미래 동력 보고서: 산업 생산을 근본적으로 바꾸는 사물 인터넷

2015 2월 04, 08:50 CEST

저자: Detlef Zühlke 교수(박사) Dominic Gorecky 및 Stefanie Fischer, 독일 연구소 혁신 팩토리 시스템 부서

국제화의 기조 아래 우리 산업은 생산 주기 단축, 고도로 맞춤화된 제품 및 전 세계 여러 시장에서의 치열한 경쟁 등 커다란 변화의 시기에 직면하고 있습니다. 이러한 경향은 최근의 휴대폰 산업에서 이미 발견되고 있으며, 제품의 기능성 및 복잡성은 지속적으로 증가하는 반면 제품의 수명 주기는 6~9개월로 짧아지고 있습니다.

현재, 이러한 경향은 자동차 산업 등 기타 산업에서도 나타나고 있습니다. 제품의 복잡성이 증가하고 수명 주기는 단축되는 반면 고도화된 최적화 요구와 생산 기간의 단축을 위해 컴퓨터 보조 기술(CAX)의 중요성이 지속적으로 증가하고 있습니다. 비록 지난 10년간 CAX가 발전하여 설계 및 계획 단계에서 유연성이 확대되었지만, 아직은 실제 생산 단계에서도 그와 유사한 혁신이 나타날 것으로 예상되고 있습니다. 단축된 제품 수명 주기에 맞춰 매우 다양한 제품을 생산하기 위해서는 민첩하고 유연한 생산 구조가 필요하고 이를 통해 신제품 수요에 따라 재빠르게 재구성하는 것이 가능합니다. 이러한 수준의 유연성은 전통적인 자동화로는 달성할 수 없는 것입니다. 대신, "사물 인터넷" 네트워크의 일부인 스마트 기기로 구성된 모듈형 팩토리 구조("사이버 물리적 시스템(CPS)")를 통해 최근의 문제를 해결하고 극복할 수 있는 적응형 생산 시나리오가 가능해질 수 있습니다.

지난 십 년간, 정보 통신 기술(ICT)의 등장과 발전으로 우리의 일상생활이 근본적으로 바뀌었습니다. 그 결과 컴퓨터가 초소형화되어 거의 모든 기술 기기에서 거의 보이지 않게 되었고 무엇보다도, 전 세계 네트워크인 인터넷

에서 사물이 커뮤니케이션하게 되었습니다.
이러한 경향을 고려했을 때 앞으로는 거의 모든 사물이 전 세계 네트워크 내의 스마트 기기가 될 것으로 예상됩니다. 우리는 이것을 "사물 인터넷(IoT)"이라고 부르며 사물 인터넷은 산업 생산에서 대세가 될 것입니다. 공장 자동화의 전기 기술 및 계층 구조에서는 스마트 팩토리 네트워크로의 전환이 강력한 경향으로 나타나고 있고, 그러한 경향은 ICT 및 컴퓨터 과학이 발전함에 따라 점점 증가할 것입니다. 독일에서는 4차 산업 혁명 또는 "산업 4.0"에 대한 활발한 논의가 진행되고 있습니다.

2011년 Kagermann/Lukas/Wahlster(2011 – 참고 자료 1)가 이 용어를 처음 소개한 이후 산업 4.0에 대한 관심이 고조되고 있습니다. 과학 및 비즈니스 커뮤니티 전문가들로 구성된 실무진의 적극적인 추진으로 독일 산업에 특화된 산업 4.0 버전이 개발되었고 권고 사항의 형태로 독일 연방 정부에 제출되었습니다. 그 결과, 약 2억 유로 규모의 연구 프로그램이 향후 몇 년간 수행될 예정입니다. 또한, 3곳의 주요 독일 산업 협회(VDMA, ZVEI 및 BitKom)가 협력하여 모든 산업 4.0 활동에서 협업할 수 있는 공유 플랫폼을 개발하고 있습니다.

이러한 활동을 통해 광고 효과가 유발되어 주로 미디어 채널을 통해 널리 소개되고 있지만, 제조 산업의 측면에서 산업 4.0의 지속 가능한 성공을 달성하기 위한 관심도 고조되고 있습니다. 독일은 첨단 기술 국가이고 국내 총생산(GDP)의 커다란 부분을 필수 제품 장비와 상품 생산이 차지하고 있습니다. 다음 장은 산업 4.0의 비전에서 예상되는 주요 어려움 및 변화에 대해 설명합니다.

