2018년 세계 사물인터넷(IoT)시장규모 4조 6천억 달러 중 제조부문이 22.5%이고, 2030년 산업IoT(IIoT) 규모는 10조 6천억 달러에 이를 것이라는 전망아래 제조업 성장의 원천이 제품에서 플랫폼으로 천이되고 IIoT 기술이 급부상하고 있다. 글로벌 기업들은 IIoT와 가상 현실시스템(CPS)을 제조분야 기술혁신의 핵심으로 보고 플랫폼과 소프트웨어 개발 공급에 기술역량을 집중시키고 있다. 한국 역시 제조기반 관점에서 스마트공장을 지향하는 IIOT 및 CPS 기반의 표준 및 맞춤형 산업솔루션과 플랫폼 개발이 필수적이다. 스마트공장 관련 IIoT와 CPS 기술에 대한 최신 기술 및 특허 동향 분석과 대응전략 제시를 통해, 제조혁신 3.0의 실체적 구현을 위한 중소제조업의 효율적 추진과 실체적 수익성장을 지원하고자 한다. 

서론 

2018년 세계 전체 IoT 시장규모 4조 6천억 달러 중 제조부문이 22.5%이고, 2030년 산업IIoT(IIoT)의 규모는 10조 6천억 달러에 달할 것이라는 전망처럼 제조업 성장의 원천이 제품에서 플랫폼과 생태계로 천이되면서 스마트공장 구축의 핵심기술인 산업IoT(IIoT: Industrial Internet of Things)기술과 가상 및 현실시스템(CPS: Cyber Physical System))기술이 부상하고 있다.
글로벌 기업들은 IIoT를 제조분야 기술혁신의 핵심으로 보고 IIoT 플랫폼과 소프트웨어 개발 공급에 기술역량을 집중시키고 있다. 2020년 사물 인터넷 시장의 10% 정도가 산업 자동화 분야임을 감안할 경우 제조업 전체의 IOT 확산과 특히 중소제조업의 사업 및 성장기회로 작용할 것이 확실하다.
현재 국내 중소제조업의 기반기술 시장은 IOT(M2M)의 구현 환경이 정착되지도 않은 상황에서 IOT, Cloud, 빅 데이터 분석, 모바일 소셜네트워크 기술들의 융합특성을 통합 솔루션으로 하는 첨단 제조 플랫폼들의 출시가 예고되고 있다.

기술개요   
스마트공장의 공급자적 추진 의도와 수요자들 간에 그림 1과 같이 기술 및 시스템 개발의 현실적인 시차와 투자 시점이나 규모의 차이가 존재할 수 있다. 즉, 공급자적 방향성과 타이밍에도 불구, 기술에 대한 실수요자의 현실은 기초적 전산화 단계에도 진입 못한 수준에서 일부 고수준의 자율 자동제어 수준까지 다양하다.

국내 중소제조업 스마트공장 기술 수요자들의 핵심 이슈는 스마트공장 기술개발 및 투자 여력 부족에 대한 해결 방안, 추진 기술의 정확한 내용인식과 성과창출에 대한 확신 여부이다.
국가별 제조 경쟁력 혁신을 위해 Hightech Strategy 2020과 Industry 4.0(독일), Advanced Manufacturing 2.0(미국), Made in China 2025(중국), 제조혁신 3.0(한국), ESPRI(EC), 지능적 제조시스템(일본) 등 국가차원의 제조전략들이 적극 추진되고 있다. 특히 한국은 제조업 혁신전략 추진과 대규모의 중소제조 업체 스마트공장화를 추진하고 있다. 이러한 스마트공장화의 지향점은 핵심기술인 IIoT(Industrial Internet of Things)와 CPS(Cyber Physical System)기술을 기반으로 제조단계의 자동화, 정보화, 실시간 처리와 설비, 장치, 기기 등의 지능화, 모듈단위의 유연 제조와 분산 자율제어를 통한 생산시스템 연동체계구축이다.
최근 독일은 2년간의 인더스트리 4.0 추진결과, IoT와 CPS 표준의 지연, 데이터 보안문제, 중소제조업의 투자 부담 문제 등을 간파하고, 이를 보완하기 위해 협업 기반의 오픈 플랫폼 개발 전략으로 전환하여 인더스트리 4.0의 재추진에 돌입하고 있다. 특히, 인더스트리 4.0 추진의 저해요인이 고객 니즈시장 창출보다 기존 제품의 기술과 품질 개선 고수, 실질적 사업화 모델 창출보다 기술적 엔지니어링 연구 확산 집중, 시장표준보다 사실 표준 선도 집착, 협동적 연동 효율보다 폐쇄적 내부 공정효율 우선시에 있었음을 반성하고 대응 방안 수립과 실천 전략을 수정하고 있다.
미국은 제조업 혁신을 위해 스마트 제조 구조 및 실증연구와 프로젝트, 이종 환경에서의 의사결정 및 조치를 위한 종합처리, 상황인식 데이터화, 모델링 지원, 불확정성의 처리, 동기화, 클라우드 실행 연동 앱, 데이터 유지 보안, 가상공격 프로토콜 기술 등의 개발을 추진하고 있다.
한국은 중소 중견 기업의 스마트공장화 추진목표 하에 수준별로 기본적 제조현장 정보시스템의 구축, 설비정보 자동획득 및 운영자동화 기술, 개발정보 공유 및 제조 사이클 관리 최적화와 제어자동화 기술의 업그레이드, IoT기반 CPS화 등의 고도화 수준별 스마트공장화를 위한 기술개발을 추진하고 있다.
최근 스마트공장 인증모델링 및 기술 표준화 로드맵, 상호호환성 센터 및 테스트베드 추진, 스마트공장 추진단 구성 등 지원 사업 전개도 이슈가 되고 있다.

