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스마트팩토리

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목차

1. 개요

스마트팩토리는 인구 고령화, 제품 수명 주기 단축, 개인 맞춤형 생산 요구 증가 등의 배경 속에서 등장한, 정보통신기술(ICT)을 활용하여 생산성을 극대화하는 공장이다. 설비와 장치 간 무선통신을 통해 데이터 연계가 이루어지고, 자동화 및 유연성을 통해 비용 효율성을 높이며 개인 맞춤형 상품 생산을 가능하게 한다. 기계부품, 재고/물류, 전자부품, 금형, 제약 등 다양한 제조 분야에서 구축되고 있으며, 보안 위협에 대한 대응도 중요하다. 현대자동차그룹은 스마트팩토리를 활용한 미래 자동차 생산과정을 공개하고, 싱가포르에 HMGICS를 준공하여 다차종 소량 생산 시스템을 구축했다.

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스마트팩토리
개요
스마트 팩토리
스마트 팩토리
정의제품의 기획, 설계, 생산, 유통, 판매 등 전 과정을 ICT와 자동화 솔루션으로 통합해 생산성, 품질, 고객 만족도를 향상시키는 지능형 생산 공장
제조 설비와 장비에 IoT 센서를 설치하고 데이터를 실시간으로 수집·분석해 생산성을 높이고 비용을 절감하는 공장
핵심 기술IoT
클라우드 컴퓨팅
빅 데이터 분석
인공지능 (AI)
로봇 기술
3D 프린팅
가상 현실 (VR)
증강 현실 (AR)
기대 효과생산성 향상
품질 향상
비용 절감
에너지 절감
안전 강화
고객 만족도 향상
특징
유연성다품종 소량 생산에 적합
생산 라인의 빠른 전환 가능
효율성생산 과정의 최적화
에너지 소비 절감
불량률 감소
지능성데이터 기반 의사 결정
자동화된 공정 관리
예측 기반 유지 보수
연결성공급망 전체의 통합 관리
실시간 정보 공유
고객과의 긴밀한 협력
구축 단계
1단계기초 단계 (MES, POP 시스템 도입)
2단계중간 1단계 (생산 자동화, 공정 최적화)
3단계중간 2단계 (전체 공장 자동화, 실시간 모니터링)
4단계고도화 단계 (AI 기반 예측 분석, 자율 제어)
활용 분야
산업 분야자동차
전자
화학
식품
섬유
기계
적용 사례생산 라인 자동화
품질 검사 자동화
재고 관리 최적화
설비 유지 보수 예측
에너지 관리 시스템 구축
문제점
보안 문제해킹 위험
데이터 유출 위험
기술 문제시스템 통합 어려움
데이터 호환성 문제
비용 문제초기 투자 비용 부담
유지 보수 비용 발생
인력 문제전문 인력 부족
기존 인력의 재교육 필요
미래 전망
발전 방향인공지능 기반의 자율 공장
클라우드 기반의 스마트 팩토리 플랫폼
가상 현실/증강 현실을 이용한 원격 관리
관련 기술디지털 트윈
엣지 컴퓨팅
5G 통신

2. 등장 배경

21세기에 들어서면서 인구 고령화로 인해 숙련된 노동자들이 점차 줄어들게 되었고, 트렌드가 빠르게 변하면서 제품의 수명주기가 급격히 줄어들었다. 여기에 소비자들의 요구가 다변화, 다양화되면서 개인 맞춤형 생산이 중요해졌다. 또한 경제 구조가 제조업에서 정보기술(IT)을 포함한 서비스업 중심으로 옮겨가면서 전통적인 제조업은 큰 타격을 입게 되어 제조업의 혁신이 요구되었다. 이러한 배경 속에서 '스마트 팩토리'가 등장하게 되었다.[1]

2010년 일본의 키요이 히토(清井人)는 저서 『スマートファクトリー 戦略的「工場マネジメント」の処方箋일본어』(스마트 팩토리 - 전략적 "공장 매니지먼트" 처방전)에서 "공장 전체를 컴퓨터 네트워크로 연결"하는 개념의 유용성을 설명하며 "스마트 팩토리"라는 용어를 사용하였고, 일본 내에서 상표 등록을 하였다. 이는 스마트 팩토리라는 용어가 일본에서 처음 사용된 사례로 알려져 있다.

