Smart Factory 구현을위한자동화시스템의 Engineering 설계 기업명 : 발표자 : 한국스마트제조산업협회 권대욱전문위원
Contents Ⅰ. 제조공장에서의자동화의영역 Ⅱ. Smart Factory 구축 Process 및 Engineering 의고려사항 Ⅲ. Smart Factory 구축을위한 Engineering 의역할
[ 산업혁명에따른기술의 Turn Point ] Industry 1.0 Industry 2.0 Industry 3.0 Industry 4.0 1차산업혁명 2차산업혁명 3차산업혁명 4차산업혁명 물 / 증기로가동되는기계설비도입 전기설비에의한대량생산체계및분업화 제조업의자동화확산 IT 활용, 자동제어 CPS 에기반한 Smart Factory AI, IoT, Big Data, Cloud 등의기술 1784 년 최초의기계식직조기 1870 년 최초생산라인신시내티도축장 1969 년최초의 PLC (Modicon 084) ARPANET (The beginning of the Internet) 2015 년 Industry 4.0 구현전략 1800 1900 2000 2015~
4 차산업혁명 Digital Transformation Platform Smart Factory 4 차산업혁명시대구현을위한핵심은 변화및환경 대응 Gray Hamel < 꿀벌과게릴라 (Leading the Revolution) > 하이테크세상에서는산업혁명을일으킬수있는기업만이살아남는다 - 오늘날의기업은상품, 서비스가아니라혁신적인비즈니스아이디어개발능력으로경쟁한다
Ⅰ. 제조공장에서의자동화의영역
1. 제조공장의시스템체계및자동화의영역 제조공장의시스템체계 IT ERP SCM MES ESH PLM 전사경영시스템연계 - 설비관리, 에너지현황, 설비종합효율 (OEE) 등과 KPI 연계및통합관제 Control & Monitoring Control S/W HMI / SCADA PLC/PAC OT Controller Machine PLCs Machine Equipment, Conveyor AMHS,Utility HMI/SCADA, S/W Safety, Redundancy ( 이중화 ) IO-Link - Smart Sensor Motion Robot 설계 : 기계, 전장, 제어, 통신, 공압등 & Field Device Sensor & Actuator Sensor, Valve, Actuator, Detector Instrument Connectivity & Protocol DeviceNet Modbus PROFIBUS CC-Link HART Fieldbus POWERLINK EtherNet/IP PROFINET Industry Ethernet GEM SECS-II SECS-I HSMS SEMI / OPC 통신 Interface - Fieldbus, Industrial Ethernet - OPC/OPC UA 주 ) IT : Information Technology, OT : Operation Technology, OEE : Overall Equipment Effectiveness, AMHS : Automated Material Handling System
시스템기능별분류 제조공장의시스템의기능별분류 Management Layer 1 ERP ESH 통합모니터링 / 분석및가시화 SCM KPI & Report Dashboard PLM 1 통합모니터링 실시간공장 / 품직및설비의운영상태 Monitoring KPI 현황및 Visibility 제공 Legacy System (ERP, SCM, PLM 등 ) Operation Layer Control & Interface Layer 2 3 설비관리 MES 상태 Monitoring 예방 / 예지정비 PLCs 5 4 Analytic Engine Algorithm IIoT Platform Control Connectivity Data Engineering Analysis Platform Machine Learning Big Data Platform Information Visibility Data Analysis Data Integration 2 생산지시및실적관리 Lot Tracking 3 4 MES 설비관리 설비예방정비및예지정비 (PdM) 체계 EWS (Early Warning System) Connectivity IIoT Platform : 실시간 Data 의수집 / 연계 Big Data Platform : Data 활용체계 Analysis Platform : Data 분석및 Pattern 분석 Field Layer Machinery Equipment, Utility, Robot Sensor & Field Instrument 5 자동화 / 제어 Engineering 자동제어시스템 (PLC) Machine 및 Robot, Sensor, Instrument 등 통신 Protocol
