스마트 팩토리란? Introduction to Smart Factory

 

스마트팩토리란?

▪2011년독일하노버산업박람회(Hannover Messe) 언급

▪ “스마트팩토리는인더스트리4.0의핵심구성요소 (Smart factories constitute a key feature of Industrie 4.0, Kagermann et al., 2013, p. 19)

▪ “The Smart Factory is defined as a factory that contextaware assists people and machines in execution of their tasks.” (Lucke, Constantinescu, & Westkämper, 2008, p. 115)

▪ 이전부터수많은논문에서생산자동화시스템, 스마트팩토리, 자가개선공장(Self-Improving Factory), 스마트메뉴팩처링시스템 (Smart Manufacturing System) 등다양하고일반화된형태로 언급되었음(Jin, et al., 2016)

스마트팩토리의기본적인개념

▪ 똑똑한공장? 무인화? 
▪ 광범위한네트워크에서성능을자동으로최적화하고실시간으로 새로운조건에적응,학습하며전체생산프로세스를자율적으로 실행할수있는유연한시스템 (The smart factory is a flexible system that can self-optimize performance across a broader network, selfadaptto and learn from new conditions in real or near-real time, and autonomously run entire production processes-Deloitte

스마트팩토리의필요성

▪ 우리나라의경제성장의원동력이며국제경쟁력인운영최적화 (Operational Excellency)의강점이원천기술의미비, 인건비상승, 경쟁국추격등으로가치가희석되고있음
▪ 대기업의외주업체또는협력업체라는위치에서단순하게 제조성능을 높이거나원가를절감하는생산성증대측면으로부터 스마트팩토리 기반중소기업의특화된영역에대한새로운가치를창출하여 우리나라의새로운경쟁력으로자리매김할필요성증대
▪ 다양한비즈니스영역에스마트팩토리의개념을적용하여새로운 가치발굴에힘써야함(스마트팜, 스마트시티, 스마트전력, 스마트모빌리티등

4차산업혁명과스마트팩토리발전과

▪ 산업혁명발전단계별제조산업의특징

▪ 4차산업혁명과스마트팩토리

▪ 가상물리시스템(CPS)

▪ 사물인터넷(IoT)

▪ 스마트팩토리사례연구

 

 

 

4차산업혁명에서의스마트팩토리

◼ 3차산업혁명에서관심의대상이었던 생산량, 사이클타임, 재공등생산성과관련된것으 로부터4차산업에서는사물과공정에서발생하는데이터를활용하여 공정설비의고장을 예측하여사전에예방하거나, 고객이사용하는 제품의선제적인유지보수를 가능하게하 는등새로운서비스를창출하게 됨.
◼ 과거에는다루지않았던미세한데이터를축적하고분석한결과를토대로전통적인생산 성향상의시각에서벗어나 환경이나작업안전등새로운서비스로영역이급속히확대됨

첨단산업에서의스마트팩토리

◼ 반도체산업은천문학적인 투자가소요되는장치산업의 특성상설비가동율을최대로 하 여야만함. 따라서24시간쉬지않고공정설비를 운영하는것도중요하지만, 공정간불필 요한대기시간을줄이기위하여생산자재의자동반송 시스템을사용하는것이일반적임.
◼ 공정설비와자동반동시스템과서로통신하기위해서는일련의통신규약이필요한데 반 도체산업에서는 SEMI(Semiconductor Equipment & Materials International) 에서SECS(Semiconductor Equipment Communication Standards) 라는통신 표준을만들어모든공정및자동반송설비의통신을표준화함

스마트팩토리역할의확대(1)

◼ 스마트팩토리 초기에는주로생산성향상이라는전통적인 목표중심이었으나판매/마케 팅이나연구개발,  고객서비스등다른부문으로까지 역할이확대되는추세임. 
◼ 특히반도체산업의경우, 양산이전에소요되는 기간이나신규라인의램프업(Rampup)기간을단축하기 위하여공정이나제품의미세한데이터를분석하여혐의공정이나 수율저하요인을 조기에발견하는것이중요하며스마트팩토리의실시간공정관리나 빅 데이터기반공정분석 기능이큰역할을수행함.

스마트팩토리역할의확대(2)

◼ 전통적인공정관리는공정이끝난후제품불량을검사하는방식이었다면, 요즘은공정이 끝난후는물론공정이진행되는 과정뿐만아니라 공정에투입되기전공정과제품관련 된데이터를관리하여 공정전, 공정중, 공정후이렇게공정전체에 대한 관리가능함.
◼ 특히반도체산업의경우, 수백여공정의복잡하고미세한공정을 센서나비전을활용한 이미지분석을사용하여실시간을데이터를수집하고 분석하여공정을관리하고재품이 상이발생하였을경우혐의공정을단시간에찾아낼수있음

History of the Smart Factory(2)

◼ The first industrial revolution mobilized the mechanization of production using water and steam power; the second industrial revolution then introduced mass production with the help of electric power, followed by the digital revolution and the use of electronics and IT to further automate production. 
◼ Within the modular structured smart factories, cyber-physical systems monitor physical processes, create a virtual copy of the physical world and make decentralized decisions. Over the Internet of Things, cyber-physical systems communicate and cooperate with each other and with humans in real time, and via the Internet of Services, both internal and crossorganizational services are offered and used by participants of the value chain

 

 

CPS

◼ CPS는고성능컴퓨팅(Computing), 통신(Communication), 실시간제어(Control) 에기반을둔오류에강한지능형시스템이며, 물리세계에장착된스마트센서를통해데 이터가수집되고연결된통신망을통해연동된소프트웨어가 데이터분석을통해물리현 상을분석하고제어하는기술이라고할수있음. 
◼ 물리세계는예측가능하지 않고, CPS는 조절가능한환경에서동작하지 않기때문에하위 시스템오작동에관해서처리가가능해야하기때문에신뢰성이중요함.

CPS의구현(예)

https://www.youtube.com/watch?v=fFy_9bQVmII

 

 

Taxonomy for the IoT

 

 

 

반도체/디스플레이의스마트팩토리

▪ 스마트팩토리핵심구성요소
▪ Equipment Control 
▪ Material Handling
▪ Manufacturing Operation 
▪ Scheduling/Dispatching 
▪ Process Control
▪ Manufacturing Data Analysis 
▪ Engineering Data Analysis

Smart Factory for semiconductor

 

 

 

Equipment Control

▪ Equipment control of each operation mode

 

 

 

Material Handling

▪ Sample of material handling system

 

 

 

 

Manufacturing Operation

▪ Sample of manufacturing operation model

 

 

Job Scheduling/Dispatching

▪ Sample of Job Dispatching model.

 

 

Process Control

▪ Sample of Process Control.

 

 

 

Manufacturing data analysis

 

 

▪ Cycle time ≒ 92.118e-0.075*Full-auto ratio

 

Engineering data analysis

 

 

 

 

 

Ref.

▪ 장현성, 박충식, 2016: 루만사회체계이론 관점에서의 스마트팩토리 : 지능정보시스템학회, 2016
▪ Kagermann, H., W. Wahlsterand J. Helbig, eds., 2013: Recommendations for implementing the strategic initiative Industrie4.0: Final report of the Industrie4.0 Working Group
▪ Lucke, D., C. Constantinescu and E. Westkämper, 2008: Smart Factory -A Step towards the Next Generation of Manufacturing. In: Mitsuishi, M., K. Ueda and F. Kimura, eds., Manufacturing Systems and Technologies for the New Frontier, the 41st CIRP conference on manufacturing systems, Tokyo, Japan, 115–11