키요이는 2016년에 스마트 팩토리를 "ERP 등의 기간 시스템, MES, 현장의 FA 설비가 네트워크로 연결된 공장"으로 정의했다. 그는 단순히 시스템과 설비를 연결하는 것을 넘어, 각 시스템과 설비에서 얻어진 데이터를 상호 분석하여 공장 운영과 경영의 전체 최적화를 추구하는 것이 중요하다고 강조했다. 당시 일본 제조업의 경우, 시스템이나 생산 설비로부터 데이터를 수집하는 기업은 많았지만, 수집된 데이터를 충분히 분석하여 활용하지 못하는 경우가 많았다. 예를 들어, 제조 과정에서 사용되는 전력량, 소비 전력의 최대 시간대, 단시간 정지가 발생하는 설비의 유무, 누적 정지 시간 등을 분석하여 전체 최적화를 이루려는 노력이 부족했다고 키요이는 지적했다.

3. 특징과 의미

스마트팩토리는 ICT 기술을 활용하여 공장 내 모든 설비와 장치를 무선통신으로 연결하고, 이를 통해 생산 공정 전체를 유기적으로 관리하고 최적화하는 지능형 공장을 의미한다. 기존의 공장 자동화가 각 공정별 자동화에 머물렀던 것과 달리, 스마트팩토리는 전체 공정 데이터를 실시간으로 연계하여 통합적인 운영과 효율 극대화를 추구한다.

이러한 접근 방식은 생산성 향상, 비용 절감, 대량 생산의 재고 불확실성 완화뿐만 아니라, 생산 라인의 유연성을 높여 개인 맞춤형 상품 생산을 가능하게 한다. 결과적으로 스마트팩토리는 기존의 중앙집권적 생산 체제를 넘어 제조업의 분권화와 자율화를 이끄는 중요한 변화로 평가받는다.[1] 하지만 제조 및 물류 과정에서 발생하는 비정형적인 작업의 자동화 등 기술적 과제는 여전히 남아있다.

3. 1. 기술적 특징

기존의 공정 자동화 기술은 각 공정 단계별로만 자동화가 이루어져 전체 공정을 유기적으로 관리하는 데 한계가 있었다. 하지만 스마트팩토리는 ICT 기술을 기반으로 모든 설비나 장치가 무선통신으로 연결되어 있다는 점이 핵심적인 기술적 특징이다. 이를 통해 공정 전후 단계의 데이터를 자유롭게 연계하고, 전체 생산 과정을 통합적으로 관리하여 최적의 생산 환경을 구축할 수 있다.

스마트팩토리의 도입은 비용 효율성을 높이는 효과도 가져온다. 자동화를 통해 노동력에 대한 의존도를 낮출 수 있으며, 데이터 기반의 수요 예측 및 생산 조절로 대량 생산에 따른 재고 부담 문제에서도 비교적 자유로워질 수 있다. 또한, 생산 라인의 유연성이 향상되어 소비자의 다양한 요구에 맞춘 개인 맞춤형 상품을 합리적인 가격으로 신속하게 생산하는 것이 가능해진다. 이러한 특징은 기존의 중앙집권적인 대량 생산 체제에서 벗어나, 제조업 생산 방식의 분권화와 자율화를 촉진하는 기반이 된다.[1]

2010년 키요이 히토는 저서 『스마트 팩토리 - 전략적 "공장 매니지먼트" 처방전』에서 "공장 전체를 컴퓨터 네트워크로 연결"하는 유용성을 "스마트 팩토리"라는 용어로 처음 사용하고 일본에서 상표 등록을 하였다. 이후 2016년 키요이는 스마트팩토리를 'ERP와 같은 기간 시스템, MES, 그리고 현장의 FA 설비가 컴퓨터 네트워크로 연결된 공장'으로 정의하였다. 그는 단순히 시스템을 연결하는 것을 넘어 각 시스템과 설비에서 수집된 데이터 간의 상관관계를 분석하여 공장 운영과 경영 전반의 전체 최적화를 추구하는 것이 중요하다고 강조했다. 또한 2016년 당시 일본 제조업체들이 시스템이나 설비에서 데이터를 수집하고는 있지만, 전력 사용량, 피크 시간대, 단시간 정지 설비 유무, 누적 정지 시간 등 전체 최적화로 이어지는 분석은 미흡하다고 지적했다.

