생산정보화 무선기술 적용모델(u-Manufacturing)
차석근* 송준엽** 박상호***최진석****
우리 경제는 지난 1960 년 본격적인 산업화가 시작된지 불과 40 여년 만에 세계 10 위의 경제규모로 성 장하였으며, 이러한 성장의 원동력은 다름 아닌 제조업의 비약적 발전이었다. 최근 기업들의 글로벌 경영전 략과 인근 중국의 급성장으로 우리 제조업이 새로운 도전과 시련에 직면하고 있다. 이를 극복하기 위한 근 본적인 대책은 제조업의 디지털화를 통한 정보화, 지식화를 통해 생산성을 높이는 방향으로 추진되어 생산 현장을 지식집약적 생산 현장으로 바꾸어 생산성 향상과 시장에서의 대응력을 극대화하여야 한다. 이를 위 해서는 전통 제조기업을 유비쿼터스 기술과 융합과 복합된 생산정보화의 전환이 요구된다. 본 고는 글로벌 제조업을 위한 유비쿼터스 기술을 활용 가능한 모델을 분석하고, 구현방법들을 살펴보았다. ▨
I. 서 론
우리 경제는 지난 1960 년 본격적인 산업화가 시 작된지 불과 40 여년 만에 세계 10 위의 경제규모로 성장하였으며, 이러한 성장의 원동력은 다름 아닌 제조업의 비약적 발전이었다. 최근 기업들의 글로벌 경영전략과 인근 중국의 급성장으로 우리 제조업이 새로운 도전과 시련에 직면하고 있다. 최근 중국에 대한 제조업 해외 투자가 늘어나면서 경제단체, 언 론 등을 중심으로 우리 경제의 제조업 공동화에 대 한 우려가 점차 커지고 있다.
제조업의 경쟁력은 생산성 및 시장에서의 빠른 대응력에 있는데, 국내 제조기업들은 다음과 같은 여러 가지 요인으로 인하여 경쟁력을 상실하고 있다.
첫째, 제조기업들은 지금까지 외형 성장에 치중 하였고 완제품 위주의 대량생산 전략을 채택함으로 목 차
* ㈜에이시에스 기술연구소/전무이사
** 한국기계연구원u-생산시스템실/실장
*** 충남대학교/교수
**** 중소기업기술정보원 생산정보화지원팀/팀장
I. 서 론
II. 생산정보화의 기능
III. u 생산정보화 적용 기술 및 참조 모델
IV. 구현 방법 V. 결 론
써 산업의 내실화를 제대로 이루지 못하였을 뿐만 아니라, 그에 필요한 핵심부품 기술과 디자인, 생산 및 설계단계에서 기술, 노하우 등 지식을 바탕으로 한 공정(Process) 중심의 선진형 비즈 니스로 전환도 선진국과 비교하면 초기단계 수준이다.
둘째, 대부분의 국내 중소 부품제조업체는 전문 기술조직이 없는 상황에서 저 인건비 의존형 생산대행 사업수준에 머물고 있다. 최근에는 상대적으로 저렴한 인건비로 무장한 중국 및 동남 아 국가의 도전과 모기업의 해외 생산기지 이전 등으로 인해서 국제 경쟁력이 더 취약해지고 있 다. 중소기업의 취약한 기술 수준과 기존 사업관행은 국내 대기업의 글로벌 시장 진출에 커다란 걸림돌로 작용하고 있다.
셋째, 국내 대기업은 과거 대량 양산형 조직을 그대로 유지하면서 다품종 소량 생산 방식을 추진하고 있으나, 이에 따른 운영비용 증가로 인한 수익 감소와 부품품질 관리에 대한 부담도 증가하고 있다.
제조현장을 효율적으로 운영하는 생산기술의 정보화 및 지식화, 생산정보화(e-Manufacturing) 등과 같은 IT 기술과 전통 제조기술과의 융합이 미래 제조업의 핵심역량이다. 그러나 많은 IT 기 업은 이와 같은 핵심역량 바탕의 가치 창출보다는 전자상거래, 순수 소프트웨어의 집중 등으로 우리 제조업에 대한 생산기술의 정보화에 대한 기술인력 및 핵심기술 개발에 관심을 두지 못하 고 있다.
