[SPRi 소프트웨어정책연구소] 스마트공장 (스마트 팩토리) 성공을 위한 소프트웨어의 역할과 과제 - 진회승

 

 

 

*** 출처: [SPRi 소프트웨어정책연구소] 스마트공장 성공을 위한 소프트웨어의 역할과 과제 - 진회승

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이슈리포트_2017-007_스마트 공장성공을 위한 소프트웨어의 역할과 과제.pdf

 

 

 

 

2. 스마트공장이란?

 

 

(1) 스마트공장의 개념

 

 

■ 스마트공장은 ICT와 제조 기술이 융합되어 제조공정의 통합을 통해 생산성 향상과 에너지 절약, 그래서 수익성 증대를 추구하는 공장

 

 

- 단순히 공장자동화가 아니라, 전 제조공정을 통합하는 과정

 

- 스마트공장의 특징은 데이터에 의한 작업 지시를 수행하는 능동성, 변화된 여건에 따라 스스로 판단하는 지능성, 수집된 데이터에 의한 신뢰성, 실시간 처리 수준의 민첩성, 유관 시스템의 연계성임

 

- ABCi(AI, Big data, Cloud, IoT), CPS 등 ICT와 제조업기술을 융합하여 공장 내의 장비, 부품들이 연결 및 상호 소통하는 생산체계

 

- 수직적으로는 디지털 트윈(Digital Twin), 인공지능, 빅데이터, 클라우드 및 엣지컴퓨팅 서비스를 각 계층에 제공하게 됨

 

** 디지털 트윈(Digital Twin): 물리 세계와 동일한 쌍둥이(Twin)를 사이버 세계에 제작. 물리시스템의 실시간 상태 모니터링, 데이터 분석, 3차원 모델을 통한 장비 동작성 파악 및 산업 장비나 자산의 수명주기 동안 높은 생산성 도출을 위한 운용 방안 등을 제시

 

 

 

 

■ 스마트공장 SW의 효과

 

 

- 소프트웨어는 스마트공장 구축을 위해 필수 요소이며, 소프트웨어에 의해 효율성이 극대화됨

 

- (유연성) 제조업은 다품종 유연 생산으로 요구사항이 바뀌고 있으며, 소프트웨어의 유연성에 의해 다품종 생산을 위한 제조 공정의 변경이 용이

 

- (지능성, 신뢰성) 빅터이터 처리기술과 인공지능 기술은 스마트공장의 데이터에 의한 실시간 오류 검출과 예지보전 기능을 수행

 

- (실시간성) 실시간 운영체계, 실시간 네트워크, 시간 동기화 기술 등은 제조 운영 관련 경보, 조치, 소요시간, 정보 공유 등의 실시간성을 제공하여 스마트공장 성능 향상

 

- (연계성) 소프트웨어는 센서와 각 시스템에서 생산하는 데이터를 수집, 저장, 가공, 활용하여 전 제조공정의 연계를 가능케 함

 

 

 

 

■ 스마트공장 시스템 구조

 

 

- 다양한 산업 공정에 대해 ICT를 스마트공장에 적용하기 위해 표준화된 모형은 시스템 관점의 스마트공장 개념적 구조를 설명

 

- 스마트공장 시스템 모형

 

 

 

 

 

 

 

 

태평양 시장은 가장 큰 시장이 될 것으로 예상함

 

 

■ 시장 현황

 

 

- 세계 스마트공장 시장은 연평균 9.3%의 성장이 예상되며, 아시아 태평양 시장은 가장 큰 시장이 될 것으로 예상함

 

- 스마트공장 시장은 디바이스, ICT, 수요산업으로 구분

 

- 스마트공장의 국내시장 규모는 2015년 32.1억 달러에서 2020년까지 54.7억 달러로 연평균 10.9% 성장할 전망

 

 

 

■ 스마트공장 구축 사례

 

 

- 스마트공장은 제조기술과 모의실험, 디지털트윈(Digital Twin), IIoT, 인공지능과 같은 소프트웨어 기술을 기반으로 기계 장비, 작업자, 데이터를 연동시켜 공장운영 최적화, 비용절감, 제품 신뢰성 강화를 목표로 구축

 

 

 

○ 지멘스 암베르크 공장

 

 

- 생산설비, 제어시스템 및 산업용 소프트웨어 등을 아우르는 거의 모든 산업분야의 제조 및 공정자동화 생태계 솔루션을 기반으로 공장의 디지털화 및 자동화에 사업 역량을 집중

 

- 공장에서 매일 실시간으로 수집하는 5,000만 건의 정보를 이용하여 자동 작업(75% 자동화 실현) 지시를 통해, 99.5% 제품을 24시간 이내 출하

 

- 1천 종류 제품을 연간 1,200만 개 생산 가능하며, 세계 최고수율 99.9988% 달성

 

 

 

○ 로크웰 오토메이션

 

 

- 기업과 기업을 둘러싼 모든 공급망이 하나로 연결 및 융합되어, 새로운 가치 창출과 비즈니스 최적화가 가능한 CSF (Connected Smart Factory, 연결형 스마트공장)를 지향

 

 

 

○ 미쯔비시전기

 

 

- 공장자동화시스템 전문기업인 미쯔비시전기는 자사의 기술을 기반으로 수직형 스마트공장 솔루션 구축을 위해 국내외 전문 기업들과의 협업 체계를 구축하여 e-F@ctory 아키텍처를 진화시키고 있음

