스마트공장에 가장 기반이 되는 공정모델은 수요정보 면에서 본 생산 형태에 따라 고객이 제품 시방을 결정하는 주문생산방식과 생산자가 제품의 시방을 결정하는 예측 생산으로 분류할 수 있다. 또한, 생산의 반복성으로 본 단속 생산, 개별 생산, 로트 생산, 연속 생산 및 대량 생산 형태로 구분하고, 품종과 생산량에서 본 소품종 대량 생산, 다품종 소량 생산 형태, 생산 흐름의 연속 여부에서 본 단속 및 연속 생산 형태와, 생산량과 기간에서 본 프로젝트 생산, 개별 생산, 대량 생산 형태로 구분할 수 있다.
여기에서는 공정모델의 표준화 주요기술과 시사점을 소개한다.
스마트공장은 연관된 전방 및 후방산업 주체들과 기능 등이 서로 연동되어 하나의 제품에 대해 주체들이 하나의 가치 사슬을 공유하게 되며, 이를 위해 수평과 수직 간의 고도화와 지능화가 필요하다.
스마트공장은 궁극적으로 제품의 기획, 설계, 생산, 유통판매 등 전 과정이 IoT, CPS, IoS 등의 ICT와 융합하여 자동화 정보화되어 가치사슬 전체가 실시간 연동 통합됨으로써 생산성 향상, 에너지 절감, 인간 중심의 작업환경을 구현하고, 최적 비용과 시간으로 고객 맞춤형 제품을 생산하는 공장이라고 볼 수 있다.
공장 내 기존 설치된 레거시 시스템과 연관된 새로 도입되는 스마트공장 ICT기술 등의 조화가 필요하며 국내 도입 확산을 위해 국제표준화된 기술 및 시스템의 도입을 통해 공장 및 장치 간 상호운영성 확대, 이를 위한 스마트공장 적용 기술들의 표준화 로드맵, 표준프레임워크 등이 필요하다.
R&D 로드맵은 공정모델, 산업용 데이터, 보안, 스마트커넥티비티 4개 분과에서 47개 주요기술과 표준화 항목을 도출하였고 스마트공장에 대한 환경 분석을 통해 표준화와 밀접한 기술목록 도출, 각각의 기술에 매칭되는 표준화 항목 및 주요 제품 서비스 활용 연관도 도출 그리고 분과별 특허분석을 실시하여 향후 유망기술에 대한 객관적인 특허 정보를 제공하게 되었다.
표준 기반 스마트공장 공정모델
스마트공장에 가장 기반이 되는 공정모델에는 그림 1에 보인 것과 같이 수요정보 면에서 본 생산 형태에 따라 고객이 제품 시방을 결정하는 주문생산방식과 생산자가 제품의 시방을 결정하는 예측 생산으로 분류할 수 있다.
▲ 그림 1. 생산 형태와 중점관리 항목
또한, 생산의 반복성으로 본 단속 생산, 개별 생산, 로트 생산, 연속 생산 및 대량 생산 형태로 구분하고, 품종과 생산량에서 본 소품종 대량 생산, 다품종 소량 생산 형태, 생산 흐름의 연속 여부에서 본 단속 및 연속 생산 형태와, 생산량과 기간에서 본 프로젝트 생산, 개별 생산, 대량 생산 형태로 구분할 수 있다. 이러한 생산 형태에 따라 각 재고 감소, 연계의 강화, 대 고객서비스의 다양화, 납기 단축 및 평균 생산과 비용 절감을 위한 중점 관리 항목 혹은 표준 기반 핵심성과지표 KPI 등으로 표현되는 정량적 값을 관리가 매우 중요하다.
공정모델의 사업 범위는 그림 2에 표현하는 것과 같이 원자재 및 부자재로 구성된 소스를 바탕으로 연구개발과 경영지원을 통하여 제품을 생산하여 고객에게 인도하는 범위로 구성되어 있다.
▲ 그림 2. 공정모델 사업 범위
공정모델 20대 표준화 주요기술
공정모델의 주요기술 후보 제목과 기술요약을 그간 산업부 스마트공장 및 미래부 커넥티드 스마트팩토리 R&D 기술을 기반으로 이하와 같이 도출했다.
