나의 이더넷 네트워크에 연결돼 스마트한 공장이 되는 것을 지원한다. 기업의 정보시스템과 현장의 설비가 스마트 네트워크에 연결돼 실시간으로 필요한 정보를 판단할 수 있도록 하고, 과거에는 불가능했던 새로운 부가가치가 창출된다.

최근 글로벌 시장 자체가 급변하고 있는데, 세계 곳곳에서 필요로 하는 제품을 필요할 때 필요한 양만큼 정확히 생산하고자 하면, 시장의 정보와 공장이 연결돼야 한다. 그래야만 고객이 요구하는 제품을 필요한 때 필요한 만큼 생산할 수 있다. 공장 입장에선 공급망과도 연결돼야 한다. 필요한 물건을 생산하려고 하는데, 한 회사에서만 생산하는 것이 아니라 글로벌 공급망을 연결해서 생산하기 때문이다.

최근 일본에서 발생한 지진 문제로 부품 공급이 안 되서 생산 차질이 발생하는 사례를 볼 수 있다. 그런 것처럼 제조업체와 고객, 제조업체와 공급망이 연결돼서 어떤 제품을 기획할 때 부품공급사도 제조사와 하나처럼 돌아가야 한다. 공장이 내부적으로도 스마트하게 동작해야 하지만, 외부 고객이나 공급망과도 하나처럼 연결돼야 스마트한 공장이라 할 수 있다. 이렇게 되면 고객의 요구 사항을 바로 반영해서 생산계획을 수립할 수 있다.

또 하나의 스마트 공장의 요건은 최적화 솔루션이 제대로 적용된 곳이라 할 수 있다. 최적화 솔루션은 최근에 가장 화제가 되는 부분이다. 기업들은 생산설비를 효율적으로 운영하는 것에 관심이 많다. 과거에는 생산설비가 단순한 규모의 경제를 따랐다면, 이제는 가지고 있는 자산을 어떻게 최적으로 운영하는데 따라서 생산성 및 품질 향상, 에너지 절감 등을 할 수 있다. 그래서 최적화 솔루션을 하려면 공장 운영이 어떻게 운영되는지 실시간으로 정보 제공을 받을 수 있어야 한다. 이를 통해 경영 판단이 가능하기 때문이다.

최적화는 2가지 차원에서 가능하다. 하나는 공정에 대한 것으로, 이 설비가 제대로 활용되고 있는지, 자산이 제대로 활용돼서 가동률 등이 좋아서 최대한의 결과를 내고 있는지 등 의사 결정을 지원할 수 있는 것들이 갖춰져야 한다. 또 하나는 공장을 운영하는데 있어 최적의 운영환경을 생각해 볼 수 있다. 공장 운영은 많은 변수를 안고 있다. 하지만 이를 모두 고려해서 예측 가능하도록 공장 운영이 돼야 한다. 이를 예측제어라 한다.

공장을 운영하다보면 다양한 변수들이 시시각각 변하기 마련이다. 생산하는 제품의 종류에 따라서, 원료를 무엇을 사용하느냐에 따라 품질, 생산시간 등이 달라진다. 이런 것들은 예측하기가 굉장히 어렵다. 변수들이 결과가 나오는 선형적인 것이면 결과 예측이 쉬운데, 그렇지 않고 비선형적인 현상이기 때문이다. 이를 모델링해서 공장을 운영하면 품질, 생산성, 설비가 어떻게 되는지 예측이 가능하도록 정보를 제공하는 것이 예측제어 솔루션이 되겠다.

예측이 가능하다는 것은 설비도 예측 가능한 보전을 할 수 있다는 뜻이다. 설비가 지금 잘 운영되고 있어도 언젠가는 발생할 고장에 미리 대처할 수 있으면 금상첨화다.

또한 공장이 현재 가지고 있는 장치, 설비 등을 통해 얼마만큼 생산량을 늘릴 수 있는가를 예측할 수 있어야 한다. 생산량을 늘리려면 공장을 확장해야 하는 건지, 얼마만큼 확장해야 하는지, 공장 가동률을 얼마나 올릴 수 있는지 등을 판단할 수 있으면, 최소한의 투자를 해서 최대효과를 낼 수 있을 것이다. 이처럼 투자비용을 줄이고, 효과는 최대한 높이는 것이 최적화 솔루션이다. 이렇게 하면 투자 대비 생산성과 품질도 높이고, 변동성도 줄여준다.

스마트 공장은 에너지 관리 측면에서도 살펴볼 수 있다. 과거에는 에너지 절감이라 하면, 불필요한 전기를 사용하는 기기를 끄는 수준이었다. 하지만 에너지 소스는 전기 외에도 스팀, 물, 가스 등 다양하다. 그리고 이들 비용도 시시각각 변한다. 사용하는 시간대에 따라서 다른 비용이 들기도 한다. 그래서 어떤 에너지를 언제 어떻게 사용하느냐에 따라 절감이 가능하다. 공장의 경우 에너지를 많이 사용하기 때문에 이로 인한 효과는 더 크다고 할 수 있다. 에너지를 적게 쓰는 것으로 5% 정도 절감이 가능하다면, 에너지를 어떤 시간대에 어떻게 사용하는 것이 좋은지를 조절하면 20~30% 정도의 절감이 가능하다. 이렇게 공장을 운영하기 위해서는 각 부하별 에너지 사용량과 공급망의 에너지 정보가 실시간으로 제공돼야 한다.

