인더스트리 4.0: 스마트 팩토리에 오신 것을 환영합니다.

인더스트리 4.0은 제조 분야의 IoT로 전체 가치 사슬을 연결합니다. 기계, 제품, 사람, 시스템을 연결하여 자동화된 프로세스를 가능하게 합니다. 이러한 스마트 팩토리에서는 제품을 더 효율적이고 유연하게 생산할 수 있으며 비용도 절감할 수 있습니다. 그러나 이는 노동 시장에 변화를 가져옵니다. 단순반복적인 일자리는 줄어들고, 새롭고 보다 전문적인 능력을 요구하는 일자리들이 창출됩니다. 사람은 계속해서 중요한 역할을 할 것입니다. 기업들은 많은 과제에 직면해 있습니다. 구형 기계 설비를 어떻게 웹을 통해 구동이 가능하도록 할까요? 연결된 시스템들을 어떻게 해커로부터 보호할 수 있을까요?

로봇이 공장 안 A 장소에서 B 장소로 원자재를 자율적으로 운반하고 있습니다. 제품이 기계와 통신을 하고 후속 공정을 스스로 알아서 시작합니다. 또한 어떠한 장비가 수리가 필요하다고 식별하면 자동으로 기술자에게 통보합니다. 이런 공장을 스마트 팩토리라고 합니다. 스마트 팩토리에 오신 것을 환영합니다.

4차 산업 혁명(인더스트리 4.0)이 시작되었습니다. 증기 엔진, 컨베이어 벨트, 전자장치와 IT에 이어서, 이제는 스마트 커넥티드 시스템의 시대입니다. 인더스트리 4.0은 제조 분야에 근본적인 변화를 일으키고 있습니다. 미래에는 전체 가치 사슬을 따라 대부분의 프로세스를 자동화하게 될 것입니다. 기계는 서로 통신하고 스스로 결정을 내릴 수 있게 될 것입니다. 사람의 감각 기관처럼 센서를 사용해서 데이터를 수집하고, 적절히 필터링 한 후 플랫폼으로 보냅니다. 플랫폼은 일종의 “두뇌”로서, 이곳에 기계 데이터와 ERP(enterprise resource planning) 애플리케이션이나 외부 환경 등 다른 출처의 정보와 취합 됩니다. 이 데이터를 분석해서 어떤 조치를 취할지 결정할 수 있습니다.

인더스트리 4.0의 사례

현재 많은 기업들이 생산 공정을 더 빠르게 하고 비용을 절감하고 스크랩을 줄이기 위해서 인더스트리 4.0 기술을 사용하고 있습니다. 예를 들어서 기계 데이터를 분석해서 문제의 원인을 알아낼 수 있습니다. 일례로 유럽의 한 항공기 회사는 자사의 함부르크 공장에서 날개를 조립할 때 왜 그렇게 높은 편차가 발생되는지 의아했습니다. 그리고 그 이유를 알아내고서는 깜짝 놀랐습니다. 항상 문제는 조수가 낮아질 때 발생했던 것입니다. 이 회사는 빅데이터 분석을 통해서 기계 데이터와 환경 데이터를 연관 지으면서 이러한 사실을 알아낼 수 있었습니다. 그렇게 해서 작업 공정을 적절하게 조정할 수 있었습니다.

또한 많은 기업들이 유지보수 작업이 언제 필요한지 미리 예측하여 진행하고 있습니다. 기계 데이터를 지속적으로 분석하고 기존 패턴과 비교합니다. 그럼으로써 이상 징후를 사전에 포착하고, 가동 중단으로 인해서 큰 손실이 초래되기 전에 미리 수리 작업을 할 수 있습니다. BASF의 루드비히스하펜 공장을 예로 들 수 있습니다. BASF는 조기 경보 시스템을 개발해서 제조 공장, 펌프, 엔진, 열 교환기에 대한 유지보수 계획을 향상시킬 수 있었습니다. 실시간 및 이력 데이터를 분석하고 언제 유지보수 작업이 필요할지를 예측할 수 있습니다.
그런데 스마트 팩토리의 범위는 한 장소에 국한되지 않으며, 세계 각지에 흩어져 있는 공장 설비들을 연결해서 하나의 거대한 가상의 공장을 형성할 수 있습니다. 실제로 인피니언은 아시아 지역에 있는 설비에서의 테스트 결과를 곧바로 드레스덴 공장으로 전송해서 제조에 반영하고 있습니다.

