산업기술/제조/경영

Nikkei Monozukuri_2017. 2. 특집요약 (p40~57)

스마트해지는 생산라인
지능화의 포인트는 컨트롤러

차세대의 스마트 공장을 실현하기 위해 많은 기업이 대책 마련에 속도를 올리고 있다. 생산 라인을 똑똑하게 만들기 위해서는 IoT 및 AI에서 중점적 역할을 하는 최첨단 IT가 없어서는 안 된다. 제조(모노즈쿠리: 혼신의 힘을 쏟아 최고의 제품을 만든다’는 뜻을 지닌 일본말)의 현장에서 IT를 활용하기 위해 현장 제어를 담당하는 컨트롤러가 진화하고 있다. 그 최신 동향으로 생산 라인의 미래상을 미리 예측해 본다.

Part 1. 총론
스마트 공장은 실증 단계 진입 -- 열쇠를 쥐고 있는「IT와 OT의 융합」

-- 컨셉의 논의에서 현장에서의 실증으로---.
「스마트 공장」의 실현을 향한 기업들의 시도가 가속화 되고 있다. 파나소닉의 그룹사로써 전자부품의 실장시스템 등의 사업에 손대고 있는 파나소닉 팩토리 솔루션즈(이하, PFSC). 그 주력 공장인 고후(甲府)사업소의 한 켠에는 당사 제품의 실장기 및 땜납(半田) 인쇄기로 구성된 최첨단의 프린트기판 생산라인이 가동되고 있다. 파나소닉이 고객에게 제공하는「스마트 팩토리 솔루션」의 다양한 기능을 사전에 실증하기 위한 것이다.

여기에서 새롭게 만들어진 것이 실장기의 시간 경과에 따른 실장위치의 차이를 자동으로 보정하는「APC – MFB」기능이다. 이 기능은 프린트 기판에 전자부품을 실장한 직후에 실제의 실장위치를 계측하여, 그 계측 데이터를 통계적으로 분석. 실장 위치의 차이가 발생하는 경향을 파악하여 원하는 위치에 실장할 수 있게 제어 프로그램에 반영시킨다. 현재는 사람의 수작업으로 분석ㆍ보정하고 있으나, 생산 라인이 자동으로 분석 및 보정됨으로써 품질과 생산성을 대폭적으로 향상시킬 수 있다고 한다.

최근,「인더스트리 4.0」및「로봇 혁명」이라는 개념이 제창되면서 그것들에 준거한 제조업 전체의 비니지스 모델의 변혁에서부터 공장의 생산성 향상까지 폭넓은 테마가 활발하게 논의 되어 왔다. 앞으로도 개념에 관한 논의는 계속될 것이다. 그와 병행하여, 스마트 공장에 의해 얻을 수 있는 성과 및 필요한 기술을 파악하기 위한 움직임이 조금씩 시작되고 있다.   

-- IoT 및 AI를 도입하다 --
현장의 시점에서 보면, 스마트 공장은「똑똑한 생산라인」으로 바꿔 말할 수 있다. 「똑똑하다」라고 하는 것은 단적으로 말해서 외부상황에 따라 유연하게 대응할 수 있는 것을 의미한다. 그것을 실현하는 열쇠는 IoT(Internet of Things) 및 인공지능(AI)로 대표되는 최첨단의 IT와 제어나 계측 등 생산라인의 근간에 관련된 기술을 총칭하는 OT(Operational Technology)의 융합이다.

기존의 생산라인에서는 외부의 상황에 영향을 받는 일이 없이, 사전의 계획대로 정확하게 실행하는 것이 무엇보다 요구되고 있었다. 그렇게 됨으로써, 이른바 QCD(품질ㆍ비용ㆍ납기)를 담보로 했기 때문이다. 특히, 같은 것을 중 장기에 걸쳐 대량으로 계속해서 만들어 내는 대량생산의 시대에는 그것이 무엇보다 적절한 생각이었다.

그러나 현재 논의되고 있는 스마트한 제조업에서는 생산라인에 대해서 QCD와 동등하거나 그 이상의「똑똑함」이 요구된다. 예를 들어, 스마트한 제조업의 일례로 자주 들 수 있는「Mass Customization(대량 맞춤생산)」은 고객의 요구에 맞춘 “특별주문 제품”을 대량 생산품과 동일한 비용ㆍ납기로 제공한다는 것이다. 그것을 실현하기 위해서는 실제의 발주정보 등에 따라서 생산라인을 만들거나 생산라인 자체의 모습을 유연하게 바꿔나가지 않으면 안 된다.

