기업명 :

발표자 :

Smart Factory 구현을 위한 자동화 시스템의 Engineering 설계

한국스마트제조산업협회

권대욱 전문위원

Contents

Ⅰ. 제조 공장에서의 자동화의 영역

Ⅱ. Smart Factory 구축 Process 및 Engineering의 고려 사항

Ⅲ. Smart Factory 구축을 위한 Engineering의 역할

[ 산업혁명에 따른 기술의 Turn Point ]

1784년

최초의 기계식 직조기

1870년

최초 생산 라인 신시내티

도축장

1969년

최초의 PLC (Modicon 084) ARPANET (The beginning of the

Internet)

Industry 1.0 Industry 2.0 Industry 3.0 Industry 4.0

▪ 물/증기로 가동되는 기계 설비 도입

▪ 전기 설비에 의한 대량 생산 체계 및 분업화

▪ 제조업의 자동화 확산 ▪ IT 활용, 자동 제어

▪ CPS에 기반한 Smart Factory ▪ AI, IoT, Big Data, Cloud 등의 기술

1800 1900 2000 2015~

2차 산업혁명 1차 산업혁명 4차 산업혁명 3차 산업혁명

2015년

Industry 4.0 구현 전략

Digital

Transformation Platform Smart Factory

4차 산업혁명

‘변화 및 환경’ 대응

4차 산업혁명 시대 구현을 위한 핵심은

Gray Hamel

“하이테크 세상에서는 산업혁명을 일으킬 수 있는 기업만이 살아남는다”

- 오늘날의 기업은 상품, 서비스가 아니라 혁신적인 비즈니스 아이디어 개발 능력으로 경쟁한다

Ⅰ. 제조 공장에서의 자동화의 영역

1. 제조 공장의 시스템 체계 및 자동화의 영역

제조 공장의 시스템 체계

ERP SCM MES ESH PLM

…

Fieldbus SEMI / OPC Industry

Ethernet

Connectivity

&

Protocol

DeviceNet

Modbus

PROFIBUS

CC-Link

HART …

POWERLINK

EtherNet/IP

PROFINET

…

OT

IT

Control S/W

HMI / SCADA

Machine

& Field Device Sensor, Valve,

Actuator, Detector

Instrument …

Equipment,

Conveyor

AMHS,Utility

Controller

Control &

Monitoring

PLCs

Machine

GEM

SECS-II

SECS-I

HSMS

Sensor & Actuator

주) IT : Information Technology, OT : Operation Technology, OEE : Overall Equipment Effectiveness, AMHS : Automated Material Handling System

PLC/PAC

HMI/SCADA, S/W

Safety, Redundancy (이중화)

IO-Link - Smart Sensor

Motion

Robot

설계 : 기계, 전장, 제어, 통신, 공압 등

통신 Interface

- Fieldbus, Industrial Ethernet

- OPC/OPC UA

전사 경영 시스템 연계

- 설비 관리, 에너지 현황, 설비 종합 효율(OEE) 등과

KPI 연계 및 통합 관제

Field

Layer

Control &

Interface

Layer

Operation

Layer

Management

Layer

Machinery Sensor & Field Instrument

PLCs

ERP SCM

MES

설비 관리

KPI & Report

Dashboard

4

2 3

IIoT Platform : 실시간 Data의 수집/연계 Big Data Platform : Data 활용 체계 Analysis Platform : Data 분석 및 Pattern 분석

2

생산 지시 및 실적 관리 Lot Tracking

설비 관리 3

설비 예방 정비 및 예지 정비(PdM) 체계 EWS (Early Warning System)

Connectivity

MES

Equipment, Utility, Robot

Analysis Platform

통합 모니터링 1

실시간 공장/품직 및 설비의 운영 상태 Monitoring

KPI 현황 및 Visibility 제공 Legacy System (ERP, SCM, PLM 등)

