[독일 인더스트리 4.0 구상(1)] 기계 다루는 '인간 중심' 생산 공정…핵심 기술은 IoT·CPS
[독일 인더스트리 4.0 구상(2)] 인더스트리 4.0 세계의 구체적 이미지

인더스트리 4.0 구상이 실현되면 고객의 요구 변경이나 갑작스러운 사양 변경 등 다양한 변동에 대응 가능한 생산 시스템이 창출된다. 또한, QCD(품질, 비용, 납기)와 함께 효율성, 생산성, 유연성과 같은 목표의 최적화가 가능한 동시에, 안전성은 물론 제품의 생애 데이터 추적이 가능해지기 때문에 환경도 충분히 고려할 수 있게 된다. 

뿐만 아니라 작업 환경도 개선되도록 ‘인간 중심’의 생산 공정이 그려지고 있어 ‘기계에 사용되는 사람’에서 ‘기계를 다루는 사람’으로 전환된다. 이것을 가능하게 하는 핵심 기술이 IoT 또는 CPS 기술이다.

 

인더스트리 4.0은 4차 산업혁명을 의미한다. 이 구상은 IoT(사물인터넷)와 거의 같지만, 특히 공업에 초점을 맞추고 있는 점이 독특하다. 

생산과 관련된 모든 생산 기기, 이송 기기, 부품·반제품·제품에 ID칩이나 센서(정보 취득), 에너지 하베스트 기구(구동원), CPU(정보 처리), 무선 회로(정보 송신) 등으로 구성되는 모듈을 장착하고 무선통신으로 연결하며, 가상과 현실을 융합한 고도의 생산을 가능하게 하는 CPS(Cyber Physical System)를 개발한다.

이렇게 공장이 지능화됨으로써 엔지니어링 체인이나 공급망 전체에서 막대한 데이터를 수집하고 해석해 가시화할 수 있다. 공장 안은 물론 출하 후에도 제품이 폐기되기까지 제품에 관한 정보를 가시화해 신상품 개발, 새로운 서비스 개발을 비롯해 새로운 생산 프로세스 개발을 위한 새로운 지식을 얻을 수 있다. 이것을 통합된 인터넷 주도형 ICT 이노베이션이라고 부른다.

인더스트리 4.0에서 인터넷 주도형 ICT 이노베이션은 영어로는 ‘Parallel, Internet-driven ICT innovation’으로 표기한다.

사진 1. 독일 지멘스 암베르크 공장

인더스트리 4.0의 목적

이러한 혁명적 변화를 독일이 주도함으로써 독일이 강점으로 하는 제조업의 산업 경쟁력을 한층 공고히 해 고임금 국이면서도 자국 내에 제조 기반을 확보해 수출 역량을 더욱 강화하는 것이 독일 연방정부의 의도이다.

고임금 국으로서 신흥국의 추격을 피하면서 소프트웨어 계열 대기업에 의한 하드웨어 영역 진출 등 미국을 중심으로 일어나고 제조업의 신조류에 대항하고, 독일 국내 공장의 해외 유출에도 제동을 걸면서 신시장을 개척하려는 의도가 숨어 있다.
독일 연방정부의 움직임을 보면 일본 문부 과학성에 상당하는 교육 연구부와 경제 산업성에 해당하는 경제 에너지부가 각각 예산 프로그램을 관할하고 있지만, 협동으로 관할하는 지원 프로그램이 있음이 주목된다.

이 구상이 실현되면 고객의 요구 변경이나 갑작스러운 사양 변경 등 다양한 변동에 대응 가능한 생산 시스템이 창출된다. 궁극적으로는 수요자 각각의 요구를 충족시킬 수 있는 단품 수주도 양산에 상응하는 비용과 속도로 생산할 수 있게 되어 효율성과 생산성이 극적으로 개선되는 생산 시스템이 기대된다.

