인더스트리 4.0의 구성요소에 대한 논의에서 가장 흔히 전면에 부각되는 게 스마트 팩토리다. 스마트 팩토리는 스마트 제품과 함께 인더스트리 4.0의 주요 구성요소다.

스마트 제품을 제조하는 스마트 팩토리는 어떤 공장을 말하는가.

독일기계·설비산업협회(VDMA)의 장학재단인 Impuls-Stiftung(이하 Impuls)이 발간한 보고서는 스마트 팩토리를 다음과 같이 설명한다.

스마트 팩토리는 기계와 설비가 지능적으로 연결된 공장을 의미한다. 공장 내의 제조 설비들은 제조실행시스템(MES), 전사적자원관리(ERP), 공급망관리(SCM) 등과 같은 상위의 IT 시스템뿐만 아니라 스마트 제품과도 직접 통신한다. 모든 제조 프로세스는 상호 연결되고, 자율적인 조정을 통해 가치창출네트워크 전체의 디지털화가 폭 넓게 구현된다.

스마트 팩토리를 가능하게 해주는 중요한 기술은 사이버물리시스템(CPS)이다. 스마트 팩토리의 CPS는 보통 사이버물리생산시스템(Cyber Physical Production System, CPPS)으로 구분한다. CPPS는 소프트웨어의 역할이 큰 제조시스템이다. 제조 기계나 기기 등 구성요소들을 인터넷과 연결하고, 이들이 상호간 또는 재공품(생산과정 중에 있는 제품), 부품 등 자재와 통신을 가능하게 한다. 자재에 대해 “똑똑하다”고 표현한다. 이유는 자재가 자신의 품질, 가공 계획 등과 같은 특성을 전자태그(RFID) 같은 데이터 저장장치에 넣어 자신의 제조 공정을 자율적으로 제어하기 때문이다. CPPS의 작동이 갑자기 중단될 경우 다른 시스템이 자동으로 업무를 넘겨받고, 시스템이 스스로 자재 흐름을 새로 조절한다.

CPPS의 자율 조절 기능을 개발하기 위해서는 지능형 센서와 엑츄에이터(구동장치)가 필요하다. 이들은 한편으로는 주어진 환경과 상호작용하여 자율 적응하고, 다른 한편으로는 새로운 작동 방식을 학습해 최적의 작동 방안을 수립한다. 이런 스마트한 능력은 제조 기계, 제품, 물류 시스템 등 공장 내부의 모든 요소에 적용할 수 있다.

스마트 팩토리를 실현시켜주는 또 다른 중요한 기술은 제조활동에 관련된 대량 데이터를 저렴하게 저장하는 것이다. 메인 메모리에 데이터를 저장하는 ‘인메모리(in memory)’ 저장매체가 등장하고 데이터베이스 가격이 하락한 덕에 대용량 데이터를 싸게 저장할 수 있게 됐다.

스마트 팩토리에서는 중요한 프로세스와 변동 데이터를 모두 수집하고, 주문 상황을 정확하게 반영하기 위해 실시간 데이터 처리가 요구된다. CPPS의 지능형 센서로부터 수집되는 기계와 자재 및 주변 환경 상태와 관련된 실시간 변동 데이터는 빅데이터 기술을 활용해 실시간으로 처리된다. 이렇게 확보된 빅데이터는 분석적 평가방법을 통해 과거의 작동 상태를 설명하는 것뿐만 아니라 현재 상태에 즉각적으로 개입하는데 이용한다. 예상되는 미래의 문제에도 대응할 수 있게 해준다. 가장 잘 알려진 예로 예지 정비(Predictive Maintenance)가 있다. 다양한 센서를 통해 설비·기계의 상태를 측정하고, 비정상적인 패턴 발생을 사전에 인지해 선제적으로 유지보수 조치한다. 그 결과 최고의 수율과 품질 상태를 유지할 수 있다. 이러한 빅테이터 기반 최적화를 위해 많은 데이터 저장 용량과 고도의 연산 능력을 가진 IT 인프라 구축은 필수다.

CPPS를 통해 공장은 극도의 자율 조직화(Self-organization)와 자율 최적화(Self-optimization) 특성을 갖게 된다. 이것은 지난 40년 동안 발전해온 공장 제어의 분권화가 극대화된 모습이다. 자율화와 분권화가 고도화된 스마트 팩토리는 중앙집중식 제조방식에 비해 큰 장점이 있다. CPPS의 높은 유연성은 제조의 개인화를 가능하게 한다. 그 이유는 제조시스템의 구조 변경에 시간과 비용이 추가로 소요되지 않기 때문이다. 이와 함께 로트 크기(lot size)가 “1”인 상황에서도 대량생산 비용으로 제조가 가능한데, 이는 제조분야에서 오래 전부터 목표로 삼고 있는 것이다.

로트는 로트 제조 방식에서 한 번에 주문 및 제조되는 단위를 의미한다. 로트 제조 방식이란 매월 비슷한 양을 생산하지만 작업 여건이 매일 연속적으로 생산할 수 없을 경우에 사용되는 방식이다. 매월 몇 회의 사이클로 나누어 제조된다. 개별생산과 연속생산의 중간적 생산방식이다. 제품을 제조하기 위한 기계·설비를 구성하고 설치한 후 제조가 완료되면, 기계·설비를 해체하고 다른 제품을 주문받아 또 다른 기계·설비를 설치하여 제품을 제조할 수 있다. 예를 들어 공작기계와 같은 기계류 및 의약품 같은 제품 제조에 많이 활용된다.

인더스트리4.0 기능 구성도. /자료=Scheer (2015) Whitepaper 5 - Industrie 4.0: Von der Vision zur Implementierung