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스마트 팩토리는 독일 정부가 제창한 「Industry 4.0」을 실제 산업현장에 적용한 최첨단·선진형 공장으로, 센서 등으로 공장 내부의 다양한 기계와 설비를 모두 인터넷과 연결해 IoT(Internet of Things)화하고 품질, 상태 등 다양한 정보 데이터를 수집한 후 데이터 사이의 인과관계를 명확히 밝힐 수 있다는 점에서 주목받고 있다.
기존 산업현장은 다양한 시스템 및 설비를 독립적으로 운용하며 주어진 임무를 수행했으나 차세대 스마트 팩토리에서는 네트워크를 통해 연결된 모든 설비의 정보를 수집·관리함으로써 제조공정 전체의 흐름을 용이하게 파악할 수 있기 때문이다.
이에 따라 품질관리 기능이 향상되고 간접부문을 포함해 관리 코스트를 감축할 수 있으며 이산화탄소(CO2) 감축, 자원 절약, 캐시플로우 개선 등 다양한 메리트가 기대되고 있다.
독일, 제조업 전체를 하나의 공장으로…
독일은 국가 차원에서 스마트 팩토리 구현을 추진하고 있다.
독일은 2011년부터 인터넷 등 정보기술(IT)과 제조업을 결합해 생산 자동화 및 최적화를 실행하는 디지털 이니셔티브를 추진하고 있으며 과학기술 이노베이션 기본정책인 The High-Tech Strategy for Germany 전략의 미래지향 프로젝트 가운데 하나로 IoT와 자동화 기술을 통해 스마트 팩토리를 구현하고 있다.
나아가 공장 내외의 물류 및 서비스도 전부 IoT화할 예정이며 장기적으로는 전국의 모든 스마트 팩토리를 연결해 독일 제조업 전체를 하나의 공장으로 통합·관리하겠다는 목표를 설정하고 있다.
이에 따라 2025년 실용화를 목표로 M2M(Machine to Machine), 센서, 기기 인터페이스 고도화, 빅데이터 기술과 클라우드 컴퓨팅, 통신 네트워크와 사이버 보안 등을 중심으로 산·관·학 공동의 연구개발(R&D)을 추진하고 있다.
시스템의 자기최적화, 인간과 기계의 연계, 인텔리젠트 네트워크, 에너지 효율, 시스템 엔지니어링 등으로 세분화된 47개 프로젝트에 174개에 달하는 관련기업, 대학, 연구기관이 참여하고 있다.
독일 정부는 참여기업 및 기관에게 5년 동안 약 580억원을 투입할 방침이며 참여기업들도 870억원 가량을 출자해 1450억원 상당을 투입할 예정이다.
국내에서도 도입 본격화되고 있지만…
국내 제조업에서도 스마트 팩토리 도입이 본격화되고 있다.
울산 소재 산업안전 시스템 관리 전문기업 유시스는 IoT를 기반으로 산업현장의 안전 및 설비 관리, 스마트 팩토리 운영 등 다양한 서비스를 제공하고 있다.
주로 현대중공업 등 조선기업과 지하공동배관 설비기업 등이 해당 서비스를 활용하고 있으며 무선 네트워크와 데이터 가공 시스템을 이용해 작업장을 수시로 모니터링함으로써 화재, 폭발, 질식, 낙상, 전복 등의 산업재해를 예측 및 예방하고 있다.
부산 소재 섬유기업 한신모방은 1억원을 투자해 조제공정에 스마트 팩토리을 도입했다.
섬유 공정은 크게 염색과 조제로 구분되며 조제공정에서는 원사에 각종 화학물질과 염색 원료를 투입해 염색약이 골고루 스며들도록 한다.
한신모방은 조제공정에 스마트 팩토리 시스템을 적용함으로써 기계가 유지하는 온도와 생산량을 모두 데이터화해 관리자가 컴퓨터를 통해 통합 관리하도록 했다.
또 암모니아, 과산화수소 등 조제물질을 운송하는 과정도 스마트 팩토리 시스템으로 관리해 작업자들이 유해화학물질을 직접 다루지 않도록 배려했다.