사실 스마트 공장 자체는 결과물이 아니라 에너지 절감을 하고, 공정을 최적화하고, 안전한 제품을 만들기 위해 필요한 것이라 할 수 있다.

스마트 공장을 가능하게 하는 핵심요소를 꼽는다면?

지금까지 설명한 이런 것들이 가능하려면, 우선 공장의 개별기기들이 그런 정보를 제공할 수 있게 제조돼야 한다. 그리고 사용자들이 실시간 판단이 가능하도록 실시간 정보가 제공돼야 한다. 정보가 없기 때문에 불필요하게 낭비되는 부분이 많다. 실시간 정보를 제공하는 역할을 하는 것이 제조정보시스템이다.

제조정보시스템의 실시간화에 대한 고민은 과거에서부터 있어왔다. 문제는 공장에서 필요로 하는 제조시스템의 정보는 사무실이 아니라 현장에 있다는 것이다. 이처럼 현장에 있는 정보가 경영판단을 위한 데이터로 제공되지 않으면 근본적인 문제해결을 할 수 없다. ERP를 도입해도 공장 생산성이 올라가는 것에 한계가 있는 것처럼 말이다.

그리고 개별기기들이 스마트하다고 해도 네트워크에 연결되지 않으면 의미가 없다. 그래서 공장 전체가 EtherNet/IP 같은 네트워크로 연결돼야 한다. 그래야만 각 기기별로 실시간 정보를 제공할 수 있다.

한편, 똑같은 공장을 운영해도 숙련된 사람이 하면 품질이 더 좋아지는 사례가 많은데, 이러한 지식, 노하우들을 규격화해서 컴퓨터에 모델링해 저장해 놓으면 숙련도에 따른 변동성을 줄일 수 있다. 경험과 지식을 정보화하는 것도 스마트 공장에서 중요한 것 중 하나다.

네트워크 연결에 보안 문제는 없나?

네트워크를 공장에 적용할 때 보안문제도 굉장히 중요하다. 그래서 로크웰은 그들이 보유한 공장 관련 기술과 협력관계에 있는 시스코의 상위 네트워크 기술을 접목해 이를 해결했다. 시스코의 보안 솔루션 덕분에 공장이 외부 연결에서 문제가 발생하는 경우는 드물다. 오히려 내부에서 USB 메모리 연결 등으로 문제가 생기는 경우가 많다. 그래서 로크웰의 어셋센터 제품을 통해 공장 내부 시스템의 접속 기록을 남기고 차단시켜 줄 수 있게 했다.

그리고 설비를 운영, 보전하는 사람들은 프로그램을 수시로 수정하는 경우가 있는데, 의도하지 않아도 이들이 모르는 사이에 문제가 발생할 수 있다. 이에 대비하기 위해 타사에서 제공하지 않는 시스템 변경사항을 관리해주는 솔루션을 제공하고 있다.

스마트한 공장을 만드는데 있어 주의할 점은?

플랫폼이 지원돼야 하고, 공장도 업그레이드가 가능해야 한다는 점을 유념해야 한다. 스마트한 공장을 만들고 싶어도 기존 공장을 허물고 진행하기는 힘들다. 기존 투자를 보호하는 것도 우선적으로 고려해야 한다. 이를 보존하면서 스마트하게 업그레이드하려면 최소한의 비용으로 가능해야 한다. 나중에 최신 기술이 나와도 지원하기 위해서는 플랫폼의 유연성이 필요하다. 기존 기기들이 새로운 기기들과 쉽게 융합돼야 한다는 뜻이다. 결국 현재 투자하는 것이 나중에도 호환이 가능해야 한다.

로크웰의 Logix 제어기기 제품군은 나중에 출시될 스마트한 기기들, 스마트한 정보시스템 등과 연결될 수 있도록 플랫폼을 지원하고 있다. PAC 개념이라 과거 PLC 시절과는 달리 PC와 저장방식, 데이터 구조를 사용할 수 있다. FactoryTalk Histo rian ME를 Logix에 꼽아서 컴퓨터나 웹서버처럼 동작시키는 것이 하나의 예다.

과거에는 제어기기와 PC 간에 데이터를 전송하고 이를 재가공하는 등 여러 복잡한 절차를 거쳐야 했다. 실시간으로 공장에 있는 정보를 웹 데이터로 제공하려면 여러 단계를 거쳐야 했다.

지금은 Logix 같은 컨트롤러가 웹 서버 같은 역할도 할 수 있고, 필요하면 휴대폰으로 알람 메시지를 날리는 것도 가능하다. 또한, 웹 퍼블리싱을 통해 Logix에서 제공하는 웹 서비스에 연결해서 현재 상태를 보여주는 것도 할 수 있다.

스마트한 공장을 위해서 꼭 필요한 제품은?

