하노버 메쎄, 민첩한 스마트 제품 개발방법

제조산업이 근본적인 변화에 직면해 있다. 인더스트리 4.0과 디지털 변환을 향한 네트워킹이 기존기술과 사업을 위태롭게 하기 때문이다. 기업들은 살아남기 위해서는 새로운 스마트 제품을 시장에 적합하게 개발해야 한다.  

마틴 항켈(Martin Hankel): Bosch Rexroth AG 인더스트리 4.0 기술 프로젝트 매니저

미래에도 사용할 수 있는 경쟁력 있는 자동화 제품들은 앞으로 „스마트하게“ 네트워킹된 환경에 연결되고 자율적으로 과제를 담당하게 될 것이다. 하지만 이러한 제품이 향후 5년 내 어떤 기준과 요건을 충족해야 하는지 명확하지 않다는 것이 문제이다. 이미 정의된 기능명세서와 사용자 요구명세서를 이용한 전통적인 개발과 완제품까지 이르는 직선적인 개발방식은 이제 합리적이지 못 하다. 고객의 요구사항이 개발시점부터 계속 변한다는 사실을 나중에 알게 된다면 때는 이미 늦은 것이다. 앞으로 자동화 제품의 라이프사이클은 몇 개월 이내로 단축될 것이다. 스마트 제품 개발자들은 빠르고 유연하게 새로운 트렌드와 기준을 솔루션에 통합해야 한다. 이 과정에서 과거의 경험과 프로세스를 수정하고 추진하는 것이 가능하겠지만, 이동 중에도 달리는 법을 배워야 할 정도로 민첩하게 새로운 솔루션에 이르는 새로운 방법을 제시해야 한다.

자치 창출 네트워크 내 전체 라이프 사이클

스마트 제품은 인더스트리 4.0의 네트워킹과 지능이 제시하는 요건을 충족해야 한다. 이때 라이프 사이클을 전체적으로 고려해야 한다. 제조 프로세스가 급격히 변하고 있다. 전통적인 가치창출 대신 디지털로 네트워킹된 가치창출 네트워크가 새로이 나타나고 있다. 이러한 네트워크에서 관련 기업들은 동시적으로 일하고 실시간으로 개발과 제조에 관한 데이터를 교환해야 있다. 또한 스마트 제품들은 납품 이후에도 작동상태에 대한 데이터를 계속 수집하여, 제품 서비스와 제조 프로세스의 지속적인 개선이 이뤄져야 한다.

디지털 변환이 생산수단에 대한 사용자들의 요건을 변화시키고 있다. 제조사와 자동화 컴포넌트, 기계 사용자들은 이러한 토대를 정의하는 공통의 기반이 필요하다. 이에 인더스트리 4.0 플랫폼이 파트너들과 함께 새로운 정의를 정하였다. 첫 번째 결과물이 바로 인더스트리 4.0 레퍼런스 아키텍처 모델(RAMI 4.0)과 최소 특성으로서 인더스트리 4.0 제품 기준이다.

인더스트리 4.0 제품 기준

RAMI 4.0(Reference Architecture Model Industry 4.0)은 인더스트리 4.0의 전체 솔루션을 실현하기 위해 밖에서 보는 시각으로, 인더스트리 4.0 컴포넌트는 인더스트리 4.0 네트워크에 통합해야 하는 사물의 시각에서 바라봐야 한다. 여기에는 사물 그 자체 외에 RAMI 4.0의 레이어 내 매핑이 포함된다. 이러한 디지털 매핑은 „관리 셸“로서의 다섯 개 레이어로 통합된다. 협회와 기업체가 인더스트리 4.0 컴포넌트의 기준을 다음과 같이 정의하였다.

인더스트리 4.0 환경에 사용할 수 있는 스마트 제품 기준

■ 식별: 인더스트리 4.0에 필요한 전제조건은 모든 제품을 명확하게 식별하는 것이다. 각 제품은 이를 위한 식별자가 필요하다. 이를 개발에서 생산, 물류, 판매, 서비스, 마케팅과 네트워크에 연결하기까지 전체 사이클에 이용할 수 있다.

■ 인더스트리 4.0 통신: 인더스트리 4.0은 서비스를 실행할 수 있고 데이터를 교환할 수 있는 서비스 지향 아키텍처를 따른다. 인더스트리 4.0 커뮤니케이션은 기존의 표준과 개발 중인 표준으로부터 도출해야 한다. 생산에서 이더넷이 TCP/UDP/IP 통신으로서 그리고 OPC UA가 우선적인 표준으로 확립되어야 한다.