그러나 현재의 기술 수준으로는 모든 제조 공정을 완전히 자동화하기에는 어려움이 따른다. 특히 제조나 물류 과정에서 발생하는 비정형적이거나 예측하기 어려운 작업들은 여전히 사람의 개입이 필요하다. 따라서 이러한 비정형적인 작업을 처리할 수 있는 자동화 기술의 발전이 스마트팩토리의 완전한 구현을 위한 과제로 남아있다.

3. 2. 사회경제적 의미

기존의 공정 자동화 기술은 각 공정 단계별로만 자동화가 이루어져 전체 공정을 유기적으로 관리하는 데 한계가 있었다. 그러나 스마트팩토리는 ICT를 기반으로 모든 설비와 장치가 무선통신으로 연결되어, 공정 전후 단계의 데이터를 자유롭게 연계할 수 있다. 이를 통해 전체 공정을 통합적으로 관리하며 최적의 생산 환경을 구축하는 것이 가능해졌다.

스마트팩토리 도입은 여러 사회경제적 변화를 가져온다. 우선, 자동화를 통해 값비싼 노동력에 대한 의존도를 낮추고 비용 효율성을 높일 수 있다. 또한, 대량 생산 방식에서 발생하기 쉬운 재고 관리의 불확실성 문제에서도 비교적 자유로워진다. 생산 라인의 유연성이 향상되어 소비자의 다양한 요구에 맞춘 개인 맞춤형 상품을 합리적인 가격으로 즉시 생산할 수 있는 기반이 마련된다. 이는 기존의 중앙집권적인 생산 체계를 변화시키고, 제조업 분야에서 생산의 분권화와 자율화를 촉진하는 중요한 계기가 된다.[1]

하지만 현재 제조 공정의 완전한 자동화까지는 아직 해결해야 할 과제가 남아있다. 제조나 물류 과정에서 표준화하기 어려운 복잡한 작업들은 여전히 사람의 손길이 필요하며, 이러한 비정형적인 작업을 자동화할 수 있는 기술 발전이 이루어져야 진정한 의미의 스마트팩토리 구현에 더 가까워질 수 있다.

4. 제조 분야별 구축 방안

스마트팩토리는 다양한 제조 분야의 특성에 맞춰 구축 및 활용될 수 있다. 각 산업의 고유한 공정 특성과 요구사항을 반영하여 최적화된 시스템을 설계하는 것이 중요하다. 예를 들어, 노동집약적 산업, 정밀 가공이 필요한 산업, 엄격한 규제 준수가 요구되는 산업 등 분야별 특성에 따라 스마트팩토리의 구축 방향과 중점 관리 요소가 달라진다.

일반적으로 제조 분야에서는 생산 공정 데이터와 품질 검사 데이터를 실시간으로 연계하여 분석하고, 이를 통해 품질 향상과 생산 효율성 증대를 추구한다. 또한, 자재의 입고부터 최종 제품 출하까지 전 과정에 걸쳐 Lot 추적 시스템을 도입하여 추적성을 확보하고, 문제 발생 시 신속하게 원인을 파악하고 대응하는 체계를 갖추는 것이 공통적인 목표이다. 각 산업 분야별 구체적인 구축 방안은 해당 산업의 특성과 기술 수준을 고려하여 결정된다.

4. 1. 기계부품 산업

기계부품 산업은 원재료나 부품을 조립하고 검사하는 노동집약적 산업으로 분류된다. 이 산업에서는 자재를 부착하고 조립한 후 검사하는 공정이 핵심적인 역할을 수행한다. 특히, 부착 및 조립 과정에서 발생하는 공정 데이터와 검사 과정에서 수집되는 검사 데이터를 서로 연계하여 품질 분석을 실시하는 것이 중요하다. 이를 통해 제품에 불량이 발생했을 경우, 그 원인을 신속하게 파악하고 원인에 따라 현장의 공정을 개선할 수 있다.

스마트팩토리 환경에서의 기계부품 산업은 다음과 같은 요소들의 관리가 중요해진다.

