4차 산업혁명, 새로운 제조업의 시대 / 박한구, 송형권, 장원중, 이순열, 임채성

스마트공장, 이렇게 구축하라!

 

 

 

 

 

 

머리말-4차 산업혁명 시대의 생존 방안, 스마트 공장을 향하여

ㆍ4차 산업혁명은 근본적으로 제조업의 혁신과 변화를 요구하고 있다. 제조업은 고용과 부가가치의 기반이 되는 산업으로, 그 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않다. 

 

1장_ 또 한 번의 격변기, 4차 산업혁명의 시대

ㆍ모든 사물과 디지털 복제품들이 연결되는 초연결 시대에는 이것들이 서로 소통하면서 엄청난 양의 데이터가 생성된다. 4차 산업혁명 시대에는 이렇게 생성된 데이터를 수집하고, 인공 지능 등 다양한 기술로 분석하게 될 것이다. 이렇게 모든 것이 연결되면 메트칼프의 법칙(Metcalfe’s law)으로 알려진 네트워크 효과가 세상을 지배하게 될 것이다. 메트칼프의 법칙이란 네트워크에 연결된 사용자 수가 많으면 많을수록 네트워크의 가치가 기하급수적으로 증가한다는 법칙이다. 한번 연결되어 소통하기 시작하면 다른 곳으로 떠나기가 쉽지 않아 사용자의 락인(Lock-in) 효과가 매우 커진다. 그리고 네트워크에 사용자뿐만 아니라 사물까지 연결된다면 그 가치는 엄청나게 커질 것이다. 여기서 네트워크의 가치란 네트워크에서 소통하는 어마어마한 데이터를 분석해서 찾아내는 것이라고 할 수 있다. 데이터를 수집·저장·분석하고 통찰하여 가치를 찾아내어 활용하거나 새로운 사업 기회를 만드는 것이 중요한 것이다. 이렇게 되면 데이터가 곧 자산이 되고 자본이 된다. 이를 가리켜 우리는 데이터 자본주의 시대라고 한다.

 

ㆍ사물 인터넷은 4M1E(Man, Machine, Materials, Method and Energy)로 요약되는 제조업의 중요 요소에도 큰 영향을 주고 있다. 즉, 고객에게 전달하는 가치와 생산성의 증가, 원가 경쟁력의 강화, 에너지 사용의 최적화뿐만 아니라 지구 온난화로 인한 환경, 온실가스 감축, 안전 등도 제조업에 큰 영향을 미치고 있다. 그리고 이제는 4M1E에 환경(Environment)을 더해 4M2E 또는 4M1S(Sustainability=Energy와 Environment)로 변경해야 할 만큼 지속 가능성에 대한 대응이 필수적 요소로 대두되고 있는 상황이다.

 

ㆍ사물 인터넷은 기능적 측면에서 SPNDSe(Service, Platform, Network, Device, Security) 구조로 표현할 수 있다. 사물은 데이터를 생성하거나 소비하고, 네트워크로 연결되며, 플랫폼은 데이터를 수집·저장·분석을 통한 가치 창출 기능을 담당한다. 이를 위해서는 설비, 기계, 작업자, 공정 등 모든 것들과 이것들의 디지털 복제품이 현실 세계와 가상 세계에서 연결되어야 한다. 모든 것이 연결된 환경에서는 정보의 유출, 변경, 해킹 등의 위험성으로부터 정보를 보호하는 보안이 중요하다.

1. 4차 산업혁명이란 무엇인가?

ㆍ'무너지는 제조업 현장, 숙련된 기술 인력이 떠난다.'

 

ㆍ결국 독일이 생존을 위한 국가적 전략을 주창한 것이 '인더스트리 4.0', 즉 제조업 혁신 4.0이다. 독일이 경쟁력을 지닌 설비 제조, 공장 운영 기술에 가상 물리 시스템, 사물 인터넷, 인공 지능, 빅 데이터 등 정보 통신 기술을 통합하고, 융합해 제조업의 4차 산업혁명으르 이루고자 한 것이 바로 '인더스트리 4.9'의 시작이었던 것이다. 

 

ㆍ인더스트리 4.9은 제조업의 모든 요소들이 디지털화되어 연결되어, 정보가 실시간으로 제공되어 가치망 전체가 비약적으로 발전하는 제조업 혁신이라고 할 수 있다. 

 

ㆍ4차 산업혁명은 제조업 혁신을 넘어 우리 삶 전체를 근본적으로 바꾸는 엄청난 변화이다. - 클라우스 슈밥

 

ㆍ인더스트리 4.0 = 4차 산업혁명 = 제조업 혁신

 

ㆍ4차 산업혁명의 궁극적인 목표는 생존이다. 최적의 스마트 공장 운영으로 개인 맞춤형의 품질 좋은 제품과 서비스와 놀라운 경험을 통하여 고객에게 가치를 제공하고, 지속적으로 고객이 사랑하는 기업이 되는 것이다. 

