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[스마트공장 구축의 초석, 데이터 수집 ①] 나이팅게일과 스마트공장의 상관성

MFG는 지난 한 해, ‘세계의 4차 산업혁명’을 주제로 제조업 패러다임의 변화 트렌드를 알아봤다. 변화의 흐름을 알았다면 그에 대한 실질적 대응을 해야할 차례. 4차 산업혁명의 핵심 Action Item인 스마트공장 구축에 나서보자. 데이터를 기반으로 더 효율적인 생산을 위한 의사결정을 스스로 내리는 이 똑똑한 공장을 구축하는 데는 그 기반인 데이터를 모으는 것이 초석이 된다. 그렇다면 우리는 어떻게 효율적으로 데이터를 수집할 수 있을까? 이번 특집에서 그 실마리를 찾아보길 바란다.

image1MFG는 지난해 5월에 독자들을 대상으로 ‘4차 산 업혁명 인식도 조사’를 진행했다. 해당 설문조사에서 4차 산업혁명을 실현시킬 핵심 Action Item이 무엇이냐고 묻는 질문에 많은 응답자들이 ‘스마트공장’을 꼽았다.  스마트공장은 제품 기획부터 판매까지 제품 수명 주기 전반을 최신 ICT 기술로 통합 관리하여 생산 시스템을 최적화시킨 공장이다. IoT, 빅데이터, 3D프린팅 등 주목받는 첨단 기술들의 집약체이기도 한 스마트공장은 4차 산업혁명의 핵심이자 시작으로 평가 받는다. 4차 산업혁명에 주도적으로 나서고 있는 많은 국가와 기업이 스마트공장 확산에 집중하고 있는 것도 그 때문이다. 우리나라도 제조업혁신 3.0 전략 수립 이후 스마트공장 보급확산 사업을 적극 추진하며 국내 제조업 경쟁력 향상의 동력을 마련하고 있다.

정보 수집, 스마트공장 구축의 첫 단계

스마트공장에 대한 이해가 부족한 많은 기업들이 세계적 선도 기업들의 이상적 사례만 보고 스마트공장 구축에 접근하는 경우가 많다. 그러나 이것은 아직 걸음마도 못 뗀 아이가 육상 대회에 출전하려는 것과 같다. 때문에 이런 식의 접근으로는 스마트공장 구축에 성공할 수 없다. 스마트공장 도입에 대한 목적을 명확히 하고, 그 목적을 달성하기 위한 단계적 접근을 시도해야 한다. 이제 막 스마트공장이라는 계단 앞에 선 우리는 두 번째, 세 번째 계단을 오를 걱정을 미리 할 필요가 없다. 우선 첫 계단부터 착실히 밟는 것이 중요하다. 그렇다면, 그 첫 계단이란 것은 무엇일까? 스마트공장 구축의 첫 단계 를 이야기하는 이번 특집을 본격적으로 시작하기 전에 유명한 일화 하나를 소개하고자 한다.

image2우리에게 백의의 천사로 잘 알려진 플로렌스 나이팅게일(Florence Nightingale)은 전쟁의 참상에 대한 기사를 읽고 자극을 받아 간호학을 공부했다. 1854년 영국, 프랑스 연합과 러시아 사이에서 크림 전쟁이 발발하자 38명의 성공회 수녀들과 함께 스쿠타리 야전 병원에서 간호 활동을 펼친다. 부상 병사들의 치료를 위해 노력하던 그는 입원 후에 사망하는 엄청난 수의 병사들을 보며 사망 원인에 대해 진지한 고민을 시작하였다. 야전 병원의 상황을 정확히 파악하기 위해 입원하는 병사들의 수와 증상, 치료 내역, 사인 등을 매일매일 기록했는데, 이를 통해 전투에 의한 직접적 피해로 사망하는 병사보다 열악한 의료 환경으로 인한 병원균 감염으로 사망하는 병사의 비율이 훨씬 높다는 사실을 밝혀냈다. 나이팅게일은 그간의 기록을 시각화한 로즈 다이어그램을 제작하여 야전 병원 의료 환경  개선의 필요성에 대해 정부 관계자들을 설득했고, 42%에 달 하던 환자의 사망률이 2%까지 떨어지는 성과를 달성했다고.
이 일화를 소개한 이유는 축적된 데이터를 통해 문제를 도출하고 획기적인 성과를 달성한 나이팅게일의 이야기와 우리가 구축하려는 스마트공장의 메커니즘이 크게 다르지 않기 때문이다. 제조 프로세스 전반에서 생성되는 다양한 정보들을 첨단 ICT 기술로 수집 및 분석하여 선제적이고 정확한 의사 결정을 진행함으로써 생산 효율을 극대화 시키는 것이 바로 스마트공장이다. 여기서 주목할 것은 나이팅게일의 의료 환경 개선이나 우리가 스마트공장을 통해 추구하는 생산 효율 극대화가 정보, 즉 데이터를 기반으로 하고 있다는 사실이다. 따라서 스마트공장 구축은 그 목적에 합당한 데이터들을 수집하는 것으로부터 시작되어야 한다.

