스마트팩토리 (Smart Factory), 공장자동화 (FA; Factory Automation)와의 차이, CPS, ERP, MES

 

<기출>

22-1-5 데이터 수집 측면에서 생산자동화(공장 자동화)와 스마트 팩토리(Smart Factory)의 차이점을 설명하시오.

22-1-8 스마트 팩토리의 생산시설 통합 소프트웨어 플랫폼인 CPS(Cyber Physics System)에 대하여 설명하시오.

21-3-6 스마트 팩토리(smart factory) 의미와 도입효과에 대하여 설명하시오

 

1. 개요

 

1) 스마트 팩토리 (Smart Factory) 정의

생산 전략에 기반을 둔 제조 여건 변화에 '유연'하게 대응하고 공금망 관리 (SCM ; Supply Chain Management), 통합 관점의 QCD (Quality, Cost, Delivery) 및 제약사항 관리로 생산 운영을 신뢰성 있게 수행하며 유기적으로 연결되는 공장을 의미

미래형공장, 지능형 공장이라 불리는 스마트 팩토리는 디지털 데이터와 ICT 기술을 결합해 디지털 자동화 시스템으로 운영되는 새로운 플랫폼으로, 인력 의존도가 높았던 전통적인 제조업의 한계에 대한 대안 

<스마트 제조, Smart Manufacturing>

• 제조업의 전략적 혁신을 위해 인간, 기술, 정보를 융합하고 다양한 ICT(Internet and Communication Technology)를 적용
• 소비조 요구의 다양화, 고급화에 따른 개인 맞춤형 생산 (Personalized Manufacturing, 다품종 소량생산)을 구현
• 인간과 협업하여 스스로 학습하는 디지털 제조 방식을 적용하는 4차 산업혁명 시대의 생산방식 

 

스마트 팩토리의 기본 구성, 생산부터 품질, 배송, 운영, 경영까지 모든게 유기적으로 연결되는 공장을 의미함

 

2) 스마트 팩토리 의미, 도입효과

• 신속한 검수 및 입고 처리에 따른 시간 및 비용 감소
• 안전 재고량 관리에 따른 부품의 적정 재고 유지 및 확인 
• 도난 절취에 대한 원인 분석 및 방안 마련
• 생산 형장의 부품 현황 및 알람을 통한 신속한 공급 자동화, 다양한 성과 분석 
• 생산 / 제조 데이터 실시간 모니터링 및 품질 검수 자동화 
• 빅데이터, AI 기반 제품 생산 물량을 예측하여 특수한 상황도 유연하게 대응 
• 제조에 필요한 시간과 비용을 절감 → 좀 더 경쟁력 있는 제품 생산 가능 (고품질의 제품을 합리적인 가격으로 생산)
• 구매 고객의 데이터를 분석하거나 주문한 사양에 따라 맞춤형으로 제품을 생산하는 주문형 생산도 가능 
• 불량 제품 발생 확률 감소 (빅데이터 기반) 
• 물리적 거리와 상관없이 언제 어디서든 제조공정 업무를 수행 (가상과 현실 공장을 실시간으로 동기화) 

문제 해결이 빨라진다

현대자동차의 스마트팩토리, HMGICS

 

3) 스마트 팩토리의 특징 (일반 공장과 차이점)

① 한눈에 상황 파악이 쉬움 (Observe Ability)

공장 내 설비와 기계에 센서(IoT; Internet of Things)가 설치되어 데이터를 실시간으로 수집하고, 분석하여 공장 내 모든 상황들이 일목요연하게 볼 수 있음 

 

② 상황 판단 및 제어 (Controllability)

데이터 분석을 기반으로 목적한 바에 따라 스스로 제어되는 공장 

 

③ 데이터 기반의 공장 운영 체계 구축 (Data Driven Operation)

각 공장에서 수집된 수많은 데이터를 기반으로 분석하고, 의사결정하는 시스템을 구축하여 생산현장에서 발생하는 현상 및 문제 간의 상관관계 파악 → 해결책 도출 가능 (원인을 몰랐던 돌발 장애, 품질 불량 등의 원인 파악 가능)