통합 모니터링 / 분석 및 가시화

4

1

ESH PLM

상태 Monitoring

예방/예지 정비

Analytic Engine

Algorithm

Information

Visibility

Data Analysis

Data

Integration

Control

Data

Engineering

Connectivity

Big Data

Platform

IIoT

Platform

Machine

Learning

자동화/제어 Engineering 5

자동 제어 시스템 (PLC) Machine 및 Robot, Sensor, Instrument 등 통신 Protocol

5

제조 공장의 시스템의 기능별 분류

시스템 기능별 분류

2. 제조 산업에서의 핵심 역량

Engineering

Automation

제어

품질 관리

제조 핵심 역량 : 공장 운영에 필수적인 운영 및 Engineering

전사 경영 시스템 및 IT System (SCM, ERP 등)

제조 운영 역량 기반 시스템

공정 및 물류 등의 운영 Knowhow

설비 관리

통신 생산 실생 시스템 (MES)

제품 개발 및 R&D (PLM, CAD/CAM 등)

Engineering 역량은 공장 지능화를 위한 기본 요소

Smart Factory 구축을 통하여 제조 기업의 제조 핵심 역량을 강화

Smart Factory

Smart Factory 구축 목적은 Smart Factory 자체가 아니라,

Smart Factory를 통해 생산하는 제품에 있음 – 혁신 활동

Industry 4.0

• Smart Product

• Smart Logistics

• Smart Factory

• Smart Service

⸢Industry 4.0 구현 전략⸥

‘개인화된 고객의 요구 사항’을 충족시키기 위해 생산 체계를 전면적으로 개편

대량 생산 또는 대량 맞춤(Mass Customization)

=> 개인 맞춤형 제품(Personalized Product)

Ⅱ. Smart Factory 구축 Process 및 Eingineering의 고려 사항

1. Smart Factory 구축 Process

현황 분석

- 진단 및 성숙도 수준 평가

- 요구 사항 도출 - Bench Marking

(선진 사례, 자문 등) - 제조 IT & OT 분석

Smart Factory

To-Be Image 설정

* ‘경영 전략’과 Mapping

단계별 To-Be 정리 (기간 및 영역)

- 1st To-Be : Pilot

- 2nd To-Be : 확산 - 3rd To-Be : 고도화

To-Be 과제 상세화

- 세부 과제 정의 - 실행 Roadmap 수립 - 과제간 연관 관계 분석, 우선 순위 결정

투자 계획 수립

- 단계별/연도별 소요 예산 산정 - 구축 일정 수립

구축 시스템 기능 정의 및 분석/설계

- Concept Design

- Detailed Design

• 수행 조직 및 현업 주도의 정기적인 기술 모임 추진 • 변화 및 혁신 활동 공유

운영 및 유지 보수

Smart Factory 구축 Process (개요도)

진단 계획서 진단 결과서 (수준 평가) To-Be Image

단계별 구축을 위한 수행 계획

- 요구 사항 분석/정의 - 수행 계획서 작성

개발 및 구현

- Solution 적용 및 Customizing - System Interface 및 Application 구현

단위/통합 Test

- 기능 및 Module Test

- 장비 및 Solution 연계 Test

시운전/안정화

지속적인 조직/부서간 협업 체계

수준 진단 및 Preliminary Planning

구축 및 이행 Master Plan 수립

Activity

산출물

Operation

과제 정의서 수행 계획서 RFP

기본/상세 설계서

검증 및 성과 분석 - Feedback

전단 조직 구성 및 진단 계획

기업의 제조 경쟁력 강화 및 ‘Smart Factory’ 체계 정립을 위한 현황 분석 및 Master Plan 수립의 추진 방향을 제시 함

현황 분석 및 현재 수준 진단

현황 분석

영역별 현황 분석 후 이를 토대로 한 Master Plan 수립 진행

공장 통합 운영의 추진 전략 수립

- Vision 및 전략 수립

공장 통합 운영의 추진 과제 상세 정의

- 과제 우선 순위 및 Quick-win

과제 선정, 과제 연관성 분석

- 추진 과제 Roadmap

- 추진 과제 상세 정의

단계별 Roadmap

과제별 투자 대비 효과(ROI) 분석

추진 방향성 및 Activity

Vision 및 추진 Roadmap 수립 구축 방안 수립

공장 통합 운영 체계 Master Plan 수립

Master Plan 수립에 따른 단계별

Roadmap 적용

- 연도별/단계별 구축 방안

기대 효과 검증을 위한 방안 검토

- 시범 라인 및 Pilot 구축 안

- Simulation 기반 검토

Smart Factory 연계 방안 검토

전담 조직 구성

진단 계획서 작성 및 사전 준비 (자료 접수)

