Nikkei Monozukuri_2018.3. 특집요약 (p61~67)

시리즈
IoT 공장의 현실 (3)
작은 한 걸음부터 시작하는 방법

제조현장에서는 “데이터 수집을 위한 설비투자 등의 비용이 너무 많이 든다”는 생각을 가지고 있다. 그러나 창의적인 연구를 통해 소규모이면서 저비용으로 데이터 수집∙분석을 실현하는 방법은 있다. 작게 시작하여 효과를 확인하면서 규모를 확대해 나간다면 얻은 데이터를 사용하여 현장의 개선도 이루어질 수 있다. 실제의 도입 사례 및 제품∙서비스를 통해 공장의 IoT화를 어디서부터 시작해야 할 지 모색해 본다.)

■ 작게 시작해서 크게 개선: 메이유(明友)의 사례

수지 성형품의 제조를 맡고 있는 메이유(본사 지바)는 공장에 있는 총 9대의 사출성형기를 IoT화했다. 각 설비의 가동 상황을 가시화하여 공장 전체의 가동률을 향상시킬 수 있었다. IoT화에 이용한 것은 저가격의 소형 PC보드(마이크로 컴퓨터)인 ‘Raspberry Pi’와 전류 센서. 1세트의 가격은 단 1만 5,000엔이다.

사출성형기의 전원 라인에 전류센서를 설치하여 검출한 전류치의 데이터를 클라우드에 올린다. 이에 따라 동작 중인지 정지 중인지, 또는 순서 변경 작업에 의한 일시 정지 중인지 등 가동 상황을 파악할 수 있게 되었다. 그런 데이터를 기반으로 순서 변경 작업으로 시간이 지연되는 작업자 교육을 철저히 하면서 지금까지 1일 단위였던 생산계획을 시간 단위로 세분화시켰다. 이에 따라 설비 가동률이 약 80%까지 개선되어었다고 한다.

실은 메이유는 그 때까지 정확한 가동률을 파악하지 못하고 있었다. “IoT화를 하기 전에는 설비의 가동률이 90%정도라고 예상하고 있었다”(당사 대표이사 다카다(高田) 씨). 그러나 실제로 수집한 데이터에 따르면 가동률은 약 60%였다. 당사의 종업원은 17명 중 8명이 외국인으로, 상세한 일지를 쓸 수 없었다. 또한 일본인 작업자도 일지 작성을 잊어버릴 때가 있었다.

수집한 데이터로부터 낮은 가동률의 원인을 찾아본 결과, 순서 변경 작업으로 지체되어 장시간 일시 정지가 되거나, 1일 단위로 생산계획을 세웠기 때문에 사출성형하는 재료가 도착하지 않아 가동이 안 되는 등의 문제점이 드러나기 시작했다. 따라서 앞에서 말한 바와 같이 대책을 세운 것이다.

시판품으로 구성한 저가 시스템이지만, 고장 난 Raspberry Pi는 2017년 8월부터 운용을 시작하여 지금까지 1대뿐이다. “운용 개시 당시 어디에 설치해야 할 지 몰라서 물에 잠기게 하고 말았다. 현재는 사출성형기의 제어부서에서 관리하고 있으며 그 후로는 단 1대도 망가지지 않았다” (다카다 씨).

실은 당초 메이유는 공장 전체의 가동 상황을 파악하기 위해 사출성형기의 소프트웨어 갱신을 검토하고 있었다. 그러나 소유하고 있는 사출성형기의 제조사가 3개사로 나눠져 있었을 뿐 아니라 설비가 노후되어 소프트웨어 갱신이 어려웠다고 한다. “그렇다고 해서 설비를 모두 교체하는 것은 경제적으로도 부담이 되어 불가능한 일이었다”(다카다 씨). 그래서 선택한 것이 Raspberry Pi를 이용한 시스템이었다.

