공장자동화는 로보트에 의한 단순한 조립만을 의미하는 것은 아니다. 기획 설계에서 부터 생산 가공을 거쳐 완제품의 판매에 이르기까지 전공정을 시스템적으로 이해해야 한다.
세상은 빠른 속도로 변해 가고 있다. 이 속에서 사람들의 정신적, 물질적 욕구는 점점 커져가고 있고 따라서 이런 욕구에 따른 공급도 엄청난 양으로 증가하고 있다. 그 욕구는 양적일뿐 아니라 질적으로도 계속적 개선이 요구되고 있다. 남들이 다 갖는 것을 나도 따라 갖는 식의 유행은 이미 촌스럽던 시절의 옛날 이야기이다. 이제는 고급은 물론 다양하며 개성있는 것들을 찾는 시대이며, 그것이 정신적인 것이든 물질적인 것이든 이를 생산하고 취급하는 수단도 전과 같을 수는 도저히 없다.
이에 그 수단으로 등장한 것이 자동화이다. 컴퓨터를 주축으로 하는 사무자동화는 엄청난 정보의 취급을 해내고 있고 기계를 중심으로 한 공장자동화는 물질적 풍요를 뒷받침해 주고 있다.
그러나 생산 공장에서의 자동화는, 사무 자동화가 컴퓨터 정보통신기기 등과 소프트웨어의 일반상품에 의해 그 보편성을 지니는 것에 비해 공장자동화는 각기 생산라인의 특성에 따라 접목되야 한다는 점에서 쉽사리 돈으로 사올 수 없는데에 문제의 심각성이 있다.
제어능력을 갖춘 기계
우리 인간은 세상에 존재하고 부터 살아가기 위해서 계속 생산활동을 해왔고 그 생산수단은 상당한 발전을 거듭해 왔다. 생산수단을 특징적으로 분류하면 맨손으로 생산활동을 했던 가장 초기가 있은 후 곧 연장을 갖기 시작했다. 이 연장은 간단한 도구에서 부터 기구(機具)로 발전하게 된다. 기구란 일정한 제한된 운동만을 허용함으로써 사람의 노동을 도와 주는 구조물이다.
이 기구에 노동에너지를 추가한 것이 바로 기계(機械)이다.
이렇게 생산수단은 발전해왔고 현재는 ‘기계 문명 사회’라는 이름에 걸맞게 거의 모든 생산활동이 기계에 의해 이루어진다.
그러면 미래의 생산 수단은 어떻게 될것인가?
현재의 불완전한것을 완전하게 하는데에 그 미래가 있을 것이다. 그럼 현재의 불완전한 것이 무엇인가? 기계를 살펴보자. 기계는 전기나 내연기관에서 에너지를 공급받아 생산활동을 한다. 그럼 사람은 무엇을 하는가? 사람은 기계를 조작한다(Operating).그 조작의 내용은 무엇인가?
그것은 기계에게 명령을 주고 기계의 행위를 감시하는 일이다. 그렇다면 미래의 기계는 분명해진다. 즉 감시하고 명령하는 기계조작까지도 기계에게 맡길수 있다면? 바로 이것이 자동화이다.
기계의 자동화란 새로운 혁명이 아니고 지금까지 있었던 기계에 감시능력과 그 감시결과에 알맞는 제어능력을 추가시키는 것이다. 이런 기계들로 공장이 형성되는 것이 바로 공장자동화이다. 이렇게 하여 생산수단의 다음 단계는 자동화라는 자연스런 결론에 이른다.
여기서 사람의 노동비용과 기계의 동력 비용을 간단한 산술계산으로 풀이해보자. 보통 한사람의 능력을 약 $\frac{1}{10}$마력이라고 하면 이는 $\frac{1}{13}$kW로 환산할 수 있다. 이것을 기준으로 한사람이 하루동안(8시간) 할 수 있는 일을 기계와 비교한다면 결과는 (표1)과 같다.
선진국에 비해 비교적 저렴하다는 우리의 노동력도 기계동력에 비하면 약 5백배나 되는 비싼 것임을 (표1)은 나타내고 있다.
우리가 추구해야 할 방향은 분명해 진다. 되도록 인간의 노동력을 아껴써야 하고(성력화), 가능한 한 인간의 노동력을 동력으로 바꾸어 써야하는 것이다(기계화). 그러나 현실적으로 사람의 완력을 자동화 생산에너지로 쓰고 있는 경우는 그다지 많지 않으며 아직도 대부분의 기계는 사람의 조작에 의해 움직이고 있다. 즉 대량으로 사람의 노동력을 절약할 수 있는 곳은 기계 조작에서 사람을 해방시키는 것이고 그것이 바로 자동화이다.