한신모방은 스마트 팩토리 도입을 통해 염색의 품질이 고르게 향상됐으며 생산량이 680톤에서 816톤으로 늘어날 것으로 예상하고 있다.
또 작업 환경이 개선됨에 따라 화학물질 취급을 꺼리는 젊은 작업자를 끌어모으는데 도움이 될 것으로 기대하고 있다.
한샤인인터내셔널과 하이밸류컨설팅은 이스라엘 국영 방산기업 Rafael이 제조한 사이버 방어 솔루션을 국내에 공급하고 있다.
발전소를 비롯한 전력시설, 각종 화학 플랜트, 철도 등 산업 기반시설 및 제어시스템을 대상으로 한 사이버 공격과 테러를 막는 시스템으로 본래 이스라엘 국가 방어용 극비 기술이기 때문에 수출이 엄격히 제한됐으나 2015년 한국을 비롯해 일부 국가에 대한 수출이 승인됨에 따라 도입했다.
삼성, SK, LG 등 대기업들도 스마트 팩토리 사업에 주목하고 있다.
삼성SDS는 삼성전자 등 계열사 공장 및 국내 다수기업의 제조현장에 적용한 경험을 집대성해 AI 기반의 스마트 팩토리 솔루션인 넥스플랜트(Nexplant)를 출시했다.
삼성SDS가 자체 개발한 빅데이터 분석 플랫폼인 브라이틱스(Brightics)를 탑재하고 있으며 센서로 설비 데이터를 수집·분석하고 상태를 실시간으로 모니터링해 제조과정에서 발생하는 문제를 신속히 파악·해결함으로써 생산 효율을 극대화할 것으로 기대되고 있다.
또 대규모 공장은 물론 중소형 공장까지 적용이 가능하도록 경량화시키는데 성공함에 따라 앞으로 화학, 전기, 전자, 자동차, 철강, 섬유, 바이오 등 다양한 산업 분야에 도입될 것으로 기대되고 있다.
SK C&C는 2016년 초 Foxconn 공장에 스마트 팩토리 솔루션을 시범 적용하고 하반기에는 스칼라(Scala) 브랜드를 출시했다.
LG 그룹은 LG CNS를 통해 LG전자 등 계열사에 앞서 스마트 팩토리 솔루션을 적용하고 있으며 최근에는 LG유플러스가 가정용 IoT에 이어 스마트 팩토리 등 산업용 IoT 사업을 확대하겠다고 나서고 있다.
그러나 석유화학 및 화학 공장에 대한 실제 도입사례는 아직 불충분한 수준으로 판단되고 있다.
석유화학공장은 지속가능한 안전가동을 위해 스마트 팩토리로 탈바꿈할 것이 요구되고 있다.
석유화학산업은 주변 시장환경에 경쟁력이 크게 좌우되기 때문에 안정적인 공급체계를 구축해두는 것이 중요하며, 특히 최근에는 자연재해 뿐만 아니라 산업시설에 대한 사이버테러로 가동을 멈추는 사례도 빈번히 발생하고 있기 때문이다.
정부는 2015-2017년 석유화학 분야를 비롯해 전체 제조업을 대상으로 스마트 팩토리를 5000개 도입한다는 목표를 세우고 있으며 2017년 관련 예산 580억원을 투입할 예정이다.
하지만, 스마트 팩토리 도입을 필요로 하는 실제 제조업 현장의 수요를 전부 수용하기 턱없이 부족한 예산이며 추가로 지원예산을 확대해야 한다는 지적이 제기되고 있다.
중소기업중앙회가 종사자 10인 이상 중소규모 생산기업 300사를 대상으로 스마트 팩토리에 대한 의견을 조사한 결과에 따르면, 중소규모 생산기업의 67.4%가 경쟁력 강화를 위해 스마트 팩토리 도입이 필요하다고 응답한 것으로 나타났다.
하지만, 83.3%가 투자자금을 부담스러워 하고 있었으며 유지·보수 및 업그레이드 등 사후관리 혹은 전문인력 확보에 대한 부담도 큰 것으로 파악되고 있다.