-- 가시화가 개선의 첫걸음 --

■ 저비용이기 때문에 시행착오가 가능

닛케이 모노즈쿠리(본 잡지)가 2017년 12월에 실시한 조사에서는 “공작기계 및 설비 등으로부터 데이터를 수집하는 것에 있어서 곤란한 점은 무엇인가?”라는 질문에 “데이터 수집을 위한 설비 투자비용이 비싸다”(51.9%), “설비가 오래돼서 대응이 안 된다”(41.9%)라는 응답이 많았다.

그러나 메이유의 사례에서 알 수 있듯이 낡은 설비라도 IoT화는 가능하다. 또한 효과를 확인한 후 개선하는 범위를 넓혀 나간다면 불필요한 투자를 억제하여 저비용으로 IoT화를 할 수 있다.

단, IoT화를 가로막는 또 다른 장벽도 있다. “IoT의 입구까지 안내할 필요가 있다”. 산업용 IoT의 추진단체인 인더스트리얼 밸류 체인 이니셔티브(IVI) 이사장으로 호세이(法政) 대학 교수인 니시오카(西岡) 씨는 이렇게 말한다. “어디부터 IoT화 해야 할 지 모르겠다”나, “효과를 모르는데 비용을 들일 수 없다” 등의 고민을 안고 있는 기업이 많았다. 또한 취재를 통해서 “낡은 설비를 개선하고 싶지 않다”, “열악한 환경에서도 IoT화가 가능할 지 의심스럽다”라는 의견이 많았다.

-- 우선은 체험 ‘10만엔 IoT 키트’ --
“어떻게 IoT화 해야 좋을지 모르겠다--.” 이런 기업에 대한 IoT화를 지원하기 위해 IVI에서는 ‘10만엔 IoT 키트’를 제안하고 있다. 메이유의 시도를 참고하여 Raspberry Pi 및 IC 카드/ 리더기, 전류 센서 등을 세트로 한 것이다. “IoT가 무엇인지를 경영자 및 현장의 사람들에게 체험할 수 있게 하고 싶다” (IVI의 니시오카 씨).

니시오카 씨는 IoT화로 비용이 불어나는 이유를 “설비로부터 모든 데이터를 수집하려고 하거나, 센서 종류의 품질 보증 및 운용 시의 과한 서포트 등을 요구하거나 하기 때문이다”라고 지적한다. “최소한의 설비 및 공정을 가시화할 수 있으면 된다” “고장 나면 고치면 된다” 와 같은 자세를 취하게 되면 저비용으로 IoT화의 효과를 실감할 수 있다. 어떤 데이터를 취득할 수 있을까, 무엇이 개선될 수 있을까 등을 체험하여 알 수 있게 하는 것이 10만엔 IoT 키트의 목적이다.

예를 들어 공정관리를 해당 키트로 실천하면 다음과 같이 된다. 작업자는 작업지시서와 IC 카드가 들어 있는 클리어 파일을 작업 착수 시에 IC 카드 리더기에 올려 놓는다. 작업이 끝나면 클리어 파일을 그 리더기로부터 내려 놓으면 된다.

IC카드에 작업 공정의 정보를 연결해 놓으면 파일을 올려놓은 시각과 떼어낸 시각이 클라우드 상에 기록되어 해당 공정이 얼마나 시간이 걸리는지를 알 수 있다.

-- 소프트웨어도 비용을 적게 --
“소프트웨어의 비용을 줄이게 되면 IoT화에 실패했을 때의 손실을 최소화 할 수 있다”. 이렇게 말하는 것은 엠비언트 데이터(Ambient Data)(본사 도쿄) 대표이사인 시모시마(下島) 씨이다. 당사는 Raspberry Pi 및 ‘Arduino’ 등의 소형PC 보드로부터 전송되어 오는 센서 데이터의 가시화∙축적에 특화된 클라우드 서비스인 ‘Ambient’를 운영한다. 유저가 등록하면 일정의 제한 범위일 경우 무료로 이용할 수 있다.