스마트공장 기술개요  
스마트공장이 공장인터넷, 컴퓨터 기반 상호운영적 통합제조, 유비쿼터스 제조, 디지털공장, 자동화 및 자율기반 유연 제조시스템 등 제조시스템의 진화와 WSN(Wireless Sensor Network), MES(Manufacturing Execution System), M2M(Machine to Machine), WoT(Web of Things), IIoT, IoF(Internet of Factory Things), CPS 등 기술 패러다임의 상속 결과로 볼 때, 현재 스마트공장의 대표적인 기술은 최신의 IIoT와 CPS 패러다임이라고 할 수 있다.
IIoT의 IoT가 사물 객체들의 인터넷 기반 연결이고 CPS는 가상과 현실세계의 통합 연결 시스템이라면, 스마트공장은 공장의 사물인 센서, 액추에이터, 설비 등 모든 현실세계 객체 자산과 이들 간의 네트워크, 인터넷으로 연결되어 구성된 가상세계를 제어하고 관리하는 종합시스템이 된다.
스마트공장 구축의 핵심은 제조 IoT기술을 기반으로 공장 내·외부 관리 자원을 연결하고 제조 및 서비스 최적화를 위한 플랫폼의 구성이다. 플랫폼의 기술 구성은 생산 데이터의 실시간 수집, 생산 빅 데이터의 분석 및 응용이 기본이다.
생산 데이터의 실시간 수집기술은 수집 기기와 미들웨어에 의해 수행되며, 빅 데이터의 분석 및 응용기술은 공정성능 및 품질 변수 검증, 설비신뢰도 분석 및 예측, 시뮬레이션 및 스케줄링 분석을 수반한다. 생산 자원 모니터링 및 분석 등의 통합관리는 플랫폼 OS와 관련모듈들에 의해 수행된다.
스마트공장의 구축기술은 공장 자동화, 유연 및 통합 제조시스템, 상호운영 컴퓨터기반 통합제조시스템(I-CIM), 지능적 제조시스템(IMS), 지능적 다기능 제어기반의 전자(e)-제조시스템, M2M 자율통신과 지식기반의 유비쿼터스(u)-제조시스템, 스마트공장 등으로 이어지는 구성기술에서 판단 가능하다.
최근 자율적 지식습득과 대화를 통한 지능적 제조설비와 인터넷 기반의 통합적 설비관리 기술, 실시간 정보기반 통합생산 운영, 지능형 센서 네트워킹 및 모니터링, 재구성 모듈러 시스템, 실시간 자율보정 및 가공 최적화 무인제어 기술 등의 논의가 활발하다. 스마트공장은 기술융합 범위에 제한이 없으며 제조 운영관리의 ICT핵심기술로 인터넷, 클라우드, 빅 데이터, 모바일기술 등을 포함하고 있다.
한국은 생산시스템 혁신기술로 스마트센서, CPS, 3D프린팅, 에너지 절감기술 등 4개 기술과, 정보통신 기반기술로 IoT, 클라우드, 빅 데이터, 홀로그램 등 4개 기술을 스마트제조 8대 핵심 기술로 하는 로드맵을 추진하고 있다.
스마트공장의 3대 요소기술 분야는 애플리케이션, 디바이스, 플랫폼 분야이며 기존기술과 유기적 상호작용을 필요로 한다. 그림 2와 같이 통합 환경에서 엔지니어링과 제조, 즉 디지털 및 현실세계의 유기적인 협력과 기술요소의 선별 구성이 필요하다.
2015년 국내 과제 RFP를 통해 본 스마트공장 추진 기술구성은, 주문 맞춤형 유연생산을 위한 공정 최적 설계자동화 기술, 실시간 공정데이터 기반 품질고도화 기술, 대용량 제조데이터 연동 스마트공장 애플리케이션 통합운영 기술, 제조환경 적응형 데이터 수집, 처리 시스템 개발 및 스마트공장 실증모델 구축, 제조 산업을 위한 개방형 IIoT 스마트공장 플랫폼 및 Factory-Things 하드웨어 연결기술, 스마트공장 보급, 확산적용을 위한 공통 산업표준 개발 등 6개 분야이다.