ㆍ소비자 맞춤형 가상제조 지원과 제조공정 간 연동 제어 기술 : 소비자 요구의 다양성과 변화에 따라 제품을 설계하여 가상 제조를 통해 조기 검증하도록 하고 실제 제조공정과 연동하여 최적 제조 조건을 적용하는 기술
ㆍ실시간 생산정보 기반 4M1E 데이터 분석 및 제어 기술 : 제조 현장의 공정 상황들 대해 가진 4M1E 정보들을 실시간으로 획득하여 빅데이터 기술을 활용한 정보 분석을 거쳐 KPI 성과 향상을 위한 공정 제어 기술
ㆍ제품 설계정보 기반 동적 생산계획 및 스케줄링 기술 : 제품의 제조에 앞서 제품 설계 정보를 기반으로 제품의 제조 계획을 수립하는 과정이 필요하며, 다양한 업종의 제조 공정에서 활용 가능한 표준화된 제품 생산계획 수립 절차, 그리고 제품의 제조를 위한 각 단계에서 제품의 제조 공정에 영향을 주는 요소들(legal factor, political factor, economic factor, risk factor, technological factor 등)을 고려하여 제품의 생산을 최적화할 수 있는 제품 제조 공정 설정 기술
ㆍ고객 주문형(mass customization) 제조 공정 서비스화 기술 : 범용적인 제조 설비에서 고객 주문형 다품종 제품 제조를 서비스 형태로 제공하기 위해 제품 설계, 제조 공정 구성 및 운영 등을 포함하는 서비스 기술
ㆍ고객 맞춤형 공정설계 기술 : 고객(고객사)의 다양한 제품(부품) 수요에 유연하게 대응하고 설계-생산으로 신속하게 연계할 수 있도록 맞춤형 공정·운영 최적화 기술
ㆍ실시간 데이터 연계 공정-레이아웃-라인 밸런싱 통합설계 기술 : 고객 맞춤형 공정설계 자동화 기술을 바탕으로 레이아웃, 라인 밸런싱까지 통합 설계하는 플랫폼 구성
ㆍ수직통합 및 수평통합을 위한 생산 관리 시스템 통합 연동 기술 : 공장의 생산 및 제조 과정을 체계화된 정보 연계를 통해 수직적 통합 연동 환경을 만들고, 생태계 가치사슬 전체에 대한 유기적 정보 연계 체계를 통해 수평적 통합 연동 환경을 만드는 기술
ㆍ스마트공장 통합 운영 및 상호운용성 지원 서비스 기술 : 공장 내 다양한 생산 지원 시스템들(예: MES, ERP, PDM, PLM 등)이 유기적 통합 운영이 가능하도록 상호운용성을 지원하는 기술
ㆍ클라우드 기반 IoS (Internet of Service) 기술 : 스마트 제조, 스마트 에너지 관리, 공급망 관리, 경영·고객관리 등 다양한 서비스를 클라우드 환경에서 통합 제공하는 기술
ㆍ실시간 데이터 기반 출하 후 예측 기반 품질 및 제품 관리 기술 : 제품에 부착된 스마트태그 등을 통한 데이터 획득을 통해 제품 출하 후에 제품 상태, 활용 등을 파악하고 제품에 대한 유지보수, 사후 지원 등 제품을 관리함으로써 대규모의 품질 리콜과 설비 이상에 의한 라인 중단에 사전 대응하는 기술
ㆍ설비 상태 기반 품질 예측 및 공정설비 운영과 피드백 제어 기술 : 공정 설비 상태를 추적 관리할 수 있도록 하여 상태 변화에 따른 품질 수준을 예측하여 유지보수와 설비 운영을 사전 대응하도록 하여 품질 및 생산성을 향상시키는 기술
ㆍ가상/증강현실 기반 공정 데이터 연계형 작업자 지원 기술 : 스마트공장에서 작업하는 작업자가 보다 효율적으로 편리하게 작업할 수 있도록 공정 데이터를 가상/증강현실 기반으로 연계해주는 기술
ㆍ작업자 이상, 유해상황 감지 및 사전 대응 기술 : 작업자가 공장 내 위험·불편 상황에 처하지 않고 편안하고 효율적인 작업환경에서 일할 수 있도록 유해상황을 감지하여 사전 경보하거나 작업자의 상태 변화를 감지하여 안전 확보 기술
ㆍ가치사슬 연계 물류흐름 추적관리 및 공급망 리스크 관리 기술 : 가치사슬 전체에서 실시간으로 자재·부품·제품 흐름을 추적 관리하고 실물-시스템을 일치시킬 수 있도록 지능형 유통·조달 물류 기술 및 실시간 데이터 분석을 바탕으로 한 공급망 리스크 대처 기술