제조업이 직접 AI 전문가를 육성·발굴하는 것은 한계가 있기 때문에 사외기관과의 연계가 중요하며 정부 차원에서 엔지니어링, IT 등 다른 산업영역과 오픈 이노베이션을 촉진해야 할 것으로 요구되고 있다.
일본, 화학 메이저들이 도입 앞장선다!
일본은 화학기업들이 자체적으로 스마트 팩토리 도입에 적극 나서고 있으며 관련 시스템 전문기업과의 연계가 탄탄한 편이다.
Mitsubishi Chemical은 일본 공장에 Mitsubishi Chemical Engineering이 구축한 IoT와 빅데이터 활용 생산관리 시스템을 도입하고 있다.
제조현장의 각종 설정조건과 아웃풋의 관계를 조사함으로써 품질 안정성 향상, 제조코스트 감축을 도모하는 한편 위험물을 취급하는 현장에서는 물류의 이동노선과 근로자의 움직임을 밀착 모니터링해 작업시간을 최소화하고 있다.
또 기기 및 설비의 가동상황을 상시 감시함으로써 부식과 고장을 조기에 발견하고 수리비용을 감축할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
2년 내에 외부기술을 도입함으로써 보다 광범위 분야에 응용할 방침이며 외부에 판매하는 방안에 대해서도 검토하고 있다.
Sumitomo Chemical은 2016-2018년 중기 경영계획을 통해 IoT를 활용함으로써 석유화학공장을 디지털화하겠다는 목표를 세우고 있다.
공장의 보수 및 유지 분야를 강화하는 것이야말로 경쟁력 향상으로 이어진다고 판단하고 정보통신기술(ICT) 도입에 적극적으로 나서고 있다.
특히, 공장 유지에 ICT를 사용해 숙련공의 노하우를 유효하게 활용하는 방안을 모색하고 있다.
과거의 보수 이력, 기계보수 등 작업정보와 관련된 숙련공의 노하우를 데이터화하면 플랜트 전체의 오퍼레이션 계열 정보보다 취급이 용이할 뿐만 아니라 차세대 기술자들에게도 손쉽게 기술을 전승할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
또 싱가폴 정부와 공동으로 석유화학공장 관리 디지털화 실증실험을 추진하고 있다.
싱가폴에는 올레핀 및 용역을 공급하는 Petrochemical Corporations of Singapore(PCS), 폴리올레핀 제조 및 판매를 담당하는 The Polyolefin(PCS), MMA(Methyl Methacrylate) 모노머 및 폴리머를 공급하는 Sumitomo Chemical Singapore(SCS) 등 주요 석유화학 플랜트가 밀집돼 있어 실험을 실시하기에 최적의 장소인 것으로 판단하고 있다.
그동안 숙련 기술자의 노하우에 의지하던 보수 분야를 중심으로 데이터를 수집하고 있으며 최적의 보수체제를 구축함으로써 젊은 현장 작업자에게 기술을 전승하는 수단으로 활용할 예정이다.
장기적으로는 공장 운영고도화 및 정밀제어에 IoT 기술을 적용함으로써 생산 효율화로 이어지도록 할 계획이다.
현장 작업자에게 태블릿 단말기 뿐만 아니라 스마트글래스, 가스 모니터 등 다양한 측정 장치를 휴대시킴으로써 작업자의 위치 및 생산정보, 온도 등 작업 환경정보를 모니터링하며 일본의 숙련공이 해외 현장 담당자에게 원격으로 기계보수의 지시를 내리는 방법에 대해서도 검토하고 있다.
Mitsui Chemicals은 IoT와 AI를 접목한 차세대 생산기술이 일본기업의 글로벌 경쟁력을 높여줄 것이라는 판단 아래 IoT를 활용해 생산설비의 이상 및 열화를 예측하는 시스템을 개발하고 있다.
개발 공법들은 모두 Ichihara 및 Osaka 소재 에틸렌(Ethylene) 생산설비를 중심으로 도입을 시작해 기술을 향상시킨 후 국내외 다른 공장에도 적용을 검토할 방침이다.