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나이팅게일의 로즈 다이어그램

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스마트공장 시스템 구성도

생산 현장에서는 원료 입고, 전처리부터 가공을 하고 제품을 배송하기까지 다양한 공정이 진행된다. 이 공정 속에서 생성되는 정보들이 상위의 MES 레벨이나 ERP, PLM 같은 최상위 레벨까지 끊김 없이 이어지면서 실시간으로 현장 정보를 모니터링하고 제어할 수 있어야 한다. 그러나 현재 한국의 중소기업 공장은 그 같은 정보의 흐름이 이루어지지 않고 있는 곳이 많다는 것이 스마트공장추진단 기술위원으로 활동하고 있는 배성한 위원의 설명이다.
“대부분의 제조 현장이 단위 공정의 자동화는 이루어져 있지만, 자동화된 설비에서 나오는 정보를 MES 등의 상위 레벨로 연결하지 못하고 있는 상황이다. 아직도 센서나 계측기 등의 감지부에서 출력된 데이터를 수기로 기록하고 관리하는 기업들이 많다. 이 경우에는 아무래도 제대로 된 정보 수집이 어렵다 보니 표면적인 정보로 Pass/Fail만 관리할 뿐, 정보를 축적해서 예측 정비를 하거나 새로운 가치를 만들어내는 것은 거의 불가능하다.”

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스마트공장추진단 배성한 기술위원

정부가 진행하고 있는 스마트공장 보급확산 사업은 이처럼 이어지지 않고 있는 현장 레벨과 MES 레벨을 연결시켜 스마트한 제조 환경을 구축할 수 있도록 지원한다. 스마트공장 관련 분야에서 20년 이상의 경력을 쌓은 스마트공장추진단 기술위원들이 현장 진단을 통해 기업별 스마트공장 구축 목적을 명확히 하고, 그 목적에 따라 실현 가능한 단계적 스마트공장 구축 계획을 제시한다. 이후 중간 점검, 최종 점검 및 사후 점검을 통해 스마트공장 구축 사업 계획 수립 시 핵심 성과 지표로 설정된 경영 성과가 제대로 달성되고 있는지 확인하 고 있다.
스마트공장 보급확산 사업을 통해 스마트공장을 구축한 기업들의 경영 성과는 곧바로 나타나고 있다. 2014년도 사업에 참여한 277개 기업들을 대상으로 성과 조사를 실시한 결과, 평균적으로 노동생산성 14.5% 향상, 납기 27% 단축, 생산 품목수 16% 증가, 시제품 제작 기간 33% 단축 등 생산성 향상 효과를 경험한 것으로 나타났다. 뿐만 아니라 32.9%의 품질 향상과 23.1%의 비용 절감, 16.8%의 매출 증가 효과도 증명되었다.
이처럼 즉각적인 효과 덕에 스마트공장 구축에 대한 중소 제조기업들의 관심은 꾸준히 증가하고 있 다. 스마트공장 보급확산 사업에 대한 참여도 급격히 증가하여 2014년에 277개, 2015년에 963개, 2016년에는 약 1,200개의 스마트공장이 구축되었다.

정보의 원활한 흐름을 위하여

중소기업을 대상으로 한 스마트공장 보급확산 사업이 순항 중인 데에는 스마트공장 구축 효과에 대한 기업들의 인식 향상이라는 이유가 크게 작용하고 있지만, 성공적인 스마트공장 구축을 지원하는 통신 및 디바이스 기술 발전의 영향도 무시할 수 없다. 최근에는 보다 원활한 정보 흐름을 위한 스마트공장 통신 표준화 작업도 활발히 진행되고 있어 그 효과에 대한 기대를 모으고 있다.

한국산업기술평가관리원(KEIT) 이규택 임베디드SW PD
한국산업기술평가관리원(KEIT) 이규택 임베디드SW PD

한국산업기술평가관리원(KEIT) 이규택 임베디드SW PD는 “기존에 기업들이 현장 레벨과 상위의 관리 시스템 레벨 연결에 어려움을 겪었던 가장 큰 이유 중 하나는 생산 현장의 수많은 설비들이 저마다 다른 통신 프로토콜을 가지고 있기 때문이다. 서로 다른 언어를 가지고 있는 공장 내 수많은 설비 및 시스템을 연결시키기 위해서는 그만큼 많은 부가적 장치와 노력이 수반되어야 했고, 그것은 결코 효율적인 작업이 아니었다. 각 설비로부터 생성되는 데이터를 모두 연결시키기 위한 가장 이상적인 방법은 통신 프로토콜을 통일하는 것이다. 이에 따라 세계적으로 스마트공장 통신 표준화 작업이 활발히 이어지고 있고, OPC-UA 방식으로의 표준화에 대한 합의가 이미 상당히 진행되었다”고 설명했다.
활발한 통신 표준화 작업과 함께 현장 레벨부터 관리 레벨까지데이터 전송 프로세스를 축소시켜 주는 스마트 센서 및 각종 IoT 디바이스들이 꾸준히 출시되면서 제조기업이 효율적으로 정보 수집 인프라를 구축할 수 있게 지원하고 있다.
다음장부터는 효율적인 정보 수집 및 연결을 위해 출시된 솔루션 소개를 통해 스마트공장 구축의 첫 걸음을 내디딜 다양한 옵션을 제시해 보고자 한다.

