[55]플랫폼으로써의 스마트팩토리

[박정수 성균관대 스마트팩토리 융합학과 겸임교수] 1980년대에 CAX 기술(예: CAD, CAE, CAM)이 광범위하게 적용되면서, 디지털화의 패러다임은 엔지니어가 컴퓨터와의 작업을 효과적으로 수행할 수 있도록 지원하는 방향으로 전환되었다.

이와 같이 디지털 전환과 디지털 트윈을 통해 실현되는 제조현장의 디지털화는 공감대가 형성되고 있으며, 특히 디지털 트윈(Digital Twin)의 정확한 가상화 기술(컴퓨터 연산과 시스템 복제기술)이 업계에 제 4차 산업혁명의 물결을 일으키고 있으며, 독일의 ‘인더스트리 4.0(Industry 4.0)’, 미국의 ‘스마트 제조(Smart Manufacturing)’ 혹은 ‘산업 인터넷(Industrial Internet)’으로 명명되어 국가 및 기업 경영의 중요한 화두가 되어 왔다.

한국에서는 ‘제조혁신, 디지털 전환(Digital Transformation), 스마트팩토리, 스마트시티, 스마트팜’ 등의 용어가 이들 나라들과 유사한 의미로 사용되고 있다. 초창기에는 제조 기업의 혁신 과제로 출발하였지만 시대적인 패러다임 변화에 적극적으로 대응하기 위해 최근에는 기업뿐만 아니라 국가적인 의제가 되고 있다.

용어에 따라 약간의 차이가 있을 수 있겠으나 4차 산업혁명과 스마트 제조의 핵심 개념은 사물 인터넷(IoT), 행동 인터넷(IoB), 5G, 빅데이터, 인공지능(AI) 등 혁신적으로 진화 발전하고 있는 정보통신기술(ICT)을 수단매체(手段媒體)로 활용하여 제품과 서비스 혁신, 비즈니스 모델 혁신, 프로세스 및 행동 혁신을 근원적(根源的)으로 바꾸고자 하는 목적함수(目的函數)이자 이미 도래하고 있는 미래의 경영전략이라고 말할 수 있다.

전통적인 제조 기업에서도 기존 하드웨어 체계와 유연성이 미흡하고 귀속성이 강한 시스템 중심의 ‘제품혁신 중심’에서, 과거와 전혀 다른 인공지능 기반 소프트웨어 및 서비스 중심의 ‘비즈니스 모델’로 전환하는 것이 핵심 과제이다. 산업간 융합 및 경쟁이 보편화되고 있으며, ‘메뉴비스(Manuvice=Manufacturing+service)’와 같이 제조업과 서비스업의 경계가 사라지고 있다.

스마트팩토리의 근간을 형성하고 있는 제조 현장의 정형과 비정형 데이터에 대한 관리역량이 요구되고 있으며, 그 중심에 있는 사이버 물리 시스템(CPS; Cyber Physical Systems)은 사물 인터넷(IoT), 빅데이터 등의 관리기술을 활용하여 사이버 세계와 물리적인 세상을 연계하고 동기화하는 스마트팩토리의 핵심적인 기능이다.

사물 인터넷(IoT)이나 빅데이터 등이 기술적인 요소라고 한다면, 사이버 물리 시스템(CPS)은 이러한 요소들을 활용하여 실제 물리적인 제조현장을 사이버 세계에 반영하고, 사이버 세계의 기술을 활용하여 제조현장을 통제하고 제어하는 시스템이기 때문이다. 더 나아가 제조 현장의 경영활동을 강화하기 위한 데이터 기반 행동 인터넷(IoB; Internet of Behaviors)의 플랫폼(Platform)이자 맞춤형 생산 활동의 경험 디자인(UX-Design)이다. 그 까닭은 행동 인터넷(IoB)이 데이터에 근간을 두고 있는 실행역량 강화의 인터넷 파워로 활용되고 있기 때문이다.