NTT Communications가 보유한 심층 학습기술을 활용함으로써 다양한 원료의 온도, 압력, 유량 등을 약 50종의 프로세스 데이터로 분석해 석유화학제품이 20분 후 어떠한 품질을 유지하고 있을지 예측함으로써 품질 및 수율을 향상시키고 있다.
현재 실제 측정치와 오차가 3%에 불과해 실용화가 가능한 수준이며 앞으로 단독설비 뿐만 아니라 공장 전체에 적용 가능한 시스템으로 발전시킬 예정이다.
이밖에 시스템 전문기업과 공동으로 빅데이터를 분석해 열교환기의 성능을 저하시키는 오염물 부착 및 부품 열화 등의 진척 상황을 예측하는 공법도 개발했다.
대형 석유화학 플랜트에는 열교환기가 최소 수백기에서 1000기 가량 설치돼 있으며 문제가 발생하면 플랜트 전체의 가동을 중단해야 하는 만큼 영향력이 막대하다.
해당 공법을 활용해 열교환기의 성능 저하수준을 사전에 예측할 수 있다면 적절한 시기에 적절하게 대응함으로써 공장 가동에 큰 도움이 될 것으로 기대된다.
아울러 적외선 카메라, 가시 카메라 등을 사용해 플랜트의 가스 누출을 감시하는 시스템도 개발하고 있다.
사진분석에 강점을 보유한 일본기업과 연계해 진행하고 있으며 기술 고도화를 위해 오픈 이노베이션도 적극화할 계획이다.
IoT 기술 고도화가 보급 뒷받침
일본은 특히 IoT 활용에 주목하고 있다.
Yokogawa Electric과 Yokogawa Solution은 IoT를 활용함으로써 플랜트의 다양한 과제를 해결할 수 있는 기술을 개발하고 있다.
플랜트 가동기술(OT) 영역에서는 고정밀도 센서, 통합생산체제시스템(DCS) 등의 기간계열 시스템을 활용해 감시·제어를 실시하고 있으며 산업용 IoT 영역에서는 저렴한 센서를 대량으로 설치하고 수집한 데이터를 분석·해석함으로서 이상징조 파악, 설비관리 효율화 등의 효과를 얻을 수 있을 것으로 기대하고 있다.
산업용 IoT 소형 무선센서를 개발하고 조기 상용화를 추진하고 있으며 장기적으로는 OT와 산업용 IoT를 융합시킴으로써 유연성과 확장성을 보유한 안전한 가동을 지원할 방침이다.
Yokogawa Electric이 구상하고 있는 산업용 IoT는 오랜 기간 축적해온 OT 관련 기술과 상호보완하며 연계되는 것으로 정밀도가 높고 안정된 계측장치를 활용해 플랜트를 제어함으로써 안정 가동하는데 일조할 것으로 기대되고 있다.
탈착·제거가 용이하고 전선이 필요 없는 소형·경량 무선센서를 배관 등에 대량 설치해 다양한 데이터를 계측·수집하고 게이트웨이 기기를 통해 무선으로 클라우드 서버에 보내 분석하는 형식으로 진행된다.
아울러 소형 무선센서는 측정 대상기기와 배관 등 복수의 장소에 간편하게 부착할 수 있어 정기보수 후 재가동시 설계대로 가동하는 것을 확인하는 용도, 이상 발생 시 원인을 특정하는 용도로도 활용이 가능할 것으로 기대됨에 따라 개발과 동시에 비즈니스 모델 검토도 추진하고 있다.
Hitachi는 Daicel과 공동으로 산업현장 작업자 및 생산설비의 이상을 예측할 수 있는 화면분석 시스템을 개발했다.
생산현장에 고속카메라, 고정카메라를 비롯해 총 5종의 카메라를 투입시켜 인간과 기계의 동작을 센서로 감지하며 화면데이터를 AI로 분석함으로써 이상동작이 확인되면 감시자에게 알람을 통해 알리는 시스템이다.
작업자의 손, 얼굴, 신체 전체의 동작 정보를 거리카메라를 통해 수집하고 미리 작성한 동작모델과 대조하며 이상 동작을 감지한다.
설비와 소재 등도 미리 촬영해두었던 사진과 대조해 이상을 감지할 예정이다.