 

 

 

 

3. 스마트공장의 소프트웨어 기술 현황

 

 

(1) 스마트공장에 적용되는 주요 소프트웨어 기술

 

 

■ 스마트공장 기술은 제조업 기술, 하드웨어, 소프트웨어 등의 요소기술 등의 융합 기술이고, 소프트웨어는 효율화, 지능화를 구현하는 기반기술

 

 

- 스마트공장 ICT　요소는 스마트공장 시스템 모형에 따라 디바이스, 플랫폼, 응용 소프트웨어 등이 존재

 

- 스마트공장 기술요소 중 IoT, CPS는 스마트공장 효율화를 실행하는 매개체로, 소프트웨어는 최적화, 지능화를 위한 중요한 역할을 담당

 

- 스마트공장은 안전, 보안, 전자파 적합성, 고가용성, 무선통신 공존, 위험관리 지원이 필요한데, 이 또한 소프트웨어는 기반 기술로써 작용

 

 

 

■ 스마트공장에서 비교적 활발하게 적용되고 있는 소프트웨어 기술은 시뮬레이션, 디지털 트윈, IoT 플랫폼 등이 있으며 상품화되고 있음

 

 

 

■ 해외 사례 (회사, IIoT 플랫폼)

 

 

○ 다쏘시스템사

 

 

- 정확한 가상 생산시스템을 운영하여 실시간 생산 활동 추적, 일정 변경 수행, 유지 관리 작업 일정 등을 모의실험 기반으로 처리

 

 

○ PTC사

 

 

- 3D CAD(Computer Aided Design)30) 기반의 PLM 및 서비스관리 솔루션을 보유하고 있으며, 공학 분야의 수치해석 기반 솔루션 제공

 

 

○ AutoDesk사

 

 

- 건축, 엔지니어링, 건설, 제도 등 다양한 분야의 소프트웨어를 제공하며 CAD 기반 솔루션, 3D 솔루션 보유

 

 

○ GE

 

 

- 생산하는 모든 산업 기계의 프로필을 구축하고 기계에 대한 공학적 모형을 획득 중이며, GE의 Predix 상에서 실행되는 55만 1,000개의 디지털 트윈을 개발 (2016년 말)

 

 

○ 지멘스

 

 

- 디지털 트윈을 생산 공정 최적화에 활용하여 생산 라인 상에서 제조기계와 작업자 배치 위치에 따른 생산성 변화를 실험하고, 이를 고려해 최적의 운영 환경을 구축

 

 

○ iCAD사

 

 

- 실제 물리적 장치를 가상 3D 모형으로 구성하여 예상 동작을 검증하고, 다른 제조기계들과의 통합한 대규모 제조라인 구축을 지원

 

 

○ Predix

 

 

- GE사의 세계 최초의 산업 IoT 클라우드 플랫폼으로, Predix내에서 사용자는 최적화된 산업인터넷 응용을 개발하고 운영

 

 

○ Mindsphere

 

 

- 지멘스사의 산업 IoT 플랫폼으로, 기계나 플랜트 등 다양한 제조 환경에서도 지멘스 외 타사의 시스템들과도 쉽고 빠르게 연결되고 안전한 데이터 저장을 지원하며, 빅데이터 분석 알고리즘을 통해 산업현장의 설비와 공정을 최적화

 

 

 

 

4. 우리나라의 현황과 문제점

 

 

(1) 스마트공장 및 소프트웨어 기술현황

 

 

■ IoT, CPS 기반의 고도화된 단계보다는, IT 시스템을 일부 도입하여 생산성 향상과 효율성을 추구하는 단계이며, 전체 공장의 스마트공장 보급률도 낮음

 

 

■ 스마트공장 보급 사업에 참여한 기업들을 대상으로 스마트공장 시스템 활용에 대해 분석하면 기업의 생산 활동과 직접 관련이 있는 생산 및 자원 부문의 정보화 구축 수준이 상대적으로 높음

 

 

■ 구축 사례

 

 

○ 포스코

 

 

- IoT 센서를 적용해 제조현장의 데이터를 수집하고 빅데이터로 분석·예측함은 물론 AI를 통한 자가 학습 구현

 

 

○ 동양 피스톤

 

 

- 자동차엔진의 핵심부품인 피스톤을 생산하며, 세계 시장점유율은 9% 대로 4위, 국내 1위 기업35)으로 스마트공장 ‘중간1’ 에서 ‘중간2’ 사이 수준 구현 (스마트공장 자동화율 87% 구현)

 

- 모듈형 유연생산 라인, IoT, CPS, 인공지능, 빅데이터의 유기적 결합을 통해 다품종 유연생산이 가능한 자동화라인 구축

 

- 로봇을 통한 자동 주물 이송 및 주입의 주조공정, 공정물류 자동화, 자동 검사의 가공공정, 정밀품질 유지의 조립 공정 구현

 

- 실제 환경과 가상 환경에서 수집된 정보는 빅데이터 분석을 거쳐 품질 검사 및 공정 효율성을 예측하여 지능형 제어 구현

 

- M&S(Modeling & Simulation) 기반의 오류발생에 대한 예지보전 시스템 구축 및 전 공정의 디지털화를 추진

 

- 동양 피스톤의 스마트공장 아키텍처

 

 

 

 

 

 

 

■ 국내 스마트공장 소프트웨어 기술