생산라인을 똑똑하게 만들기 위해서 없어서는 안 되는 것이 앞에서 말한 IoT 및 AI 등의 IT기술이다. 향후, IoT 및 AI는 모든 산업에 스며들어, 비즈니스 모델의 변혁 및 생산성 향상에 크게 공헌할 가능성을 내재하고 있다. 또한 Mass Customization도 IoT와 AI를 빼고는 실현하기 어려울 것이다. 그렇기 때문에, 이런 최첨단의 IT를 생산라인에도 도입할 필요가 있다.

생산라인을 똑똑하게 하기 위해 IT가 없어서는 안 되는 이상, 앞으로는 IT와 OT의 벽을 허물어, 서로 융합해 나가지 않으면 안 된다. IoT로 생산라인의 상황을 공장의 외부와 공유하거나, AI에 의한 분석결과를 생산라인의 제어에 실시간으로 활용하는 경우가 늘어날 것이다.

-- 진화하는 컨트롤러 --
똑똑한 생산라인의 실현을 향해 IT와 OT의 융합을 추진하는 속에 가장 중요한 역할을 맡고 있는 것이 생산라인의 제어를 담당하는「컨트롤러」이다. 컨트롤러는 ERP(Enterprise Resource Planning) 및 MES(Manufacturing Execution System)이라 불리는 IT세계와, 센서 및 작동장치 등 생산라인의 단말을 구성하는 OT의 세계를 연결시키는 접점이며, 이곳을 무대로 IT와 OT의 융합이 진행되고 있다고 생각할 수 있다.

현재, 생산라인 및 그곳에 가동되고 있는 장치의 컨트롤러는 PLC(Programmable Logic Controller)가 주류이다. 최근에 와서 데이터 처리 등, IT의 기능을 갖춘 PLC도 늘어나고 있으나, 기본적으로는 OT에 특화된 컴퓨터이다. 기능이나 연산성능에 관해서는 OT용으로 추려내어 생산라인에서 요구되는 높은 신뢰성 및 내구성을 실현했기 때문에 PLC는 생산라인에 넓게 보급되었다. IT와 OT를 분리시킨 기존의 생산라인은 OT에 특화 시킨 PLC의 사용이 합리적이었다.

그러나, IT와 OT의 융합이 향후 추진됨에 따라, 생산라인의 컨트롤러에도 IT용의 기능이나 연산능력이 본격적으로 요구되고 있다. 구체적으로는 인터넷을 통한 공장 외부 시스템 및 기기와 통신을 하거나 복잡한 빅데이터를 분석 및 AI의 어플리케이션을 동작시키는 등의 작업을 하게 될 것이다. 즉, 스마트 공장에서는 IT와 OT의 기능을 겸비한 컨트롤러가 필요하다.

컨트롤러가 진화하는 방향성은 크게 2가지 있다. 하나는, IT 기능에 적합한 프로그램 언어로 제어 프로그램을 작성할 수 있게 하는 것이다. 또 다른 하나는 한걸음 더 나아가서 PC아키텍처를 채택하는 것이다.

-- IPC 역광 --
-- 어떤 생산 라인을 구축할 것인가? --

● IPC로 제어기능을 실현하는 소프트웨어 PLC
IPC는 어디까지나 PC이므로 생산라인 및 장치를 제어하는 것은 PLC의 기능을 가진 소프트웨어(소프트웨어 PLC)가 별도로 필요하다. 이 분야에서 큰 존재감을 나타내고 있는 것이 독일3S-Smart Software Solutions사의「CODESYS」이다. 당사 공동 오너 겸 CEO인 ANFRES Werner 씨에 따르면, 전 세계에서 약 400사의 고객을 보유하고 있다고 한다.

일본에서는 히타치산키(日立産機)시스템 및 히타치산교(日立産業)제어솔루션이 컨트롤러의 일부 기종으로 채택한 것 외에, 야마하(YAMAHA) 발동기도 자동화 라인용의 통합제어 시스템「Advanced Robotics Automation Platform」의 통합 컨트롤러로 CODESYS의 일부 기능을 활용했다.

