지난달 27일부터 29일까지 3일간 코엑스에서 ‘스마트공장· 자동화산업전 (SmartFactory + AutomationWorld 2019)’이 열렸다.

이번 전시회에는 제조업의 비전문가인 필자가 봐도 구경할만한 것들이 많았다. 좀 더 정확히 표현하면, 친숙한 것들이 많았다. 제조 산업 전시회이지만 정보통신기술 (ICT) 부분도 소개돼 있었기 때문이다. 클라우드, 네트워크 보안, 사물인터넷 (IoT), 인공지능 (AI) 등 ICT에 나올 내용이 해당 전시회에도 소개됐다.

전시회의 이런 부분은 제조 산업에 ICT 영역이 커지고 있음을 보여준다. 실제로도 제조 산업은 ICT와 함께 융합해가고 있다. 참고로 이를 ‘스마트 팩토리 (Smart Factory)’라고 한다.

스마트 팩토리는 4차 산업혁명의 기원이 되는 ‘인더스트리 4.0’에서 출발했다. 인더스트리 4.0은 2011년 독일공학협회 (VDI)에서 처음으로 언급됐던 용어이다. 그리고 인공지능연구소 (DFKI)는 이를 독일 국가의 미래 전략으로 제안했다.

DFKI는 제조 산업 분야에 따라 네 가지로 구분했다. 인더스트리 1.0은 물과 증기로 인해서 노동력이 사람에게서 기계로 대체되는 시기이다. 인더스트리 2.0은 전기의 등장으로 대량 생산이 가능해진 시기이다. 그리고 인더스트리 3.0은 인터넷 기술 적용으로 부분 생산 자동화가 이뤄진 시기이다. 현재 겪고 있는 인더스트리 4.0은 완전 자동화가 이뤄지는 시기이다.

독일 정부는 2012년에 인더스트리 4.0을 미래 전략으로 채택했다. 그리고 이를 ‘하이테크 전략 2020’에 편입했다. 그러나 초기에는 인더스트리 4.0이 민간 주도로 이뤄지고 갈등이 많아서 잘 이뤄지지 않았다. 이에 독일은 ‘플랫폼 인더스트리 4.0’으로 명칭을 바꾸고, 정부가 직접 해당 사업을 주도했다.

독일 정부가 인더스트리 4.0을 국가 미래 전략으로 선정한 데에는 이유가 있다. 중국, 인도 등 신흥국과의 제조 생산에 우위를 점하기 위함이다. 다시 말해, 독일은 공장의 완전 자동화로 인건비 절감, 품질 향상 등을 실현해 신흥국 제조 산업 확장에 대응하고자 했다.

물론 독일만이 이 같은 정책을 편 것은 아니다. 미국 또한 독일처럼 제조 산업의 경쟁력을 키우려고 했다. 미국은 ‘국가혁신전략 (A Strategy for American Innovation)’과 ‘첨단제조파트너십 (Advanced Manufacturing Partnership)’을 2009년과 2014년에 추진해, 제조 산업의 경쟁력을 키우려 했다. 일본은 2013년에 ‘산업재흥 플랜’을 세워서 제조 산업의 경쟁력을 강화하려 했다.

CPS의 완전체인 디지털 트윈

인더스트리 4.0은 공장의 완전 자동화를 의미하는 패러다임으로 정리할 수 있다. 그런데 완전 자동화를 위해서는 어떤 기술이 적용돼야 할까? 독일은 ‘사이버 물리 시스템 (CPS)’에서 해답을 찾았다.

CPS는 현실과 가상을 이어주는 기술을 뜻한다. 현실의 정보를 가상에 투여할 수 있고, 가상의 정보를 현실에 반영할 수 있다. 이러한 기능이 공장 자동화와 어떻게 관련이 있는 것일까?

시스템을 가상공간으로 생각하면 이해가 쉽다. 공장을 자동화하기 위해서는 시스템이 이를 제어할 수 있어야 한다. 그런데 이를 위해서는 시스템이 현실의 정보를 알아야 한다. 이에 따라 CPS가 중요하게 된 것이다.