산업 4.0의 비전

새로운 기술 환경에서 발견되는 명확한 특징은 메카트로닉스 시스템으로의 전환입니다. 향후에는 하드웨어의 표준화 경향이 증가할 뿐만 아니라 전자 장비가 제품의 근본적인 구성요소로 자리 잡을 것입니다. 그리고 제품의 주요 기능은 소프트웨어를 통해 구현될 것입니다. 이러한 방식으로 전통적인 요소가 메카트로닉스 시스템으로 전환되고 있습니다. 기능은 기계, 전자 또는 소프트웨어로 구현될 수 있습니다. 그러므로 서비스뿐만 아니라 설계 및 생산에서 통합팀이 요구되어 기계, 전자 및 소프트웨어 엔지니어링에서 각각의 경쟁력이 통합 엔지니어링으로 결합될 것입니다.

스마트 오브젝트(Smart objects) 

산업 4.0 비전의 주 견인차는 "사물 인터넷(IoT)"입니다. 산업 4.0 비전에서 모든 팩토리 '객체'에는 고유 IP 주소가 부여되고 네트워크로 통합됩니다. 우리는 이것을 기술적 용어로 ‘사이버 물리적 시스템(CPS)'(2012 – 참고 자료 2)이라고 부릅니다. CPS를 활용함으로써 미래의 공장에서는 전통적인 생산 계층 구조가 분산화된 자가 조직화로 교체됩니다. 또한, 공장 섹션과 생산 프로세스가 매우 독립적이고 유연해져 신속한 생산 전환과 적용되는 옵션의 수에 제한이 없이 최소 수량을 생산하는 것도 가능해집니다.

예를 들어, M2M(기계간 통신)을 통해 개별 기계가 명령을 전송하여 원제품을 배송하거나 특정 제조 서비스를 사용하도록 할 수 있습니다. 제품의 시멘틱 메모리가 제조 프로세스를 동적으로 제어하여 제품 수량이 '1'인 분산화된 대량 생산을 수행할 수 있습니다.

이러한 여러 스마트 요소가 무선 네트워크에서 모바일화되고 서로 연결되어 기존의 유선 시스템에서 '케이블 말단'을 통해 전송되던 필수 위치 데이터가 사라지게 됩니다(그림 1과 비교). 공장 운영에서는 이것이 매우 중요합니다. 스마트폰과 같은 모바일 작동 기기를 사용하면 직원은 더 이상 특정 위치에 있을 필요가 없습니다. 사용자는 공장 내 어느 곳 또는 카페에 있어도 상관이 없습니다. 하지만 기능이 현재 지원되고 있는지를 판단하기 위해 응용 프로그램은 직원의 현재 위치를 파악해야 합니다. 이러한 딜레마를 해결하기 위해서는 GPS에 호환되는 실내 위치 시스템 기능이 필요할 뿐만 아니라 문맥에 민감한 사람-기계 인터페이스를 설계하기 위한 새로운 규칙 및 기법이 개발되어 현재 사용 중인 하드웨어와 운영 소프트웨어가 분리될 수 있어야 합니다.

그림 1: 스마트 오브젝트 – 모바일, 모듈화 및 분산화,

새로운 통신 아키텍처

오늘날의 공장에서는 경직되고 계층적인 정보 구조가 사용되고 있습니다. 상위 레이어에서는 전사적 자원 관리(ERP) 시스템이 사용되고, ERP는 공장 제어 시스템(MES 및 NC/PLC) 위에 설치되며 최하단 레이어에는 공장의 센서 및 엑추에이터(현장 기기)가 위치합니다. 비록 이러한 레이어는 최근 몇 년간 서로 통합되는 추세이지만 주요 시스템 통합은 수직 방향이 아닌 수평 방향으로 이루어지고 있습니다. 필연적으로 CPS 네트워크에서는 아키텍처에 대한 새로운 접근법이 필요할 것입니다. 수직 통신은 약하지만, 수평 통신은 강한 특징을 보이는 피라미드 형태의 공통 구조는 도메인 중심 네트워크 구조로 대체될 것이고, 이론적으로 도메인 중심 네트워크 구조에서는 공장의 모든 정보 레이어에서 경로의 수에 대한 제한이 없습니다.

서로 다른 레이어에 위치하는 경우에도 각각의 최종 기기가 서로 통신할 수 있기 때문에 IoT 및 CPS 원칙을 기반으로 하는 공장 시스템으로 인해 오늘날의 PLC 시스템이 불필요해질 것입니다. 그리고 프로세스 논리 규격(또는 오케스트레이션)은 전용 제어 시스템이 아닌 네트워크에서 구현될 것입니다.