 

④ 노하우를 데이터화 

숙련공들이 경험으로 얻은 노하우를 데이터화 → 누구나 쉽게 활용할 수 있음 

현장에서 발생하는 돌발 상황이 모니터링 → 비숙련자도 대응할 수 있도록 원격지에서 가이드가 가능 

 

⑤ 최적 생산체제 하에서 공장 운영

상기 데이터들이 MES(Manufacturing Execution System, 제조실행시스템) 및 ERP (Enterprise Resource Planning, 전사적자원관리) 등과 같은 생산, 경영 분야의 기간 시스템과 "연동"되어 주문이 접수되거나 어떠한 경영상의 판단이 내려짐 

 

4) 스마트 팩토리의  구성, 역할 

AI, 로보틱스, IoT, 빅데이터 등 ICT기술을 기존 생산 공정 (조립, 물류, 검사) 등에 적용한 지능화된 제조 기술 

 

① 센서, IoT (Internet of Things)

공장 내 설치된 센서가 데이터를 실시간으로 수집, 분석해 전 공정을 한눈에 파악

전후 공정간 데이터를 연계 → 불필요한 작업 과정을 제거 

이벤트 감지부터 실행까지 전 과정 자동화 

 

② 로보틱스 기술, 로봇 (고도의 자동화)

로봇 등을 인력 대체가 어려운 분야에 투입 → 근로자의 작업 환경을 개선하고 생산 공장의 안전 및 효율성을 한층 제고할 수 있음 

(협동로봇,  AMR(Autonomous Mobile Robot), AGV(Autimated Guided Vehicle), 착용형 로봇 등)

 

③ CPS (Cyber Physics System)

가상 물리 세계, 능동형 인지 AI 기술을 활용해 현실 세계를 자율 제어하는 지능형 서비스 시스템 

가상의 자원과 프로세스, 결과물을 기반으로 판단 

각 도메인 별 전문 기업, 기관의 시뮬레이터 셋을 유연하게 수용

 

④ MES (Manufacturing Execution System, 제조실행시스템)

실시간 데이터를 이용한 제조 및 실행 시스템

 

⑤ ERP (Enterprise Resource Planning, 전사적자원관리)

 

⑥ 빅데이터, AI 

빅데이터를 통한 다양한 정보 치계 구축 및 지식 자산 활용

AI기반 예지형 서비스 제공 

 

 

 

5) 스마트 팩토리 구축에 필요한 네 가지 조건 

① 가상화

생산라인을 가동하기 전 가상으로 전체 공정을 시뮬레이션해서 생산 공정과 생산량 등을 예측 (CPS)

 

② 유연화

IoT 기술을 활용해 공장의 운영 방식과 프로세스를 작업자가 원격으로 조정하거나, 시스템이 스스로 제어해 생산 프로세스를 유연하게 변경 

 

③ 간소화

드론 및 자율 주행 이송 로봇을 가동해 사람의 업무를 도와주고, 불필요한 생산 공정을 생략

 

④ 동기화

제품 공급망, CPS의 실시간 관리를 통해 재고 수준을 최적화하고 주문 상태를 고객과 공유

 

 

6) 단순 생산 자동화(공장 자동화) 와 스마트팩토리의 차이점 

(1) 공장자동화의 정의 

제품의 설계에서 제조, 출하에 이르기까지 공정을 자동화하는 기술 
컴퓨터 시스템이나 산업 로봇을 도입해 공장의 무인화와 생산 관리가 자동화되는 시스템 

 

(2) 공장 자동화와 스마트 팩토리의 차이점 

① 공정자동화는 수직적 통합 (생산시스템에 한하여 통합), 스마트 팩토리는 수평적 통합 (기획, 설계, 생산, 유통 등)