2. 제조산업에서의핵심역량 제조핵심역량 : 공장운영에필수적인운영및 Engineering Engineering 제조운영역량 기반시스템 Automation 제어 통신 품질관리 설비관리 공정및물류등의운영 Knowhow 전사경영시스템및 IT System (SCM, ERP 등 ) 제품개발및 R&D (PLM, CAD/CAM 등 ) 생산실생시스템 (MES) Engineering 역량은공장지능화를위한기본요소 Smart Factory 구축을통하여제조기업의제조핵심역량을강화
Smart Factory Industry 4.0 Smart Product Smart Logistics Smart Factory Smart Service Industry 4.0 구현전략 개인화된고객의요구사항 을충족시키기위해생산체계를전면적으로개편 대량생산또는대량맞춤 (Mass Customization) => 개인맞춤형제품 (Personalized Product) Smart Factory 구축목적은 Smart Factory 자체가아니라, Smart Factory 를통해생산하는제품에있음 혁신활동
Ⅱ. Smart Factory 구축 Process 및 Eingineering 의고려사항
1. Smart Factory 구축 Process Smart Factory 구축 Process ( 개요도 ) 수준진단및 Preliminary Planning Master Plan 수립 구축및이행 Operation Activity 전단조직구성및진단계획 현황분석 - 진단및성숙도수준평가 - 요구사항도출 - Bench Marking ( 선진사례, 자문등 ) - 제조 IT & OT 분석 Smart Factory To-Be Image 설정 * 경영전략 과 Mapping 단계별 To-Be 정리 ( 기간및영역 ) - 1 st To-Be : Pilot - 2 nd To-Be : 확산 - 3 rd To-Be : 고도화 To-Be 과제상세화 - 세부과제정의 - 실행 Roadmap 수립 - 과제간연관관계분석, 우선순위결정 투자계획수립 - 단계별 / 연도별소요예산산정 - 구축일정수립 단계별구축을위한수행계획 - 요구사항분석 / 정의 - 수행계획서작성 구축시스템기능정의및분석 / 설계 - Concept Design - Detailed Design 개발및구현 - Solution 적용및 Customizing - System Interface 및 Application 구현 단위 / 통합 Test - 기능및 Module Test - 장비및 Solution 연계 Test 시운전 / 안정화 운영및유지보수 검증및성과분석 - Feedback 지속적인조직 / 부서간협업체계 산출물 진단계획서 진단결과서 ( 수준평가 ) To-Be Image 과제정의서 수행계획서 RFP 기본 / 상세설계서 수행조직및현업주도의정기적인기술모임추진 변화및혁신활동공유
1. Smart Factory 구축 Process > 1) 추진방향성 기업의제조경쟁력강화및 Smart Factory 체계정립을위한현황분석및 Master Plan 수립의추진방향을제시함 추진방향성및 Activity 현황분석 공장통합운영체계 Master Plan 수립 현황분석및현재수준진단 Vision 및추진 Roadmap 수립 구축방안수립 전담조직구성 진단계획서작성및사전준비 ( 자료접수 ) 현업 Interview - 계층별 / 현업별개선사항및이슈사항도출 공장현황파악및시스템현황분석 영역별수준진단및평가 - 개선점및대안제시 - 개선과제정의 공장통합운영의추진전략수립 - Vision 및전략수립 공장통합운영의추진과제상세정의 - 과제우선순위및 Quick-win 과제선정, 과제연관성분석 - 추진과제 Roadmap - 추진과제상세정의 단계별 Roadmap 과제별투자대비효과 (ROI) 분석 Master Plan 수립에따른단계별 Roadmap 적용 - 연도별 / 단계별구축방안 기대효과검증을위한방안검토 - 시범라인및 Pilot 구축안 - Simulation 기반검토 Smart Factory 연계방안검토 영역별현황분석후이를토대로한 Master Plan 수립진행
2. Engineering 관점에서의고려사항 Smart Factory 구축에서의자동화의고려사항 Green Field Brown Field 신규공장을투자에의해건설및구축되어지는형태 EPC(Engineering Procurement Construction) 형태의사업구조 공장기획및공정운영을포함한전반적인사항검토 기존공장을대상으로설비교체및 Upgrade 하는형태 시범라인 (Pilot) 구축을통한단계별추진 기존시스템과의연계및중복투자의가능성검토 Smart Factory 구축을위한고려사항 Check Point 1 Check Point 2 Check Point 3 Check Point 4 기존설비 / 장비와의연결성 ( 교체또는 Upgrade), 물류 Process, Foot Print Protocol 및통신 Interface ( 이기종시스템연계 ) 정보 Infra 및통신망 구축비용 - IT 및 Legacy System 과의연계, 이중투자요소검토 Man-power - 재배치및활용