ㆍ실시간 데이터 기반 지능형 창고운영 기술 : 원부자재, 재고, 및 물류 창고에 대해 실시간 현황 정보 및 생산 지원 시스템 연동을 통해 적정 창고 운영 수준을 유지하는 기술
ㆍ공장 4M1E 모델링 및 공정 시뮬레이션 기술 : 실제 공장의 구성 및 운영 요소들을 모델링하여 공정 운영 및 변경에 대한 시뮬레이션 기술
ㆍ설비 자산 건전성 통합관리 및 설비 보전 지식화 기술 : 설비상태에 대한 실시간 데이터를 바탕으로 설비고장을 진단하고 유지보수하는 보전기술과 이를 보전계획으로 연계하는 운영기술을 통합하여 설비 건전성을 관리하고 지식화하는 기술
ㆍ생산 프로세스 마이닝 기술 : 스마트공장 공정상에서 쌓인 대용량 실적 로그 데이터를 기반으로 프로세스 모델을 자동으로 도출함으로써, 작업에 대한 이해를 돕고, 병목 공정 등의 문제점 발견, 미래 공정 결과 예측 등에 활용하는 기술
ㆍ제조설비의 공정 프로파일과 유틸리티 공급 시스템의 동기화를 통한 에너지 절감 기술 : 공장 내 제조설비는 공정 프로파일에 따라 부하의 증/감이 발생하고 있어, 설비에 공급되는 유틸리티의 유입량을 공정 프로파일과 동기화 함으로써 에너지를 절약하는 기술
ㆍ공장 신재생 에너지 생산, 분산 에너지 자원 관리 및 최대 수요관리 기술 : 신에너지(연료전지, 석탄액화가스화 및 중질잔사유 가스화, 수소에너지)와 재생 에너지(태양광, 태양열, 바이오, 풍력, 수력, 해양, 폐기물, 지열)를 다수 활용 및 관리하여 종합적 에너지 효율을 높이고, 또한 전력 사용에 대한 계절별, 월별, 시간대별 수요관리하는 기술
공정모델의 기술은 공정기술 전문가 그룹의 향후 기술 중요도, 정책방향 부합성, IPR 확보 가능성, 향후 시장 파급효과 및 표준 연계 가능성을 점수로 평가했다.
공정모델 표준화 항목 및 내용
공정모델의 표준화 항목 및 내용은 표 1과 같이 조사되었다.
▲ 표 1. 공정모델 표준화 항목 및 내용
시사점
기술개발과 표준화는 선순환의 연동구조로 운영될 수 있으며, 기술의 내용이 관련 시스템 간에 상호 정보교환을 위해 표준으로 개발되고, 표준화 과정에서 관련 이해당사자들의 의견이 반영되어 보완되는 내용이 기술개발에 반영되는 순환구조이다. 따라서 기술개발과 표준화는 항상 연계되어 개발되어야 하고, 기술개발은 표준화를 통해 상호운용성 확보뿐만 아니라 이해당사자들을 확대시켜 시장을 키울 수 있는 효과가 있다.
또한, IEC 62264 및 IEC 61512 요구사항을 바탕으로 4M1E 데이터 분석 모델을 국내 및 국제표준으로 추진하는 한편, 생산 지원 시스템들 간에 교환해야 할 정보에 대한 공통된 정보모델을 바탕으로 ISO 13584, IEC 61360 등에 대한 표준 확장, 개정 또는 부속서 개발 표준화를 해야 할 것이다. 뿐만 아니라 ISO 16300 제조 상호운용성 국제표준은 현재 개발 중이므로 기술 개발 내용을 국제표준화에 반영해야 한다.
그리고 제품 추적관리, 정보교환, 정보 스키마는 업종별로 다르게 구성될 수 있으므로 참조모델 형태와 수시 확장 가능한 스키마 형태로 표준 개발해야 하며, 로그 데이터에는 분석에 필요한 정보가 수집되어야 하므로 생산 프로세스 마이닝 요구에 맞춘 데이터 모델 표준을 개발하여 정보를 로그 데이터로 축적하고, 대량의 로그 데이터를 빅데이터 참조모델을 바탕으로 개발하도록 하며, 데이터 분석 과정에 생산 프로세스를 구분하고 프로세스로 구조화 하도록 표준 개발해야 한다.
또한, 설비 상태 정보를 분석하여 자산 건전성을 파악하는 기술에 대한 표준 개발을 진행하고, 상태 변화에 따라 설비 보전 관리 정책을 수립하는 지식화 기술을 표준화해 한다.
그 외에도 제조 현장에서의 다양한 상태와 조건에 따라 작업자 위험을 판단할 수 있는 모델, 데이터 수집과 분석을 위한 정보모델을 만들고 작업자 위험에 대한 관리 수준, 절차, 범위, 대응 당사자 등에 대한 관리 정책을 개발하여 표준화를 추진해야 한다.
차석근 에이시에스 부사장