가령 공장 제어 시스템은 IoT로부터 제조 공장의 상황을 파악할 수 있는데, 정보가 현실에서 가상으로 넘어가는 셈이다. 혹은 공장 제어 시스템은 IoT를 통해 공장 내의 설비를 IoT를 통해 제어할 수 있는데, 이는 가상에서 내린 명령이 현실에 반영되는 것으로 볼 수 있다.

그런데 CPS는 추상적인 개념 기술에 불과하다. 실질적으로 적용되는 기술이 아니라는 것이다. 그럼 어떤 기술이 CPS 역할을 맡아서 공장 자동화를 시킬 수 있는 것일까?

디지털 트윈이 이러한 역할을 하는 기술로 볼 수 있다. 디지털 트윈은 현실을 가상으로 표현하는 기술이다. 트윈 (Twin)이라는 용어에서 유추할 수 있듯이 현실과 유사한 쌍둥이를 가상에 표현하는 기술이다.

디지털 트윈은 최근에 개발된 기술이 아니다. 2003년에 미국 미시간 대학교의 경영 수업에서 디지털 트윈 개념을 최초로 언급했다. 그리고 2010년 미국 항공우주국(NASA)이 기술 로드맵에서 디지털 트윈 단어를 17번이나 언급하면서, 해당 용어가 널리 알려지게 된다.

그런데 디지털 트윈이 주목받은 것은 최근 일이다. 가트너는 2017년부터 10대 유망기술에 디지털 트윈을 포함시켰기 때문이다.

디지털 트윈의 주목 현상을 유추하면, CPS와의 관련 때문으로 보인다. 디지털 트윈은 CPS의 완전체로 볼 수 있기 때문이다. CPS는 가상과 현실의 데이터를 공유할 수 있게 하는 개념적 기술이라면, 디지털 트윈은 CPS에서 더 나아가서 현실에서 받은 데이터를 가상으로 똑같이 구현하는 기술이다.

디지털 트윈의 이러한 특성은 공장의 완전 자동화를 넘어서 최적의 운영 자동화에 도달하게 할 수 있다. 다시 말해, 디지털 트윈은 가상공간에 무한 번의 자동 시뮬레이션으로 공장의 운영 방식을 최적의 상태로 나아가게 할 수 있다.

디지털 트윈 적용 사례

이러한 이유로 이번 전시회에서도 많은 글로벌 기업이 디지털 트윈을 소개했다.

지멘스는 이번 전시회에서 제조 산업에 적용할 수 있는 부분은 세 가지 부분을 소개했다. 가상의 생산 원료 (Virtual Product), 가상의 제조 과정 (Virtual Production), 가상의 결과물 (Virtual Twin Performance)이 이에 해당한다.

가상의 생산물은 현실의 원재료를 디지털 트윈으로, 가상의 제조 과정은 제조 과정을 디지털 트윈으로, 가상 결과물은 디지털 트윈으로 결과물의 성능을 측정한 것이다.

이처럼 제조사는 지멘스의 디지털 트윈으로 제조 과정 전체에 적용하고 운영 시뮬레이션을 할 수 있다.

슈나이더는 에코스트럭처 (EcoStruxure)라는 서비스를 소개했다. 해당 서비스에도 디지털 트윈의 내용이 포함돼 있었다. 슈나이더는 공장의 에너지 소비 관리를 디지털 트윈으로 구현할 수 있음을 소개했는데, 특징은 공장 관리자에게 직관적인 화면을 제시한 점이었다.

PTC 또한 록웰오토메이션 부스의 일부로 전시회에 참여했다. PTC는 뷰포리아 스튜디오 (Vuforia Studio)라는 설루션을 제공해 운영자가 공장의 장비를 가상에서도 쉽게 구현할 수 있게 했다. 또한 PTC는 씽웍스 (ThingWorx)를 제공하는데, 해당 서비스는 현실의 정보를 IoT를 통해 뷰포리아에 구현한 가상 장비에 쉽게 전달할 수 있게 한다. PTC의 가장 큰 특징은 해당 구성 정보를 증강현실 (AR) 기기를 통해 제공한다는 점이다.

정리하면, 제조 산업은 인더스트리 4.0으로 인해 ICT 혁신 바람을 겪고 있다. 그 중심에는 CPS가 있다. 그리고 디지털 트윈이 이를 뒷받침하고 있다.