현업 Interview

- 계층별/현업별 개선 사항 및 이슈 사항 도출

공장 현황 파악 및 시스템 현황 분석

영역별 수준 진단 및 평가

- 개선점 및 대안 제시

- 개선 과제 정의

1. Smart Factory 구축 Process > 1) 추진 방향성

2. Engineering 관점에서의 고려 사항

신규 공장을 투자에 의해 건설 및 구축되어 지는 형태

EPC(Engineering Procurement Construction) 형태의 사업 구조

공장 기획 및 공정 운영을 포함한 전반적인 사항 검토

Green Field Brown Field

Smart Factory 구축을 위한 고려 사항

기존 공장을 대상으로 설비 교체 및 Upgrade하는 형태

시범 라인(Pilot) 구축을 통한 단계별 추진

기존 시스템과의 연계 및 중복 투자의 가능성 검토

Check Point 1 기존 설비/장비와의 연결성 (교체 또는 Upgrade), 물류 Process, Foot Print

Check Point 2 Protocol 및 통신 Interface (이기종 시스템 연계) 정보 Infra 및 통신 망

Check Point 3 구축 비용 - IT 및 Legacy System과의 연계, 이중 투자 요소 검토

Check Point 4 Man-power - 재배치 및 활용

Smart Factory 구축에서의 자동화의 고려 사항

2. Engineering 관점에서의 고려 사항 – 1) Data 자동화 및 통신

Enterprise

MES/MRP/ERP

System Configuration/Monitoring

Network / Protocol

Internet Viewer

Client/Web

HMI/SCADA

Network / Protocol

Touch Master PLC

(Logic Controller)

Network / Protocol

Sensors Switches Relays Temperature

Controller

Motion

Controller Relays

Sensors Switches

Sensor Data

PLC/Controller

Data

Operation Data

Supervisory

Level

Process Level

Field Level

Data 연계를 위한 제조 시스템의 Data Source

Legaycy System Data

설비 및 Part의 Specification

http://www.omron-ap.com/product_info/MY New Model/MY New Model_relay.jpghttp://www.omron-ap.com/product_info/SMARTSTEP/smartstep_servomotor.jpghttp://www.omron-ap.com/product_info/CQM1H-CLK21/CQM1H-CLK21.jpghttp://www.omron-ap.com/product_info/G3JA/G3JA.jpghttp://www.omron-ap.com/product_info/CS1W-RPT0[]/CS1W-RPT0[].jpg

다양한 Fieldbus 및 Protocol 존재

Fieldbus

〮 생산에 필요한 각종 장비/설비(Sensor, Actuator, 제어 Device 등)들의 운영 및 운전이 이루어지는 현장에서

데이터를 전송하는 디지털 직렬 통신망으로 Field는 장비/설비들이 운영 및 운전이 이루어지는 현장, Bus는

각 장비/설비 사이의 데이터를 전송하는 통로를 의미

산업용 Ethernet

〮 산업 현장의 제어기(PLC)의 Master & Slave 사이 통신에 인터넷 통신 개념이 도입되면서 2006년 ISO TC

184 SC5 전문위원회에서 ISO 15745 Open Systems Application Integration Frameworks의 Part 4인 Ethernet-

based control systems에서 규격 제정 시 탄생

Fieldbus 산업용 Ethernet

그외 Protocol

제조 산업에서의 Data 통신 Issue

HMI/SCADA

표준 Protocol를 적용한 산업용 네트워크의 통합 필요

- OPC UA, IIoT Platform, Gateway Box, IO-Link의 적용

Sensors & Actuators

PLC

ERP,

MES …

IIoT,

Gateway

IO-Link

OPC UA

제조 자동화 : Smart Factory

Smart Factory를 위한 통신의 Issue

Issue 1) IT System과의 연계의 어려움

이기종 시스템에 의한 데이터 수집 및 통합의 어려움

다양한 Fieldbus 및 Protocol로 통신의 어려움

Issue 2)