자동차 분야에서의 인더스트리 4.0

자동차 부문 역시 인더스트리 4.0을 성공적으로 사용하고 있습니다. 다임러는 기계 데이터를 분석해서 실린더 헤드 생산 품질을 향상시키고 있습니다. 작업 책임자가 초기 단계에서 편차나 이상을 발견하고 신속하게 조치를 취할 수 있습니다. 그러므로 오류를 줄이고 제조를 더 경제적으로 할 수 있습니다. 폭스바겐은 또 다른 흥미로운 시도를 하고 있습니다. 인더스트리 4.0 프로젝트의 일환으로서 RFID 기술을 사용하여 테스트 차량의 부품에서 데이터를 빠르게 포착할 수 있게 되었습니다. 테스트 차량 내 부품들에 협력사들이 이미 RFID 칩을 부착하였기 때문입니다. 테스트 차량을 시험할 때 엔지니어들이 별 어려움 없이 프로토타입 부품들을 식별하고 연구개발에 필요한 정보를 표시할 수 있습니다. 그러므로 적시적소에 필요한 정보를 확보할 수 있습니다.

물류 분야에서의 인더스트리 4.0

물류 분야에서 인더스트리 4.0 기술은 운송 경로를 최적화하고 저장 용량을 최대한 활용하며 사전 계획을 세우는데 도움이 됩니다. 함부르크 항이 그런 예입니다. 함부르크 항의 물동량은 매년 1억4천만 톤에 달하는데, 이 양이 2030년까지 두 배로 증가할 것으로 예상됩니다. 문제는 이 항구의 공간이 충분하지 않다는 것입니다. 그래서 함부르크 항만 당국은 컨테이너를 더 빠르게 옮길 수 있는 방법을 모색해야 했습니다.

인더스트리 4.0 프로젝트를 통해서 사람, 트럭, 컨테이너, 선박, 크레인, 교통 관리 시스템을 서로 연결하였습니다. 이들 모든 요소들이 서로 통신을 하고 필요한 데이터를 제공합니다. 그럼으로써 트럭은 도착지에 더 빨리 도착할 수 있고, 운전자는 어디로 가야 화물을 더 신속하게 하역할 수 있는지 알 수 있습니다. 또 선장은 운행을 미리 계획할 수 있습니다. 이처럼 모든 프로세스를 간소화함으로써, 함부르크 항은 화물을 더 신속하게 이동시킬 수 있게 되었습니다.

커넥티드 제조는 선택이 아닌 필수

인더스트리 4.0은 기술적 한계치까지 이끌어내는 것을 의미하지 않습니다. 이제 제조를 디지털화하는 것은 기업의 생존 문제입니다. 전세계적으로 경쟁이 갈수록 치열해지고 있기 때문에 프로세스를 최적화하고 비용을 낮추는 것이 절대적 가치가 되었습니다. 또한 스마트 커넥티드 시스템은 고객 개개인의 요구에 맞는 소량의 제품을 효과적으로 생산할 수 있도록 합니다. 따라서 대량 생산 제품으로 가격으로 경쟁하는 업체들과 차별화 할 수 있습니다.

인구통계학적 변화 때문에라도 제조를 최적화 해야 합니다. 우리 사회는 고령화되고 있으며 고용 인구 비율이 줄어들고 있습니다. 이러한 추세는 이주민 유입에도 불구하고 계속될 것입니다. 독일 연방 통계청에 따르면, 독일에서 67세 이상 인구가 2040년에는 42퍼센트 증가해서 최소 2150만 명에 이를 것으로 전망됩니다. 그런데 20세~60세 인구는 이주민 비율에 따라서 11퍼센트 ~ 25퍼센트까지 감소할 것으로 예상됩니다. 전문가들의 말을 종합하면, 지금과 같은 번영을 계속 누리려면 일을 더 효율적으로 하고 사용 가능한 인력을 더 잘 배치해야 합니다.

에지 컴퓨팅(Edge computing)

에지 컴퓨팅(Edge computing)

인더스트리 4.0에서는 대량의 데이터가 발생되며 이러한 데이터를 실시간으로 분석할 수 있어야 합니다. 그런데 이 데이터를 모두 다 데이터 센터로 전송하려면 시간, 비용 및 많은 저장 공간이 필요합니다. 그러므로 많은 기업들은 데이터가 발생된 커넥티드 시스템 가까이에서, 다시 말해서 “에지” 에서 데이터를 분석합니다. 중요하지 않은 정보는 즉시 삭제하고 필요한 데이터만 남긴 후 데이터 센터로 전송합니다. 예를 들어서 온도가 과도하게 상승하면 컨베이어 벨트를 정지시키고자 할 때, “정상 온도” 정보는 중요하지 않습니다. 센서가 이상을 감지했을 때의 데이터만 분석해야 합니다.

