생산 과정에서 증가하는 유연성, 연관된 주문제작 요구, “배치 사이즈 1” 생산의 추진은 스마트 공장과 산업 4.0 개념의 중요한 동인이다. 이 공간의 선도하는 연구 조직은 이론적인 제조 개념의 실제 확인에 전문화된 특수 이익 집단인 SmartFactoryKL이다. 산업 파트너와의 공동 작업에서 SmartFactoryKL 는 사실적인 산업 생산 환경에서 산업 시스템들을 개발하고 테스트한다. 이 사례 연구는 2014년 하노버 메스 산업 기술 전시회에서 전시된 산업 4.0의 시범 시스템에 관련된다 [DF1].

산업 4.0 시범 플랫폼은 다양한 구성요소, 레이저로 새기는 상호, 기초 테스트 기능의 자동 완성으로 주문제작된 명함 홀더의 자동 조립을 가능하게 하는 생산 라인이다. Bosch Rexroth와Harting 모듈이 조립에 사용되었고, Festo 모듈은 새김에 사용되었으며, PhoenixContact 모듈이 레이저 필기에 사용되었다. 품질 보증은 Lapp Kabel이 개발한 모듈에 의해 제공되었다. MiniTec는 제공했다 증강 현실 지도 요소와 통합된 수동 단말기를 제공했다. 아래 이미지는 2014년 하노버에서 시연된 제조 라인을 보여준다.

                      Industry 4.0 assembly line (Source: SmartFactory-KL)
                      

그 제조 라인을 특별하게 만드는 것은 그것이 그 모듈 구조 덕분에 역동적으로 재조립할 수 있다는 점이다. 하노버에서 시연되었듯이, 생산 모듈의 시퀀스는 빠르게 변화될 수 있다. 모든 생산 모듈이 완전히 자율적이다; 중앙 MESsk 다른 관련 생산 통제 시스템은 없다. 이는 해당하는 작업 지시와 작업 이력에 더해 제품 설정을 저장하는 디지털 제품 메모리를 사용하여 성취되었다. Festo모듈은 생산 과정을 시작하는 것을 책임진다. 이것은 명함 홀더의 기본 포장이 내려오고 특정 고객의 데이터가 바닥판에 부착되는 RFID 태그에 새겨지는 곳이다. 그 모듈은 이제 홀더의 바닥 자체를 고객 사양마다 새긴다. 다음으로, Rexroth 모듈이 클립을 명함 홀더의 포장 바닥에 올려놓는다. 고객의 사양에 따라, Harting 모듈이 청색이나 검은색 커버를 바닥판에 놓고 두 부품을 압력 맞춤한다. 이제 PhoenixContact 모듈이 개인 QR 코드를 추가하고 제품에 인쇄하기 위해 레이저 시스템을 사용하여 인계받는다. 제조 라인의 마지막 모듈은 품질 체크와 최종 제품의 출시를 수행하는 LappKabel 모듈이다. Cisco, Hirschmann, ProAlpha, Siemens 같은 다른 파트너들 또한 이 프로젝트에 그들의 전문 기술로 기여하였다. 이것은 다른 IT 시스템들의 통합과 제조 라인의 개별 모듈들을 넣은 척추 구조의 창조를 가능하게 했다. 제조 라인의 주요 요소는 아래의 그림에 나와 있다.

Architecture of the Industry 4.0 demonstrator (Source: SmartFactory-KL)

산업 4.0 데모 플랫폼의 주요 목적은 표준화된 생산 모듈이 어떻게 쉽게 통합되고 교환될 수 있는가를 보여주는 것이다. 프로젝트 창시자이자 SmartFactoryKL 위원회장인 Detlef Zühlke 교수는 “생산 시스템의 모듈성을 보장하기 위해, 기계, 전기 및 통신 인터페이스 표준을 따를 필요가 있다. 유용한 기준은 실제 요구 사항과 경험에 기초하여 나타날 수 있다. 이는 표준이 산업 4.0의 채택과 동시에 발전해야 함을 의미한다. 이미 상이한 수준에서 이용 가능한 다수의 표준이 존재하며, 우리는 이 표준을 사용한다. 우리는 처음부터 시작할 필요가 없다. 그것은 단지 여전히 더 많은 작업이 수행될 필요가 있는 더 높은 수준의 상호 운용성이다.”라고 성명한다.

산업 4.0 플랫폼에서 표준화는 여러 수준에서 달성되어야 한다:

• 디지털 제품 메모리: 디지털 제품 메모리는 RFID 기술을 이용한 다양한 가공품으로 통합된다. 데이터는 표준화된 교차 제조사 OMM (Object Memory Modeling) 데이터 포맷에 기초하여 가공품 및 생산 모듈 사이에서 교환된다. [WW1]

• 수직 통합: 생산 모듈 및 비즈니스 어플리케이션은 OPC UA 표준을 기반으로 통합된다.

• 가공품 운송: 혁신적인 수문 시스템은 생산 모듈과 모듈 내의 표준화된 컨베이어 벨트의 상호 접속을 용이하게 만들도록 고안된다.

