1. 개인 맞춤 생산

4차 산업혁명과 아디다스의 스피드 팩토리 덕분에, 그림 1에 ‘개인화 생산’으로 소개된 개인 맞춤 생산(Personalized production)이라는 개념이 많이 소개되었다. 그런데 맞춤 제작의 문제는 과거 방식의 맞춤복과 비슷하게, 비용과 시간이 증가할 수 있다. 이러한 배경에서 새로운 PLM-MES 인터페이스 기술은 개인 맞춤된 제품을 대량생산 비율의 가격으로 제공하는 데 도움이 될 것이다.

2. 낮은 설계 완성도 때문에 생산 도중 설계 변경에 대응 필요

100년 전 미국의 포드자동차에서 시작한 컨베이어 벨트와 대량생산(그림 1에서 1913년에 해당)은 개인 맞춤 생산의 반대편에 있다. 대량생산 환경의 경우, 작은 설계 오류가 자동화된 생산라인에서 큰 문제(대량 오류)를 일으키기 때문에 설계의 완성도 수준이 높아야 한다. 그래서 여러 번에 걸친 테스트 생산 사이클을 통해 설계 성숙도의 수준을 높인 다음, 대량생산을 시작한다.

이런 방식은 여러 단계의 반복된 설계 수정 때문에 높은 설계 비용을 필요로 하지만, 생산량과 생산 비용에 비해 설계 비용이 상대적으로 작기 때문에, 설계 완성도를 높이는 것이 가능하다. 개인 맞춤 생산의 경우에는 비용이나 시간적인 제약 때문에 설계의 성숙도를 높이기 어렵다. 따라서, 설계의 완성 후에 발견되는 오류를 해결하기 위해 생산 과정 동안에 설계를 수정하기도 한다. 생산 도중에 발견된 오류의 수정은 제품 생산을 위한 전체 시간을 늘리며, 생산 비용도 증가시킨다.

3. 생산부서와 설계부서 사이의 3D에 기반한 긴밀한 협력

조선해양산업과 건설산업 등의 플랜트 부문은 산업의 초기부터 주문생산(개인 맞춤 생산)이 진행되었다. 제품이 크고 복잡하며 비싸기 때문에 대량생산에 적합하지 않다.

플랜트와 같은 제품은 개별적인 맞춤 설계를 하기 때문에 제품을 빨리 설계해야 한다는 압박이 있으며, 설계가 아직 완성되지 않았음에도 불구하고 생산 활동이 시작되는 경우가 많다. 설계에 허용된 짧은 시간 외에도 각 제품이 서로 다르게 설계되는 것이 일반적이라, 과거의 설계도를 재사용하는 것도 어렵다. 하지만 설계 비용 때문에 대량생산의 경우처럼 여러 번의 반복되는 설계를 감당할 수 없다.

설계와 생산이 부분적으로 중복 진행되는 상황에서
(이러한 개념은 이미 ‘동시 공학 Concurrent engineering’에서 널리 사용되고 있음) 설계와 제조의 두 부서가 긴밀히 협력하고, 정보를 교환해야 한다. 그런데 설계부서와 생산부서는 모두 3D 공간에서 작동하기 때문에, 두 부서 간에 3D 정보가 공유되어야 긴밀한 협조가 가능하다.

세계에서 1~2위를 하는 한국의 조선소들은 최첨단 기술을 사용하지만, 설계부서의 3D 형상 모델은 일반적으로 설계용인 CAD 모델 형태로 생산부서에 전달되는 것이 아니다. 대부분의 경우에는 단순화된 디지털 모델 형태인 메시 모델을 사용하여 생산부서에 전달된다. 현장에서는 고성능 컴퓨터가 필요한 CAD 모델을 직접 사용하기보다 PDA나 스마트폰을 메시 형태의 3D 모델을 가시화하는 데 사용된다. 3D 제품 모델의 전달 채널은 그림 2와 같이 기존의 PLM~ERP~MES로 연결되는 순차적인 직렬 인터페이스와는 별개의 직접 채널을 이용한다.

생산부서 내에서 처리할 수 없는 생산과 관련된 문제가 발생하여 설계부서로부터 추가적인 도움이 필요한 경우가 있다. 이러한 경우가 발생하였을 때, 한국의 조선소에서 사용되는 통신 채널은 PDA에서 3D 모델을 종이로 출력하고, 문제된 영역을 펜으로 표시한다. 이메일이나 음성 통신으로 문자 메시지를 보내며, 출력하여 손으로 표시한 마크가 있는 문서를 스캔하여 하드카피 이미지와 함께 문자나 음성이 전달된다.

따라서, 개인 맞춤 생산에서는 생산 도중 대량생산의 경우보다 설계 변경이 더 많이 발생하며, 설계 변경에 따른 부품의 추가 구매도 발생하는 경우가 있다. 따라서, 생산부서와 설계부서 사이에 2D 이미지가 아닌 3D 정보를 이용한 피드백 정보의 신뢰할 수 있는 양방향 디지털 채널이 필요하다. 이런 인터페이스가 작동한다면, 설계부서의 PLM과 생산부서의 MES 양쪽에서 해당 프로젝트의 동일한 3D 모델을 공유하며, 설계의 수정 작업이 가능하다.