새로운 프로그래밍 패러다임

현재, 프로그램 제어는 20여 년 전에 제정된 규칙 및 표준에 기반한 하드웨어 구조에 대부분을 의존하고 있습니다. 미래의 네트워크 자가 조직화 CPS에서 하드웨어와 제어 논리는 분명하게 분리되어야 합니다. 여러 패러다임이 이미 이러한 경향을 따르고 있습니다. 서비스 지향 아키텍처(SoA) 또는 다중 에이전트 아키텍처(MAS)가 그러한 예입니다.

두 기법 모두 하드웨어 기능을 캡슐화 및 추상화하고 자가 조직화 시스템을 위한 메커니즘을 포함하고 있습니다. 또한, 여러 프로그래밍 모델은 제어 논리 또는 오케스트레이션을 이미 허용하고 있습니다. 그러나 이러한 기법에서는 높은 수준의 컴퓨터 과학 지식이 필요하기 때문에 해당 분야에 대한 전문성이 부족한 직원들이 공장 수준에서 구현하기에는 어려움이 따릅니다. 그러한 관점에서, 이 아키텍처 패러다임을 이미 부분적으로 구축된 공장 상위 레이어에서 중간 MES 시스템 레이어로 마이그레이션하는 것이 가장 유력한 방식이고 이를 통해 기술 지식을 가진 인력의 참여도 고려될 수 있습니다.

제어 시스템은 기계 및 전자 관련 설계 결과에 따라 설계되어야 하기 때문에 오늘날의 생산 계획 및 제어 프로세스에서 제어 시스템은 계획의 마지막 단계에서 이루어집니다. 논리 제어에 대한 프로그래밍은 제어 말단이 선택되고 연결 방식을 결정한 다음에 시작됩니다. SoA와 같은 추상화의 개념은 초기 하드웨어 구현 및 재사용 가능 소프트웨어 컴포넌트를 생성하는 것에서 매우 유용합니다.

하드웨어 독립적이고 기능적이며 하향식 계획을 수립하려면 새로운 엔지니어링 워크플로우가 필요합니다. 전통적인 계획에서, 특히 초기 계획 단계에서는 계획 프로세스 이후의 단계를 조정하기 위해 좀 더 밀접하게 통합되어야만 합니다. 항공 기술 분야에서 성공적으로 입증되었듯이, 시스템 엔지니어링 방식을 통해 서로 다른 분야가 융합된 작업에 지원이 제공될 수 있습니다.

그러므로 계획 결과의 복잡성과 관련 규정 간의 상호관계로 인해 투명한 제안을 제시하는 것은 어렵습니다. 그러기 위해서는 모델 기반 증분 엔지니어링 전략을 달성하기 위한 실제적인 절차뿐만 아니라 적절한 모델링 언어, 데이터 형식 및 도구 체인이 필요합니다.

미래 스마트 공장의 목표는 CAX/PLM 환경과 실제 운영 중인 공장 사이의 매체 간극을 없애는 것입니다. PLM 도구에는 완전한 시스템 설명을 생성할 수 있는 기능이 포함되어야 하고 이를 통해 실행 가능한 제어 서비스로 바로 전환하는 것이 가능합니다. 그러면 코드를 사용하여 실제 공장의 설정 및 운영뿐만 아니라 가상 공장을 시뮬레이션할 수 있습니다.

표준

기본 모델에서 설명했듯이, 하드웨어와 기능을 명확하게 분리하는 것은 표준을 토대로 하는 경우에만 성공할 수 있습니다. 레고 블록과 마찬가지로, CPS 요소는 최소한 정보 기술의 관점에서 스타일이 유사한 경우에만 구축되어야 합니다. 다른 말로 하면, CPS 요소는 ISO/OSI 7 레이어 모델의 전체 레이어에서 기본 표준과 통신해야 합니다. 최소한 1-4 전송 레이어는 여러 IEEE 802.xx 또는 인터넷 프로토콜 IP 표준 등의 여러 확립된 표준을 이미 따르고 있지만 5-7 응용 프로그램 레이어에 대한 각 표준은 커다란 시장 압력에 의해 향후 제공될 것입니다. 어떤 제조업체도 자사 제품을 호환 가능한 레고 블록으로 변경하려고 하지 않을 것입니다. 산업 무선 네트워크(예: ISA100) 또는 단말 정보 명세 언어(예: FDT)의 표준 제정과 관련한 최근의 논의에서는 저항과 이익 상충이 동시에 나타나고 있습니다. 하지만 최소한 점점 더 많은 제조업체 및 사용자가 수락할 의사를 보이고 있는 5-6 레이어의 OPC UA에서는 유력한 구현 방식이 나타나고 있습니다.