■ 인더스트리 4.0 시맨틱: 구성요소, 기계, 시스템, IT 시스템이 제조사를 초월하여 서로를 소통할 수 있는 공통의 언어가 필요하다. 이 언어는 데이터와 기능의 형태를 띠는 공통의 단어와 데이터에 대해 올바른 문맥을 형성하는 공통의 의미를 포함한다. 이 부분에서도 이미 존재하는 표준을 우선적으로 사용한다.

■ 가상의 설명: 가상의 설명은 인더스트리 4.0 시맨틱에서 모든 중요한 데이터를 디지털 방식으로 포함한다. 이러한 정보는 제품의 디지털 매핑을 형성하고, 사용자는 이 디지털 매핑으로 작업할 수 있다.

■ 인더스트리 4.0 서비스와 상태: 인더스트리 4.0 네트워크 내에는 구성요소와 시스템 그리고 기계가 있으며 이들은 어떻게 의사소통 할지를 합의한다. 이를 위해 인더스트리 4.0 서비스를 제조사를 초월하여 구현하고 표준화된 방식으로 접근해야 한다. 독점적 시스템은 이러한 전제조건을 충족하지 못한다.

■ 표준기능: 모든 자동화 구성요소와 시스템의 표준화된 기능은 기계제조사와 최종소비자의 작업을 수월하게 만든다. 이런 점은 모션 프로그래밍을 위한 제조사로부터 독립적인 표준인 PLC-Open의 기능에서 나타난다. 표준기능은 각 제조사들이 자체적인 확장의 기반으로 삼을 수 있는 토대를 형성한다.

■ 보안: 인더스트리 4.0 구성요소에 무단접근을 보호하는 것은 전체 사용기간 모든 아키텍처 레이어와 서열구조 레벨에서 효력이 있어야 한다. 이와 관련하여 IEC 62 443-3-3이 앞으로 핵심적인 역할을 할 것이다.

제품 개발에 미치는 영향

레퍼런스 아키텍처 모델 RAMI 4.0과 제품기준은 인더스트리 4.0에 대한 이해를 통일시킨다. 또한 인더스트리 4.0 구성요소와 같은 스마트 제품이 개발에 대한 새로운 요건을 충족하고 새로운 사용 시나리오와 사업모델이 어떻게 가능한지를 명확하게 한다.

스마트 제품은 개발에 새로운 요구조건을 제시한다.

■ 서비스: 제품을 계속해서 판매하려면 서비스가 무엇보다 중요하다. 이때 최소 기준을 충족하는 표준 서비스가 있고 차별화된 특성으로 제조사 별로 제공되는 서비스가 있다. 서비스는 전체 라이프사이클 동안 제공된다.

■ 분산 지능: 이 서비스는 중앙집중식으로 이용되거나 분산방식으로 이용될 것이다. 중요한 것은 항상 지능이 제공된다는 것이다. 즉 한 제품에 분산되어 배치되거나 중앙집중식으로 플랫폼에 배치된다.

■ 자체적인 지능이 없는 구성요소: 이러한 분산지능을 이용하여 자체적인 지능이 없는 제품도 플랫폼의 가상매핑을 통해 인더스트리 4.0 디지털 네트워크에 참여할 수 있다. 이러한 제품의 연결은 QR 코드와 같은 명확한 식별수단을 통해 이루어진다. 온보드에 자체적인 지능을 갖는 제품 외에 자체 지능이 없는 제품도 가상의 매핑을 통해 인더스트리 4.0 제품이 될 수 있다.

■ IT의 프로그래밍 언어: 분산지능 컨셉트는 자동화와 IT 세계의 연결을 필요하다. 인더스트리 4.0로 인해, 각각 다른 기계와 시스템 상호 간에 그리고 상위 시스템과 정보를 교환해야 한다. 이러한 수평적, 수직적 네트워킹은 자동화와 IT 사이의 개방에 새로운 요건을 제시한다. PLC 프로그램과 PLC 인터페이스 작성이 종종 병목이 되고 있지만, 이 부분의 지식을 갖춘 개발자가 상대적으로 많지 않다. 동시에 IT 프로그래밍 언어는 자동화에 많이 사용되고 있다. 한 가지 장점은 수백만의 프로그래머가 IT 고급 언어와 인터넷 언어로 작업한다는 것이다. 이러한 자원을 자체 개발에 이용하게 하는 기업들은 타임 투 마켓을 기존의 소요시간 일부로 줄일 수 있다.