 

제품생산의 일반적 프로세스 기반으로 최근의 키워드인 IIoT는 있으나 CPS에 대한 언급은 없다. 뿌리기업 자동화·첨단화 및 ICT융합 스마트공장 보급·확산 지원사업은 MES, PLM, SCM 솔루션을 대상으로 하고 있다.

가. IIoT 관련 기술구성       
IIoT의 IoT는 개인, 공공, 산업 분야 IoT로 구분 가능하다. IIoT는 IoT 기술의 산업분야별 응용을 의미하며 기술구성을 공유한다. ARC는 IEC/SG8 인더스트리 4.0을 IIoT의 중요한 서브 셋으로 고려한다. IEEE SA OP2413은 산업자동화에 대한 IIoT프레임을 제시한다. IIoT시스템 구성의 4대 주요 부분은 지능 자산, 데이터통신 구조, 데이터 설명력을 갖기 위한 분석 및 응용, 연결강화와 정량화 의사결정이다.
센서, 프로세서, 메모리, 통신 능력을 가진 자산이나 기계를 의미하는 지능 자산은 가치사슬을 통해 데이터를 생성하고 정보를 공유하며 자가 인식과 자동 작동을 목표로 한다. 자산이나 객체 간의 데이터 통신은 인터넷 이외에 다양한 통신기술 구조와 빅 데이터 처리를 위한 클라우드 기술, 시스템 및 자산 최적화 및 비 가동 시간을 줄이기 위한 분석도구와 SW 등을 기반으로 한다.
IIoT기술은 그림 3과 같이 별도 축으로 진행된 WSN과 IoT(M2M)의 진화 선상에서 CPS를 축으로 융합 및 공유하는 형태를 갖는다. IIoT는 IoT 발전의 3단계인 디바이스 연결, 인프라 구축, 산업별 혁신적 솔루션 개발 단계를 공유한다.

IIoT 개발의 1단계는 산업영역별 사물객체로부터 수집된 제한된 정보와 데이터를 실시간으로 조회하는 수준이며, 2단계는 연결 사물의 증가와 대량데이터의 수집분석을 위한 빅데이터 플랫폼, 예측 및 패턴분석, 미들웨어 등의 인프라 기술이 개발되는 수준, 3단계는 사물의 자율 연결과 상호 운영성 기반의 솔루션과 서비스가 구현되는 수준이다. IIoT 구현 수준은 다양하나 핵심적 공통 기술은 센싱, 네트워킹, 인터페이스 기술 등이다.
IIoT의 핵심기술은 저 전력 네트워킹 기술, 센서 데이터 최적화 및 관리 기술, 저 전력 임베디드 OS 기술, 새로운 전력공급 및 저장 기술, 저전력 프로세서 기술 등으로 구성된다. IIoT의 사업적 가치사슬은 HW, SW, 서비스로 구성되거나 기기 및 부품, 네트워크, 플랫폼, 서비스 솔루션 단계로 분석될 수 있으며 각 단계별, 업체별 기술구성은 다양해 질 수 있다.

 

스마트공장은 IIoT의 제조부문이며, 산업부와 미래부의 스마트 공장 로드맵 기술구성 초안은 그림 4와 같이 기기 및 네트워크, 플랫폼, 애플리케이션의 3계층으로 분류하고 계층별 기술구성을 제시하고 있다. 기기 및 네트워크 계층은 게이트웨이, HMI, PLC, RFID를 매핑하고, 메인 플랫폼 계층은 가상현실 생산(CPP), 빅 데이터, 클라우드 3개의 하부 플랫폼을 포함하며 애플리케이션 계층은 연동 프레임워크를 포함한다.