스마트팩토리의 또 다른 특징은 로트 크기(Lot Size)를 최소화하여 다양한 제품들을 가지고 고객들의 개인적인 요구사항을 충족시킨다는 점이다. 이러한 특징들의 실현 가능성은 현장에서 발생하는 모든 데이터가 디지털 트윈(Digital Twin)기술이 내장된 인공지능 기반 제조운용(製造運用)시스템(MOS, Manufacturing Operation System)에 실시간으로 제공되어야 할뿐만 아니라 제조운용 시스템은 이를 적시에 반영하여 물리적인 라인 변경이나 대기 없이 생산 변경이 가능하도록 최적화된 운영(Optimized Control)이 실현되어야 한다. 이는 디지털 트윈이 연결의 기술, 가시성, 정밀성, 분석 가능성에 의해서 완성도를 결정하기 때문이다. 아래 그림은 디지털 트윈에 의한 패러다임(Paradigm) 전환을 보여주고 있다.

출처: Journal of Manufacturing Systems, 2019 Enabling technologies and tools for digital twin. 성균관대학교 스마트팩토리 융합학과 스마트팩토리 컨설팅, 박정수 교수 재인용.

그러므로 스마트팩토리는 맞춤형 제품, 서비스, 프로세스에 집중해야 한다. 왜냐하면 스마트팩토리는 제품을 보다 효율적으로 생산할 수 있도록 복잡성을 관리하고, 장애나 중단(Disruption)에 잘 대응할 수 있어야 하기 때문이다. 따라서 주변 상황이 동적이고 급속하게 변화하는 생산 시설로부터 발생한 다양한 문제들을 해결할 수 있도록 ‘유연성·대응성’이 높은 프로세스들을 제공하는 제조 솔루션이어야 한다.

한편, 스마트팩토리는 자동화와 밀접한 관련이 있고, 불필요한 인력과 자원의 낭비를 최소화하여 생산 최적화를 달성할 수 있는 소프트웨어와 하드웨어의 조합이다. 하지만 한편으로는 서로 다른 기업이나 파트너들 간의 협업을 통해 스마트함을 달성하는 것도 중요한 요소이다. 그러므로 스마트팩토리는 약 30년 전부터 적용해 온 린생산(Lean Production)이나 식스 시그마(Six Sigma) 등 제조혁신의 방법들과 상호작용하여야 하며, 더 나아가 그러한 혁신방법들을 획기적으로 진화 발전시키는 제조산업의 새로운 무기이어야 한다. 아래 그림은 ‘인공지능 기반 스마트팩토리’의 플랫폼 개념도와 데이터 연결 표준 및 보안을 보여주고 있다.



위에서 언급한 바와 같이 사이버 물리 시스템(CPS)은 스마트팩토리의 기본 인프라이며, 빅데이터 관리기술은 사이버 물리 시스템에서 생성된 데이터를 효율적이고 효과적으로 처리하는 데 중요한 구성 요소이자 핵심 기술이다. 결국 스마트팩토리는, “로봇 자동화 및 ERP·MES 등 정보시스템 활용에 기반을 둔 기존의 자동화(Automated) 제조”에서 “사이버 물리 시스템(CPS)을 토대로 인공지능 기반 지능형(Intelligent) 제조”로의 패러다임 전환(Paradigm Shift)을 의미한다.

그 핵심에 디지털 트윈(Digital Twin) 기술이 자리잡고 있다. 따라서 지능형 제조는 기존과 다르게 전체 가치체인(Value Chain)에서 인공지능을 활용하여 사람의 개입을 최소화한 상태로 운영이 가능하도록 해야 한다. 이를 가능하게 하기 위해서는 사물인터넷(IoT), 행동인터넷(IoB), 빅데이터, RPA(Robotic Process Automation, 소프트웨어 기반 인공지능), AI, Digital Twin, CPS 등의 요소 기술이 뒷받침되어야 할 것이다. 그러므로 스마트팩토리는 시스템 구축이 아니고 솔루션(Solution)이자 플랫폼(Platform)이다. 과거 소비자들이 오프라인에서 수행했던 것을 요즘 온라인에서 더 많이 하는 디지털 활동을 제조업들은 주시해야 한다.