 

ㆍ자동화 공장은 사람이 미리 프로그램한 순서나 수식에 따라 기계가 작동하여 제품을 생산한다. 공정이 바뀌면 프로그램을 변경해야 하고, 기계는 미리 정해진 대로 시키는 일만 한다. 스마트 공장은 공급되는 소재, 설비, 에너지 환경 등 주변 상태에 따라 서로 통신하여 소프트웨어가 자율적으로 판단하고, 프로그램이나 설비의 설정값을 변경하여 제품을 생산한다. 

 

ㆍ자동화 공장은 기계 설비에 자동제어, 생산 관리, 자원 관리 시스템을 통한 경영 정보의 자동화 시스템 등이 수직적으로 연결, 통합, 운영된다. 자동화 공장은 수직적 계층 간의 정보 소통과 연결에 한계가 있다. 디지털 공장은 제조 현장에서 유통까지 전 공정을 다양한 디지털 기계와 설비, 도구들이 공정을 통합하여 운영되는 공장을 일컫는다. 

 

ㆍ우리나라는 2014년 기준으로 국내 총생산에서 제조업이 차지하는 비중이 30%에 달했다. 우리나라는 제조업의 비중이 매우 높다. 

 

 

2. 4차 산업혁명 시대의 주요 특징

ㆍ모든 것이 서로 연결되는 초연결 시대

ㆍ데이터가 자산이 되는 데이터 자본주의 시대

ㆍ고객의 개별적 요구를 충족하는 개인 맞춤형 가치 시대

 

3. 주요 국가의 4차 산업혁명 전략

ㆍ독일 - 인더스트리 4.0

ㆍ미국 - 제조업 활성화 정책과 민간 주도 협의체 중심

ㆍ중국 - 중국제조 2025

ㆍ일본 - 모노츠쿠리 정신

ㆍ인도 - Make in India

ㆍ한국 - 제조업 혁신 3.0

2장_ 4차 산업혁명 시대의 제조업에 영향을 미칠 요소

ㆍ머신 러닝의 장점은 실행이 불가능하거나 문제 해결을 위한 명시적인 답안이 없는 경우에도 유용하다는 것이다. 예를 들면 기존의 사기 방지 시스템(FDS: Fraud Detection System)은 사전에 정의된 시나리오 안에서는 부정한 사용자를 찾아내지만, 정의되지 않은 행위를 찾아내지는 못한다. 그러나 머신 러닝을 적용한다면 예측하지 못한 사기 행위를 미연에 방지할 수 있다.

 

ㆍ현재 머신 러닝은 상품이나 컨텐츠 추천, 신용카드 사기 거래 탐지, 암 유발 DNA 패턴 탐지, 스팸 이메일 분류, 주가 예측, 음성·영상·이미지 인식, 구매 행동에 기반한 고객 세분화, 제조업 불량 패턴 분류 및 원인 자동 분석, 설비 예지 분석, 자율 주행 자동차 등의 분야에서 우리 실생활에 깊숙이 활용되고 있다. 이러한 머신 러닝은 지도 학습(Supervised Learning), 비지도 학습(Unsupervised Learning), 강화 학습(Reinforcement Learning)의 3가지 유형으로 구분할 수 있다

 

ㆍ4차 산업혁명 시대에는 고객이 원하는 개인 맞춤형 가치를 제공하는 기업만이 살아남는다. 이를 위해서는 제조원가를 이상원가 수준으로 낮추고, 품질과 생산성을 확보하며, 공장을 유연하고 똑똑하게 운영해야 한다. 그 답은 스마트 공장인가 아닌가의 여부에 달려 있다. 스마트 공장의 뇌는 스마트 공장 플랫폼이다. 뇌가 우리를 움직이듯이 스마트 공장 플랫폼이 공장을 스스로 알아서 똑똑하게 운영한다. 그러기 위해서는 무엇보다 먼저 오래된 기계나 설비에 센서를 장착하여 소통이 가능하도록 물리적 신호를 디지털 신호로 변환하는 것, 즉 디지털화가 이루어져야 한다. 프레딕스 같은 스마트 공장 플랫폼은 공장 내의 기계, 사람, 공장, 제조 공정, 부품, 제품, 공급망 파트너 등을 서로 연결한 다. 현실 세계의 모든 것들과 이들의 아바타인 디지털 복제품도 연결한다. 디지털 복제품을 만드는 것도 디지털화의 일부분에 속한다. 또한 모든 사물, 디지털 복제품, 공장, 사람, 외부 협력 파트너는 물론 현실 세계와 가상 세계를 유선, 무선 통신망을 통해 연결해야 한다. 이것이 곧 연결화이다. 현실 세계의 모든 사물, 설비, 사람, 협력 파트너를 연결하고, 가상 공간의 디지털 복제품들을 연결하며, 물리적 공간과 가상 공간을 연결한다. 이것이 이른바 가상 물리 시스템(CPS: Cyber Physical System)이다.