보안

미래 공장 제어 시스템의 차별화되는 특징은 모든 레이어에서 IP 기반 네트워크를 사용한다는 것입니다. 이를 통해 현장 기기에서 높은 수준의 ERP 시스템으로 아무런 문제 없이 데이터를 가져오는 것이 가능해집니다. 그러나 공개 프로토콜을 사용하게 됨으로써 강력한 사이버 공격이 출현 시 공장이 위험에 빠지게 될 수 있습니다. STUXNET 및 기타 악의적 소프트웨어(맬웨어)는 그러한 위협이 분명한 실제임을 보여주고 있습니다. 궁극적으로 CPS 기반 생산 환경은 기업이 이러한 기술에 대한 고수준의 보안 및 신뢰를 제공하는 경우에만 성공적으로 구현될 수 있습니다. 그러기 위해서는 기술 솔루션뿐만 아니라 좀 더 중요하게 조직상의 정책이 필요합니다. 그러한 과정에서 보안 관련 질문에 대한 명확한 답변이 제시되어야 하고 산업, 연구소 및 정보가 제안을 제공해야 합니다.

당면한 미래의 모습?

산업 4.0 비전은 약 10~15년 후의 생산 환경에서 활용될 것으로 예상됩니다. 답변이 이루어져야 하는 모든 질문 및 수행되어야 하는 모든 연구와 관련하여, 전체적인 제조 시나리오가 보편적으로 구현되고 산업에서 받아들여지기 위해서는 아직 시간이 필요합니다.

결과적으로, 산업 4.0에 적합한 최초 요소 및 최초 객체가 실제로 활용되기 위해서는 혁신의 여정을 거쳐야 합니다. 구체적인 정보의 이용 가능성 및 매체 간극의 축소를 통해 융통성이 있고 투명한 생산 환경을 가능하게 하는 기반을 마련할 수 있습니다. 이미 실용화된 자동 ID 기술은 요소를 추적하고 디지털 세계로 표시하는 데 도움을 제공합니다. 노트북, 태블릿 PC 또는 스마트안경 등의 모바일 기기는 장소에 구애받지 않고 비즈니스 세계뿐만 아니라 다른 분야의 기업 지식에 즉시 액세스할 수 있도록 해줍니다. 이에 따라, 그림 2에서와같이 종합적이고 정확한 정보를 바탕으로 결정 및 동작을 수행하고 스마트 지원 시스템이 제공하는 지원으로 후속 조치를 빠르게 취할 수 있습니다.

그림 2: 당면한 미래 생산 시스템에서의 모바일 기기 및 스마트 지원 시스템

SmartFactoryKL 기술 협회(독립 제조업체 시연 및 연구 플랫폼)는 유연한 생산 구조를 통해 최근 산업에서의 어려움을 해결하는 솔루션을 개발 및 배포하여 산업 4.0의 비전에 한 걸음 크게 다가가고 있습니다. 30곳 이상의 산업 파트너가 협력 중인 SmartFactoryKL은 현실적인 산업 생산 환경에서 혁신적인 정보 통신 기술 및 응용 프로그램을 테스트하고 개발합니다. 최근 진행된 프로젝트에서는 주요 산업 파트너들의 공동 노력으로 혁신적인 생산 라인을 개발하는 성과를 올렸습니다(그림 3 참조). 이 생산 라인은 완전 모듈형이어서 새로운 제조 모듈을 플러그 앤 플레이 방식으로 통합할 수 있습니다. 플러그 앤 플레이 기능은 SmartFactoryKL 및 파트너사들이 정의한 기계, 전자 및 정보 기술 표준을 토대로 개발되었습니다.