인더스트리 4.0은 고용 시장에 어떠한 영향을 미치게 될까요?

기계가 대신하는 일이 갈수록 많아지면 사람들은 어떻게 될까요? 많은 노동자들이 자신의 일자리를 걱정하고 있습니다. 인피니언 메니지먼트 보드의 요흔 하나벡은 이런 걱정을 할 필요가 없다고 합니다. “모든 노동자의 절반 가량은 어떻게든 디지털화의 영향을 받을 것입니다. 하지만 총 일자리 수는 감소하지 않을 것입니다.” 인피니언의 드레스덴 반도체 제조 공장이 이러한 실례를 보여줍니다. 이 공장에서는 200밀리미터 및 300밀리미터 웨이퍼로 칩을 생산합니다. 300밀리미터 라인은 처음부터 완전 자동화된 생산을 하도록 설계되었으나, 조금 더 구형인 200밀리미터 라인은 지난 몇 년에 걸쳐서 점차적으로 자동화와 연결성을 높여왔습니다. 

그래서 지금은 거의 90퍼센트 수준의 자동화를 이루었으며, 결과적으로 1990년대 중반에 설립된 이래로 생산성을 70퍼센트까지 높일 수 있게 되었습니다. 그러면서도 직원 수는 지난 10년동안 약 2천 명으로 거의 일정하게 유지되고 있습니다. 디지털화와 커넥티비티를 통해서 드레스덴 공장의 경쟁력을 높이고, 성장을 지속하고, 계속해서 미래로 나아갈 수 있게 되었습니다.

보스턴 컨설팅 그룹의 조사에서도 장밋빛 미래를 내다볼 수 있습니다.  인더스트리 4.0은 2025년까지 독일의 총 국내 생산량에 매년 1퍼센트 기여하고 39만 개의 새로운 일자리를 창출할 것이라고 합니다. 특히 IT, 데이터 분석, 유지보수 같이 좀더 고도의 능력을 요하는 직업에 대한 수요가 늘어날 것입니다. 단순반복 일자리는 확실히 줄어들 것입니다. 하지만 이것을 애석하게 받아들일 필요는 없습니다. 무거운 상자를 로봇이 운반하면 작업자의 건강을 보호할 수 있고 이렇게 해서 절약된 시간에 조금 더 도전적인 일을 할 수 있기 때문입니다.

이러한 흐름은 또한, 노동자들 스스로 자신의 능력을 꾸준히 개발하려고 노력해야 한다는 뜻이기도 합니다. 이러한 성공 사례로 Uwe Häßler라는 사람의 경우를 들 수 있습니다. 그는 숙련된 전기기술자로서 1990년에 기계 엔지니어링 회사인 Harting Applied Technologies에서 경력을 시작했으며, 2001년에 PLC 프로그래밍으로 전향했습니다. 현재는 인더스트리 4.0 시스템과 IT 인터페이스를 개발하고 있습니다. 그는 말합니다. “제가 3년 전에 이 연구 프로젝트를 처음 시작할 때 오갔던 모든 말들은 제가 상상조차 하지 못했던 것들입니다. 당시에 저는 불가능하다고만 생각했습니다. 하지만 이제는 이렇게 말합니다. ‘가능하다!’고 말이지요. 이제는 저 자신이 상상을 현실로 구현하는 사람이 되었습니다.”

해커를 조심하세요

보안이 왜 중요할까요? 모든 커넥티드 디바이스가 해커의 공격 목표가 될 수 있기 때문입니다. 제조 설비와 IT가 분리되어 있던 시절에는 외부로부터 차단하는 것이 비교적 쉬웠습니다. 하지만 인더스트리 4.0의 연결된 세계에서는 해커가 침투할 수 있는 수단이 많아졌습니다. 사이버 범죄자들이 제조 플랜트 제어를 장악하거나, 설비를 조작하거나, 산업 스파이 행위를 할 수도 있습니다. 이러한 조짐을 보여주는 실제 사건이 발생하였습니다. 2017년 5월에 암호화 바이러스인 워너크라이(Wannacry)는 영국의 국민 건강 보험 공단, 프랑스 자동차 회사 르노, 독일 철도 공단의 컴퓨터를 비롯한 많은 컴퓨터를 감염시켰습니다. 이 멀웨어는 시스템을 암호화하여 일시적으로 시스템 장애를 일으켰습니다. 해커들은 이렇게 해서 돈을 갈취하려고 했습니다.