소프트웨어 PLC를 사용하는 이점은 개발을 효율적으로 하는 것과, 자유롭게 만들어 넣을 수 있다는 점이다. CODESYS의 경우, PLC(시퀀스 제어), 모션 제어, HMI(Human Machine Interface) 등, 필요한 기능이 모두 갖춰져 있다. PLC 프로그래밍 언어도 국제기준에 대응하고 있으며, 글로벌 시장을 위한 컨트롤러를 효과적으로 개발할 수 있다. COSESYS의 일본 총대리점인 링크스(본사 요코하마) 대표이사인 무라카미(村上) 씨에 따르면, 이 점에 관심을 갖는 일본 기업이 많다고 한다.

한편, 중요한 기능에 관해서는 따로 만들어 넣는 것도 가능하다. 야마하발동기의 Advanced Robotics Automation Platform에서는 로봇 등의 모션　제어에 관해 당사의 노하우를 활용하여「철저하게 만들어 냈다」(야마하발동기 IM사업부로봇비지니스 부장 무라마쓰(村松) 씨)라고 말한다.

Part 2. 통합 제어
고도의 관리를 손쉽게 실현 -- 개발환경의 정비 빠르게

「지금 시점에서는 최고의 이상형이라고 생각한다」야마하발동기의 무라마쓰 씨가 이렇게 말하는 것은, 야마하 발동기가 2016년 12월에 발매한 지동화 라인용 로봇 시스템「Advanced Robotics Automation Platform」이다. 자동화 라인을 구성하는 수평 다관절 로봇 및 단축로봇, 리니어 컨베이어 모듈, 카메라 등 다양한 기기를 갖추었다.

-- 기존의 시스템은 장황 --
최대의 특징은 복수의 기기를 1대의 컨트롤러에 의해 통합적으로 제어하는 것이다. 구체적으로는 로봇 및 리니어 컨베이어 모듈은 최대 64대, 모터는 최대 255대에 접속할 수 있다. 기존에는 기기마다 컨트롤러를 설치하는 것이 일반적이었다. 그러나 컨트롤러 자체의 성능이 향상됨에 따라「1대의 로봇을 1대의 컨트롤러로 제어하는 것은 조금 번거롭게 느껴지기 시작했다」(마쓰무라 씨). 여기서, 1대의 컨트롤러로 복수의 기기를 제어하는 통합 제어 시스템을 도입함으로써 자동화 라인의 제어를 고도화시킴과 동시에, 비용 절감을 노렸다.

-- 절차 변경 시간을 3분의 1로 --
-- 개발 환경의 통합을 향한 움직임도 --

Part 3. 모듈화
생산의 노하우 및 시스템을 부품처럼 조합

2016년 11월에 개최된 공작기기의 전시회「JIMTOF2016(제 28회 일본국제 공작기기 박람회)」에서 어딘가 남다른 전시 하나가 눈에 띄었다. 제이테크트(JTEKT)의 부스가 그것이다. 많은 공작기기 업체가 다수의 자사제품을 즐비하게 늘어놓은 반면, 제이테크트는 2대밖에 자사 제품을 전시하고 있지 않았기 때문이다. 게다가 그 중 1대는 역사적인 제품으로, 최신 제품은 단 1대뿐이었다. 대형 업체로써는 이례적인 시도라고 할 수 있다.

그 대신 당사가 힘을 쏟고 있던 것은 거대한 스크린을 사용한 영상에 의한 프레젠테이션이었다. 특히 시간을 할애한 것이 당사의 컨트롤러 및 공작기기를 활용한 스마트 공장 사례에 대한 소개였다. 그곳에는 제이테크트의 사업전략이 여실히 반영되어 있었다. 즉, 컨트롤러 및 공작기기의 판매뿐 아니라, 스마트 공장의 실현을 지원하는 “라인 빌더(Line Builder)”로 거듭난다는 선언이었다.

제이테크트는 토요타 자동차 계열의 부품업체로써도 알려져 있다. 컨트롤러에 관해서는 원래 토요타 자동차 계열용을 제공해 왔으나, 최근에 와서는 거래처를 확대했다. 무엇보다「토요타 생산방식」이라는 생산라인에 관한 압도적인 노하우를 가지고 있다는 것이 강점이 되었다. 이 노하우 및 제품을 결집시킴으로써 라인 빌더로써 독자적인 지위를 구축하려 하고 있다.

-- 솔루션을 표준화 --
-- 제어 프로그램도 모듈화 --

Part 4. 계측ㆍ제어 연계
센서를 활용한 환경은 아직 미정비 -- 주도권 다툼이 치열

매년 가을에 독일 뉴른베르크에서 개최되는 산업용 제어시스템의 전시회「SPS IPC Drives」는 많은 제조업체가 최신의 기술 컨셉 및 제품을 빠짐없이 출전시키는 것으로, 생산 라인의 미래상을 한 눈에 보는 자리로써 활용되고 있다. 지난 2016년도 전시회에서 일본으로부터의 방문객이 다수 참석했던 곳은 독일 Beckhoff Automation사의 부스였다. 방문객의 목적은 당사가 개발을 주도하는「EtherCAT」의 기술 동향을 알아보기 위함이다.