스마트한 공장을 위해선 우선 스마트한 개별 기기를 도입해야 한다. 그리고 각 기기들이 네트워크로 연결돼야 한다. 이는 서로 정보 교환이 가능하다는 뜻이다. 이와 함께 필요한 정보를 판단하기 위해 데이터를 의미 있는 정보로 가공할 수 있는 시스템이 필요하다.

로크웰에서는 인텔리전트 디바이스, 스마트 디바이스 등으로 부르는 EtherNet/IP를 지원되는 현장기기들을 공급하고 있다. 그리고 모터 제어기기, 인버터, 모션 제어기, 세이프티 장치, 제어기기, 정보시스템, 데이터를 정보화해 제조 인텔리전스를 높일 수 있는 소프트웨어 제품인 Factory Talk 제품군 등을 통해 스마트 공장을 지원하고 있다.

스마트 공장의 도입 추세는 어떤가?

스마트 공장은 글로벌 제조회사, 자금력이 있는 회사 등에서 가장 먼저 도입하고 있다. 스마트한 공장을 통해 기업의 경쟁력도 높이고, 사회적인 책임과 환경 문제 등을 해결할 수 있기 때문이다.

에너지 절감을 통한 탄소 배출량을 감소시키기 위해서는 얼마나 사용하고 있는지 알고 있어야 가능하다. 즉 탄소 발자국을 알 수 있어야 한다. 이는 일반적인 공장에서는 추정만 가능하다. 스마트한 공장에서만 정확하게 알 수 있다. 그렇게 때문에 탄소배출량을 공개하는 기업은 스마트 공장을 도입한 것이고, 그것을 관리한다는 것이며, 자신이 있다는 뜻이기도 하다. 공개하지 못하는 기업은 돈이나 관련 시스템이 없거나, 관심이 없는 곳일 수 있겠다.

또한, 제조물의 안전도 중요한 이슈다. 요즘 시대에는 제품이 잘못 만들어져 인명이 손실되면, 수백년이 된 회사도 하루아침에 곤두박질 칠 수 있다. 때문에 이러한 부분에 효과적으로 대응할 수 있는 스마트 공장은 기업의 생존가능성과 직결된다. 사회적인 책임을 다하는 기업, 안전한 제품을 만드는 기업, 환경오염을 막는 기업은 이제 선택이 아니라 필수이기 때문이다. 결국 지금은 일부 대기업에서 이러한 스마트한 개념의 공장을 추구하고 있지만, 머지않아 일반적인 형태로 다가올 것이 분명하다.

스마트 공장이 어떻게 환경 및 안전 문제에 대응할 수 있나?

과거와 달리 모든 이력을 체크할 수 있기 때문이다. 스마트 공장에선 각 설비에 대한 모든 정보와 만든 제품에 대한 정보가 기록된다. 그래서 나중에 문제가 생기면 이게 공장에서 제품을 잘못 만들었기 때문에 발생한 결함인지, 유통과정에서 그런 것인지, 제품 사용시 발생한 문제인지 등을 추적해서 판단할 수 있게 된다. 만약 데이터 이력이 없으면 이러한 추적이 불가능하다. 특히 약 같은 경우에 이러한 시스템이 매우 중요하다.

로크웰의 FactoryTalk Production Centre 제품군이 바로 이런 것을 가능하게 한다. 생산할 때 어떤 원료를 사용했고, 어떤 공정을 거쳤는지, 어떤 방법을 사용했는지 등을 기록해둔다.

스마트 공장 관련 수요가 얼마나 있나?

한국 사람들은 새로운 기술을 빨리 접하고 싶어 하지만 알다시피 공장은 보수적이다. 그래서 최근에는 적극적인 검토가 이어지고 있지만 검증되지 않은 것들을 앞장서서 하지는 않는다. 앞서 설명한 것들이 성숙기에 이르려면 앞으로 수년은 걸릴 것이다.

현재 이러한 기술들은 선진국이나 큰 회사들에서 먼저 사용하고 어느 정도 효과를 누리면서, 솔루션이 검증된 추세이기 때문에 많은 회사들이 관망하다가 적용하는 단계에 접어들고 있다고 본다. 시간이 갈수록 스마트한 솔루션을 먼저 적용한 사람들이 많은 효과를 누리기 때문에, 도입하지 않은 회사와의 격차가 벌어지면서 결국 따라갈 수밖에 없는 상황이 될 것이다.

이후의 스마트한 공장을 위한 기술을 꼽는다면?

상용으로 개발된 기술들이 공장에 쓰이면서 스마트한 공장으로 거듭나고 있다. 하지만 공장이라는 특성 때문에 아무리 좋은 기술이라도 쉽게 적용하기에는 힘든 부분이 있다. 예를 들어 무선 기술에 대한 기대치는 매우 높지만, 만에 하나라도 문제가 발생하면 안 되기 때문에 일부 모니터링 공정에서만 사용되고 있다. 향후 무선으로 온전하게 제어가 가능하게 되면 큰 효과를 볼 수 있을 것이다.

월간 FA저널 다른기사 보기