이러한 공격을 방어하기 위해서는 인더스트리 4.0 프로젝트의 시작 단계부터 보안을 고려해야 합니다. 여기에는 시스템을 최첨단으로 유지하고 보안 업데이트를 설치하는 작업이 포함됩니다. 소프트웨어 기반 및 하드웨어 기반 보안 솔루션을 결합하면 커넥티드 머신과 통신 노드를 보호할 수 있습니다. 이러한 솔루션으로서 인피니언의 OPTIGA TPM 칩을 들 수 있습니다. 라우터, 산업용 PC, 복잡한 제어 유닛 등에 사용할 수 있으며, 통신 사업자는 이 칩을 사용해서 네트워크 상 디바이스의 신원을 확인할 수 있습니다. 그럼으로써 디바이스를 인증하고 데이터 전송을 보호할 수 있습니다.

M2M 통신

M2M 통신

인더스트리 4.0의 핵심은 기계들이 정보를 공유할 수 있도록 하는 것입니다. 이러한 M2M (machine-to-machine)통신이 가능하기 위해서는 디바이스들이 동일한 언어를 사용해야 합니다. 하지만 이렇게 하기가 결코 쉽지 않습니다. 센서 데이터를 통신하기 위해서 많은 다양한 프로토콜, 다시 말해서 언어가 사용되고 있기 때문입니다. 전문가들이 단일화된 표준을 제정하기 위해서 애쓰고 있습니다. 유럽에서는 OPC UA와 MQTT 프로토콜이, 그리고 미국에서는 DDS가 주로 사용되고 있습니다.

구형 기계 설비를 인터넷에 적합하도록 만들기

보안 이외에도 인더스트리 4.0을 구축하기 위한 또 다른 과제는, 어떻게 하면 기존 기계들를 인터넷에 연결하느냐 하는 것입니다. 이미 업체들이 IoT 모듈을 내장한 새로운 디바이스들을 내놓고 있으나, 처음부터 최신식으로 지어진 공장은 그리 많지 않습니다. 생산 라인은 시간이 지나면서 지속적으로 향상되어 왔으며 각기 다른 연령의 기계들을 포함하고 있습니다. 공장의 설비는 고가이고 모두 한번에 교체하는 것은 불가능합니다. 소비자들은 3년마다 새 스마트폰이나 PC로 바꿀 수 있으나, 산업용 설비는 종종 20년 이상 사용됩니다.

이러한 구형 설비를 인더스트리 4.0에 적합하도록 개조하려면 센서, 소프트웨어, IoT 가능 산업용 컨트롤러를 사용해서 업그레이드 해야 합니다. 많은 업체들에서 이러한 용도의 개조용 솔루션을 내놓고 있습니다. 일례로 보쉬 렉스로스의 IoT 게이트웨이는 무려 1887년에 제작된 페달로 조절하는 선반을 인터넷에 연결하였습니다. 센서가 이 선반의 속도를 모니터링하고 데이터를 중간 장치인 IoT 게이트웨이로 전송합니다. 이 게이트웨이는 회사의 다른 시스템들과 연결되어 있습니다. 이 선반을 작동하는 작업자가 전송된 데이터를 모니터에서 실시간으로 볼 수 있기 때문에 적정 속도를 유지하기 위해서 페달을 더 빠르게 작동할지 느리게 작동할지 알 수 있습니다.

미래의 시작

IDG Research Services가 실시한 “인더스트리 4.0 – 독일은 어디쯤 와 있는가?”라는 조사에 따르면, 독일 기업들은 현재까지 약 1/5만이 인더스트리 4.0 프로젝트를 도입하고 있습니다. 하지만 조사에 응한 기업의 2/3는, 인더스트리 4.0이 3년 안에 중요한 또는 매우 중요한 과업이 될 것이라고 응답했습니다. 하드웨어 및 소프트웨어 업체들과 IT 서비스 사업자들 사이에서는 골드 러시 때와 같은 기대감이 형성되고 있습니다. 시장 조사 회사인 Bitkom에 따르면, 인더스트리 4.0 솔루션 매출이 2018년에 1/5 이상 증가해서 70억 유로에 달할 것이라고 합니다.  인피니언 메니지먼트 보드의 요흔 하나벡은 독일이 이 기회를 포착할 좋은 위치에 있다고 말합니다. “기본적으로 독일과 유럽은 인더스트리 4.0을 맞이할 준비가 잘 되어 있습니다. 완벽한 가치 사슬을 구축하고 있으며, 최고 품질의 정밀한 제품을 생산할 수 있는 역량을 갖추었습니다. 물건을 잘 만들기로 정평이 나있습니다.”