Issue 3)

Issue 1)

Issue 2)

Issue 3)

Sensor &

Actuator 물리적 연결

통신 Protocol

Fieldbus,

다양한 종류의 표준

통신 특성 Enterprise와의 분리, 제한된 Node 개수,

제한된 보안

Data 활용 제한적 수집/분석

제어 시스템 Controller 중심

제조 자동화 Smart Factory

통신으로 연결

표준 Ethernet, 단일 표준

Enterprise와의 통합, Node 개수 무제한,

보안 강화, 유무선 통합

무제한 수집 분석, Big Data

IT와 융합, IoT

제조 산업에서의 Data 통신 Issue

2. Engineering 관점에서의 고려 사항 – 2) 제어 시스템 설계

자동화 시스템의 Layout

Motion Distributed I/O

Blocks

Sensor, Instrument

I/O Signal

Hardwired

Safety Signal

Hardwired

Safety Signal

Hardwired

PLC Control Layer Fieldbus

HMI/SCADA

PLC

Robot

Network Protocol

Protocol

Sensor, Valve, Motor, Gauge …

Motion Control

Communication

Control Controller Control

I/O Control

I/O I/O

* I/O : DI, DO, AI, AO

표준 규격에 의거한 기구 및 전장(PLC) 설계

적용 표준 규격 정의

ISO 13849-1 제어 시스템

ISO 14119 Interlocking 장치

EN 60204-1 배선 및 전기 안전

IEC 61508 모듈 설계 및 소프트웨어 개발의 단계별 기능 검증 (V-Model 적용)

표준화된 통신 프로토콜 적용

- 표준 기반 Ethernet 적용 및 OPC UA 기술 적용

- 다양한 Fieldbus를 대응 가능하도록 설계

- Safety를 고려한 Protocol 적용으로 Safety Data의 안정적인 전송이 되도록 설계 반영

제어 시스템의 설계 기준

Maker 주요 PLC Product HMI 대응 Protocol

SIMENS

SIMATIC Series

SIMATIC S7-200,

S7-300, S7-400,

S7-1200, S7-1500

SIMATIC WinCC

SIMATIC WinCC OA PROFIBUS / PROFINET

GE

FANUC SERIES

90-20, 90-30, 90-70

RX3i PacSystem

RX7i PacSystem

CIMPLICITY GE Series

Rockwell

Automation

ControlLogix 5570/5580

CompactLogix 5370/5380

FactoryTalk

RSView

DeviceNet /

EtherNet/IP

ABB AC500 Series DigiVis 500 EtherCAT

Schneider Modicon Vijeo Citect Modbus/TCP

CANopen

OMRON CJ 1, CJ2, CS Series Sysmac Studio DeviceNet /

EtherCAT

EtherNet/IP

MITSUBISH

I

MELSEC Q Series,

L Series, F Series

GOT2000 Series

GOT1000 Series

CC-Link /

CC-Link IE

PILZ PSS4000 PAS4000 SafetyNET p

B&R X20 Automation Studio ETHERNET POWERLINK,

openSAFETY

Beckhoff TwinCAT - EtherCAT

Maker별 PLC 현황 및 선정

SIEMENS

Schneider

LS산전

MITSUBISHI

2. Engineering 관점에서의 고려 사항 – 3) 산업용 Robot

산업용 Robot의 분류

기계적인 구조에 따른 산업용 Robot의 분류

직교좌표형

원동좌표형

• SCARA(Selective Compliance Assembly Robot Arm)