이를 극복하기 위한 근본적인 대책은 제조업의 디지털화를 통한 정보화, 지식화 구현으로 생 산 현장을 지식집약적인 현장으로 바꾸어 생산성 향상과 시장에서의 대응력을 극대화하여야 한 다. 이를 위해서는 전통제조업에 새로게 부상하고 있고 있는 유비쿼터스 기술과 융합과 복합된 생산정보화(u-Manufacturing) 전환이 요구된다[1].
II. 생산정보화의 기능
생산정보화는 무선, 모바일 및 인터넷 기술과 정보처리 기술을 활용하여 생산 활동을 디지털 화하여 최적의 생산일정관리로 생산성 및 품질 증대와 공급자와 고객간의 생산업무를 동기화하 고, 생산설비의 고장 예측을 통하여 설비의 무고장 보장을 이루도록 제조 형태를 변환한다[2].
생산정보화는 설비와 공정 수준에서 설비정보흐름, 공장과 공급시스템 수준에서 공장정보흐 름, 그리고 경영시스템 수준에서 현금흐름에 대한 정보처리와 의사 결정과정을 통합화 한다. 생 산정보화는 기업 경영의 전략이자 오늘날의 전자상거래 환경에서의 경쟁력 강화를 위한 핵심역 량이다.
생산정보화는 조달과 고객지원 네트워크, 제조기업, 그리고 설비자산을 포함하는 기업경영의 모든 단위를 연결시키고, 웹기반을 둔 무선과 인터넷 기술을 이용하여 이들을 지능화시킨다. 또 한 널리 사용되고 있는 전자상거래의 요구에 부응하는 지능적 정보처리를 가능하게 한다.
생산정보화는 점점 통합되어 가고 있는 SCM(Supply Chain Management), ERP(Enterprise Resource Planning), CRM(Customer Relation Management) 등을 통하여, 환경문제, 근무조건 등에 대한 요구사항에 효과적으로 대처할 수 있도록 한다. 그래서 목표로 하고 있는 전자상거래 를 효과적으로 (그림 1)과 같이 실현해준다[3].
생산정보화는 생산현장의 생산활동을 실시간으로 정보수집하고, 제품의 품질 변화와 생산작 업 지시를 최적화한다. 이를 통하여 생산계획과 설비계획을 조정하고 관련 업무를 통합함으로써 제조와 상위의 기업 경영 활동을 유기적으로 동기화한다. 공급업체의 설비에 대한 능력, 공정제 한 범위 그리고 다양한 변동사항에 대한 정보와 지식을 동적으로 갱신하여 활용함으로써, 외주 처리에 대한 최적의 의사결정을 설계 초기에 판단할 수 있다. 또한 생산정보화는 고객의 주문을 자동으로 공급사슬에 전달한다. 그러므로 이전에는 볼 수 없었던 속도와 유연성, 그리고 가시성 을 보유한 생산을 가동하도록 하고, 재고와 불요자산 그리고 불확실성을 감소시킨다.
생산정보화가 보유하고 있는 내재적 가치 중에 하나는 제품설계자, 공정관리자, 그리고 공급 자를 통하여 실시간으로 의사결정이 이루어질 수 있도록 하는 것이다.
생산정보화는 지속적으로 설계 개선을 위한 제품/설비의 제품주기 정보를 얻고 사용할 수 있 도록 하는 도구를 제공한다. 전통적으로, 제품 설계나 변경은 수주에서 시작하여 수개월에 걸쳐 서 공급자와 의견을 조율한다. 생산정보화를 활용하면 실제의 공정능력과 기계의 처리 능력을
(그림 1) 제조업에 요구되는 정보시스템의 구성
이용하여, 설계자는 제품의 사양을 수시간 내에 평가할 수 있다. 또한, 생산정보화는 여러 종류 의 전자상거래 시스템들과 정보를 교환하고 동기화에 필요한 정보를 적절히 선택 사용할 수 있 도록 한다.