아무리 Raspberry Pi 및 Arduino와 같이 저가격의 하드웨어를 사용한다고 해도 데이터의 수집 및 해석을 휘한 소프트웨어가 비싸다면 아무런 의미가 없다. 그것에 골치를 아파하는 기업이 많은 것에 착안하여 당사는 IoT화의 소프트웨어∙비용을 줄이기 위해 Ambient의 제공을 시작했다. “저비용이라면 아이디어의 시행착오도 부담이 적다”(시모시마 씨).

-- 불량지의 발생을 예측 --
Ambient를 신문 윤전기로 종이를 접는 공정인 ‘불량지(不良紙) 감시 시스템’의 개발에 이용하고 있는 것이 미나토 야마구치 합동 신문(본사 야마구치 현)이다. 인쇄한 신문지를 안으로 접어 1부씩 재단하는 ‘접이 기계’라고 불리는 설비에 레이저변위 센서와 진동 센서를 설치하여 불량 발생을 검출할 수 있게 했다.

‘접이 기계’의 동작은 (1)운반되어 온 신문지를 회전 몸통에 있는 돌기로 ‘담김 로울러’에 밀어 넣는다. (2)의 톱이 달린 몸통에 붙어 있는 칼로 신문지를 1부씩 재단한다, (3) 담김 로울러로 신문지를 반으로 자른다 (4)딜리버리 팬으로 신문지를 컨베어까지 운반한다.

불량지 감지시스템에서는 레이저변위 센서로 신문지의 통과하는 타이밍을 진동 센서로 설비의 흔들림을 검출하여 Ambient로 양 데이터를 모니터링 한다. 정상일 때와 이상이 있을 때의 데이터를 비교하면 불량의 발생을 예측할 수 있다.

당사는 이전, 데이터의 분석∙가시화에 대형 IT기업의 클라우드 서비스를 이용하고 있었다. 그러나, 자사에서는 불필요한 기능이 너무 많아서 다루기 힘든 것이 걸림돌이었다. 그래서 센서 데이터의 가시화와 축적으로 제한시켜 저비용으로 사용할 수 있는 Ambient로 전환시켰다.

또한 일반적으로 윤전기에서는 접이 기계에 진동 센서를 설치하여 이상 진동을 검지하면 불량지를 제거하는 시스템을 채택하고 있다. 그러나 신문지의 매수 및 종이의 전송 속도에 따라 이상 판정의 파라미터를 세밀하게 바꿀 필요가 있다.

그러나 새로운 시스템으로 레이저변위 센서와 진동 센서의 데이터를 대조해 본 결과, 이상 시에는 신문지의 통과 타이밍이 지연된다는 사실을 알게 되었다. 앞으로 당사는 인쇄 시의 데이터를 수집∙축적하면서 기계 학습 등을 활용하여 이상 판정의 파라미터를 자동 조정하면서 불량지 발생을 예측할 수 있는 시스템을 개발해 나갈 생각이다.

-- 손 대기 싫은 낡은 설비를 카메라로 IoT화 --
IoT화를 하고 싶으나, 이제 와서 낡은 설비를 개조하고 싶지 않다는 의견도 많다. 이에 부응할 수 있는 것이 소픽스(본사 요코하마 시)가 개발한 ‘SOFIXCAN Ω Eye’이다. 카메라로 촬영한 영상을 화상처리 하여 설비를 감시하는 시스템. 조작판을 촬영하는 카메라와 화상 처리 등을 하는 Raspberry Pi를 설치하는 것 만으로 설비의 가동 상황 및 이상을 파악할 수 있다. 19만8,000엔(소비세 별도)으로, 도입하기 쉬운 가격으로 조정했다.