2. Engineering 관점에서의고려사항 1) Data 자동화및통신 Data 연계를위한제조시스템의 Data Source Supervisory Level Legaycy System Data Enterprise MES/MRP/ERP System Configuration/Monitoring HMI/SCADA Operation Data Internet Viewer Client/Web Network / Protocol Process Level Master PLC (Logic Controller) Touch Network / Protocol PLC/Controller Data Field Level Network / Protocol Sensors Switches Relays Temperature Controller Sensor Data Motion Controller Relays 설비및 Part 의 Specification Sensors Switches
제조산업에서의 Data 통신 Issue 다양한 Fieldbus 및 Protocol 존재 Fieldbus 산업용 Ethernet 생산에필요한각종장비 / 설비 (Sensor, Actuator, 제어 Device 등 ) 들의운영및운전이이루어지는현장에서데이터를전송하는디지털직렬통신망으로 Field는장비 / 설비들이운영및운전이이루어지는현장, Bus는각장비 / 설비사이의데이터를전송하는통로를의미 산업현장의제어기 (PLC) 의 Master & Slave 사이통신에인터넷통신개념이도입되면서 2006년 ISO TC 184 SC5 전문위원회에서 ISO 15745 Open Systems Application Integration Frameworks의 Part 4인 Ethernetbased control systems에서규격제정시탄생 Fieldbus 산업용 Ethernet 그외 Protocol
제조산업에서의 Data 통신 Issue 제조자동화 : Smart Factory 제조자동화 Smart Factory Sensor & Actuator 통신 Protocol 통신특성 Data 활용 제어시스템 물리적연결 Fieldbus, 다양한종류의표준 Enterprise 와의분리, 제한된 Node 개수, 제한된보안 제한적수집 / 분석 Controller 중심 통신으로연결 표준 Ethernet, 단일표준 Enterprise 와의통합, Node 개수무제한, 보안강화, 유무선통합 무제한수집분석, Big Data IT 와융합, IoT Issue 2) Issue 1) ERP, MES HMI/SCADA IIoT, Gateway OPC UA PLC Smart Factory 를위한통신의 Issue Issue 3) IO-Link Issue 1) IT System 과의연계의어려움 Sensors & Actuators Issue 2) Issue 3) 이기종시스템에의한데이터수집및통합의어려움 다양한 Fieldbus 및 Protocol 로통신의어려움 표준 Protocol 를적용한산업용네트워크의통합필요 - OPC UA, IIoT Platform, Gateway Box, IO-Link 의적용
2. Engineering 관점에서의고려사항 2) 제어시스템설계 자동화시스템의 Layout HMI/SCADA Protocol Network PLC Control Layer Fieldbus Protocol PLC Robot Safety Signal Hardwired I/O Safety Signal Hardwired I/O Signal Hardwired I/O Motion Control Communication Control I/O Control Controller Control Distributed I/O Blocks Motion Sensor, Valve, Motor, Gauge Sensor, Instrument * I/O : DI, DO, AI, AO
제어시스템의설계기준 표준규격에의거한기구및전장 (PLC) 설계 적용표준규격 정의 ISO 13849-1 ISO 14119 EN 60204-1 제어시스템 Interlocking 장치 배선및전기안전 IEC 61508 모듈설계및소프트웨어개발의단계별기능검증 (V-Model 적용 ) 표준화된통신프로토콜적용 - 표준기반 Ethernet 적용및 OPC UA 기술적용 - 다양한 Fieldbus를대응가능하도록설계 - Safety를고려한 Protocol 적용으로 Safety Data의안정적인전송이되도록설계반영