생산정보화 미들웨어 핵심 기능은 생산 현장의 다양한 디바이스 통신 프로토콜을 관리하는 Point Manager, 생산활동에 대한 정보를 실시간으로 관리하는 Real Time Data Manager, 산업 별 중점관리방식 중심의 애플리케이션을 관리하는 Application Template Manager 와 상위의 복 수 애플리케이션 간의 실시간 정보통합화를 구현하는 DBWizard Manager 등으로 (그림 2)와 같이 구성되어 있다[4]. 본 미들웨어의 구성은 생산정보화 애플리케이션의 신속한 구축과 경영 환경 변경 및 생산 현장의 변경에 애플리케이션 기능 보완을 전문가의 도움 없이 구축할 수 장 점이 있다.
생산정보화에 요구되는 핵심 애플리케이션은 MESA-11 및 ISA-95 국제표준에서 제시하고 있으며, 국내 생산정보화 참조 모델에서는 (그림 3)에 보인 것과 같이 일정관리, 생산관리, 품질 관리, 설비관리, 물류관리 등을 포함하여 5 가지의 핵심기능으로 구성한다.
2002 년부터 수행하였던 생산정보화 사업은 2006 년까지 매년 170 여 기업 총 800 여 기업 에 구축하였고, 이를 바탕으로 한 구축 성과에 대한 조사에 따르면 구축한 기업에는 평균 생산 성이 22% 이상 증가되었고 조사되었다. 특히 평균생산주기의 60% 이상 감소, 불량률의 40%
(그림 2) 생산정보화 미들웨어 구성
이상 감소, 설비가동률의 50% 이상 직접 정량적 효과가 있었고, 평균 현장의 서류작업시간이 50% 이상, 데이터 도입시간의 38% 이상 감소하는 정량적 효과가 조사되었다[5].
III. u 생산정보화 적용 기술 및 참조 모델
1. 생산정보화 분야와 무선기술
생산 현장은 전기 임펄스 및 외부 무선의 영향이 발생할 수 있는 가능성이 많은 열악한 환경 에 안정적으로 산업환경에서 운영될 수 있는 무선기술의 적용이 필수적이다.
생산정보화 무선기술 로드맵은 국내 u-Manufacturing 기술연구회와 공동연구를 하고 있는 유럽의 RUNES(Reconfigurable Ubiquitous Networked Embedded Systems) 프로젝트에서 산 업용 환경에서 필수적으로 검토되어야 한다[6].
생산정보화 분야의 무선기술 로드맵은 기술발전 방향을 기반으로 현실적으로 미래에 생산 현장에 적용 가능한 것을 목표로 하고 있다. <표 1>은 생산정보화 분야의 다양한 무선기술의 적 용 가능 시점이 조사되었다.
생산정보화 분야에서 무선기술은 다음과 같은 기술적 문제를 필수적으로 고려한다.
① 보안: 생산 현장의 제어기기와 무선을 통하여 직접 연결되어 정보를 송수신하는 분야에서 해킹에 대한 보안문제는 매우 민감한 분야로 부각될 수 있다. 몇몇 솔루션은 이와 같은
(그림 3) 생산정보화 참조 모델
문제를 보안을 고려하여 개별 프로토콜로 이 문제를 피하고 있으나 표준 장비에 대한 업 그레이드 경우 장애요인으로 발생될 수 있다. 이러한 문제는 시스템에 128bit 산업용 인 증시스템(Advanced Encryption Standard: AES)을 적용한다.
② 산업용 환경에 대응한 시스템: 열악한 생산 현장은 로봇, 콘베어 등과 같은 자동화된 시 스템과 연결되어 있어 무선기술의 정보수집으로 무고장(Zero Down-time) 중심의 시스템 설계가 중요하다. 그러므로 이곳에 적용되는 부품은 신뢰성을 중시한 산업용 부품 적용이 필수적이다.
③ Fail-safe/fail-soft 운영: 생산 현장의 무선기술에는 이중화와 성능 저하 발생에 대한 안 전 조치가 중요하다. 고장이 발생하면 절대적으로 안전 모드로 전환이 가능하도록 설계되 고(Fail-safe), 부품고장이나 전원에 문제가 발생하면 운전속도가 감소하는 등 효율 운영 이 필수적이다.
④ 상호간섭: 무선 통신 노드에 문제가 발생할 경우 복수 경로로 통신을 수행할 수 있는 능 력과 주변의 유사 무선 시스템과 모터 신호로 인하여 상호간섭 방해가 방지되어야 한다.