■ 개방성: 기계와 시스템 엔지니어링에서 커지는 소프트웨어 비율이 가치창출을 변화시킨다. 제조사는 소프트웨어 개발에 많은 맨 아워(Man hour)를 투자한다. 제조사를 초월하는 개방 표준이 이러한 투자를 지켜준다. 자동화 세계에서는 독점적인 시스템 솔루션을 관철시키고자 하는 일부 공급자들의 노력이 있다. 그들은 표면적으로는 인터페이스 문제를 제거한다고 하지만, 한편으로는 혁신에 한계를 만들고, 일방적으로 변경을 관철할 수 있는 위험이 있다. 수많은 제조사들에 의해 유지되는 개방 표준에서는 상황이 다르다. 여기서는 동의가 있어야 변경이 가능하고 대체로 하위 호환성이 보장된다. 이는 지금까지의 투자를 지속적으로 보호한다. 동시에 개방형 시스템은 더욱 혁신적이라 할 수 있다. 모든 구성요소가 자유로운 경쟁관계에 있기 때문이다.

■ 라이프 사이클: 기계 엔지니어링은 짧아진 제품 라이프사이클에 직면해 있다고 본다. 과거에는 개발을 마친 기계는 하드웨어를 바꾸지 않고 만들 수 있었지만, 현재는 증가하는 소프트웨어 비율이 이러한 사이클을 짧게 만들었다. 소프트웨어 형태의 새로운 기능과 업데이트가 갈수록 빨라지고 있다. 이러한 기능들은 Pay per Use(사용한만큼 비용을 지불하는 방식)로 연결하고 또 차단하고 있다. 이는 필요한 개발속도에도 영향을 끼친다. 소프트웨어의 라이프 사이클이 짧아질 수록, 개발자들에게 주어지는 시간도 짧아지고 있다.

■ IT 파트너와의 협업: 미래에는 개별 제조사 내에서 새로운 자동화 솔루션과 기계를 개발하고 이를 네트워크화된 IT 시스템에 완벽하게 연결하는 것이 불가능해진다. 인더스트리 4.0으로 인해 다른 업체와 협력이 갈수록 중요해지고 있다. 대부분 다른 도구와 표준을 이용하고 자신만의 노하우에 집중함으로써 자동화 제조업체, 기계 엔지니어링, IT 산업은 유지 가능하고 미래에도 보장되는 솔루션에 이를 수 있다.

■ 데이터: 스마트 제품은 데이터 기반한 서비스를 의미한다. 이를 위해서는 인더스트리 4.0 내에서 기본적인 데이터를 표준화하는 것이 필요하다. 데이터가 통일되어야 인더스트리 4.0 네트워크에 통합하고 광범위한 기능과 서비스를 프로그래밍의 번거로움 없이 제공할 수 있다.

■ 새로운 사업모델: 기계와 시스템의 수익성과 생산성에 결정적인 요소는 가용성이다. 작동중단은 진단과 수리로 인한 많은 비용을 초래한다. 특히 연속 생산하는 공정 시스템과 고도로 통합된 생산 라인의 경우, 생산 중단으로 인한 간접비용은 매우 크다. 이런 점에서 데이터를 기반한 서비스의 와해적 사업 모델(disruptive business model)이 두각을 나타내고 있다. 예를 들어 데이터가 온라인으로 제공되는 경우 높은 가용성이 보장된다. 기계학습과 빅 데이터를 위해 서버로 데이터를 전송한다.

새로운 프로세스

하드웨어 제품과 소프트웨어에 대한 기존의 개발접근법을 큰 기업에서는 프로세스로 정의하였다. 이는 추후의 품질 비용에 대해 결정적인 방향을 개발 단계에서 미리 결정하기 때문이다. 하지만 스마트 제품은 인터페이스와 표준이 빠르게 변할 수 있기 때문에 목적이 유동적이고 복잡성은 매우 높고 무엇보다 중요한 것은 시간이다. 최초 공급자는 „Early Mover“의 이점이 가지고 있어 지속적으로 응용할 부분을 수집하지만, 경쟁 업체는 변종 개발에 여전히 매달리게 된다. 이러한 탐험적인 „Trial and Error(시행착오)“ 방식은 지금까지 구조화된 기계 엔지니어링 개발 프로세스에서는 의도되지 않는다.

이제 링 기어에 대한 관점을 살펴 보자. 이 분야는 수 십 년 전부터 매우 짧은 제품 라이프사이클과 고객이 원하는 것을 미리 알 수 없다는 예측 불가능성을 안고 있다. 오히려 고객들은 제품을 사용하면서 기능의 장점을 파악하고 이후에 추가적인 것을 원하는 경우가 있다. 이러한 시장 환경에서 소프트웨어 분야는 민첩한 개발방법을 검증하였으며, 이러한 방법은 이제 기계 엔지니어링에도 합리적으로 적용할 수 있다.