Maker 별 PLC 현황및선정 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 SIEMENS 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 Schneider Modicon Vijeo Citect OMRON CJ 1, CJ2, CS Series Sysmac Studio Modbus/TCP CANopen DeviceNet / EtherCAT EtherNet/IP LS 산전 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 MITSUBISHI
2. Engineering 관점에서의고려사항 3) 산업용 Robot 기계적인구조에따른산업용 Robot 의분류 산업용 Robot 의분류 직교좌표형 원동좌표형 극좌표형 각축들이직선운동하는형태 ( 보통직교 Robot/XY Robot) 2 개의직선축 + 1 개의회전축의결합 직선축과회전축을혼용 다관절형 원통좌표형 SCARA 수평다관절형 SCARA(Selective Compliance Assembly Robot Arm) - 관절운동이수평 (XY 축 ), 4 축구성 수직다관절형 Parallel Link Bot 회전축으로만구성, 5~7 축구성 Delta Robot - 3 축또는 4 축구성 수직다관절형 Delta Robot
협업 Robot 인간과의직접적인상호작용을위해설계되어, 인간과함께안전하게작업할수있는 Robot 가볍고유연하며새로운작업으로이동및프로그래밍이용이충돌대응안전기술, 빠른 Teaching 및간편한조작 ( 직접위치지시 ) 관련규격 적용표준규격 정의 ISO 10218-1 산업용로봇의안전사항 ISO/TS 15066 협업 Robot 이인간과안전하게작업할수있는규격정의
2. Engineering 관점에서의고려사항 4) 물류 Layout 물류 Layout 설계를위한중점사항 설계기준 Product Process ( 공정기준 ) 설계 반영사항 Layout, 공정별설비 / 운영 / 작업인력현황 공정 Capa. TAT, Line Balancing 수준 공정및설비자동화수준 물류자동화수준 Lot Track, Load/Unload, 이송등 Setup 및설비교체유연성수준 Lot Dispatching, 설비 Scheduling 물류효율화운영검토반영
표준사양서 (Standard Specification) 의정립 최적화된설계반영으로설비 / 장비의안전성및신뢰성확보 표준에의한일관성있는시스템제작및유지보수에반영 기술 Leading 및 Ownership 확보 제어설계표준화 계층구조의모듈화설계를통한모듈단위검증 S/W Logic 의기능별검증된 Function Block 제공 제어시스템 Safety 표준화 일반제어와 Safety system 영역분리적용 Safety 프로토콜 (SIL 3) 에의한안전관련데이터관리 Safety 표준제어설계사양서 Process 표준화 형상관리 Tool 적용및표준 Library 구축 설계 / 도면, 공정등의제어 / 관리및산출물관리의표준 형상관리 통신표준화 다양한 Fieldbus 의표준화된단일인터페이스제공 산업용 Ethernet 및 OPC UA 대응 통신 표준통신사양서
Ⅲ. Smart Factory 구축을위한 Engineering 의역할
Smart Factory 에서의 Engineering 의역할 운영역량및 Engineering 기술을토대로 ICT 를융합한 Smart Factory 의완성 Engineering Process 연구개발개념설계상세설계구현 운영및 Engineering 역량 공장운영에필요한 Classic 한기술 - 제조핵심역량 ICT 와신기술 융합 / 접목기술 IoT Big Data Cloud 제어 / 자동화 제조운영기술 - 품질 / 설비관리, 운영 Knowhow 통신 기반 Solution - MES, PLM Co-Robot VR AR AI 3D Printing Machine Learning CPS Deep Learning 지능화, 연결화, 가상화 제조운영, Engineering 및핵심역량의체계화, 신기술및 ICT 의융합을통한 Smart Factory 주 ) IoT : Internet of Thing, VR : Virtual Reality, AR : Augmented Reality, AI : Artificial Intelligence
[ 마무리 ] 1. Smart Factory 도입의적기 - Smart Factory 는제조경쟁력강화및기업경영의 바탕이되는일련의혁신활동으로연계 2. 기업가정신 (Entrepreneurship) - 외부환경변화에대응, 기회추구, 혁신적사고와행동