• 조립 라인 토폴로지: 독립적인 토폴로지 유도를 위한 자동 인근 지역 탐지

• 생산 모듈: 모든 모듈은 EUR 팔레트 크기를 지원한다.

자산 통합 아키텍쳐

아래 도표는 솔루션의 개별 구성 요소의 세부 정보를 제공한다.

각 제품은 원격 장치 (a)에서 읽고 쓸 수있는 RFID 태그를 갖는다. 태그는 제품 구성 데이터 및 작업 히스토리를 저장한다. 각 생산 모듈은 작업 명령을 판독하고 작업 이력 (b)에 새로운 항목을 생성하기 위하여 제품으로부터 이 데이터에 접근하는 통합된 RFID 장치를 지닌다. ERP 시스템은 Festo 모듈의 RFID 장치를 이용하여 제품에 대한 작업 정의를 만들어낸다.

다수의 생산 모듈을 가로지르는 생산 과정을 통제하기 위한 제품 메모리와 표준화된 데이터 교환 포맷의 사용은 통합을 단순화하기 때문에 매우 흥미롭다. 모든 모듈을 하나의 복합 중앙 시스템으로 통합할 필요 없이, 인터페이스는 느슨하게 결합되어 있으며 비교적 단순하다. 제품은 자체의 흐름과 이 흐름에서 수행되어야 하는 작업을 통제한다. 특히 제품이 여러 조직에서 작동되는 경우, 이는 통합을 매우 단순화하고 훨씬 더 큰 유연성을 제공할 가능성이 있다.

데모 플랫폼의 모듈들은 서로 다른 아키텍처를 가지고 있다. 일부는 전통적인 방식을 따른다. 예를 들어, 모듈 A는 픽앤플레이스 장치를 제어하는 PLC를 가지며, 백엔드에 비즈니스 로직에 대한 접근을 제공하기 위한 OPC UA 서버를 사용한다.

모듈 B는 제품의 RFID 태그로부터 고객의 이름 및 주소를 판독하여, 명함 홀더에 QR 코드의 형태로 레이저로 새겨지는 고객 vCard를 생성하기 위해 이 데이터를 사용한다. 또, 레이저는 표준 PLC에서 제어된다. 또한 백엔드 통합을 위한 SOA-2-PLC가 사용될 예정이다.

미래에 모듈 C는 자체 인공 지능으로 하나의 통합된 작동 장치 및 센서 (예를 들어, 공압식 프레스) 네트워크를 생성하는 작지만 강력한 리눅스 기반 마이크로 컨트롤러를 사용한다는 점에서 다른 모듈과 다소 다를 것이다.

모듈의 물리적 결합은 표준화된 해치를 통한 제품의 이동에 기반한다. 이 해치는 모듈 내 컨베이어 벨트가 모듈에서 모듈로 제품을 이동시키도록 한다.

중추에 의해 제공되는 중심 기능은 전력, 압축 공기, 산업용 이더넷 및 긴급 정지 기능의 제공이다. 중앙 SCADA 또는 유사한 시스템은 포함되지 않는다. 이는 생산 모듈이 개별 플러그앤플레이 장치로서 사용될 수 있으며, 그 순서는 몇분 내에 변경 될 수 있다는 것을 의미한다.

AIA for SmartFactory-KL demonstrator

제품 메모리의 통합 덕분에, SmartFactoryKL의 데모 플랫폼은 단일 품목 흐름 및 생산 모듈의 느슨한 결합과 같은 중요한 산업 4.0의 개념이 이미 오늘날 이용 가능한 기술을 사용하여 구현될 수 있다는 것을 보여주었다. SmartFactoryKL 컨소시엄은 시스템에서 증명된 개념을 구축하고, 새로운 파트너로부터 추가적인 모듈을 더할 계획이다. 시범용 생산 공정은 연장될 것이며, 그 기능은 지속적으로 향상될 것이다. 첫 번째 업데이트는 2015 년 4월에 하노버에서 공개될 것이다.

프로젝트에 참여한 산업 파트너들은 이러한 컨셉들을 연구 환경으로부터 실제 생산 환경으로 이동시키고 싶어 한다. 그러나, 이는 곧 일어날 것 같지는 않다. Zühlke 교수에 따르면, 아직 해야 할 일이 더 남아 있다고 한다: “우리는 반도체 생산처럼 일부 영역에서는 모듈의 표준을 확립하는데 있어서 상당한 발전을 이루어 왔다. 그러나, 나는 우리가 실제 생산 환경에서 스마트 공장의 초기 구현을 보기 시작하려면 적어도 3년은 더 있어야 할 것이라 생각한다. 완전한 구현에 관해서는 십년 이상은 더 있어야 한다고 생각한다.” 그러나 Zühlke 교수는 기업들이 보트를 놓치지 말아야 한다고 강조한다: “일부 기업은 이미 계속 진행 중인 발전을 따라잡아야 한다는 압박을 받고 있다. 산업 4.0는 단순히 지엽적인 트렌드가 아니다; 이러한 개념과 기술은 오늘날 우리가 알고있는 제조 풍경을 완전히 바꾸는 근본적인 패러다임의 변화를 나타낸다.“