smart factory 구현을 위한 자동화 시스템의30c-1].pdf · 2018. 4. 5. · 공장 통합...
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기업명 :
발표자 :
Smart Factory 구현을 위한 자동화 시스템의 Engineering 설계
한국스마트제조산업협회
권대욱 전문위원
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Contents
Ⅰ. 제조 공장에서의 자동화의 영역
Ⅱ. Smart Factory 구축 Process 및 Engineering의 고려 사항
Ⅲ. Smart Factory 구축을 위한 Engineering의 역할
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[ 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
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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
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Ⅰ. 제조 공장에서의 자동화의 영역
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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
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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
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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)
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Ⅱ. Smart Factory 구축 Process 및 Eingineering의 고려 사항
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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Ⅲ. Smart Factory 구축을 위한 Engineering의 역할
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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