4. PLM-MES-ERP 삼각 인터페이스

제조업에서 PLM(product lifecycle management)은 설계 부서에서 사용되며, ERP(Enterprise Resource Plan ning)은 관리부서에서 사용되고, MES(Manu facturing Execution System)은 생산부서에서 사용되는 데, 이들은 엔지니어링 데이터베이스 시스템들이다.

그림 2는 대량생산 환경에 최적화된 PLM, ERP, MES 시스템 사이의 현재 (As-Is) 인터페이스를 보여준다. 일반적으로 ERP는 CAD 모델과 같은 3D 엔지니어링 정보를 다루지 않기 때문에, 때로는 PLM과 MES 사이에 별도의 직접적인 3D 링크가 필요하다. 전형적인 대량생산의 상황에서는 생산 시스템이 일련의 테스트 생산을 통해 대량생산에 맞게 잘 최적화되기 때문에, PLM(설계)과 MES(생산) 사이의 직접 연결은 많은 경우에 존재하지 않는다.

제조업에서 많이 사용되는 PLM, ERP, MES가 효율적으로 디지털 데이터를 교환하기 위해서는 각각의 인터페이스를 정의하는 정보 표준이 필요하다.

PLM에 대한 국제표준으로는 ISO 10303-239 Pro duct life cycle support, IEC 62890 Life-cycle-manage ment for systems and components가 있어, 제품의 전체 수명주기 동안에 제품 설계, 생산 프로세스 및 리소스에 대한 정보모델을 정의한다.

MES에 대한 국제표준은 IEC 62264-3과 IEC 62 264-4에 제정되어 있다. IEC 62264-3과 IEC 62264-4는 MES의 기능과 속성을 정의한다. ERP와 MES 사이의 인터페이스는 IEC 62264-2와 IEC 62264-5(Business to manufacturing transactions)에서 표준화되어 있다. IEC 62264-2와 IEC 62264-5는 ERP와 MES 사이에 데이터를 교환하기 위한 정보모델과 방법을 정의한다.

원래 IEC 62264는 미국의 ANSI/ISA-95와 같이 개발되었으며,1) ISO/TC184/SC5와도 협력하여 개발된 표준이다. 상업용 제품명으로 많이 사용되는 MES라는 용어 대신에 조금 더 기술적인 기능들을 정리한 용어인 M OM(Manufacturing Operations Management)이 함께 사용되기도 한다.2) 일반적으로 표준에서 정의한 기능 묶음을 MOM이라고 한다면, 이를 시스템으로 구현하고 제품화한 것이 MES라서, MES는 제품에 따라 차이가 존재한다.

5. 제조 데이터 표준화의 방향

KTL(한국산업기술시험원) 중심의 컨소시엄에서 개발이 진행 중인 제조 데이터 스키마3)에서 그 기반이 되는 기술은 OAGIS(Open Applications Group Integration Specification)의 BOD(Business Object Document)이다.4)

한편, PLM과 ERP 사이의 인터페이스를 연구하는 미국 NIST의 보고서5)를 보면, OAGIS의 BOD는 ERP를 기반으로 하고 있다. OAGIS에는 다양한 스키마들을 제공하는데, 그중에 제조 스키마도 있다.

NIST의 보고서에는 “PDM 시스템(엔지니어링 저작 도구)과 ERP 시스템(비즈니스 저작 도구) 간의 제품 데이터 교환을 촉진하는 것을 목표로 하며, 각각이 광범위하게 채택된 두 가지 표준인 OMG의 PLM 서비스와 OAGi의 OAGIS”라고 소개하고 있다.

그림 3은 제조업에서 사용되는 대표적인 엔지니어링 데이터베이스 시스템인 ERP, PLM, MES에 대한 개인 맞춤 생산 환경을 지원하기 위해, 세 개의 시스템 사이에서 요청되는 (To-Be) 인터페이스 구성을 보여준다. 이 구성에는 PLM과 MES 사이에 직접적인 링크가 추가되어 있다. 역사적으로 PLM과 MES 두 시스템은 상호 고려 없이 독자적으로 개발되어 왔기 때문에, 사용하는 용어와 개념상의 불일치가 있다. 따라서, 4차 산업혁명이나 스마트 제조에서 거론되는 개인 맞춤 제조를 제대로 지원하기 위해서는 두 시스템 사이에 표준화된 인터페이스 정의와 인터페이스의 구현이 필요하다.

그림 4처럼 독일의 지멘스에서 제공하는 상업용 PL M-MES 인터페이스 제품이 있지만,6) PLM-MES 인터페이스에 대한 국제적인 공식 표준은 아직 없다. PLM과 MES에 대한 국제표준은 각각 따로 있지만, PLM과 MES 사이의 3D 제품 정보와 제조 정보의 교환을 위한 국제 인터페이스 표준은 없다.

한국이 주도해 PLM-MES 사이의 인터페이스 표준화를 위한 부분적인 작업이 “ISO PWI 3151 Visualization components of PLM-MES interface for plant industry”라는 제목으로 진행되고 있다. KTL이 추진 중인 OAGIS 중심의 제조 데이터 스키마와 산업데이터표준협회에서 추진 중인 PLM-MES 인터페이스 가시화 표준의 활동이 시너지를 이루면, 한국이 PLM-ERP-MES를 연결하는 삼각 인터페이스의 국제 표준화에 앞장설 가능성이 있다.

※본고는 국가기술표준원이 발간한‘2021 전략트렌드(스마트제조)’에 소개된 내용이다.

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