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브라운필드를 스마트 팩토리로

From brownfield to smart factory
From brownfield to smart factory

기존의 공장을 Industry 4.0의 속도로 고속화하기로 목표를 정한 Nestlé의 다음 단계는 그러한 목표에 도달하는 데 관련되는 비용과 노력을 최적화하는 것이다. 이 회사는 독일의 Osthofen에 있는 공장에 이행을 위해 제시된 모든 요구사항을 충족시키는 B&R의 솔루션, 즉 오렌지 박스(Orange Box)를 갖춘 파일럿 프로젝트를 구현하였다. 이 단순하지만 품격을 갖춘 솔루션은 브라운필드 현장이 스마트 팩토리의 효율성을 향한 거대한 발걸음을 뗄 수 있도록 지원한다.

[저자] Inge Hübner, VDE Verlag, www.digital-factory-journal.de

 

Nestlé 식품은 매년 한두 개의 그린필드 공장 (greenfield plants : 백지 상태에서 시작된 신규 공장) 공장을 건설하는데, 그 중 하나는 독일의 Schwerin에 위치한 것으로 2014년에 운전을 시작하였고 현재 매년 수억 개의 커피 캡슐을 생산한다. Schwerin 공장은 그곳에서 생산된 커피가 최고의 품질 표준을 충족시키도록 절대적인 최신 기술에 의존한다. Nestlé의 MES/E&A 엔지니어링 부장인 Ralf Hagen은 말한다. “오늘날의 그린필드 개발은 실제로 고도로 발전된 기술을 갖추고 있는 반면에, 명심해야 할 것은 그러한 공장들이 아직 Industry 4.0에 의해 구상되고 있는 표준화의 레벨에는 도달하지 못했다는 사실입니다. 이 분야에서는 아직도 해야 할 일이 산적해 있습니다.”

 

스마트 팩토리에서의 빈틈 없는 연결성

결국 매년 건설되는 한두 개의 고도로 생산성이 높은 그린필드 공장 이외에 430개의 브라운필드 공장도 (오염, 황폐화 또는 구형화된 공장) 또한 생각해야 한다. “그러한 현장에서도 경쟁력 있는 생산성 수준을 달성해야 할 필요가 있습니다.” Hagen은 말한다. “이것은 이러한 공장들이 Industry 4.0의 요구에 대해 최적화되어야 한다는 것을 의미합니다.” 이들 현장의 일부 기계는 50년 전에 운전을 시작한 것도 있다. “당시의 네트워크 기반구조는 오늘날 우리가 스마트 팩토리에 대해 생각하고 있는 것과는 전혀 다른 것입니다.” Hagan은 설명한다. “신규 공장에는 실시간으로 ERP 시스템과 데이터를 공유하는 빈틈 없이 완벽한 통신이 갖춰져 있습니다.”

기존 공장에 대한 현재의 상황을 Hagen은 설명한다. “많은 경우에 우리는 아직도 기계로부터 수동으로 데이터를 뽑아내고 있습니다. 각양각색의 통신 인터페이스가 있지만 그들이 우리의 현재 요건을 처리하도록 설계된 것은 아닙니다. 때로는 상태 감시와 같은 것을 수행하는 데 필요한 데이터가 이미 그곳에 있으나 – 단지 우리가 이용하지 않는 것입니다.”

 

도전
Nestlé 식품은 이러한 도전에 대해 몇몇 자동화 공급처를 접촉하였으며, 여기에는 B&R이 포함되었다. 독일 Bad Homburg에 있는 B&R의 기술 사무소 대표인 Karl-Heinz Mayer는 기존 자산을 최적화하기 위한 잠재력을 높이기 위해 지능형 자동화 기술을 이용할 수 있는 여러 가지 가능성을 확인하였다. Mayer에 의하면, 생산 비용의 감축에 관한 한 이용할 수 있는 최선의 기준은 전반적 기기 효율성(overall equipment effectiveness: OEE)이다. 그는 이렇게 말한다. “공장의 OEE 수치를 개선하면 생산비용이 10에서 20% 감축될 수 있습니다.”

