국내에서 스마트 제조에 대한 논의에 있어서 스마트 공장이 전면에 부각되고 있다. 국내에서 추진되고 있는 스마트 공장은 대부분 대량생산 제품의 보다 더 효율적인 제조, 즉 품질 향상, 원가 절감, 리드타임 단축 등이 주요 목표이다.
반면 독일의 인더스트리 4.0 범주 내에서 논의되는 스마트 팩토리는 제조 효율성 제고는 기본이고, 시장의 경쟁 규칙을 독일에 유리하게 만드는 비즈니스 모델 혁신을 추구하고 있다. 즉, 중국에 유리한 자동화 기반의 대량생산 제품 제조에서 탈피하여 인공지능, Internet of Things(IoT, 사물인터넷), Cyber Physical system(CPS, 사이버물리시스템) 등을 기반으로 개인 맞춤형 제품을 대량생산 효율로 제조할 수 있는 제조시스템 구현을 목표로 하고 있다. 특히, 공장이라는 물리적 세계를 디지털 및 인터넷 기술 기반의 사이버 세계로 정의하고 융합하는 CPS가 독일이 지향하는 스마트 팩토리의 핵심 기술로 강조되고 있다.
독일은 CPS 기반 스마트 팩토리 구축으로 품질, 원가, 리드타임 중심의 제조 효율성을 넘어 시장의 개인화 및 맞춤화 추세에 대응하는 개인 맞춤형 제품 기반의 비즈니스 모델 혁신을 통하여 새로운 시장 창출 및 매출 증대를 추구하고 있다. 아울러, CPS 기반 스마트 팩토리 자체도 상품화하여, 세계 제조장비 시장의 주도권을 확보하고, 새로운 성장동력으로 육성하는 양면전략(Dual Strategy)을 추진하고 있는 것으로 분석된다.
독일 스마트 팩토리의 핵심인 CPS는 [그림1]과 같이 CPS의 단계별 기능에 따라 5단계로 구분할 수 있다.
독일의 추진 방식은 기본적으로 물리적 시스템인 제조장비, 기기, 소재·부품, 재공품 등 제조의 제반 구성요소를 가상적으로 표현한 디지털 트윈이라 불리는 사이버 시스템을 구축하여 두 시스템의 융합인 CPS로 스마트 팩토리를 구현한다. 독일의 스마트 팩토리 구현 표준인 RAMI 4.0에서는 제조장비, 소재·부품 등 물리적 제조 구성요소를 Asset이라 부르고, 이 Asset을 가상적으로 표현한 디지털 트윈을 Asset Administration shell(AAS)이라 정의한다. AAS는 Asset의 모든 제조 관련 정보 및 기능을 포함하고 있으며, 네트워크로 연결된 AAS 간 통신을 통하여 원하는 제조 공정 및 기능을 수행하게 된다. 물리적 Asset과 사이버 AAS로 이루어진 CPS를 통하여 실시간 제조 데이터 생성 및 분석, 품질·원가·리드타임 측면의 최적의 공정 관리, 통합 시뮬레이션은 물론, 실시간 제조 상황에 대한 자율적 공정 구성, 조정 및 최적화가 가능해지고, 궁극적으로 개인 맞춤형 제품의 대량생산 효율 제조를 위한 자율적 제조를 추구한다.
CPS 기반 스마트 팩토리에서 공장 내 제조 구성요소들은 제조실행시스템(MES), 전사적자원관리(ERP), 공급망관리(SCM) 등 상위 IT 시스템과도 직접 연계되어 모든 제조 프로세스는 상호 연결되고, 자율적인 조정을 통해 가치창출 네트워크 전체의 디지털화가 폭 넓게 구현된다(Impuls-Stiftung, 2015). 즉, 제품, 제조설비, 직원 등 공장 내부 통합(수직적 통합)뿐만이 아니라 제품 컨셉 설계인 마케팅에서 시작해 제품 개발, 생산관리, 판매, 재활용 혹은 폐기 등을 포함한 공장 외부와의 통합·연계(수평적 통합)를 포함한다. 독일의 CPS 기반 스마트 팩토리가 지향하는 분권화된 자율 제조시스템에서 구성요소들 간의 구조는 기존의 중앙집중식 자동제어시스템과는 달리 계층을 초월한 네트워크형 구조로 되어 있으며, 네트워크 전체에 걸쳐 분산된 기능을 실시간 통신에 의해 자율적으로 활용하는 유연한 제조시스템 구현을 가능하게 한다 ([그림2] 인더스트리 4.0과 3.0 시스템의 차이 참조).
CPS 기반 스마트 팩토리의 분권화, 자율화의 특징 및 발전단계는 다음과 같다 (Scheer, 2015):
- 스마트 팩토리의 조직적인 동력은 인간의 개입이 없는 공장의 자율 조직화(Self organization)이며, 이는 탈중앙화 및 분권화를 추구한다. 지난 40년 동안 이러한 공장 제어의 분권화는 뚜렷한 발전 추세를 보이고 있다.
- 다음 단계에서는 공장이 보다 더 작은 조직 단위로 분할되는데, 이러한 조직 단위는 제어에 있어서 자율성을 확보해 가고 있다. 최근 지속적으로 확대되는 제조의 자율 제어(Self control)는 이러한 발전의 결과이다. 만일 시스템의 모든 관련 구성 요소가 자신의 상태를 인지하고 제조 요구사항을 알고 있다면, 조율은 알고리즘적으로 해결될 수 있다.
- 확장된 기능에서 자율 조직화(Self organization)는 자율 최적화(Self optimization)로 이어진다.
상기한 기능을 고려해 CPS 기반 스마트 팩토리의 성숙도를 Impuls-Stiftung은 [그림3] 스마트 팩토리 수준 분류와 같이 분류한다.
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CPS 기반 스마트 팩토리의 미래 기능인 자율화 수준은 [그림4] 자율화 수준 분류에서와 같이 나뉜다.
이상과 같이 최근 독일의 인더스트리 4.0에서 논의되는 CPS 기반 스마트 팩토리는 시장의 개인화 및 맞춤화 추세에 대응하는 개인 맞춤형 제품의 대량생산 효율 제조를 목표로 지능형(Smart), 연결된(Connected), 분권화된(Decentralized), 자율화(Autonomous) 시스템이라는 네 가지 특성을 중심으로 중장기적 발전을 추진하고 있다(Kagermann/Riemensperger, 2018). 독일의 인더스트리 4.0은 이러한 발전을 단위 기업 차원에서 추진하는 데 그치지 않고 공급사슬, 즉 가치창출 네트워크 전체를 연계하는 통합 추진으로 글로벌 경쟁력을 극대화하려는 계획이다.
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