 

1. 4차 산업혁명을 이끄는 새로운 기술

ㆍ사물인터넷

ㆍ유무선 통신망

ㆍ클라우드컴퓨팅과 포그컴퓨팅 기술

ㆍ빅데이터

ㆍ인공지능기술

ㆍ로봇기술

ㆍ3D 프린팅

ㆍ가상물리 시스템

ㆍ가상현실과 증강현실

ㆍ스마트 기기

ㆍ보안기술

 

 

 (포그컴퓨팅은 데이터가 생성되는 곳 가까이에 설치한 엣지 장비들을 통해 데이터를 빠르게 수집하고, 저장하며, 국지적으로 분석한다.)

 

 

 

2. 지속 가능성에 대한 요구의 변화

ㆍ산업 인력의 급격한 변화

ㆍ에너지원의 다변화와 통합 에너지 관리

ㆍ환경규제

ㆍ위험과 사고로부터의 안전 시스템 구축

 

 

 

 

3장_ 스마트 공장 프레임워크와 플랫폼, 기본 인프라 구축

스마트 공장 플랫폼은 다음과 같은 기본적인 기능을 포함하고 있다.

·센서 및 기기 관리: 설비, 기계, 공장 등에 장착 혹은 설치된 센서나 사물 인터넷 기기 운영 관리 기능
·디지털 복제품 개발 및 관리: 설비, 기계, 공장, 인력, 사물 등의 디지털 복제품을 개발하기 위한 개발자 키트와 디지털 복제품의 운영 관리 기능
·통신망 연결 및 관리: 실제 물리적 설비, 사물 등과 디지털 복제품을 다양한 유무선 통신망에 연결, 관리하는 기능
·빅 데이터 수집·저장·분석: 사물과 디지털 복제품에서 생성되는 데이터를 포그 컴퓨팅이나 클라우드 컴퓨팅에서 빅 데이터 관련 솔루션을 활용하여 수집·저장·분석하는 기능
·스마트 기기 연동 관리: 스마트 기기로 데이터를 작업자, 경영자, 파트너들에게 쉽게 표출하는 앱 개발자 키트와 앱을 통해 사용자 경험을 극대화하는 기능
·보안 관리: 센서나 기기에서부터 통신망, 데이터, 스마트 기기를 활용하는 사용자에 이르기까지 전 과정의 철저하고 강력한 보안 기능

스마트 공장 플랫폼은 위의 기본 기능 외에도 플랫폼과 호환하는 다양한 하드웨어나 애플리케이션 파트너들의 솔루션들을 제공하여 기업들의 요구 사항을 만족하는 통합적 솔루션의 설치·운영·관리를 편리하게 해준다.

 

1. 스마트 공장 프레임워크

ㆍ물리적 세계와 가상 세계의 소통을 위한 디지털화

1) 디지털 복제품

2) 자산의 디지털화

3) 공정의 디지털화

4) 인력의 디지털화

 

 

ㆍ통신 네트워크를 통한 사물의 연결화

1) 설비의 연결

2) 공정의 연결

3) 공장의 연결

4) 인력의 연결

 

 

ㆍ최적의 운영을 꾀하는 스마트화

1) 데이터의 수집, 저장, 분석

2) 빅 데이터와 인공 지능의 관계 

3) 똑똑한 제품과 서비스, 인력의 중요성

 

2. 스마트 공장 플랫폼

3. 통신 네트워크와 빅 데이터 인프라 구축 

 

 

4. 실패 경험을 통해 배우는 교훈

ㆍ사람 간의 융합이 기술의 융합보다 먼저다.

ㆍ인력에 대한 설득과 배려가 중요하다. 

ㆍ소통하고 협업하는 운영위원회를 구성하라. 

ㆍ보안시스템 구축은 생존의 필수요소이다. 

ㆍ표준화 문제로 시작을 늦춰서는 안 된다. 

