Industry 4.0의 자동화

변덕스러운 시장과 배치 사이즈 1에 이르기까지 개별화된 제품의 시대에는 빠른 배치 변경이 녹아웃 기준이 되었습니다. 예를 들어 통합형 컨트롤러가 있는 캐리어 시스템 또는 밸브 터미널의 형태로 필드 레벨에서 직접 모듈식 제조 인텔리전스를 통해 필요한 유연성을 보장합니다.

Industry 4.0 연구 프로젝트(스마트 팩토리)에서 Festo는 여러 제조사의 유연한 모듈식 네트워킹 기계 셀을 구현하는 데 크게 기여했습니다. 이는 이미 Festo 기술 공장에서 구현되었으며, 특히 네트워크로 연결된 조립 라인의 셋업 시간이 몇 시간에서 13초로 단축될 수 있음이 입증되었습니다. 반나절 만에 새로운 기술이나 제조 프로세스를 구현할 수도 있습니다. 그리고 전체 시스템의 이동조차도 더 이상 3주가 아니라 3일밖에 걸리지 않습니다.

중요: 기존 시스템 또한 적합한 구성품을 추가 장착함으로써 Industry 4.0 환경에서 채산성을 유지할 수 있습니다. 당분간은 제조사 또는 사용자가 자체 공정에 대한 기계 인터페이스의 사양을 직접 결정해야 합니다. 아직 해당 표준이나 VDMA 권장 사항이 없습니다.

에너지 비용은 저절로 절감되지 않습니다. 효율적인 생산의 핵심은 네트워크로 연결된 시스템에서만 가능한 자체 리소스와 에너지 관리입니다. Scharnhausen 기술 공장의 Festo 생산 건물이 모범 사례입니다. 이곳은 우수한 단열, 열 회수, 정확히 수요에 따른 압축공기 생성 등을 통해 최상의 에너지 표준을 충족합니다.

특히 네트워크로 연결된 센서 시스템이 전체 기계의 소비량을 기록합니다. M2M 애플리케이션(기계 대 기계)은 OPC UA를 통해 생산 제어 시스템(MES)과 독립적으로 통신하며, 이 시스템은 최적의 동기화를 위해 설정되어 있어서 에너지 피크를 방지합니다. 특히 전기 터미널 CPX 및 에너지 효율 모듈 MSE6-E2M을 포함한 소형 컨트롤러와 필수 센서가 기존 시스템에 추가 장착되었습니다. 이 과정에서 기계당 약 3,000 ~ 5,000유로의 투자금액이 필요했습니다. 긍정적인 측면에서 공장은 약 3GWh의 에너지를 절약할 수 있으며, 이에 따른 투자수익률(ROI)은 3년 미만입니다. 다른 고객 프로젝트에서는 Festo Energy Saving Services를 통한 지원으로 최대 60%까지 절약할 수 있었습니다. 새로운 시스템의 가장 큰 잠재력은 경제적인 설계에 있습니다.

Industry 4.0의 주요 장점은 예상치 못한 가동 중지 시간을 최소화하는 예측 유지보수입니다. iPad는 Festo의 파일럿 프로젝트에서 필수적인 요소였습니다. 서비스 부서의 동료가 시스템의 오류 메시지뿐만 아니라 모든 수리 지침, 계획, 부품 및 예비 부품 목록도 태블릿으로 볼 수 있습니다. 필요한 경우 채팅으로 전문가와 상담하고, 이전의 수리 주문을 로드하거나 예비 부품 저장소를 온라인으로 살펴볼 수 있습니다. 이를 통해 어느 오류 메시지가 아직 열려 있는지, 해당 메시지가 어느 직원에게 어떤 우선순위로 할당되어 있는지도 즉시 알 수 있습니다.

앞으로 유지 관리 부문은 AR 지원(Augmented Reality) 및 주문 잔고에 대한 실시간 연결에 이르기까지 더욱 확장될 수 있습니다. 파일럿 프로젝트는 성공을 거두었고, 현재 모든 Festo 공장에서 이 시스템을 선보이고 있습니다. 생산 설비의 OEE(Overall Equipment Effectiveness)가 크게 증가했고, 직원들에 대한 동기 부여가 강화되었으며 투자수익률(ROI)은 6개월 미만으로 나타났습니다.

이 모바일 유지보수 앱 AX Smartenance(smart maintenance)는 공장에서도 디지털 유지보수 관리자로 활용할 수 있습니다.

Industry 4.0은 현장에서 활용되고 있습니다. 당사의 Scharnhausen 기술 공장에서는 네트워크로 연결된 조립 라인에서 유연하고 에너지 효율적이며 생산성이 높은 방식으로 밸브, 밸브 터미널, 인쇄회로기판 및 모듈을 생산하고 있습니다.