공장자동화의 모델은 인간
많은 과학적 발명품들은 자연현상을 응용하여 이루어졌다. 잠수함, 레이다 등이 물고기와 박쥐에서 힌트를 얻어 발명됐다고 한다. 공장자동화란 주제의 모범은 가장 자동화가 잘되어 있는 ‘사람’이었다. 사람이 행동하는데 필요한 요소들은 뼈대 근육 머리 그리고 감각이다. 이들 4요소를 그대로 기계에 옮기게 되면 자동기계가 탄생하는 것이다.
(그림1)과 (표2)는 사람과 자동기계의 상관관계를 나타내주고 있다. 자동기계의 부분을 좀더 자세히 살펴보자.
□기계구조(Mechanism)
기계가 규정된 운동만을 하도록 제한하는 구조물로써 기계의 틀, 그 자체를 의미한다.
□작동요소(Actuator)
전기모터(Moter), 유압실린더(Hydraulic Cylinder), 공압실린더(Pneumatic Cylinder)등 기계 구조물에 고정되어 있고 직접 작업의 행위를 맡는 요소를 의미한다.
□제어요소(Processor)
작동요소에게 명령을 주어 움직이게 하는 조정자를 의미하고 사람의 머리에 비교할 수 있다. 여기 속하는 요소로서는 메모리(Memory), 논리소자(Logic element), 직류교류변환기(D/A converter), 계산기(Counter), 계전기(relay)등 부품과 순서제어장치(Sequencer), 단계제어장치(Stepper), 프로그래머블로직콘트롤러(PLC 또는 PC, Programable logic controller)등 조합요소들이 있다. 제어방법에는 기계식 공·유압식 전기식 하드와이어드(Hard Wired)전자식 마이크로전자식이 있는데 (그림3)에서 볼 수 있는 바와 같이 공유압식과 마이크로전자식(PLC)이 증가추세에 있다. 하드와이어드전자식은 작업내용이 바뀌면 배선을 다시해야 하나 마이크로전자식은 프로그램만 바꾸면 된다.
□감지요소(Sensor)
작동요소가 움직여 작업을 하는 결과를 측정, 감지하는 요소로 여기서 측정된 정보는 프로세서에 보내져 프로세서가 다음 명령을 할수 있도록 한다. 감지요소는 작동요소와 공간상에서 정해진 상태에 함께 묶여 있어야만 그 작동을 측정할 수 있으므로 작동요소와 감지요소는 (그림1)에서 볼수 있는 바와 같이 기계구조에 고정되어 있다. 제어요소만은 꼭 묶여있을 필요가 없음도 (그림1)은 시사하고 있다.
(그림1)에서 도시한 기계가 완전한 자동기계이지만 경우에 따라서는, 불완전하더라도 감지요소가 빠진 경우도 실제로 존재한다. 전자를 Closed Loop Control(독일어로는 Regelung)이라 하며 후자는 Open Loop Control(독일어로는 Steuerung)이라 하여 학문적으로 많은 차이가 있다.
설계에서 출고까지
공장자동화(FA)하면 많은 경우 대부분의 사람들은 단순하게 컨베어벨트에서 제품을 자동조립하는 로보트만을 생각하기 쉽다. 그러나 이는 극히 일부분에 불과하다.
공장에서 제품이 기획 설계되어 일정한 관리방식 속에서 생산이 되어 나올 때까지의 총체적인 공장업무를 모두 포함한다. 이는 (그림3)에서 표현되는 것과 같이 설계관리 생산으로 대별된다. 그 내용을 자동화하는 방법으로는 각기 CAD/CAM(Computer Aided Design & Manufacturing, 컴퓨터를 이용한 설계와 제조), 관리전산화 그리고 생산라인 자동화를 들 수 있다.
이를 다시 공장기능의 레벨에 따른 공장자동화 시스템을 분류하면 다음과 같다. (표3)은 각 계층과 그의 기능에 따른 분류이고 이 계층들에 속하는 하드웨어는 (그림4)에 도시되어 있다.
공장자동화를 연구하고 학습하는 시각에서의 요소는 앞에서 서술한 부분에서 기계구조가 제외되는 반면(자동화가 아닌 일반기계에 소속되므로) 각 요소간의 연결, 각 기계간, 그리고 레벨간의 연결을 위한 기술인 커뮤니케이션 네트웍 기술과 프로그램, 회로다이아그램(Circut diagram) 설계, 논리(logic) 등을 위한 소프트웨어기술의 두가지가 추가되어 총 다섯가지로 분류되며 이를 콘트롤 테크닉 펜타곤(Control Technic Pentagon)이라 부르기도 한다(그림5).
국내 FA, 자동차 전자는 선진국 수준
공업선진국일수록 자동화의 필요성은 더욱 절실하다고 할 수 있다. 자동화를 통해서 그들의 산업우위를 유지할 수 있기때문이다. 자동기계는 물론 오래전부터 있어 왔으나 선진국에서도 현대적의미의 공장자동화는 60년대말 70년대초부터라고 할 수 있다. 그러나 그 특색은 자동화의 속도가 다른 어떤 물결 보다도 매우 빠르다는 것이며 (그림6)은 이런 추세를 잘 설명해 주고 있다.