나. CPS 관련 기술구성        
ITU 정의에 따르면 사물 웹(WoT)은 IoT 범주에서 웹 기술을 통해 구동 애플리케이션과 기기응용을 쉽게 해주는 현실 및 가상 세계의 연결 구조를 의미한다. WoT환경에서 CPS는 스마트 제조와 스마트공장 구성 측면에서 가상 및 현실세계의 생산 시스템을 의미한다. CPS 기술구성은 그림 5와 같이 네트워크, 플랫폼, 공장 간의 연계조합으로 구성된다.

 

IIoT 연결성은 인터넷과 로컬 네트워크 비중에 따라 인터넷 혹은 인트라 넷 중심적 시스템으로 구분할 수 있으며, CPS는 시스템 제어 중심이며 IIoT는 통신 기반의 객체 연동중심 기술로 볼 수 있다.
CPS의 주요 요소는 현실세계와 가상세계에서 얻어진 실시간 데이터의 연결성과 가상세계에서의 지능적인 데이터의 관리, 분석 및 계산능력이며, 구성은 스마트연결(CBM: 상황 기반 모니터링), 데이터 정보변환(PHM: 예비 진단 및 건강관리), 가상화(CPS: 사이버 물리시스템), 인식(DSS: 의사결정시스템), 제어설정(RCS: 자율 재구성 제어 시스템) 등의 기능과 속성으로 설명할 수 있다. CPS 기술구성으로 주문 즉시 생산(P&P)과 CAN(Controller Area Network)기반 동기화 프로토콜과 메커니즘, 이더넷 기반의 자율 재구성 기능의 3단계 SW층으로의 통합이 제시되기도 한다.
글로벌 규모의 CPS 구축 경우 보안 및 적시 공급이 어렵고 비용 때문에 기존 기술만으로 솔루션을 구성할 수 없어 효율적 미들웨어를 포함하는 가상 플랫폼 구성이 제시되기도 한다. 글로벌 규모의 CPS는 다양한 디바이스 지원, 무결성, 유비쿼터스적 접속, 실시간 모니터링과 제어, 성능 최적화 이외에 통신 분리, 메시지 오버헤드 축소, 고성능 대역폭 할당기능 등이 추가 구성된다.
CPS 플랫폼 가상화는 기존 노드 및 네트워크 가상화, 하이퍼바이저, 가상화 네트워크 매니저 및 인터페이스 카드, 가상머신, 가상 네트워크 분리, 층간 메시지 제어, 대역 제어, 성능 최적화, 행위, 성능, 분리, 터널링 비용, 시나리오 등을 활용하기도 한다.
최근 CPS를 통해 장비의 운영 성능 데이터에 의한 설비 상태 개선, 장비운영 최적화, 장비 원격제어 및 관리, 서비스 예측 및 시작, 현장서비스 원격 진단 및 대체, 현장서비스 위임 및 최적화, 정보 및 데이터 기반의 서비스 등 산업서비스 분야 구성이 제시되기도 한다.
SmartAmerica 프로젝트에서 미국 산업 도메인의 CPS 상호연결망(CPSNETs)과 Action Cluster 구성 기반의 연구 프로젝트와 같이 주요 CPS 추진과제로 스마트 제조 분야의 연결망을 구성할 수도 있다.
CPS는 무선 센서와 액추에이터로 분산네트워크를 구성하고 적응적이고 예측 가능하며 지능적이고 실시간 처리가 가능한 제어시스템으로 설명되기도 한다. CPS의 세부적 기술은 모델링 및 시뮬레이션 기술, 네트워크 및 분산컴퓨팅, 상황인지, 인공지능, 실시간 컴퓨팅 기반의 자율제어 기술, 이종시스템을 위한 IoT통신 미들웨어 기반의 통합 연동기술, SW 인증 및 검증 기반의 OS 및 플랫폼 기술 등으로 구성된다.
CPS는 이종의 이산 혹은 연속 컴퓨팅의 복합 모델과 네트워킹, 상호 운영성, 동기화에 대한 기능 명세와 모델링, 분석 등을 지원한다. 모듈화 구성과 통합 수준에 따라 레거시 시스템과의 인터페이스를 통해 확장성과 복잡성 관리를 지원하며, 입증과 검증을 지원하는 디자인 방법론과 개선된 설계도구로서의 기술을 포함하고 있다.
시스템의 운영 안전성, 실시간 오류 복구, 자율제어 등의 하이브리드 네트워크의 기술적 특성을 갖고 있고 시스템 복합성에 의한 결함 가능성에 대한 도메인별 시험구조도 포함하고 있다. 물리시스템과 제어 SW간의 상호작용관계를 설계 단계부터 단순화, 체계화하여 예측 가능한 신뢰성체계와 표준화된 인터페이스 역시 CPS의 중요 요소이다.