  • 작업지시 관리: 생산 계획에 따른 정확한 작업 지시 전달
  • 자재 Lot 단위 물류 추적: 생산에 사용되는 자재의 이동 경로 및 사용 이력 추적
  • 품질 관리: 공정 데이터와 검사 데이터를 활용한 실시간 품질 모니터링 및 분석
  • 납기 관리: 생산 현황 파악을 통한 정확한 납기 예측 및 준수


생산 단계에서는 라인별 또는 작업조별로 바코드 시스템을 도입하여 관리 효율성을 높여야 한다. 또한, 생산 실적과 현재 상황을 실시간으로 파악할 수 있는 생산 현황 모니터링 시스템 구축이 필요하며, 자재의 입고 시점부터 각 공정별 사용량까지 체계적으로 관리할 수 있는 기능이 요구된다.

4. 2. 재고와 물류

스마트팩토리의 재고와 물류 부문에서는 자재의 입고와 출고 관리를 통해 자재 이력을 추적하고, 원자재의 불량품 및 반품을 효율적으로 관리하는 기능이 중요하다. 이러한 시스템을 통해 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.

  • 업무 생산성 향상: 생산 정보의 집계와 분석이 시스템화되어 업무 처리 속도와 정확성이 높아진다.
  • 자재 추적 능력 확보: 자재의 Lot 추적이 가능해져 문제 발생 시 원인 파악 및 대응이 용이해진다.
  • 효율적인 생산 관리: 생산 실적 관리, 작업 교체 준비 등이 시스템을 통해 이루어져 원가 흐름을 쉽게 파악할 수 있다.
  • 고객사와의 유대 강화: 실시간으로 거래 정보를 공유함으로써 고객사와의 신뢰도를 높이고 협력 관계를 강화할 수 있다.

4. 3. 전자부품 산업

전자부품 산업에서는 제조 과정에서의 공정 데이터와 검사 데이터를 연계하여 품질을 분석하는 시스템이 중요하다. 이러한 시스템은 컨베이어와 바코드를 활용하여 구축하기 용이하다는 특징이 있다.

4. 4. 금형 산업

금형 산업은 정밀가공기술에 컴퓨터를 이용한 설계기술이 접목된 첨단 산업분야로, 프레스 금형, 사출 금형, 고무 금형, 유리 금형 등이 있다. 최근 금형기술은 IT/NT/BT 분야와 접목하여 초정밀, 장수명, 고기능성 금형 개발에 집중하고 있으며, 차세대 금형기술과 성형기술 간의 시스템 융합을 통해 퓨전화가 빠르게 진행되고 있다.

품질 향상을 위해서는 실시간 모니터링 도입이 중요하다. 설계 단계에서는 설계와 지시, 출하 검사를 연계한 설계품질 관리 시스템과 수정, 설계 변경, 수리, 보수 대응 관리가 필요하다. 생산 단계에서는 현장에서 작업 지시 및 관련 도면 정보를 제공하고, 설비를 모니터링하며, 수주부터 설계, 작업 지시까지 일관된 프로세스를 구축해야 한다.

4. 5. 제약 산업

제약 산업은 생명과 보건에 관련된 의약품을 생산하는 정밀화학산업이다. 의약품 제조 및 품질관리기준인 GMP(Good Manufacturing Practice)를 준수해야 하기 때문에, 자재 입고 단계부터 제품 출고까지 모든 공정에서 생산 및 물류 추적이 가능해야 한다. 최근 보령제약, 한미약품, 대웅제약 등이 스마트팩토리를 구축하여 운영하고 있다.[2]

5. 스마트 팩토리 보안

IoT 기술을 기반으로 하는 스마트팩토리 환경에서는 다양한 보안 위협 요소가 존재하며, 이를 효과적으로 관리하는 것이 중요하다. 주요 보안 위협은 크게 네 가지 유형으로 나눌 수 있다.[1]

첫째, 공격자는 스마트팩토리 내 디바이스에서 생성되거나 처리되는 데이터의 무결성을 훼손하려 시도할 수 있다. 이는 잘못된 정보를 바탕으로 공정 운영에 차질을 빚게 만들 수 있다.[1]

둘째, IoT 통신 환경에서의 네트워크 공격이다. 해커는 데이터 전송 과정을 가로채거나 방해하여 정보 유출 또는 시스템 마비를 유발할 수 있다.[1]