사용자는 SOFIXCAN Ω Eye용 카메라를 설치한 다음, 촬영하는 설비의 어디에 전원 램프 및 운전 램프, 알람 램프 등이 있는 지를 전용 소프트웨어로 지정한다. 설비의 각종 상황을 램프의 점멸 상황을 통해 파악할 수 있게 된 것이다. 또한 알람 램프가 점멸한 경우, 설비의 담당자에게 메일이나 문자를 통해 이상을 알려주는 기능을 가지고 있다. 이상이 발생한 전후 30초간의 동영상도 자동 보존된다.

해당 제품을 개발한 것은 ‘오래된 설비의 내부에 손대고 싶지 않다”라는 고객이 있었기 때문이다. 오래된 설비의 내부에 센서류를 설치하는 것에 대해 “고장의 위험이 있다” “매뉴얼이 없어서 무슨 일이 생겨도 수리가 안 된다‘라고 불안해 하는 목소리가 있었다고 한다. 그래서 설치하기만 하면 가동 상황 등을 확인할 수 있는 제품으로서 SOFIXCAN Ω Eye를 개발했다. 2018년 3월에는 미터기 바늘로부터 데이터를 수집할 수 있는 기능을 추가한다. 해당 기능을 추가한 후에도 제품 가격은 동결시킨다고 한다.

-- 열악한 환경에서 데이터를 수집 --
열악한 환경에 있는 설비를 손 쉽게 IoT화 하는 툴(Tool)이 등장하고 있다. 요코가와(横河)전기는 플랜트 설비 등으로 진동 및 온도의 데이터를 수집할 수 있는 센서 ‘Sushi Sensor’을 개발했다. 방진∙방수(IP66/67)에 대응하고 있으며, -20℃~85℃의 환경에서도 이용이 가능하다. “플랜트 설비 등의 어려운 환경에서 이용 가능한 센서가 필요하다는 요구에 부응했다”(요코가와 솔루션 서비스(본사 도쿄) 코퍼레이트 본부경영기획센터 MK부 부잔 추진실 리더 사키타 씨).

가격은 7만엔(부가세 제외, 예정 가격)이다. 해당 상품은 LPWA(Low Power Wide Area)의 통신규격 ‘LoRaWAN’을 이용하여 게이트웨이를 통해 당사의 클라우드로 센싱 데이터를 전송한다. 무선통신을 이용함으로써 유선 케이블의 부설 등에 드는 비용을 억제한다.

일률적으로는 말할 수 없으나, 요코가와 전기에 따르면 평상시 플랜트 설비 등의 시설에서 광범위하게 유선 케이블을 부설하면 수백만엔 규모의 비용이 드는 경우가 있다고 한다. “효과가 확실치 않은데 고액의 비용을 들일 수 없다는 고객이 많다”(요코가와 전기 IA 플랫폼사업본부 신 비즈니스 개발부 사업창출 과장 사이토 씨).

현재 플랜트 설비의 감시는 중요한 설비 이외에는 작업자가 설비를 만지거나 눈으로 살피며 이상이 없는지를 조사하고 있다. 작업자의 부담이 클 뿐만 아니라, “정상적일 때나 이상이 있을 때의 데이터를 수집할 수 없기 때문에 향후 기술전승에 문제가 발생 될 가능성이 있다(사이토 씨). 요코가와 전기는 센서의 보급과 데이터 수집을 통해 일손 부족의 상황에서도 손쉽게 플랜트관리가 가능한 시스템 만들기를 목표로 하고 있다.

또한 당사는 Sushi Sensor와 플랜트 제어를 조합시킨 이용도 검토하고 있다. 예를 들어 센서로 온도 및 진동의 이상을 검지했을 경우, 자동으로 플랜트 설비의 생산량을 줄이는 것과 같은 시스템이다. 이에 따라, 정기 메인터넌스까지 운용을 계속해, 유지보수의 빈도를 늘리지 않도록 하거나, 성수기에서의 고장을 방지하거나 한다. 향후 진동 및 온도 이외의 것을 센싱할 수 있는 센서의 개발을 검토하고 있다.

 -- 끝 --