 

4장_ 스마트 공장 구축 방안

ㆍ마스터 플랜은 일반적인 프로젝트 관리 기법을 활용하고, 다양한 부문의 참여와 의견을 반영하여 작성하며, 경영진의 적극적인 지원과 결재를 받는다. 하지만 경영진에게 결재를 받았다고 해서 끝난 것이 아니다. 프로젝트가 완료될 때까지 주기적으로 관리 요소들을 점검해야 한다. 예를 들어 계획이 제대로 수행되는지, 기술이나 시장 변화에 따라 수정 사항은 없는지, 일정이나 목표가 실현 가능한지, 예상하지 못한 위험 요소를 어떻게 극복할 것인지 등을 점검해야 한다. 또한 정기적으로 경영진에게 마스터 플랜을 보고하고, 이에 대해 관련 임직원이나 협력 업체들과도 소통해야 한다. 마스터 플랜에 서술한 목적, 기대 목표, 개선 대상과 범위 등은 진행 과정에서 항상 염두에 두고 실행해야 한다. 복잡하고 까다로운 제조 환경에서 자칫 잘못해 대상과 범위가 예상외로 커지거나 곁가지로 흘러가면 프로젝트 관리가 어려워질 수 있기 때문이다

 

ㆍ스마트 공장을 구축하려면 디지털화, 연결화, 스마트화를 통해 자율 생산 체제를 만들어야 한다. 이를 달성하려면 제조 현장 전문가를 중심으로 제조 기술을 잘 아는 엔지니어를 데이터 분석가 (Data Scientists)로 육성하면서 외부 솔루션 전문가, 분석 전문가 등 경험을 겸비한 전문가들과 협력 사업 모델(Collaborative Business Model)을 만들지 않으면 안 된다. 최신 기술을 접목하여 자율 생산 체제를 만드는 데 있어서 뭐니 뭐니 해도 가장 중요한 것은 사람이다. 기본적으로 스마트 공장은 친환경적이고 친인간적인 공장이다. 따라서 조직 내에서 인력은 더 가치 있는 일을 하도록 훈련하고, 그런 방안을 찾도록 노사는 서로 노력해야 한다. 안전하게 작업할 수 있는 환경을 조성하고, 위험에 노출되는 작업은 로봇이나 자동화 설비로 대체하는 것도 필요한 조치이다.

 

ㆍ기업은 생산 현장이나 사무실에서 근무하는 단순 근로자를 창의적인 업무를 수행하는 지식 근로자로 만들기 위해 최신의 자동화 설비나 컴퓨터 시스템을 자체로 보유할 수도 있을 것이다. 그러나 IT 시스템이나 클라우드 컴퓨팅 서비스의 경우, 자체로 보유하기보다는 외부의 전문 업체와 연계하여 운영함으로써 상호 경제성을 도모할 수도 있을 것이다. 정보 통신 기술 분야는 보안 때문에 여전히 많은 경영자들이 불안감을 갖고 있는 것이 현실이다. 클라우드 컴퓨팅을 사용하면 보안과 경제성을 동시에 도모할 수 있음에도 불구하고, 대부분의 경영자들이 자체로 시스템을 도입하여 추진하기를 원하는 이유가 바로 여기에 있다

1. 스마트 공장 구축 절차

 

2. 현 수준 진단 및 평가

 

3. 구현 목적과 기대 목표 설정

ㆍ스마트 공장의 지향점은 자율 생산 공장

ㆍ명확한 기대 목표 설정

 

4. 개선 대상과 범위 확정 

5. 필요 기능과 적용 기술 확정

 

6. 필요 인력과 조직화

 

7. 구현 계획과 실행

ㆍ단순 노동자에서 지식 근로자로 변화시켜라. 

ㆍ노사 화합과 상생의 길을 찾아라. 

ㆍ소프트 파워를 통한 지능화를 실행하라. 

ㆍ우리만의 강점을 개발하고 실행하라. 

8. 검증과 기대 성과 분석

 

 

 

5장_ 부문별 세부 실행 방안

 

 

1. 설비 부문(Smart Machine)

2. 생산 부문(Smart Operation)

3. 품질 부문(Smart Quality)

4. 에너지 부문(Smart Energy)

5. 환경 부문(Smart Environment)

6. 물류 부문(Smart Logistics)

 

7. 안전·보건 부문(Smart Safety&Health)

8. 영업 부문(Smart Sales)

9. 연구·개발 부문(Smart Research&Development)

10. 경영 부문(Smart Management)

ㆍ하드웨어 제조에서 서비스와 경험을 망라한 가치 제공 기업으로 

ㆍ수직적 갑을 관계에서 수평적 협업 파트너로

 

 

 

6장_ 제조업의 미래 생존 전략

 

1 생각을 바꿔야 살아남는다

ㆍ신뢰와 소통으로 협업하라. 

ㆍ시장의 변화를 눈여겨보라. 

ㆍ플립드 러닝으로 배우고 교육하라. 

2 일단 시작하라

ㆍ일단 작게 시작하라. 

ㆍ최고 경영자가 이끌어라. 

ㆍ미래를 위한 투자, 지금이 최적기다. 

 

3 사람과 경험도 디지털화하라

ㆍ사람도 디지털화하라. 

ㆍ현장 전문가의 경험도 디지털화하라. 

ㆍ고객의 경험도 디지털화하라.