실시간으로 정보를 추출해 데이터를 분석함으로써 이상을 조기에 발견함으로써 품질 안정화 등의 효과를 얻을 것으로 기대되고 있다.
Daicel이 2015년 2월부터 16개월 동안 실시한 실증 실험 결과에 따르면, 동작 이상 인식율은 90%를 넘어선 것으로 파악된다.
Daicel은 2016년 해당 시스템을 자동차 에어백용 인플레이터 제조공장에서 본격 적용했으며 앞으로 미국 애리조나 공장 등 해외 주요 6개 공장에도 순차적으로 도입할 계획이다.
Teijin은 2차원 통신 시트를 활용한 무선인식(RFID)을 통한 관리 시스템을 중심으로 IoT 솔루션을 전국적으로 추진하고 있다.
특히, 의료현장 및 물류를 중심으로 적용 사례를 확대하고 있으며 제조업 분야에서도 공장과 협력해 평가 검증을 추진하고 있다.
오픈 이노베이션 통해 규모화
일본은 스마트 팩토리 본격화를 위해 정부와 화학기업들의 연계를 강화하고 있다.
경제산업성이 추진하는 화학 플랜트 IoT화 사업에는 Asahi Kasei Chemicals, Sumitomo Chemical, Maruzen Petrochemical, Mitsui Chemicals, JSR, Nippon Shokubai, Zeon, Mitsubishi Chemical, Showa Denko, Daicel, Tosoh, Nippon Steel & Sumitomo Metal, Idemitsu Kosan 등이 참여하고 있다.
참여기업들은 그동안 각자 수집한 데이터 1만개와 함께 새롭게 공동으로 수집할 실측 데이터 5000개를 통합·분석함으로써 플랜트 배관의 외부부식을 예측해 유지보수 수준을 향상시킬 방침이다.
일본은 그동안 화학 플랜트의 보안 및 유지보수를 현장 기술자에게 의존했으나 숙련공이 대거 퇴직하고 있고 고령화 영향으로 젊은 기술자 확보가 어려워짐에 따라 IoT와 빅데이터를 활용한 유지보수에 주목하고 있다.
우선 경쟁기업에게 사업 노하우가 유출될 가능성이 낮은 배관 등의 외부부식을 예측하는 사업을 추진하고 있으며 앞으로도 화학기업들이 보유하고 있는 다양한 데이터를 공유해 화학산업 전체의 보안 및 유지보수 수준을 개선하는데 활용할 방침이다.
배관의 외부부식은 기술자가 눈으로 보고 확인하면 되는 작업이지만 보온재로 주변을 둘러싼 배관은 검사할 때마다 보온재를 제거하고 재설치하는 등 작업이 번거로운 것으로 지적돼 왔다.
또 높은 곳에 설치된 배관은 점검 시 발판 등의 장비가 필요하기 때문에 작업 및 코스트 부담이 컸다.
참여기업들은 Asahi Kasei Chemicals의 주도 아래 과거 배관 외부부식 검사 후 작성한 데이터를 기온, 기상, 배관형태 등 25항목의 포맷으로 다시 정리해 공유하며 최신 실측 데이터와 비교함으로써 외부부식이 발생하는 기상조건 등을 규명할 예정이다.
분석에는 부식과 관련된 전문가도 참여할 예정이며 보온재를 제거하지 않고도 검사가 가능한 중성자수분해도 일부 사용할 예정이다.
일차적으로 데이터 수집 및 분석을 진행한 후 장기적으로는 외부부식 발생을 감지할 수 있는 시스템을 구축함으로써 배관 점검 작업의 효율화를 실현시킬 예정이다.
경제산업성은 산업현장에서 설비 운영 및 가동 상황 중에 얻은 빅데이터를 소프트센서에 입력함으로써 보안능력을 향상시키는 산업보안 스마트화도 강조하고 있다.
이에 따라 Mitsui Chemicals이 20여개의 석유화학기업 및 엔지니어링 관련기업, 계산과학 관련기업, 반도체기업, Tokyo대학, Kyoto 대학 등과 함께 석유화학설비에 설치한 온도·압력 측정센서를 통해 수집한 데이터를 기반으로 가동상황을 실시간으로 모니터링하는 소프트센서(가상센서) 기술을 확립하기 위한 공동개발을 추진하고 있다.