E. M. Goldratt의 TOC(Theory of Constraints)에 따르면 모든 운영 가치 창출에는 항상 병목 현상이 따릅니다. 그 앞에서는 모든 것이 막히고, 뒤에서는 종종 생산 라인이 비게 됩니다. 다음 병목 현상이 확인되고 해결되도록 이 병목 현상을 찾아 제거해야 합니다.

당사는 Scharnhausen 기술 공장에서 이러한 반복적 TOC 방법을 확장하여 병목 중심 조직(EOO)으로 개발했습니다. 이는 특히 리드 타임과 배송 실적에 중점을 둡니다. 관련 주요 수치는 처리량, 재고 및 운영 비용입니다. 실제로는 일관된 Industry 4.0 네트워킹이 구현되어, 이를 통해 모든 관계자가 독립형 PC, 태블릿 또는 스마트폰에 관계없이 화면의 온라인 MES에서 필요한 데이터를 가져옵니다.

이는 당사와 프로젝트 파트너 모두에게 매우 긍정적으로 작용합니다. 예를 들어 금속 가공 분야에서 EOO를 통한 수요 기반 주문의 경우 공장 전체의 처리 시간이 56%, 개별 서비스 유닛에서는 90%까지 감소했습니다.

배치 생산에 비해 흐름 생산은 훨씬 더 유연합니다. 처리 시간이 짧고 품질이 적절하며 공간 수요도 적습니다. 특히 버퍼 재고가 대폭 제거되고 생산을 훨씬 더 유연하게 제어할 수 있도록 일체형 흐름 공정을 설계할 수 있습니다.

당사는 병목 중심 조직(EOO)의 프레임워크 내에서, 즉 톱질에서부터 디버링, 드릴링 및 밀링, 미세 가공 및 표면 처리에 이르는 완전한 프로세스 체인을 통해 이러한 평준화(Heijunka) 시스템을 구현했습니다. 기술적 측면에서 Festo의 지능형 핸들링 솔루션은 OPC UA를 통한 M2M 통신(기계 대 기계)과 같이 사용됩니다. 이로써 기계의 작동 데이터 또는 KPI가 언제든지 동기화됩니다. 이후 장애가 발생하면 전체 라인을 적절히 하향 조정할 수 있으므로, 주말이나 값비싼 야간 근무 시간에 처리해야 하는 물자흐름을 단순히 밀어붙이지 않아도 됩니다.

Industry 4.0의 디지털 트윈 시나리오에서는 기계 판독이 가능한 명확한 식별자가 필수입니다. Festo에는 이미 이것이 존재합니다. 제품 키는 QR 코드 또는 데이터 매트릭스 코드나 11자리 영숫자 코드 중 선택할 수 있으며, 이를 통해 각 제품을 명확히 식별할 수 있습니다. 이를 통해 타입 명칭, 일련 번호, 개정 버전 등과 같은 데이터를 언제든지 안정적으로 확보할 수 있습니다. 여기까지는 익숙합니다. 그러나 제품 키에는 더 많은 기능이 있습니다. 예를 들어 올바른 사용자 문서 및 CAD 데이터를 자동으로 불러올 수 있습니다. 또한, 구성품 및 예비 부품의 주문을 대폭 단순화합니다. 통합형 식별 코드를 사용하면 유지보수 담당자나 기계 엔지니어가 작업 중 바로 정확한 주문을 시작할 수 있습니다. 복잡한 밸브 터미널과 수백 개의 개별 부품이 있는 서브 시스템에서도 효율적이며 일절 오류가 발생하지 않습니다.

Festo 제품 키는 클라우드에서도 사용할 수 있습니다. 앱을 통해 구성(재구성)하고 IIoT 플랫폼을 통해 관리하는 시스템의 경우 제품 키가 액세스 코드 역할을 수행합니다. 이를 통해 Festo App World에서 최신 펌웨어, 업그레이드 및 서비스를 쉽게 받으면서도 항상 보안을 유지할 수 있습니다.

티켓 시스템도 매우 유용하지만, 병목 중심 조직(EOO) 및 흐름 생산의 프로세스를 위해 설계된 지능형 솔루션을 사용하면 더 좋습니다.