- 관절 운동이 수평 (XY 축), 4축 구성

• 각 축들이 직선 운동하는 형태 (보통 직교 Robot/XY Robot)

극좌표형

다관절형

수평 다관절형

수직 다관절형

• 2개의 직선 축 + 1개의 회전 축의 결합

• 직선 축과 회전 축을 혼용

• 회전 축으로만 구성, 5~7축 구성

Parallel

Link Bot • Delta Robot - 3축 또는 4축 구성

수직 다관절형

원통좌표형 SCARA

Delta Robot

협업 Robot

인간과의 직접적인 상호 작용을 위해 설계되어, 인간과 함께 안전하게

작업 할 수 있는 Robot

가볍고 유연하며 새로운 작업으로 이동 및 프로그래밍이 용이

충돌 대응 안전 기술, 빠른 Teaching 및 간편한 조작 (직접 위치 지시)

관련 규격

적용 표준 규격 정의

ISO 10218-1 산업용 로봇의 안전 사항

ISO/TS 15066 협업 Robot이 인간과 안전하게 작업 할 수 있는 규격 정의

2. Engineering 관점에서의 고려 사항 – 4) 물류 Layout

물류 Layout 설계를 위한 중점 사항

Product Process (공정 기준)

Layout, 공정별 설비/운영/작업 인력 현황

공정 Capa. TAT, Line Balancing 수준

공정 및 설비 자동화 수준

물류 자동화 수준 – Lot Track, Load/Unload, 이송 등

Setup 및 설비 교체 유연성 수준

Lot Dispatching, 설비 Scheduling

물류 효율화 운영 검토 반영

설계 기준

설계

반영 사항

최적화된 설계 반영으로 설비/장비의 안전성 및 신뢰성 확보

표준에 의한 일관성 있는 시스템 제작 및 유지 보수에 반영

기술 Leading 및 Ownership 확보

통신

표준 제어 설계 사양서

표준 통신 사양서

제어 시스템

제어 설계 표준화

• 계층구조의 모듈화 설계를 통한 모듈 단위 검증 • S/W Logic의 기능별 검증된 Function Block 제공

Safety 표준화

• 일반 제어와 Safety system 영역 분리 적용 • Safety 프로토콜(SIL 3) 에 의한 안전관련 데이터 관리

Process 표준화

• 형상 관리 Tool 적용 및 표준 Library 구축 • 설계/도면, 공정 등의 제어/관리및 산출물 관리의 표준

통신 표준화

• 다양한 Fieldbus의 표준화된 단일 인터페이스 제공 • 산업용 Ethernet 및 OPC UA 대응

Safety

형상 관리

표준 사양서(Standard Specification)의 정립

Ⅲ. Smart Factory 구축을 위한 Engineering의 역할

Smart Factory에서의 Engineering의 역할

운영 및 Engineering 역량 ICT와 신기술

지능화, 연결화, 가상화

IoT Big Data Cloud

Co-Robot VR AR

AI Deep

Learning

3D Printing CPS

제어/자동화 통신

공장 운영에 필요한 Classic한 기술 - 제조 핵심 역량

융합/접목 기술

제조 운영 기술 - 품질/설비 관리, 운영 Knowhow

운영 역량 및 Engineering 기술을 토대로 ICT를 융합한 Smart Factory의 완성

주) IoT : Internet of Thing, VR : Virtual Reality, AR : Augmented Reality, AI : Artificial Intelligence

제조 운영, Engineering 및 핵심 역량의 체계화, 신기술 및 ICT의 융합을 통한 Smart Factory

기반 Solution

- MES, PLM …

Machine

Learning

연구 개발 개념 설계 상세 설계 구현 Engineering

Process

[ 마무리 ]

1. Smart Factory 도입의 적기

- Smart Factory는 제조 경쟁력 강화 및 기업 경영의

바탕이 되는 일련의 혁신 활동으로 연계

2. 기업가 정신 (Entrepreneurship)

- 외부 환경 변화에 대응, 기회 추구,혁신적 사고와 행동