Industry 4.0

4차 산업혁명

1) 산업의 발전과정
(1) 1차 산업혁명 : 18세기
- 증기기관 발명
- 기계를 이용한 공장 생산체제의 개막
- 부르주아 계급의 등장

(2) 2차 산업혁명 : 20세기 초
- 컨베이어 벨트의 등장
- 작업표준화와 분업 시작
- 대량생산 체제에 진입

(3) 3차 산업혁명 : 1970년대 이후
- 공작기계, 산업용 로봇의 등장
- 공장자동화
- 생산성 혁명

(4) 4차 산업혁명 : 2020년 이후 전망
- 기계가 능동적으로 판단할 수 있는 지능을 갖춤
- 기존 소품종 대량 생산의 속도에 맞춰 다품종 소량생산이 가능함

2) 4차 산업혁명
- 정의 : 전통적인 산업 기술과 최근의 정보통신기술을 결합한 사이버 물리시스템을 기반으로 한 제조 기술의 변혁
사이버 물리시스템(Cyber-Physical System)의 유연하고 가벼운 생산체계
개인화된 제품의 생산과 신제품을 신속하게 출시할 수 있는 유연한 생산체계
- 기술 : 중앙화된 생산제어방식 -> 제품소재 단위로의 분산제어방식 변환
기계가 스스로 판단하여 동작하고 에너지 효율을 제어할 수 있는 하나의 자율생태계 기술

주1) CPS(Cyber-Physical System)
- 물리적 현실 세계에 속한 사람과 센서 및 액추에이터를 인터넷 서비스, 인공지능 시스템, 각종 정보량이 존재하는 사이버 세계와 연결해주는 매개체

주2) 액추에이터
입력신호에 대응하여 작동을 수행하는 장치

3) 4차 산업혁명의 출현배경
- 대량 고객 맞춤 생산방식(mass customization)의 필요 : 짧아지는 제품 수명과 빨라지는 신제품 출시주기에 비해 소비자들의 기대수준은 높아짐
- 소비 패러다임 변화 : '저임금 국가 생산과 선진국 소비위주'의 패턴에서 '글로벌 생산과 글로벌 소비'로의 패러다임 변화로 인해 전세계 어느 곳에서 생산하더라도 동일한 품질, 비용의 제품이 가능해야 함
- Reshoring : 해외제조비용 증가로 인하여 저임금 요소보다는 비임금요소의 가치가 부각되어 해외이전기업의 본국귀환
(노동생산성, 노동유연성, 고객접근성, 지자체 지원, 현지시장 트렌드)

주3) 10년간 평균임금의 급증으로 인하여 중국의 저임금 매력이 사라졌으며 향후 보다 더 심각해질 것으로 예상됨

Industry 4.0이란?
1) 정의
- '연결공장(networked factory)'으로 통신 네트워크를 통해 공장 안팎의 사물과 서비스들을 연계 -> 새로운 Biz Model구축

2) 추진현황
(1) 독일(Industrial 4.0)
- 목표 : 생산 효율성 30%이상
- 추진내용 : 현 인구감소와 전문인력 부족 문제 해결을 위해 ICT와 Robot을 활용함
2006년 독일의 10대 하이테크 전략 중 하나로 수립
2011년부터 인더스트리 4.0관련 Pjt에 약 2800억원 투자
(프라운호퍼 연구소, 도이치텔레콤, 티센크루프, DHL)

(2) 미국(Industrial Internet)
- 목표 : 해외제조공장의 미국복귀 및 제조업 경쟁력 회복(Reshoring, Remaking America)
- 추진내용 : 오바마 대통령 직속 선진 제조업 강화 전략(AMP : Advanced Manufacturing Partnership)추진
제조경쟁력을 높이고 차별화된 부가가치 창출
사물인터넷, 3D프린터, 사이버 물리시스템 육성

(3) 일본(산업재흥플랜 6대 전략 37개 과제)
- 목표 : 장기경기 침체 탈출위한 산업경쟁력 강화
- 추진내용 : 첨단장치 제조산업, IoT, 사이버물리시스템 분야 육성

(4) 기타
- 영국(FOF : Factory of the Future)

사이버 물리 시스템(CPS)
1) 정의
- Smart Factory구현을 위해 필요한 플랫폼으로 가상-실세계 시스템을 의미함
(Cyber-Physical Systems)
- 산업계의 IoT라고도 명명함

2) 구조
- CPS는 실제세계와 사이버 세계의 중간지점에 위치하며 S/W, 센서, 정보처리 장치 등에 기반한 Smart Manufacturing를 지원함