인더스트리 4.0은 제조 분야의 IoT로 전체 가치 사슬을 연결합니다. 그렇기 때문에 산업용 IoT(IIoT)로 불리기도 합니다. 스마트 머신들이 서로 정보를 교환하고 자동으로 조직화 할 수 있습니다. 전체 가치 사슬에 걸쳐 프로세스들을 연결하고 자동화할 수 있습니다. 그럼으로써 제조를 훨씬 더 효율적이고 민첩하게 할 수 있습니다. 또한 인더스트리 4.0은 광범위한 변화를 가져오고 있습니다. 인더스트리 4.0을 4차 산업 혁명이라고 합니다.

현재 독일 기업의 1/5이 초기 인더스트리 4.0 프로젝트를 도입하고 있습니다. 앞장서고 있는 기업들은 주로 IT 예산이 수천만 유로에 이르는 대기업들입니다. 특히 반도체 회사들이 적극적입니다. 목재 및 가구 회사들과 기계 엔지니어링 회사들도 이미 인더스트리 4.0을 사용하고 있습니다. (출처: “인더스트리 4.0 –  독일은 어디쯤 와 있는가?”)

첫 번째 산업 혁명은 1784년에 기계식 직조기가 발명되면서 시작되었습니다. 기계 제조 설비를 수력 발전이나 증기 발전을 사용해서 가동했습니다. 2차 산업 혁명은 19세기 후반에 기계를 가동하기 위해서 전기를 사용할 수 있게 되면서 시작되었습니다. 1870년에 미국 신시내티의 도축장에서 최초로 컨베이어 벨트를 사용하면서 노동의 분업이 시작되었습니다. 3차 산업 혁명은 1970년대에 제조에 IT와 전자장치를 사용하면서 시작되었습니다. 1969년에 최초의 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC)가 도입되면서 자동화가 가속화 되었습니다. 그리고 이제 우리는 4차 산업 혁명의 문 앞에 서 있습니다. 스마트 공장에서 커넥티드 지능형 시스템들이 상호작용합니다.

이 용어는 2011년 하노버 산업 박람회에서 처음 등장했습니다. 산업 협회, 이들의 회원사, 독일 연방 교육 연구부(BMBF), 경제 에너지부(BMWi)가 힘을 합쳐서 4차 산업 혁명의 태동을 이끌었습니다. 2013년 4월 기업들의 디지털화를 지원하고자 인더스트리 4.0 플랫폼을 설립했습니다.

인더스트리 4.0은 기업들이 생산 운영을 최적화하고 국제 경쟁력을 높일 수 있도록 합니다. 데이터 분석을 통해서 모든 프로세스 공정을 투명하게 할 수 있습니다. 제조를 자동화하고 유연하게 할 수 있으며 비용을 절감할 수 있습니다. 또한 각 고객마다 다른 요구에 따른 소량의 제품을 효율적으로 생산할 수 있습니다. 반면에 인더스트리 4.0 및 IoT를 위해서는 높은 수준의 보안이 필요합니다. 커넥티드 디바이스가 증가함에 따라서 해커가 침투할 수 있는 위험성도 높아지기 때문입니다.

디지털화와 인더스트리 4.0은 고용 시장에도 변화를 가져올 것입니다. 단순반복 일자리는 줄어드는 반면 새로운 일자리들이 창출될 것입니다. 데이터 분석이나 유지보수 같이 좀더 고도의 능력을 요하는 일자리가 증가할 것입니다. 사람은 여전히 중요한 역할을 할 것입니다. 일례로 인피니언 드레스덴 반도체 생산 공장은 200밀리미터 웨이퍼 생산 라인은 약 90퍼센트, 300밀리미터 웨이퍼 생산 라인은 거의 100퍼센트의 자동화에도 불구하고, 지난 몇 년 간 고용인원 수가 거의 그대로 유지되고 있습니다. 자동화는 경쟁력을 높이며, 그러므로 성장의 토대가 되고 고용 안정에도 기여합니다.

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