⑤ Battery 가용성: Packet collision, idle listening, packet overhead 제어 및 고속 sampling
<표 1> 생산정보화 분야의 무선기술의 로드맵
에 의한 정보수집 등과 같은 업무에 전력을 소모하는 것은 무선기술 적용에 부정적 영향 을 미치게 된다.
⑥ Interoperability: 다양한 종류의 프로토콜을 보유한 Filedbus 혹은 산업용 Ethernet 등도 무선기술 적용에 장애 요인으로 부각되고 있다. 여기에 IEEE Start Transducer Interface for Mixed-mode Communication Protocol(IEEE 1451.4) 혹은 기존의 인터페이스 방법 과 새로운 무선기술의 인터페이스를 제공하는 M2M(Machine to Machine) 지능형 분산 방식 임베디드 시스템은 대안이 될 수 있다.
2. M2M 을 이용한 생산정보화
일본 노무라 종합연구소에서는 핸드폰을 통하여 어디에 있는 모든 사람과 통신할 수 있는 것 을 P2P(Person to Person), 핸드폰으로 자판기에서 커피를 뽑아 먹는 것을 P2M(Person to Machine), 자판기와 자판기 간의 통신을 하는 것을 M2M 이라 정의하고 있다.
모든 제조업에서는 원격으로 산재되어 있는 복수 공장으로부터 생산활동을 실시간 정보수집 이 가능하기 위해서는 생산 현장의 복잡한 제어기기와 RS-232C 등과 같은 시리얼 통신, Ethernet TCP/IP 및 Fieldbus 등과 같은 산업용 통신방식으로 연결이 필수적이다.
이동자재의 물류의 추적과 열악한 산업 현장의 외부 영향을 극소화를 위한 기술을 바탕으로 기 존에 설치되어 있는 전력선을 이용하여 정보통신을 지원하는 PLC(Power Line Communication), RFID, 무선 LAN, Bluetooth 및 Zigbee 등과 같은 무선기술을 모두 수용할 수 있고, 실시간 정 보처리를 위한 분산환경의 M2M 임베디드 하드웨어 및 이를 독립적으로 운영할 수 있는 미들웨 어 구축이 필수적이다((그림 4) 참조)[7].
4M(Man, Machine, Material, Method)로 구성된 생산 현장의 생산정보 발생원으로부터 정 보 정보수집은 상위 서버 시스템과 독립적으로 운영될 수 있는 임베디드 OS 를 탑재한 M2M 하 드웨어의 인터페이스를 통하여 정보를 수집하고 상위 정보시스템 장애 발생에도 현장정보를 저 장할 수 있는 기능이 필수적이다.
이와 같은 요구에 대응할 수 있는 M2M 하드웨어는 다음과 같은 인터페이스가 요구된다.
① 생산기계에 추가 센서 설치 혹은 기존에 사용 중인 제어기기로부터 직접 입출력 장치를 통하여 정보를 수집할 수 있는 센서 I/O 인터페이스
② 제어기기가 RS-232C, 422A 시리얼 통신이 제공되어 개별 통신 프로그램 작동에 의한 시리얼 인터페이스
③ Ethernet 를 통한 TCP/IP, OPC, SECS/GEM 규격에 의한 이더넷 인터페이스 및 다양한 프로토콜을 지원하는 필드버스 인터페이스
④ 작업자에 의한 수동 입력을 지원하는 터치스크린 인터페이스
⑤ RFID, PLC, Zigbee, Bluetooth 무선LAN 등과 같은 최신 무선기술을 지원하는 인터페이스 M2M 미들웨어는 다음과 같은 기능이 요구된다.
① 실시간 디바이스 인터페이스에는 물리적 인터페이스와 디바이스와 통신을 위한 CPP (Communication Protocol Program), 디바이스로부터 수신정보를 실시간으로 관리하기 위한 리얼 타임 데이터 관리 프로그램
② M2M 시스템간의 통신과 상위 애플리케이션과 통신을 위한 표준 API(Application Program Interface)
③ Multi Sensor Data fusion 기술을 적용한 설비 예지 및 예방정비를 위한 알로리즘
④ M2M 간 Peer to Peer 통신을 위한 보안 인증시스템 (그림 4) M2M 을 적용한 생산정보화 구성
3. u 생산정보화 모델
최근 국내 제조업에서는 생산과 물류의 글로벌화를 위하여 해외에 공장이 확장되고 있으나, 해외에 산재되어 있는 생산 현장의 운영상태를 실시간으로 중앙에서 관리한다는 것은 클라이언 트/서버 컴퓨팅 환경의 시스템 구성에서는 기술적 한계성이 있으며, 웹 서버의 경우에는 해커의 공격에 보안 인증 및 실시간 생산공정의 자동화 기계를 관리에는 보안기술의 해결이 필수적이다.