석유화학 플랜트는 설비 곳곳에 온도, 압력, 유량 등을 축적할 수 있는 하드센서가 설치된 상태로 이론적으로는 측정치를 매분 확인할 수 있으나 농도 분석 등의 장비는 고가이기 때문에 하나의 장비로 여러 설비를 관리하는 경우가 많아 실시간 분석이 어렵다는 점이 지적돼왔다.
또 하드센서를 설치하기 어려운 공정도 있기 때문에 기존 기술만으로 석유화학공장 전체를 실시간 감시하는 것은 어려운 것으로 판단되고 있다.
하지만, 소프트센서를 활용하면 하드센서로 해결할 수 없던 실시간 모니터링을 실시할 수 있어 품질 향상, 설비 관리코스트 감축, 이상 조기발견 등을 통해 플랜트를 안정가동할 수 있을 것으로 기대되고 있다.
참여기업들은 Tokyo대학 연구팀이 개발한 통계분석공법을 바탕으로 하드센서를 통해 농도, 밀도 등의 데이터를 수집하며 과거 가동 데이터와 접목·분석해 온라인으로 다음 가동상황, 생산제품의 물성을 예측하는 시스템을 개발하고 있다.
또 새로운 가동데이터를 확보하면 실제 설비의 노후상태에 맞추어 모든 정보를 갱신할 수 있도록 공법을 확립하고 있다.
2년 후 상용화를 목표로 개발하고 있으며 반응기, 증류기, 에틸렌 및 초산(Acetic Acid) 리사이클 공정 등에 적합한 시뮬레이션 소프트를 개발하는데 성공한 것으로 알려졌다.
연구 성과는 참여자 모두가 공유하며 석유화학기업들은 자사의 석유화학 플랜트에 해당 소프트센서 기술을 직접 적용할 예정인 것으로 알려졌다.
일본은 산업기술종합연구소 소속 컨소시엄 연구회인 「스마트 컴플렉스 연구회」 등의 주도 아래 컴플렉스 단위의 스마트화도 추진하고 있다.
석유화학 컴플렉스는 다양한 산업과 관련기업들이 합쳐 힘을 발휘하고 있으나 구성원 각각의 이익구조 등 고려할 요소가 많아 전체 차원의 최적화가 어려운 것으로 평가됐으나 글로벌 시장환경 변화 및 산업구조 변화에 맞추어 컴플렉스도 스마트화를 추진해야 생존이 가능할 것으로 판단되고 있다.
이에 따라 일본은 차세대 스마트 컴플렉스를 실현시켜 원료, 생산제품 뿐만 아니라 폐열 및 폐기물까지 모든 흐름을 파악해 물질과 에너지를 적절하게 배분하는 등 전체의 효율성을 향상시키는 것을 목표로 하고 있다.
독일이 추진하고 있는 Industry 4.0에 따른 전국 스마트 팩토리 통합과 비슷한 구상으로 그동안 화학 메이저들이 단일공장 단위로 스마트 팩토리를 도입한 성공사례를 수집해 여러 플랜트, 컴플렉스 전체로 확대함으로써 생산 시스템 전체에서 효율화를 도모할 예정이다.
최종적으로 각 모듈을 최소화하고 에너지 로스 및 폐기물을 최대한 제로에 가까운 수준으로 줄일 예정이다.
이미 Keihin, Kyoba, Kashima 등에서 자치단체 단위로 차세대 스마트 컴플렉스 구축을 위한 움직임이 등장하고 있으며 구체적인 성과도 나오고 있다.
앞으로는 정부의 본격적인 지원은 물론 각각의 관련기업들이 강력하게 참여할 것이 요구되고 있다.
차세대 스마트 컴플렉스를 구축하기 위해서는 이전과는 차원이 다른 대규모 연계가 필요한 것으로 파악된다.
<강윤화 기자: kyh@chemlocus.com>
<화학저널 2017년 5월 29일>
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