특히 선전국에서의 자동화현실은 대기업이나 기술적으로 뛰어난 몇몇 기업에서만의 현실이 아닌 것이 특징이다. 큰공장은 큰 공장대로 그리고 작은공장은 그들의 규모대로 단위기계에서 부터 전공장 자동화에 이르기까지 그 나름대로의 자동화가 되어 있고 또 이러한 추세가 매우 빠른 속도로 확산 발전되어 가고 있다는 것이다.
국내는 분야에 따라 그리고 교육 및 경험에 따라 자동화에 대한 인식 및 능력의 정도가 서로 상당히 큰 차이가 있다. 매우 첨단적 자동화까지 실행하고 있는 기업이 있는가 하면 완전 도입된 자동시설을 제대로 사용하는 데에도 어려움이 있는 공장이 있기도 하고 자동화를 꿈같이 생각하는 낙후된 예도 있다.
한국 생산성본부가 84년에 ‘자동화설비의 도입현황과 이용실태에 관한 연구’라는 제목으로 국내의 자동화 실태를 조사한 결과에 의하면 우선 자동화 관심정도에 있어서는 최고 경영자의 관심도가 ‘매우 높음’이 전체 조사의 60%를 점하고 있고 특히 관심 분야로 78.9%가 공장자동화(FA)를 들고 있어 관심도에 있어서는 매우 바람직한 성향을 나타낸다.
국내 공장자동화의 현실을 개략적으로 살펴보면 자동차, 전자 등 국제경쟁력이 우위에 있는 공장들은 선진국수준에 가까운 매우 높은 자동화율을 갖고 있는 반면 많은 분야의 공장들이 아직 초기단계에 있다는 인상이다. 그러나 이미 기술한 바와 같이 현대적 의미에서의 자동화가 외국의 경우도 20년을 넘지 않는 역사를 가졌을 뿐이므로 지금도 늦은 것은 아닐 것이다. 더구나 국내 몇몇 기업의 경우지만 선진국에 매우 접근한 상태인 것을 감안하면 관심의 초점은 현실보다는 얼마나 빨리 발전할 것이냐에 모아지고 있다고 할 수 있다.
유연하게 대처해야
갑작스런 모든 변화가 모두 저항을 가져오듯이 자동화라는 새로운 물결이 가져다주는 문제점이 없을 수는 없다. 큰 물결속에서의 자동화를 이해하지 못하는 사람들은 자동화가 실업을 가져올지도 모른다는 우려를 표시하고 있다. 실제로 한공장만 생각한다면 그것도 발전하지 않은 정체된 공장이라면 자동화는 순간적인 실업을 유발할 것이다.
그러나 선진국의 예가 증명하듯 자동화를 통한 생산성의 향상은 새로운 풍요를 가져다주고 이는 다시 새로운 욕구와 새로운 일자리를 창출해낸다. 1차산업 종사자가 대부분이었던 우리의 직업구조가, 2차산업에서 절약되는 노동력이 고차산업에 투입되는 추세로 바뀌는 경향을 보면 알 수 있다.
이러한 기술외적인 문제를 제외하고 자동화가 안고 있는 몇가지 문제점이 있다.
이미 언급된 바와 같이 자동화는 여러 학문의 종합이며 여러가지 요소의 조합된 시스템이므로 이를 위해서는 광범위하고도 고도의 기술이 필요하다. 특히 FMS(Flexible Manufacturing System, 유연공정시스템)로 대변되는 생산의 자동화에서 볼때 자동화내용에 관한 이해없이는 유연하게 대응할 수가 없다. 자동화를 추구하다가 자동장치의 원매자에게 예속화만 되고마는 경우가 있다.
그 대비책은 여러가지 실적연구와 교육이다. 이들을 통해서 문제로 지적됐던 시설비용과 기술상 애로를 극복할 수 밖에 없다. 실제로 공장에서는 자동화가 갖는 필연적 결점을 피해가는 방법으로 ‘저가격 자동화(Low Cost Automation’의 개념이 도입되어 활발히 이용되고 있다.
저가격자동화의 특색은 되도록 간단한 것부터 점진적으로 행한다는 것이다. 또한 자기 스스로 설계하여 설치하며 경제성을 우선하면 된다.
결론적으로 자동화는 필연적인 추세이고 공장자동화는 산업선진국으로 가기 위한 절대적 수단이다. 비교적 새로운 분야이면서도 선진국에서는 그의 연구와 실행이 매우 빠른 속도로 진행되고 있다. 우리도 특히 기업가와 기술자가 이에 대한 인식을 옳게 하고 성의를 다한다면 공장자동화의 앞날은 밝다 하겠다.