첫째, 유지 관리 요원의 기동성이 확보되며, 이동 중에도 필요한 모든 운영 데이터 및 기계 데이터를 태블릿에서 온라인 실시간으로 사용할 수 있습니다. 사용 장소에서 병목 현상이 발생하기 전에 앱이 다음 장소로 안내합니다. 즉, 중앙 유지보수 사무실에서 기계 운영까지의 여정을 줄일 수 있습니다. 대기업의 경우 이를 위해 매주 상당한 작업 시간이 소요됩니다. 둘째, 가동률, 주문 상태 및 기계의 부가가치 창출과 같은 효율성 기준에 따라 주문의 우선순위를 지정할 수 있습니다. 셋째, 모바일 유지 관리는 유지보수 직원이 실제 조치를 취할 수 있도록 지원합니다. 이상적인 상황에서는 제품 키를 이용하여 온라인으로 즉시 예비 부품 주문을 자동으로 시작할 수 있습니다.

인간을 기반으로 한 HMI 사례(Human Machine Interface): ProGlove는 손등 부분에 바코드 스캐너가 통합되어 있다는 점을 제외하면 외관상 일반 작업용 장갑과 큰 차이가 없습니다. 물류 직원은 통합형 엄지 센서를 통해 이를 활성화하여, 적재 및 하역 시 처리 중인 작업에 대한 디지털 기록을 자동으로 생성할 수 있습니다. 또한, 양손을 자유롭게 사용할 수 있습니다. 이는 더 신속하며, 조립 및 수동 워크스테이션에서도 완벽하게 작동합니다.

당사는 이미 Scharnhausen 기술 공장에서 이러한 Smart-Industry 원리를 대부분 구현했으며, 직원들이 오류없이 간편하고 신속하게 올바른 부품을 자동으로 픽업할 수 있도록 조립 장치에 표시하고 코딩했습니다. 동시에 이러한 방식으로 제조 공정의 진정한 "디지털 트윈"이 형성됩니다. 이를 통해 생산량과 자재 흐름을 유연하게, 수요에 기반하여 효율적으로 제어할 수 있습니다.

기계 및 생산 데이터가 네트워크 산업에서 유용해지려면 결합 및 통합되어야 하며 관리가 용이해야 합니다. IoT 게이트웨이 CPX가 이 역할을 수행합니다. 복잡성에 따라 최대 10 ~ 31개의 구성품과 모듈이 보안 OPC UA 인터페이스를 통해 작업 현장 레벨에서 실시간으로 통신합니다. 게이트웨이는 데이터 스트림을 AMQP(MQTT 및 기타 요청 시)로 변환함으로써 보안과 클라우드 지원을 모두 제공합니다. 이에 따라 스마트 유지 관리에서 완전한 디지털 트윈에 이르기까지 Industry 4.0 및 최신 데이터 분석의 모든 옵션이 가능합니다.

당사의 IoT 게이트웨이는 화면에서 개별 조정할 수 있는 사전 구성 대시 보드와 함께 제공되고 있으며, 예방 유지보수와 가동률 제어를 위한 신호등 디스플레이 및 그래프가 있는 위젯을 포함합니다. 예를 들어 에너지 효율 모듈 MSE6-E2M, 핸들링 시스템 YXMx 또는 Motion Terminal VTEM과 같은 사이버 물리 시스템에서 이를 즉시 사용할 수 있습니다.

실제로 이는 두 가지 결과로 이어집니다. 자동 경고를 통한 턴키 상태 모니터링과 신뢰할 수 있는 실시간 오류 진단은 물론 Festo Cloud의 광범위한 비즈니스 데이터 분석 옵션: 트렌드 분석, 조기 경고 시스템, 그리고 신뢰할 수 있는 성과 지표를 기반으로 한, 전체 시스템 효율성 향상을 위한 제어 옵션.

모든 전문가 지원 시스템, 근거가 확실한 모든 사업상 결정, 모든 효과적 프로세스 최적화의 기본은 신뢰할 수 있는 지표입니다. 그렇기 때문에 복잡한 장기 평가 또는 직관적인 대시보드의 형태로 명확하게 시각화되는 지능형 데이터 분석을 위해 IoT 게이트웨이의 모든 정보가 Festo Cloud에서 수집 및 처리됩니다.

미래에는 산업 기업이 자체 데이터 볼륨을 처리하는 방식이 중요한 성공 요인이 될 것입니다. 현재 이미 제어 및 최적화를 위한 광범위한 Industry 4.0 옵션을 클라우드 레벨에서 사용할 수 있습니다. Festo Cloud는 이미 다운 타임을 줄이고 가동률을 높이며 전반적인 생산성을 향상시키는 데 직접적으로 기여하고 있습니다. 또한, 제조 회사와 기계 및 설비 제조사는 현재 이미 클라우드 기계 데이터의 재가공 및 처리에 기반한 새로운 비즈니스 및 수익 모델을 개발하고 있습니다.