- 서비스 인터넷 : 외부환경과의 통신(신호체계, 교통정보, 이웃차량, 날씨정보, 사고정보 등)
- 사이버 물리 시스템 : 센서, 서비스와의 통신을 통해 정보 수집, 의사결정을 하여 구동계, 조향계 제어
- 사물 인터넷 : 부착센서와의 통신(카메라, 레이더, 레이저 센서, 위치 센서, 온도 센서 등)

3) 운영방식
- 외부환경, 부착센서와의 통신을 통해 수집된 정보를 자율적으로 분석하고 의사결정하도록 함
- 반제품과 소재에 스마트메모리를 부착하여 공장내 기기들과 통신을 수행하고 소통하며 스스로 생산, 가공경로를 결정하여 제조됨

주1) SemProM(Semantic Product Memory) : QR코드와 RFID에서 진보한 미래형 스마트 메모리의 표준으로 산업형 CPS의 핵심요소
(메모리+Microprocessor+리눅스OS+인터넷 서버+유무선통신모듈)

4) 왜 가능한가?
- 인프라 구축 용이 : 센서가격↓, 성능↑, 크기↓, 통신모듈 삽입 가능
- 데이터 분석 기술 발전 : 방대한 데이터의 실시간 처리기술 개발

5) 필요기술
(1) 센서구동 컴퓨팅
- 제품에 센서를 달아 제품 구동에 의한 유용한 통찰력을 이끌어 낼 수 있음
예) 미쉐린 : 타이어와 엔진에 센서를 부착하여 연료저감방안을 찾아 사용자에게 제공함

(2) 산업용 애널리틱스
- 센서나 다른 장치들이 모은 자료를 근거로 실행가능한 통찰력 도출
예) GE : 기관차에 250개 센서를 달아 1분에 15만 가지의 정보를 측정 => 실시간 분석 => 예측대응
(기계결함에 대한 예방관리, 제품제조 공정 효율화)

(3) 지능형 기계 애플리케이션
- 기계와 제어 S/W를 하나로 결합한 지능형 기계 애플리케이션
예) Nest 온도조절기 : 하루 일과에 따라 달리 설정되는 냉난방온도 데이터를 분석하여 사용자의 사용패턴을 알아내어 실내온도를 최적화함

6) POSCO 광양제철소 사례
(1) 이슈사항 : 철을 만드는데 순수한 산소가 필요하나 이를 위해 많은 에너지가 소모되어 비용 증가 -> Operation 최적화 필요
(2) 방법
- 상세 센싱 Data 확보 : 수백대 -> 3000개 이상 설치
- 단위설비별 에너지 효율 모니터링 : 에너지 누수를 능동적으로 제어, 필요 산소량을 실제에 가깝게 예측
- 전력단가가 낮은 시간대에 공장을 집중 가동하여 산소량 수요 충족운영함
(3) 효과
- 연간 60억원 저감

Smart Manufacturing의 필요성
1) IT(정보계)-OT(현장계)의 통합 대응
- 제조와 생산이 이루어지는 현장계와 정보가 수집되고 처리되어 통찰을 도출하는 정보계가 분리되어 효율성이 떨어짐
예) Seamless연계가 안됨 : 생산현장의 Data가 연관된 모든 사람과 설비에 공유가 되지 않고 기록으로 남았다가 버려짐
현장계에서 로봇 등 설비자동화되어 있어도 정보계에서 분석한 최적화 Solution의 반영을 위해 별도 프로그래밍하여 반영해야 함

2) Manufacturing PHM을 통한 글로벌생산 대응
- 글로벌 생산, 글로벌 소비 -> ICT기술을 이용한 전세계 공장 운영의 효율성을 높여 제조원가를 최소화해야 함
(세계 최강 제조국이 되려면 글로벌하게 산재된 여러 파트너들의 복잡한 산업공정을 관리할 수 있는 능력 필요)
예) 중국 A공장에서 발생할 로봇의 고장을 미국 본사에서 미리 감지해 조업 정지시간(Down-time)을 최소화

3) Mass Customization에 대한 효율적 대응
- 제품개발~상품제조~사후서비스 단계까지 모든 공정의 최적화를 통한 효율성 개선 -> Cost 저감
예) 소재/부품에 스마트 메모리 부탁 -> 제품의 완성단계까지 주변기기와 소통 -> 필요한 공정을 스스로 찾아감(사람 개입 최소화)
-> SemProm(Semantic Product Memory) : 미래형 스마트 메모리의 표준으로 소형 PC수준의 기능을 갖추고 있어 Industry IoT에 필요한 기술