Nestlé는 확신하게 되었다. “OEE 수치를 향상시키기 위해서는 계획되지 않은 정지의 빈도를 현저히 줄여야 합니다.” Hagen은 말한다. “모든 생산 라인으로부터 디지털 생산 데이터에 실시간으로 접근할 수 있어야 합니다. 여기에는 당사의 완전 자동화된 최신 시스템뿐만 아니라 오래되고 자동화 수준이 낮은 생산 라인도 포함됩니다. 또한 직접적이든 간접적이든 ERP 시스템에 대한 연결을 갖추는 것도 중요합니다. 더욱이 솔루션은 반드시 Nestlé의 안전 표준에 적합해야 합니다.”

 

B&R에 의한 mapp 기반의 공장 자동화.
B&R에 의한 mapp 기반의 공장 자동화.

 

이러한 요건은 부분적으로 숙련된 기술 인원의 수가 점차적으로 줄어드는 미래의 상황을 기반으로 한 것이다. 이 회사가 찾고 있던 것은 ‘살펴보고, 두드려보면, 작동할 것이다’라는 애플의 접근방식과 유사한 것이다. 이것은 그 밖에도 최적의 클라우드 솔루션이 발견될 때까지 향후 3-5년의 간극을 메우기 위한 효율적인 중간 솔루션의 역할도 해야 한다. 그 밖의 도전들은 개발 공장들이 상이한 제조사로부터의 상이한 세대의 제어 시스템을 사용하고 있다는 사실로부터 발생한다. 공장들은 또한 현장에서 이용할 수 있는 자동화의 수준에서도 차이가 있다.

 

솔루션
B&R은 그러한 요구사항에 비추어 Scalability+를 기반으로 하는 하드웨어와 mapp 기술을 기반으로 하는 소프트웨어로 구성된 솔루션, 오렌지 박스(Orange Box)를 개발하였다. “오렌지 박스는 우리 고객 요구에 대해 정확히 맞춤화된 당사의 모듈형 하드웨어와 소프트웨어의 최적의 조합을 대표합니다.” Mayer는 말한다. “제어, HMI 및 mapp 기술이 한 데 모여 Industry 4.0 생산을 위한 완벽한 플랫폼을 창출합니다.” 고객은 또한 그들의 기계와 기기를 연결하기 위한 한두 가지의 옵션을 선택할 수 있다. 고객은 제 3자 컨트롤러 상의 입출력 모듈의 신호를 뽑아내거나 TCP 또는 TCP/IP에서 직접 ISO를 통해 데이터를 수신할 수도 있다.

B&R 전문가들은 mapp 기술을 이용하여 고객의 요구사항에 아주 가까이 접근할 수 있었다. “mapp 기술은 곧바로 일련의 표준적 기능을 제공합니다.” Mayer는 설명한다. “OEE 계산, 사용자 관리, PackML, 데이터 획득과 같은 모든 기능이 마치 스마트폰 앱과 같이 간단히 설치될 수 있는 사용할 준비가 갖춰진 mapp 컴포넌트로써 제공됩니다.” mapp 개념과 전통적인 펑션 블록 접근방식 사이에는 몇 가지 핵심적인 차이점이 있다. “mapp 컴포넌트는 상호작용적이기 때문에 함께 연결되고 자동적으로 데이터를 교환할 수 있습니다.” Mayer는 말한다. 그는 한 가지 실례로써 mapp Energy 컴포넌트가 다른 mapp 컴포넌트로부터 획득한 에너지 소비 데이터를 어떻게 평가하는지에 대해 설명하였다.

 

오렌지 박스는 하드웨어 플랫폼 선택에 있어서 완전한 자유를 제공한다.
오렌지 박스는 하드웨어 플랫폼 선택에 있어서 완전한 자유를 제공한다.