이런 당면한 문제점에도 불구하고 미국 GM 사는 (그림 5)에 보인 것과 같이 전세계 산재되 어 있는 생산 현장의 기계, 자재 및 작업자 간의 생산활동정보를 무선기술을 활용하여 정보를 수집하는 원칙으로 추진하고 있다.
웹 서버를 통하여 수집된 정보를 중앙에서 실시간 DBMS 로 관리하여 원격으로 종합적 진단 과 감시 체계를 구축하고, 생산 현장에는 기계의 운전 정보를 실시간으로 수집하여 생산기계의 예방과 예지 정비 체계로 전환하였다.
실시간 DBMS 는 상위의 ERP, SCM, CRM 등의 애플리케이션과 정보 통합화 구현으로 e- Manufacturing 을 구축하는 전략을 발표하였다[8].
그간 구축된 생산정보화 시스템의 경우에는 생산공정의 디지털화를 위하여 센서 및 디바이
(그림 5) GM 사의 e-Manufacturing 전략
스 제어기기 및 정보시스템 간의 연결은 케이블을 통하여 구축되어 왔고, 본 케이블 설치에 소 요되는 비용은 전체 비용에 5~15% 정도 차지하였으며, 공정혁신 및 비즈니스 환경 변화에 설 비 이동 시에 추가로 케이블 소요 비용이 필요하다.
이에 중소기업기술정보원과 u-Manufacturing 기술연구회에서는 새롭게 개발되고 있는 무선 기술을 적용한 국내 실정에 적합한 u-생산정보화(u-Manufacturing) 참조 모델을 (그림 6)과 같 이 발표하였다[9].
u-생산정보화 참조 모델에는 다음과 같은 핵심기술이 적용이 가능하다.
① Internet: 웹기반 생산정보화 애플리케이션의 제공으로 분산된 생산공정의 정보를 실시간 으로 웹 브라우저를 통하여 복수 공장의 상황에 대한 정보 공유가 가능하다. 본 구성으로 물리적으로 분산된 생산공정, 공급자와 고객간의 정보 흐름에 대한 가시화, 동기화와 최적 화 구현이 가능하다.
② RFID/USN: RFID 태그와 정보를 무선으로 읽고, 쓰고 할 수 있는 RFID 는 복잡한 생산 공정에서 중요 부품을 추적하는데 매우 효과적 적용이 가능하나 아직 RFID 태그 비용 측 면에서 모든 부품에 적용에는 한계가 있다. 그러나 운반용 제품 파렛, 출고시의 포장 박스
(그림 6) u-Manufacturing 참조 모델
등과 같이 복수의 제품관리에 적용에 가능하다. USN 기술은 생산설비의 가동상태, 생산수 량, 품질상태에 대하여 센서로부터 무선으로 실시간 정보를 수집하여 처리가 가능하므로 설비로부터 케이블 비용을 절감하고 설비 이동 시에 재구성이 가능하도록 한다. 상용화된 Zigbee Protocol 을 활용한 시범적 적용이 가능하다.
③ 모바일: 생산 현장에서 복수의 생산장비를 관리하거나, 완제품 창고 등에서 재고관리, 출 하관리와 생산설비의 유지보수 분야에서 이동하면 작업지시와 보고 등에 PDA, 핸드폰 등 을 이용하여 이동하면 관리의 적용이 가능하다. 특히 문자 서비스는 설비 이상 발생 시 해당 작업자에게 신속하게 상태를 전달하고 결과를 처리할 수 있다.
④ Thin Client: 온도, 진동, 전기적 잡음 발생의 빈도가 높은 생산 현장에 고가의 산업용 컴 퓨터를 사용하여 적용하였으나 생산공정의 상태 정보를 작업자에게 절대적으로 의지하는 품질의 원인 분석 및 기계 고장의 원인과 조치 등과 같은 업무의 경우에는 생산 현장에 사용하기 편한 터치스크린 기반의 Thin client 환경의 작업자 터미널을 활용하여 수동으 로 처리한다. 그러므로 회전 장치가 없는 Thin client 의 적용은 열악한 환경에서 연속 작 동이 보장된다.