셋째, 기기나 사용자의 인증 절차를 우회하는 공격이다. 이를 통해 비인가자가 시스템에 접근하여 중요 정보를 탈취하거나 설비를 오작동시킬 위험이 있다.[1]

넷째, 애플리케이션 영역에서의 데이터 조작 및 무결성 훼손이다. 스마트팩토리 운영에 사용되는 소프트웨어의 취약점을 이용해 데이터를 위변조하거나 정상적인 작동을 방해할 수 있다.[1]

따라서 안전한 스마트팩토리를 구현하기 위해서는 이러한 네 가지 유형의 보안 위협에 대해 종합적으로 대응하는 체계를 갖추는 것이 필수적이다.[1]

6. 현황

(내용 없음)

6. 1. 일본

2010년 清井人|키요이 히토jp가 저서 『스마트 팩토리 - 전략적 "공장 매니지먼트" 처방전』(에이지 출판, ISBN 978-4862760890)을 출판하였다. 이 책에서 그는 "공장 전체를 컴퓨터 네트워크로 연결"하는 것의 유용성을 "스마트 팩토리"라는 용어로 표현했으며, 동시에 일본 내 상표 등록을 마쳤다. 이는 일본에서 '스마트 팩토리'라는 용어가 처음 사용된 사례로 기록된다.

키요이는 2016년에 스마트 팩토리를 "ERP 등의 기간 시스템, 제조 실행 시스템(MES), 현장의 FA 설비가 네트워크로 연결된 공장"이라고 정의했다. 그는 단순히 연결되는 것을 넘어, 각 시스템과 설비에서 얻어진 데이터의 상관 분석을 통해 공장 운영과 경영 전반의 전체 최적화를 추구하는 것이 중요하다고 강조했다.

그러나 2016년 당시 일본 제조업의 상황에 대해 키요이는 비판적인 시각을 제시했다. 많은 제조업체가 시스템이나 생산 설비로부터 데이터를 수집하고는 있지만, 이를 제대로 분석하여 활용하지 못하고 있다는 것이다. 예를 들어, 제조 공정에 사용되는 전력량, 소비 전력의 최고점 시간대, 단시간 정지가 발생하는 설비의 유무, 누적된 정지 시간 등을 분석하여 전체 최적화로 이어가는 노력이 부족하다고 지적했다.

6. 2. 현대자동차그룹

현대자동차그룹은 스마트팩토리를 활용한 미래 자동차 생산 비전을 공개했다. 이 구상에 따르면 자동차 제조 과정에서 사람, 로봇, 인공지능(AI)이 조화를 이루며 공장 전체가 하나의 유기체처럼 작동하게 된다. 빅데이터를 기반으로 소비자의 선택을 예측하고 수요를 전망하며, 생산 과정을 사전에 검증하고 계획을 확정한 후 생산 활동을 시작한다. 이를 통해 기존의 유사 차종 중심 혼류 생산 방식에서 벗어나, 상황에 맞게 다양한 차종을 유연하게 생산하는 것이 가능해진다.

이러한 과정에는 사이버-물리 시스템(Cyber Physical System, CPS) 기술이 핵심적으로 적용된다. 가상 세계에 실제 공장과 동일한 공장(디지털 트윈)을 구축하고 운영함으로써, 생산 라인 및 공급 라인 운영 과정에서 발생할 수 있는 문제점을 미리 파악하고 개선한다.

2023년 11월, 현대자동차그룹은 싱가포르에 '현대자동차그룹 글로벌 혁신 센터'(HMGICS) 준공식을 개최하며 이러한 스마트 팩토리 기술을 현실화했다. HMGICS는 싱가포르 도심에 위치하여 고객의 요구에 빠르게 대응할 수 있는 지리적 이점을 가진다. 또한 인공지능, 정보통신기술(ICT), 로보틱스 등 첨단 기술을 융합한 인간 중심의 제조 시스템을 바탕으로, 시장 변화와 수요에 탄력적으로 대응할 수 있는 다차종 소량 생산 시스템을 갖춘 것이 특징이다.

참조

[1] 뉴스 특징 https://it.donga.com[...] 동아일보 2018-09-17
[2] 뉴스 구축방안 https://www.fajourna[...] FA저널 2018-12-04

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