 

Scalability+란 무엇인가?
B&R 솔루션들은 자동화의 모든 분야를 커버하는 균일한 제품들의 세분화된 선택으로부터 구축되었다. 우리가 검토하는 것이 독립형 기계이든, 통합된 생산 라인이든 혹은 공장 전체이든 간에, B&R 솔루션은 동일한 보편적 소프트웨어 툴, 즉 Automation Studio를 이용하여 구축된다. B&R은 통합된 자동화, 소프트웨어 패키지 및 기계 기술을 빈틈 없이 조합함으로써 전혀 새로운 세대의 기계 자동화의 길을 개척한다. mapp 컴포넌트들은 B&R Automation Studio 개발 환경에 빈틈 없이 통합된다. 이들은 설정이 용이하고 개발자가 모든 세부사항 하나하나를 프로그램 해야 한다는 부담을 덜어준다. mapp 기술의 또 하나의 중요한 측면은 mapp View HMI 솔루션이다. “자동화 엔지니어들은 강력하고 직관적인 HMI 솔루션을 작성하는 데 필요한 모든 도구를 갖추고 있습니다. 엔지니어가 직접 HTML5, CSS 또는 JavaScript 기술을 다루어야 할 필요는 없습니다.” Mayer는 말한다. B&R의 HMI 솔루션은 유일하게 웹 표준만을 기반으로 하여 모든 장치에 대한 최적의 뷰(view)를 보장한다.

또한 다른 공급자로부터의 컨트롤러를 OPC UA를 통해 HMI 어플리케이션에 연결시키는 것도 용이하다. “우리는 프로그래밍 대신에 메뉴에 의해 안내되는 운전과 설정 기술을 이용하여 Nestlé의 중요한 요건 중 하나인 비전문가에 의한 설치를 충족시킬 수 있었습니다.” Mayer는 강조한다. “우리는 또한 네트워크를 통해서든, 혹은 USB를 통해서든 설치, 백업 및 업데이트를 수행할 수 있도록 소프트웨어를 중앙집중식으로 관리할 수 있는 능력을 제공하였습니다.” 통신은 LAN 또는 WLAN과 같은 다양한 채널을 통해 이루어질 수 있다. 프로토콜 측면에서, 솔루션은 TCP 상의 OPC UA 및 ISO와 같은 표준에 의존한다.

 

B&R의 오렌지 박스는 Industry 4.0 생산을 위한 완벽한 플랫폼이다.
B&R의 오렌지 박스는 Industry 4.0 생산을 위한 완벽한 플랫폼이다.

파일럿 플랜트 Osthofen
오렌지 박스를 이용하는 최초의 파일럿 어플리케이션은 독일 Osthofen에 있는 Nestlé 공장에서 진행 중이다. 이 공장의 300명 직원들은 영양 요구가 특수한 환자들에게 도움이 되기 위해 Nestlé Health Science에 의해 판매되는 빨아 먹는 경구 영양 보충제를 생산한다. “하드웨어와 소프트웨어의 완벽한 확장성 덕분에 오렌지 박스는 우리가 이곳에 갖추고 있는 모든 기계 및 생산 라인과 호환이 가능합니다.” Hagen은 말한다. “그리고 연결성 측면에 있어서, 개방형 표준에 대한 약속에 따라 이 솔루션에는 Wonderware 시스템과 같은 MES뿐만 아니라 그것이 B&R의 APROL이든 제 3자의 솔루션이든 프로세스 제어 시스템에 대한 유연한 연결이 제공됩니다.” 그 밖에도 오렌지 박스의 설치에는 구형 소프트웨어에 대한 어떠한 수정도 요구되지 않는다.

“시스템은 너무나 간단 명료하여 전문가를 불러들일 필요도 없습니다. 메뉴는 모든 운전 과정을 직관적으로 안내합니다.” Hagen은 강조한다. 기계로부터의 미가공(raw) 데이터는 지역적으로 디지털 형태로 수집될 수 있다. 보안은 독립형 솔루션으로써 혹은 표준 IT 시스템에 의해 제공되는 프로토콜을 통해 구현될 수 있다. “오렌지 박스는 상대적으로 작은 투자로 즉각적인 투명성을 제공하며, 정보가 충분히 제공되고 고도로 효율적인 목표화된 개선을 수행하는 것을 가능하게 합니다. 또한 탁월한 모듈 구조를 갖추고 있어, 언제든지 용이하게 적응시키거나 확장할 수 있습니다. 바로 우리 회사가 찾고 있던 것입니다.” Hagen은 결론은 내린다.


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