공정자동화는 생산시스템을 유기적으로 조합하여 컴퓨터 이용 설계 및 제조, 해석, 제조하는 시스템

스마트 팩토리는 기획부터 설계, 생산, 유통 등 전 과정을 ICT 기술을 이용 통합하여 생산 

 

② 공정들간의 연결여부 

공장 자동화는 단위 공정별로 자동화, 최적화 됨 (해당 공정의 데이터만 쌓이고 해당 공정에서만 활용 - 공정끼리 유기적으로 연계되지 않으며 전후 공정에서 어떤 일이 일어났는지 알 수 없는 구조, 데이터 활용률이 떨어짐) 

스마트팩토리는 IoT기술로 각 설비와 공정을 연결시켜 전체 공정들이 연결, 연계되고 제조 데이터가 수집 후 분석되어 서로 연계하여 활용

 

③ 자동화 수준의 차이 

스마트 팩토리는 로봇으로 사람이 하는 공정을 대체, 다양한 센서를 활용해 통합적으로 연결하여 유연하게 운영

 

④ 생산 물량 예측 및 유연화 대응 가능 유무

공장 자동화는 생산 물량 예측 없이 자동화 (최대 물량 최대 생산) 

스마트 팩토리는 빅데이터, AI 기반 제품 생산 물량을 예측하여 특수한 상황도 유연하게 대응

 

2. CPS (Cyber Physics System) 

 

1) CPS (Cyber Physics System) 의 정의 

스마트 팩토리의 생산시설 통합 소프트웨어 플랫폼 
실제 세계와, 여기서 진행되는 다양하고 복잡한 업무, 공정과 정보를 사물인터넷 등 네트워크를 통해 데이터에 접근, 처리, 관리하는 개방형 서비스를 기반으로 사이버 세계의 디지털 모델에 긴밀하게 연결, 활용하는 컴퓨터 기반 구성 요소와 시스템

CPS는 디지털 트윈과 흡사하며 의미는 일종의 공장을 위한 가상 셰계 (메타 팩토리)를 뜻함 : 가상 세계에 똑같은 공장을 건설하고 똑같은 방식으로 작동하고 구현함 

• 서로 다른 가상과 물리체계에서 모든 정도(scale)과 수준(level)에서 치밀하게 통합하는 시스템 
• 디지털 트윈은 가상세계의 생산라인, 공급라인을 운영하면서 문제점들을 찾아내고 즉시 보완하는 과정을 거침 
• 이는 일종의 공장을 위한 가상세계인 메타팩토리이며 스마트 팩토리의 핵심 
• 사이버 트윈(Cyber Twins), 디지털 트윈 라는 개념과 유사 (현대자동차그룹)
  • 도로 위를 달리는 전기차에서 수집된 각종 주행 데이터를 기반으로 디지털 세계에 가상의 쌍둥이 전기차를 구현하고 이를 활용해 차량별 배터리 수명 예측
  • 현재의 성능을 단순 계산해 배터리 수명을 예측하는 것이 아니라, 가상 세계에 쌍둥이 차량을 만들어서 실제 주행을 하며(시뮬레이션) 주행 이력을 기반으로 여러 요인을 종합 분석해 지속적으로 배터리 수명을 재계산함으로써 더욱 정확한 수명 예측

가상세계에서 현실 세계의 쌍둥이를 구현하여 미리 문제점을 파악 / 개선

 

 

2) CPS의 특징, 의의 

• 생산라인, 공급라인 등을 운영하며 문제점을 찾아내고 즉시 보완
• 효율이 극도로 개선 
• 효율 개선이 가상공장, 현실공장에 동시 적용되며 상호 보완적 관계에서 발전, 진화함
• 생산성은 증가하고 다양한 소비자의 요구에 빠르게 대응할 수 있음 

 

3) CPS 구성  /  기능 

CPS 플랫폼을 활용하면 공장을 구성하는 인프라를 디지털 트윈화 (현실 세계의 물리적인 사물을 가상공간에 그대로 재현)해서 생산 공정에 필요한 자원부터 생산 과정 및 결과까지 시뮬레이션해 최적의 조건을 도출해서 현장에 적용 