또한, 이 시스템에서 얻어진 방대하고 다양한 데이터를 수집·해석함으로써 개선 활동을 위한 기존 인력에 의존하던 데이터 수집과 작도 작표는 인더스트리 4.0 구상 실현 후에는 더욱 상세한 과학적 데이터에 근거하여 그림과 표 작성이 자동화되고 가시화된다. 이로 인해 사람은 생산 시스템 개선을 위한 두뇌 노동에 전념할 수 있게 될 것이다.

QCD(품질, 비용, 납기)와 함께 효율성, 생산성, 유연성과 같은 목표의 최적화가 가능한 동시에, 안전성은 물론 제품의 생애 데이터 추적이 가능해지기 때문에 환경도 충분히 고려할 수 있게 된다. 또한, 일하는 사람의 환경도 개선되도록 ‘인간 중심’의 생산 공정이 그려지고 있어 ‘기계에 사용되는 사람’에서 ‘기계를 다루는 사람’으로 전환된다.

인더스트리 4.0 워킹그룹에는 노동조합도 이 구상의 추진자 중 하나로 참여하고 있으며, 워크 라이프 밸런스를 실현할 수 있는 근로 환경 측면에 대한 배려가 강조되고 있다.

인더스트리 4.0의 기술

1. 실현에 필요한 기술
이 구상의 원동력은 네트워크 기술과 디지털 기술 등의 ICT 기술, RFID 칩과 같은 반도체 관련 기술이 중심이 된다.

CPS(가상 물리 시스템, Cyber Physical System)를 개발해 현실의 세계를 PC상의 가상 세계처럼 다루고, 다시 현실 세계로 되돌려 보냄으로써 하드웨어와 소프트웨어를 융합하는 구조를 만들어낸다. 

공장 안을 무선통신과 유선통신에 의해 네트워크화하여 스마트공장을 실현함과 동시에 공장 밖의 다양한 세계와도 네트워크로 연결함으로써 사업 기회와 경쟁력 강화에 훨씬 기여할 수 있다.

이른바 전통적인 제품이나 서비스를 CPS 개발을 토대로 인터넷 주도형 ICT 이노베이션에 의해 지능화(자율 분산 처리형 지능화)하는 구상이다.

소프트웨어 기술로는 인터넷 관련 기술로서 IoT, IoS, Ipv6, 소셜 미디어 등이, 소프트웨어 기술로서 의미 해석 기술, 빅데이터, 클라우드 서비스 등이, 커뮤니케이션 기술로서 M2M 네트워크, WiFi 핫 스팟, LTE 등이 꼽힌다.

한편, 하드웨어 기술로는 내장형 마이크로 시스템(Embeded System)으로서 RFID 태그, 마이크로 센서/액추에이터, 마이크로프로세서 등이, 기기 면에서는 스마트 기기, AR 안경, 인터랙티브 디스플레이 등이 열거되어 있다.

2. CPS 기술이란
CPS는 공장 전체의 현장(Physical) 정보를 센서나 RFID를 활용해 ICT 시스템(Cyber) 상에 도입하고, 이를 축적·분석하여 이들의 피드백을 현장에 반영시키는 시스템을 말한다.

CPS에 의해서 실현하는 스마트 팩토리에는 공장 내부를 시스템화하는 수직방향의 연결(엔지니어링 체인)과 공장과 외부 조달처 등 공장 외부를 시스템화하는 수평방향의 연결(서플라이 체인), 이 두 가지가 있다.

여기에서 수직방향 연결이란 공장 전체를 CPC(Cyber Physical System)로 만드는 것을 지향한다. 즉, 제조 시뮬레이션을 현장의 생산 활동과 일치시키고 컴퓨터 계산 결과를 현장의 생산성 향상에 직결시키는 것을 목표로 하고 있다. 

그러기 위해서는 ERP(Enterprise Resource Plan-ning) 등의 기간 시스템, 생산 관리 시스템, 제품 라이프 사이클 관리(PLM) 시스템, 제조 실행 시스템(MES), 로봇이나 제조 기계 등의 제어 시스템 등을 일원 관리할 수 있도록 해야 한다.

