스마트공장(Smart factory)은 설계, 개발, 제조, 유통 등의 전과정을 디지털 정보통신기술(ICT, Information and Communication Technology)로 통합해 생산성, 품질, 고객 만족도를 향상시키는 지능형 생산 공장이다. 공장 내 설비와 기계에 사물인터넷(IoT, Internet of Things)을 접목해서 공정 데이터를 실시간으로 수집하고, 이를 분석해 스스로 제어할 수 있게 만든다. 생산 현황을 실시간으로 파악할 수 있게 되어 재고 비용이 감소하고 물류 활동을 개선시킨다.
제조 환경
21세기에 들어오면서 소비자 니즈가 다양해지고 세분화되면서 개인 맞춤형 생산으로 산업 구조가 바뀌었다. 전통적인 제조업은 고객 니즈 다변화와 짧아진 제품수명주기에 대응하면서 생산 효율을 향상시키기 위해 스마트 공장 개념을 도입하여 제조 혁신을 추구하고 있다. 종래의 자동화 기술은 적용 범위가 각각의 개별 공정 내에서만 머물렀다. 스마트 공장은 무선 통신으로 연결된 장치에서 전후 공정 데이터를 자유롭게 연계할 수 있어 유기적이고 통합적인 생산환경을 갖추게 한다. 더 나아가서는 숙련 노동자들의 의존도를 낮추고 맞춤형 상품을 합리적인 가격에 생산할 수 있는 기회를 제공한다. 또한 가상공간에서 제품제작 전 시뮬레이션을 수행하므로 제품개발기간을 단축시키고 개발오류를 최소화한다. 설비, 자재, 시스템 정보를 실시간으로 교환하기 때문에 짧은 시간에 다품종 대량생산이 가능해지고 에너지 효율이 좋아진다.
수준
스마트 공장은 수준별로 미적용, 기초, 중간1, 중간2, 고도화 등 5단계로 구분한다. 사람(Man), 기계(Machine), 재료(Material), 방법(Method)과 환경(Environment)을 목적에 맞게 디지털 정보로 인식시키고 통신을 통해 상호 대화가 가능해야 한다(4M+1E).
| 수준 | 특징 | 내용 | 도구 |
|---|---|---|---|
| 미적용 | 수작업 위주, 전화와 이메일 업무 | ||
| 기초 | 식별 측정 | 부분적 표준화 및 데이터 관리 생산 정보 실시간 모니터링 | 바코드 센서 |
| 중간1 | 분석 | 생산 정보 실시간 수집·분석 | 센서 분석도구 |
| 중간2 | 최적화 | 생산 공정 실시간 제어 | 센서제어기 최적화 도구 |
| 고도화 | 자율 제조 | 공장 무인 자율 운영 | AI, CPS AR, VR |
스마트 공장
스마트 공장은 자동화에서 한 단계 진화한 디지털화를 추구한다. 스마트 공장은 전후 공정 데이터를 자유롭게 연계할 수 있어 총체적인 관점에서 최적화를 이룰 수 있으나 공장자동화는 단위 공정별로만 최적화되어 있어 전체 공정이 유기적이라고 보기 어렵다. 스마트 공장은 사물인터넷(IoT), 인공지능(AI), 빅데이터 등의 ICT 도구를 활용해서 전 과정을 디지털로 통합하는 방식을 취한다. 모든 대상을 사물인터넷(IoT)으로 연결해 자율적으로 데이터를 수집, 저장, 분석하는 것이다. 무선 통신으로 연결된 다양한 스마트 기기에서 정보를 확인하고 통제할 수 있다. 반면 공장자동화는 컴퓨터, 로봇과 같은 장비를 이용해 공장 전체의 무인화 및 생산 과정의 자동화를 만드는 영역에 머물러 있다.
스마트 공장을 세분화하면 다양해진 고객 요구 사항에 대응하기 위한 수평적 통합 방향은 ‘Smart’ 범위이며, 공장자동화는 수직적 통합으로 ‘Factory’와 ‘Manufacturing’으로 이루어져 있다. 스마트 공장의 최종 목표는 시장 변화를 따라잡는 생산성 확보와 효율 증대이다.
| 단계 | 내용용 |
|---|---|
| 기획 설계 | 가상 공간에서 제품 제작 전 시뮬레이션 진행 기간 단축, 맞춤형 제품 개발 |
| 생산 | 설비와 자재 정보를 시스템에서 실시간 정보 교환 다품종 대량 생산, 다품종 소량 생산 에너지 효율 제고 |
| 유통 판매 | 생산 현황에 맞춘 실시간 자동 수·발주 재고 비용 감소 품질, 물류 등 전분야 협력 |
모든 생산 과정을 ICT로 통합하여 최소 비용으로 고객 맞춤형 제품을 생산하는 첨단 지능형 공장이 핵심이다. 원청 단가가 낮아지고 인건비가 올라가는 가운데 우리나라 제조업체는 고비용 구조의 샌드위치가 된 상황이다. 스마트 공장은 최적 생산 체계를 갖추어 원가를 절감하는 동시에 새로운 시대의 다양한 요구를 해결해 나갈 제조업의 열쇠이다.
용어 설명
CPS(Cyber Physical System, 가상물리시스템)는 로봇, 의료기기 등 물리적인 실제의 시스템과 사이버 공간의 소프트웨어 및 주변 환경을 실시간으로 통합하는 시스템이다. 컴퓨터 프로그래밍으로 만들어진 가상세계, 즉 디지털 환경과 물리적 법칙에 의해 운용되는 물리적 세계를 통합하는 개념이다. 스마트폰과 같은 각종 스마트 기기, 사물인터넷을 적용한 디바이스나 스크린야구, 스크린골프 등도 가상물리시스템에 해당된다.
VR(Virtual Reality, 가상현실)은 자신과 배경환경 모두 현실이 아닌 가상의 이미지를 사용하는데 반해, AR(Augmented Reality, 증강현실)은 현실의 이미지나 배경에 3차원 가상 이미지를 겹쳐서 하나의 영상으로 보여주는 기술이다. VR과 AR은 서로 비슷한 듯 하지만 주체가 허상이냐 실상이냐에 따라 명확히 구분된다. 컴퓨터 게임으로 예를 들면, 가상현실 격투 게임은 ‘나를 대신하는 캐릭터’가 ‘가상의 공간’에서 ‘가상의 적’과 대결하지만, 증강현실 격투 게임은 ‘현실의 내’가 ‘현실의 공간’에서 ‘가상의 적’과 대결을 벌이는 형태가 된다.