산업용 통신 Overview 유선이냐 무선이냐, 그것이 문제로다

산업용 통신 Overview 유선이냐 무선이냐, 그것이 문제로다

스마트공장 구축에 있어 ‘연결’의 중요성은 두 번 말해봐야 입만 아플 것이다. 하지만 공장 곳곳에 놓인 다양한 종류의 설비들을 보고 있자면 걱정부터 밀려든다. 맨 먼저 드는 고민은 ‘유선이냐 무선이냐’다. 여기서 유념해야 할 점은 어떤 경우에도 적용 가능한 절대적인 솔루션은 존재하지 않는다는 사실이다. 산업용 유·무선 통신이 갖고 있는 장단점은 다음과 같다. 유선 통신망은 케이블을 설치해야 하는 번거로움이 있지만 안정적이며 보안 면에서 우수하다. 사용 도중 기술 지원을 손쉽게 받을 수 있다는 장점도 있다. 또 통신망이 설치된 장비들을 서로 연결하는 것도 간단하다. 설비들에 연결된 유선 통신 장치들을 한데 모아 게이트웨이 장치에 연결하면 그만이다. 이동성을 필요로 하는 설비를 연결하거나 다른 지역의 공장 또는 다른 회사와 통신해야 한다면 유선 광통신 네트워크, 무선 통신 네트워크, 위성 통신망 등을 고려할 수 있다. 무선 통신 기술을 활용할 경우 복잡한 케이블로 공장을 어지럽게 할 일이 없다. 또한 최근의 4G LTE 서비스는 유선 통신망과 비교했을 때 속도 면에서 뒤떨어지지도 않는다.

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유·무선 통신 중 유선 통신 기술을 활용하기로 결정했다면 또 하나의 난관을 넘어야 한다. 바로 다양한 산업용 유선 통신 기술 가운데 현장에 적합한 통신을 고르는 것이다. 우리나라는 제조업혁신 3.0 전략의 일환으로 산업용 이더넷 기술의 KS 표준화 작업을 진행해왔다. 그렇다면 우리나라에서 표준으로 인정받는 6가지 유선 통신 기술 에 대해 알아보자.
RAPIEnet은 LS산전에서 제안한 우리나라 최초의 산업용 이더넷 국제 표준 규격이다. 이더넷 스위치가 기기에 내장되어 있어 별도의 외장 스위치 없이도 네트워크 확장을 이룰 수 있다. 전송 방법으로는 Unicast, Multicast, Broadcast 기능을 지원한다.
Ethernet/IP는 산업용 네트워크의 표준을 제안하는 협회인 ODVA에서 관리하는 규격이다. 국내에서는 슈나이더일렉트릭코리아, 로크웰오토메이션코리아, 한국오므론 등 ODVA에 소속된 500여 개 회원사들이 Ethernet/IP를 표준으로 하는 제품을 공급한다.
PROFINET은 독일의 지멘스가 제안한 기술 표준으로, 지멘스가 공급하는 제품에 적용되어 있다.
EtherCAT은 독일의 벡호프가 제안한 기술 표준이며 국내 시장에서는 트라이텍, 레드윈테크놀로지 등의 기업에서 EtherCAT이 적용된 제품을 출시하고 있다.
POWERLINK는 독일의 B&R이 제안한 기술 표준이다. 국내 시장에서는 B&R에서 공급하는 제품에 적용되어 있다.
CC-Link/IE는 일본의 미쓰비시전기가 제안한 기술 표준이다. 국내 시장에는 CC-Link 협회인 CLPA 소속 기업에서 CC-Link/IE가 적용된 제품을 출시하고 있다.
이들 여섯 가지 유선 통신 기술은 대부분 높은 보안 수준을 자랑하며, 제어 기능 및 입출력 제어 면에서도 믿을만 하다. 전송 속도는 100MB와 1GB 수준이다. 무선 통신 기술로는 3G, 4G, 아직 상용화 되지 않은 5G 등이 있다. 이들은 휴대폰이나 노트북 등에도 적용되어 친숙한 개념이다. 3세대 통신(3G)의 데이터 전송 속도는 최대 2Mbps다. 4세대 통신(4G)의 경우에는 전송 속도가 대폭 빨라져 100Mbps에서 1Gbps에 이른다. 현재 개발 중인 5G는 전송 속도가 20Gbps에 달할 전망이다. 사용자들은 현장에서 필요로 하는 전송 속도나 접속 방식 등에 따라 다양한 기술 중 선택하면 된다.

About 김솔 기자

다양한 취재 경험을 살려 여러분께 읽고 싶은 기사, 재미있는 기사 보여 드리겠습니다:)
  • 황선일

    나이팅 게일의 일화로서 스마트 공장의 이해를 돕는 사례는 매우 신선했습니다. 강의 때 사용해도 괜찮겠지요? ^^*