Industry 4.0은 기계 데이터를 클라우드로 전달하는 센서 기술 그 이상입니다. 진정한 사이버 물리 시스템은 반대 방향으로도 작용하여 제어 인텔리전스를 현장 레벨로 가져오고 공압 시스템까지도 디지털화합니다. 당사의 Motion Terminal VTEM은 Industry 4.0 기능을 기존 시스템에 손쉽게 추가할 수 있습니다. 개별 밸브는 앱으로 제어되며 WebConfig를 통해 자유롭게 프로그래밍할 수 있습니다(압력 레벨, 스로틀링, 방향 밸브 기능, 누출 진단 등). Motion Terminal VTEM은 기계 및 설비 제조사에 훨씬 더 많은 여유를 주고 공압 회로의 구성을 용이하게 합니다. 이전에는 50가지가 넘는 제품 또는 위치가 필요했던 기능을 수행합니다. 무엇보다도 이는 압축공기의 디지털화를 의미합니다. Motion Terminal VTEM을 사용하면 하드웨어를 개조하는 대신 소프트웨어를 사용하여 손쉽게 밸브의 기능을 변경할 수 있습니다.

Automation Markup Language(AML)는 이기종 개발 환경 및 제조사 중립 엔지니어링을 위해 특별히 설계된 데이터 교환 형식으로 자리잡았습니다. XML 기반 언어는 역사적으로 자동차 산업에서 유래되었지만, 개발자 컨소시엄에서는 이를 일반적인 "디지털 활성화 도구"라고 표현했습니다. Festo는 AutomationML 의 이사회 회원으로 활동하고 있으며 그 밖의 유명 전문가 및 연구 기관과 함께 특히 AutomationML 프로젝트(Engineering Tool Chain for Efficient and Iterative Development of Smart Factories)에서 스마트 툴 구현의 일환으로 표준의 개발, 표준화 및 추가 배포에 참여하고 있습니다.

AutomationML은 독점 형식이 아니라 중립적이고 확장 가능하도록 설계되었습니다. 실제로 기계 공학 설계자의 상황은 예컨대 개발자가 수많은 인터페이스 문제와 시스템 고장으로 어려움을 겪는 가정 자동화보다 AML을 사용하는 경우가 훨씬 더 좋습니다. AML을 사용하면 시스템 계획 데이터 및 신뢰할 수 있는 문서를 교환할 수 있을 뿐만 아니라, 예를 들어 생산 시스템에서 시스템 시뮬레이션을 구현할 수도 있습니다.

독일 전기 전자 제조업체 협회(ZVEI)에서 주도하는 공개 컨소시엄은 독일연방경제에너지부(BMWi)의 지원을 받아 Plattform Industrie 4.0의 프레임워크 내에서 이미 Industry 4.0(RAMI 4.0)을 위한 참조 아키텍처 모델을 선보였으며, Industry 4.0 구성 요소의 본질적인 특성을 정의했습니다. 특히 오픈 소스 협력 프로젝트 openAAS(open Asset Administration Shell)는 이러한 구성 요소에 대한 "개방형 관리 셸"에 중점을 두고 있습니다. 프로토콜은 현재 Festo의 모든 Industry 4.0 호환 제품에 사용 중인 OPC UA(Unified Architecture)를 기반으로 합니다.

Industry 4.0 구성 요소를 인터페이스가 있는 캡슐화된 시스템으로 설명하고, 이러한 방식으로 모든 디지털 트윈 콘셉트의 기반이자 모든 M2M 협업(기계 대 기계)의 기초인 디지털 이미지를 만드는 것이 실제 목표입니다. Festo는 이번 개발에서 핵심 역할을 수행하고 있으며, 첫 번째 파일럿 구현에서 이미 성공을 거두었습니다.

빅데이터는 2019년 중반까지 진행될 독일연방교육연구부(BMBF) 지원 공동 연구 프로젝트의 주제입니다. 프로젝트의 목표는 Industry 4.0에서 발생하는 데이터 볼륨을 기반으로 기업이 새로운 비즈니스 모델을 구축할 수 있는 방법을 개발하는 것입니다.

BigDieMo에서 Festo는 특히 데이터 기반 서비스의 구조화된 설계를 위한 방법과 도구를 포함한 키트의 개발을 담당하고 있습니다. 이 과정에서 당사는 Scharnhausen 기술 공장에서 얻은 자체 경험뿐만 아니라 고객 현장 파일럿 시스템에서 얻은 결과도 활용할 수 있습니다. 유지보수는 항상 Festo의 모든 산업 구성 요소에 대한 핵심 엔지니어링 기준이었으므로, Predictive Maintenance를 통한 가능성이 주어지기 전부터 여기에 특별한 주의를 기울여 왔습니다.