또한, 수평 연결이란 유통과 밸류 체인의 정보통신 네트워크로 연결이다. 제조업에 의한 생산 활동은 현재 한 회사에 의해 완결되는 경우는 거의 없다. 한 공장에서 생산할 경우, 원료나 부품 조립(어셈블리) 공정 등을 외부로 내놓거나 외부에서 조달하기도 한다. 그것들에 대해서도 각 정보 시스템을 연결하여 일원적으로 관리할 수 있도록 하겠다는 것이다.

3. ‌인더스트리 4.0과 IoT, IoS, CPS  
핵심 기술의 성질로서 오픈성, 양방향성 외에 하드웨어의 실시간 처리 기술과 저소비 전력 기술이 있을 것이다. 구체적인 기술로는 컴퓨터 과학 외에 정보 기술, 커뮤니케이션 기술, 제조 과학 기술을 발전시키면서 융합시키는 기술이 필요하다.

인더스트리 4.0의 핵심을 차지하는 ICT 기술로서 IoT 또는 CPS가 꼽힌다. 영국에서는 인더스트리 4.0이라는 용어보다 IoT가 보다 일반적인 호칭이라고 불린다. 또한, M2M도 IoT와 같은 뜻의 말로 사용되고 있다. 독일에서는 IoT 외에 IoS도 중요한 개념으로 등장한다. 

이 외 IoD(데이터)나 IoI(정보)라는 용어도 보인다. IoE(Evrything)라는 표기(시스코사)도 있다.

이중 산업용 CPS는 CPPS(Cyber Physical Production Systems)으로 약칭되고 있다. CP와 같은 ICT 기술은 모든 분야의 수요에 부응하는 이노베이션 모터로 자리 잡고 있다.

CPS를 장착한 생산 라인은 전원을 넣으면 가동하는 Plug&Play 방식이 된다. CPS의 보급에 의해 디지털 경제 시대가 본격적으로 열릴 것이다.

IoT는 디바이스 기기 등의 물리적 대상에 센서나 액추에이터, 고성능 마이크로 컨트롤러를 내장하고, 무선 등으로 인터넷에 접속한 것이다. 이런 시스템 전체를 IoT라 칭한다. 따라서 CPS도 IoT의 일종이라는 것이다. IoT를 실현하기에는 보안 문제 외에 모든 애플리케이션에 대응하고 접속을 가능하게 하기 위한 표준·규격 문제를 해결할 필요가 있다.

CPS가 등장할 것으로 예상되는 분야로는 산업용 CPS(스마트 팩토리), 에너지 CPS(스마트 그리드), 모빌리티 CPS(스마트 모바일), 의료 CPS(스마트 헬스) 등의 분야가 예시되어 있다.

막대한 양의 데이터가 인터넷을 오가며 서비스를 위해 이용된다. 또한, IoS에는 시만틱테크놀로지(데이터에서 의미를 읽어내는 기술)나 클라우드 컴퓨팅의 외에 IoT와 같이 모든 애플리케이션에 대응할 수 있도록 하기 위한 문제 해결이 필요하다.

4. 다른 기술 프로젝트들
인더스트리 4.0과 관련된 다른 프로젝트를 보면 CPS2020 시장 선도 프로젝트가 있다. 이것은 인더스트리 4.0의 일부로서 2020년까지 CPS의 선도적인 공급자가 되는 것을 목표로 하고 있다.

AGENDA CPS 프로젝트는 acatech가 BMBF에 제출한 것으로 에너지, 모빌리티, 건강, 공업의 4대 응용 분야의 연구를 2025년까지 추진하는 계획이다.

ICT2020은 인더스트리 4.0을 위한 IT 시스템의 연구와 이노베이션이 목표이다. ICT 연구의 초점은 임베디드 시스템, 새로운 비즈니스 프로세스, 생산 방법, IoT&S에 있다.

이 외에는 인더스트리 4.0을 위한 AUTONOMICS가 있지만 서비스 로봇 등이 대상이다.

임근난  기자 (fa@hellot.mediaon.co.kr)