그림 3: SmartFactoryKL의 미래 생산 시연 공장

전망

어떠한 기술 혁신도 급박하게 시작되지 않습니다. 여러 기술 분야(기술 추진)의 발전이 견인차가 되어 수십 년 동안 혁신적인 전환의 대변화가 개별적으로 이루어지고 그 결과 새로운 시장 수요(시장 수용)가 발생합니다. 최근에 나타나고 있는 산업 4.0으로의 이동은 지난 수십 년 간 지속되어 온 혁신과 유사한 측면을 가지고 있습니다. 긍정적인 측면은 산업 4.0이 제조업체와 최종 사용자 모두가 성공적으로 적응할 수 있는 명확한 비전을 제공한다는 것입니다. IT 환경에 대한 과학적 식견은 생산 환경의 요구 사항과 밀접한 관계가 있습니다. 이로 인해 전통적으로 서로 독립적이던 분야가 통합되어 협력하게 됩니다.

그러나 이러한 전환 프로세스에서 가장 중요한 요소는 바로 사람입니다. 이전의 세 차례 산업 혁명을 분석해보면 사람의 필요성 및 생활 기준이 그러한 변화의 이면에 숨겨진 주 견인차였습니다. 그리고 그러한 요구 사항이 올바른 기술 경계 조건을 충족할 때 혁신적인 변화를 위한 비옥한 토양이 되었습니다. 디지털 혁명이라 일컫는 3차 산업 혁명 이후 여러 혁신적인 기술과 정치적인 변화가 사람들의 삶에 영향을 미쳤습니다. 그것의 특징적인 예로는 냉전의 종전, 글로벌 시장의 개화(특히, 중국) 및 기술의 진보(예: 인터넷 및 여러 스마트 기기)가 있습니다.

사람은 기술 견인차에서 중요한 역할을 할 뿐만 아니라 견인차의 구실을 하기도 합니다. 현대의 ICT로 인해 전체 비즈니스 프로세스가 급격하게 빨라졌고 전 세계적인 측면에서도 그러한 경향이 나타나고 있습니다. 솔루션을 공급하기 위해 글로벌 연합이 즉시 형성될 뿐만 아니라 생산 공장 및 서비스가 전 세계로 즉시 제공될 수 있습니다. 좀 더 효율적이고 통합적인 육상, 해양 및 항공 물류 시스템으로 제품이 고객에서 훨씬 더 빠른 시간 내에 배송됩니다. 글로벌 경쟁에서 살아남으려면 생산 시스템이 민첩하고 빠르게 전환될 수 있어야 합니다. 그리고 그것은 ICT의 발전으로 인해 가능해집니다. 사람들은 이러한 새로운 시스템 환경에서 훨씬 더 빠르게 계획, 구현 및 운영해야 합니다. 새로운 현실에 대해 국민에게 제공되는 교육 및 훈련을 시기적절하게 조정할 수 있는 국가만이 글로벌 시장에서 성공을 거둘 수 있습니다.

이러한 관점에서 유럽이 좋은 위치를 선점하고 있습니다. EU는 네트워크 임베디드 시스템, 시멘틱 기술 및 복잡한 사이버 물리적 시스템 설계 등의 연구 분야에서 세계적인 경쟁력을 확보하고 있습니다. 이러한 분야에서 유럽의 산업은 주요한 기술적인 진보를 이루면서 글로벌 시장의 어려움을 극복할 수 있는 기회를 확보하고 있습니다.

참고 자료

1. Kagermann, H., Lukas, W., Wahlster, W. (2011). Industrie 4.0: Mit dem Internet der Dinge auf dem Weg zur 4. industriellen Revolution, VDI-Nachrichten.
2. Geisberger, E., Broy, M. (2012). Integrierte Forschungsagenda Cyber-Physical Systems, Acatech Studie, Berlin.
3. Zuehlke, D. (2010). SmartFactory – Towards a Factory-of-Things, 출처: IFAC Annual Reviews in Control, Volume 34, Issue 1, ISSN 1367-5788


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Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Detlef Zühlke

Detlef Zühlke는 카이저슬라우테른 소재 독일 인공 지능 연구 센터(DFKI-IFS) 혁신 팩토리 시스템 부문 책임자입니다. 또한, 그는 SmartFactoryKL 이사회의 발기인 겸 회장이고 카이저슬라우테른 대학의 생산 자동화학과 교수입니다.

Dr.-Ing. Dominic Gorecky
Dominic Gorecky는 DFKI-IFS의 선임 연구자 겸 차장입니다. Dominic Gorecky는 과학적 관리 및 전략 조정 부서의 책임자입니다.

M. Sc. Stefanie Fischer
Stefanie Fischer는 SmartFactory의 연구자 겸 커뮤니케이션 책임자입니다. Stefanie Fischer는 여러 프로젝트를 맡고 있고 마케팅 및 커뮤니케이션을 담당하고 있습니다.

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