EtherCAT은 생산 라인 등에 사용되는 오픈 필드(Open field)네트워크의 통신규격이며, 그 보급 및 도입지원을 담당하는 EtherCAT Technology Group에는 전세계에서 3,500사 이상의 기업이 가맹되어 있다. 일본에서도 2016년 4월에 토요타자동차가「스마트 공장의 컨셉에 합치한다」(당사 선진기술개발컴퍼니 공정개선부장인 오오쿠라(大蔵)씨)라고 EtherCAT의 채택을 표명함으로써 순식간에 이목이 집중되었다.

토요타 자동차가 EtherCAT을 채택하게 된 결정적인 이유로 제시한 것은, EtherCAT의 확장 규격인「EtherCAT P」이다. 당사는 스마트 공장의 실현을 위해 생산라인에 센서를 빈틈없이 설치하여 측정 데이터 및 그 분석결과를 활용하는 것으로 생산 라인을 스마트하게 만들고 있다. 그 측정 데이터를 수집하는 수단으로써, EtherCAT P와 같은 성(省)배선기술을 사용할 수 있다고 생각하고 있다. 그 점에서 비즈니스 찬스를 찾아 낸 기업이 Beckhoff Automation사의 부스를 방문한 것은 어쩌면 당연한 일일 수 있다.

-- 컨트롤러가 계측 기능을 도입 --
-- 최첨단 Needs를 재빨리 --

● 주목 받는 EtherCAT, 왜 선택을 받는가?
생산라인에서 사용되는 오픈ㆍ필드 네트워크에는 다양한 규격이 있으나, 토요타자동차가 채택한 것을 포함해, 스마트공장을 향한 대응책으로「EtherCAT」의 존재감이 높아지고 있다. IPC로 IoT대응을 제창한 하타치산교(日立産業)제어솔루션즈도, IPC사업에 본격적으로 합류한 오므론(Omron)도, 오픈ㆍ필드 네트워크에서는 EtherCAT을 선택했다.

왜 스마트공장의 대응책으로 EtherCAT이 각광을 받는 것일까? 많이 들리는 의견 중에는「보다 오픈 되어 있기 때문」이라는 의견도 있다. 여기에서 ‘오픈’이 가리키는 것은 기술, 그 자체보다도 개발 환경이나 에코 시스템을 뜻한다.

오픈ㆍ필드 네트워크가 선택 받는 이유를「오픈 되어 있어서」라고 말하는 것은 이상하게 들릴 수도 있지만, 일본 국내외에서 주류의 오픈ㆍ필드 네트워크는 특정의 컨트롤러 업체가 개발을 주도하고 있는 경우가 많아, 그 업체가 미치는 영향은 크다고 할 수 있다. EtherCAT도 컨트롤러 업체인 독일의 Beckhoff Automation사가 개발한 기술이지만, 당사는 상당히 의식적으로 보급을 우선하는 전략을 쓰고 있으며, 서드파티(Third party)기업이 참여하기 쉽게 배려하고 있는 것으로 보인다.

실제로, 일본에서도 EtherCAT 관련 비즈니스가 늘고 있는 추세이다. 여기에 주력하고 있는 곳이 OKI의 그룹사인 나가노(長野) OKI이다.　당사는 EtherCAT 슬레이브기기의 수탁 개발사업을 10여년 전부터 하고 있다. 2010년에는 EtherCAT Technology Group의 일본지역위원회의 멤버가 되었다. 「일찍이부터 내부에 들어와서 활동해 온 것이 지금에 와서는 강점이 되었다」(나가노OKI 개발기술부제품설계 제2과 과장 스도(須藤) 씨).

당초는 그다지 큰 사업이 아니었으나, 앞에서 말한 토요타자동차의 채택에 힘입어, 거래가 늘어나고 있다고 한다. 나가노OKI에서는 데이터 송신과 전력 공급을 1개의 케이블로 통합시킨「EtherCAT P」로의 대응을 추진하고 있다. 고객이 검증에 사용하는 평가 보드를 개발하여 제공을 시작할 계획이다.

  -- 끝 --