⑤ RTE(Real Time Enterprise): 제조업의 RTE 의 구축에는 4 무(무대기시간, 무재고, 무불 량, 무고장)을 위한 생산기술과 융합이 필수적이다. 제조업의 RTE 는 생산 현장의 활동을 실시간 정보관리 구축을 위한 기반이다.
⑥ SOA(Service Oriented Architecture): 생산 및 물류가 글로벌화 되고 있는 현실에서 모 든 IT 자원을 중앙에서 관리하는 방식으로 전환이 요구되고 있다. 이와 같이 원격으로 제 어기기를 관리하기 위한 Web Services 기반의 SOA IT 기술의 접목이 요구된다.
IV. 구현 방법
생산정보화는 타 ERP 등과 같이 구현하는 방법과 다르게 제품을 생산형태의 특성에 따라 생산주기, 품질 및 원가 수준의 잠재되어 있는 문제점에 우선순위 중심의 중점관리를 기준한 (그림 7)과 같은 산업별 Bottom-up 접근 방식으로 차별화가 필요하다. 또한, 유사업종에서 구 축하여 적용되고 있는 벤치마킹, 경영환경의 변화에 대응하여 정보기술 및 생산기술 전문가의 지원 없이도 생산정보화 소프트웨어를 변경할 수 있는 미들웨어의 기능과 MESA 11 및 ISA- 95 등과 같은 표준 애플리케이션을 호환성에 대한 비교 검토 후, As-Is 분석, Fit/Gap 분석을 통하여 To-Be 모델을 구축하는 단계를 거치게 된다[10].
생산정보화 시스템 구축 후 이를 개발 시스템에 원활한 사후 관리를 위한 생산정보화 표준 문서인 PSDM(Production System Development Methodology)를 바탕으로 구축 방법 단계별 로 구축한다[11].
V. 결 론
무선기술 기반의 임베디드 M2M 기술은 생산과 물류의 글로벌화에 대응할 수 있는 생산정보 화를 위한 기술로 산학연 중심의 국제공동연구를 통한 국제표준화를 지향한 기술개발이 필요하 다. RFID 및 무선기술을 적용한 국내 제조업에 조기 시범사업의 실시로 이에 대한 기술 축적과 기술 공유가 요구되고, 그간 추진한 생산정보화 시스템에 대한 새로운 기술을 융합한 u-생산정 보화에 대한 전환 및 시장 선점을 위한 노력이 요구된다.
<참 고 문 헌>
[1] 차석근, “u-생산정보화의 필요성,” 벤처포럼, 전자신문, 2006.
[2] Jay Lee, “Introduction of e-Manufacturing white-paper,” University of Milwakee-Madison, 2003.
[3] 최헌종, “제조혁신 국제포럼,” 한국생산기술연구원, 2005.
[4] ACS, “iVisaulizer-middleware V 2.3,” ACS, 2006.
(그림 7) 생산정보화 구축 방법
[5] 김일호, “중소기업 생산정보화 사업 사후 모니터링 결과 보고,” 중소기업청, 2006.
[6] www.ist-runes.org, University College London, 2006
[7] 송준엽, 김동훈, “A Ubiquitous-based Mobile-Control and Web-based Remote-Control for u- Manufacturing,” 한국기계연구원, 2006.
[8] Pulak Bandyopadhyay, “e-Manufacturing activities and opportunities in GM,” Managing innovative Manufacturing 2002, 2002.
[9] u-Manufacturing 기술연구회, “중소기업 u-생산정보화(u-Manufacturing) 적용을 위한 모델 연구,” 중 소기업청, 중소기업정보화경영원, 2006.
[10] ACS, “iVisualizer 구현방안,” ㈜에이시에스, 2005.
[11] 윤경배, “중소기업 생산정보화를 위한 PSDM 구축 방법론,” 중소기업청, 중소기업정보화경영원, 2002.
* 본 내용은 필자의 주관적인 의견이며 IITA 의 공식적인 입장이 아님을 밝힙니다.