CPS의 구성 요소

 

① IoT 데이터 활용 실시간 모니터링 기술 

현실 데이터 수집 → 가상세계에 적용. 사물인터넷을 통해 방대한 양의 실제 환경 정보를 수집하고, 가시화 기술을 거쳐 CPS를 구현

 

② 3D 시각화 기술을 이용한 디지털 트윈 구축 

현실 세계를 가상에 그대로 재현

 

③ 빅 데이터 & AI 기술

예지형 서비스 제공

 

가상 공장과 현실 공장을 완벽하게 동기화

 

가상의 디지털 공간에 세운 쌍둥이 공장

가상과 현실을 잇다, 현대오토에버 개발자가 알려주는 ‘디지털 트윈(Digital Twin)’

 

3.  MES (Manufacturing Execution System)

 

1) MES (Manufacturing Execution System)의 정의 

생상공정 내의 모든 자원 (인력, 장비, 자재)의 공정단위의 생산계획을 현장에서 실행하는 것은 물론 생산 관련 품질 데이터까지 다루는 공장정보화시스템 
효율적으로 데이터를 관리하고 연동할 수 있으며, 표준화를 거친 데이터를 통합하고 관리하는 역할 
제조 프로세스를 감시하고 관리하여 생산계획수립, 생산실행, 제품추적, 품질 관리 등의 다양한 작업을 통합 관리함 

 

2) MES의 특징, 의의 

• 주문의 시작부터 최종제품에 이르기까지 생산 활동에 가장 효과적으로 활용할 수 있는 정보 제공
• IoT 기술 기반, 현재의 정확한 실시간 데이터를 사용하여 데이터가 발생할 때마다 생산현장의 활동을 지시하고 대응하고 보고 
• 변화되는 조건에 대한 신속한 대응 → 비생산적인 활동 감소, 생산현장의 작업과 공정을 효과적으로 운용 
• 데이터 입력 시간, 제조 사이클 시간, 생산 과정에 있는 재공품 재고, 문서작업시간, 문서작업 손실률, 업무 지연시간, 제품 결함률 감소
• 스마트 공장과 MES 연계를 통해 생산라인에서 발생하는 데이터를 실시간 수집 및 분석 (생산 프로세스 투명성 증대)
• 초기 투자와 구현 비용이 비쌈
• 구축 관리(유지 보수 및 업그레이드 등)가 어려움 

 

3) MES의 주요 기능 

기준정보, 영업관리, 생산관리, 자재관리, 설비관리, 외주관리, 공정관리, 품질관리, LOT관리 

• ERP로부터 생산 Master 정보와 생산계획을 받아 실행관리 수행 
• 제조현장의 작업자 PC를 통해 작업을 지시하고 작업 상황을 보고 받음 
• 설비 I/F를 통해 정보를 획득 

출처 : KSA 한국표준협회

출처 : KSA 한국표준협회

 

4.  ERP (Enterprise Resource Planning, 전사적 자원 관리)

 

1) ERP (Enterprise Resource Plannning)의 정의

재무, 인사, 제조, 구매, 서비스 등 여러 프로세스 전반을 통합하여 효율적인 관리를 할 수 있는 시스템 

 

2) ERP의 특징 

• 업무의 통합화 (ex. 재무, 판매는 업무는 나뉘어 있지만 프로세스는 유기적으로 연결 → 유기적으로 연계가 필요) 
• 표준 프로세스의 내장
• 그룹웨어와의 연동 (전사 통합 시스템)
• 개방형 시스템

 

3) ERP의 효과 (의의)

• 기업의 성과를 즉시 파악하여 적시에 의사 결정을 내릴 수 있음 
• 조직 내 프로세스의 문제점과 개선점을 쉽게 파악
• 여러 기업 내 중요 데이터를 한 곳에서 보관 처리 (유출 방지)