4.5 공장자동화 기술¶

출제기준

4. 설비관리 › 5. 공장자동화 기술

출제 경향¶

총 8문항 출제 (1교시 단답형 6 · 2~4교시 논술형 2) · 최근 10개 회차(109~139회) 3문항 · 최근 출제 제136회

주제	출제 수	출제 회차
4.5.1 공장자동화의 개념과 유형	2	63회, 109회
4.5.2 유연생산시스템(FMS)·DNC	4	67회, 76회, 106회, 121회
4.5.3 가상제조·SCADA	2	65회, 136회

목차¶

공장자동화의 개념과 유형
유연생산시스템(FMS)·DNC
가상제조·SCADA

4.5.1 공장자동화의 개념과 유형¶

자동화의 개념: 기계화와 자동화 (109회)¶

구분	기계화(Mechanization)	자동화(Automation)
의미	사람의 힘(동력)을 기계로 대체	사람의 감지·판단·제어까지 기계가 수행
사람의 역할	기계를 조작하고 판단	감시·예외 처리
제어	개루프(사람이 판단)	폐루프(센서 → 제어기 → 구동기의 피드백)
예	전동 공구, 지게차	NC 공작기계, 산업용 로봇, 자동 라인

자동화의 3요소: 센서(감지) → 제어기(판단, PLC·컴퓨터) → 구동기(실행, 모터·실린더) + 피드백

자동화의 유형 (109회)¶

유형	특징	적합한 생산	예
고정 자동화(Fixed)	작업 순서가 설비 구조로 고정, 전용설비	소품종 대량	트랜스퍼 라인, 자동 조립기
프로그래머블 자동화(Programmable)	프로그램을 바꿔 다른 제품 생산, 품종 전환 시 준비 시간 발생	중품종 배치 생산	NC 공작기계, 산업용 로봇
유연 자동화(Flexible)	품종 전환 손실 없이 여러 제품을 혼합 생산	다품종 중량	FMS

자동화의 기본 원리: USA 원리 (109회)¶

M. Groover가 제시한 자동화 추진의 원리다.

Understand(이해): 현재 공정의 입력·출력·기능을 충분히 분석
Simplify(단순화): 불필요한 작업을 없애고 공정을 단순화(ECRS)
Automate(자동화): 단순화된 공정을 자동화

→ 낭비가 있는 공정을 그대로 자동화하면 낭비까지 자동화된다. "개선 후 자동화"가 원칙이다.

자동화 도입 시 고려 요소 (109회)¶

경제성(투자비·회수기간·운영비), 생산량과 제품수명주기, 제품·공정의 표준화와 안정성, 요구 유연성, 품질 향상 효과, 기술 성숙도와 신뢰성, 보전 능력, 인력 영향(재교육·재배치), 안전, 기존 시스템과의 통합

바람직한 전개 단계: 자동화 이행 전략 (109회)¶

많은 자본이 드는 자동화는 수요 증가에 맞춰 단계적으로 추진한다(Groover의 자동화 이행 전략).

flowchart LR
    P1["1단계: 수동 생산<br/>작업자 중심 셀<br/>(신제품 도입·수요 불확실)"] --> P2["2단계: 단독 자동화<br/>단일 스테이션 자동 셀<br/>(수요 증가)"] --> P3["3단계: 자동 통합 생산<br/>다중 스테이션 + 자동 운반<br/>(대량 수요 안정)"]

초기에는 투자 위험을 줄이고, 수요가 확인되면 자동화 범위를 넓힌다.
각 단계에서 공정 개선과 표준화를 먼저 하고 자동화로 넘어간다.

자동화의 이점·불리점과 고용 유지 방안 (63회)¶

이점	불리점
생산성 향상, 원가 절감	큰 초기 투자와 투자 위험
품질 균일화·향상	고정 자동화는 제품 변경에 비유연
위험·유해(3D) 작업에서 작업자 보호	고장 시 라인 전체 정지
리드타임 단축, 24시간 가동	고숙련 보전·프로그래밍 인력 필요
생산 데이터의 자동 수집	단순 작업 인력의 고용 감소

기존 기능인력의 고용 유지 방안

재교육과 전환 배치: 설비 운전·보전, 프로그래밍, 품질 관리 등 고부가가치 직무로 이동
다기능화: 여러 공정·설비를 다루는 인력으로 육성
협동 로봇 도입: 사람과 로봇이 함께 일하는 방식으로 작업 부담만 줄임
단계적 도입과 노사 협의: 자연 감소 인원 범위에서 자동화, 고용 안정 협약
생산 확대·신사업 배치: 원가 경쟁력으로 늘어난 물량과 신규 사업에 인력 재배치

답안 작성 포인트

109회형은 소문항(개념·유형·원리·고려 요소·전개 단계)을 번호 그대로 소제목으로 쓴다. 유형은 생산량-다양성 그래프 위에 세 영역을 표시하면 좋다.
USA 원리("개선 후 자동화")와 단계적 이행 전략은 자동화 문제의 결론으로 쓰기 좋다.

4.5.2 유연생산시스템(FMS)·DNC¶

유연생산시스템(FMS) (67·76·121회)¶

정의: 여러 대의 NC 공작기계(머시닝센터), 자동 자재 운반·저장 장치, 이를 통합 관리하는 중앙 컴퓨터로 구성되어, 다양한 부품을 품종 전환 손실 없이 자동으로 가공하는 생산시스템이다. 다품종 중량 생산에 적합하다.

flowchart TB
    HC["중앙 컴퓨터<br/>(일정·NC 프로그램·공구·운반 제어)"]
    HC --- M1["가공 스테이션<br/>머시닝센터 1"]
    HC --- M2["가공 스테이션<br/>머시닝센터 2"]
    HC --- MH["자재 운반<br/>AGV·컨베이어·로봇"]
    HC --- AS["자동창고(AS/RS)<br/>팔레트·공구 저장"]
    HC --- LS["적재·하역 스테이션"]

구성 요소: ① 가공 스테이션(NC·머시닝센터, 검사기) ② 자재 운반·저장 장치(AGV, 컨베이어, 로봇, 자동창고) ③ 공구 관리 시스템(자동 공구 교환·공구 수명 관리) ④ 중앙 컴퓨터 제어 시스템 ⑤ 작업자(적재·하역, 감시)

유형: 단일 기계 유연생산셀(FMC) → 여러 기계의 FMS → 유연 트랜스퍼 라인

유연성의 종류: 기계 유연성(여러 작업 수행), 공정 유연성, 제품(전환) 유연성, 경로 유연성(고장 시 다른 기계로), 수량 유연성, 확장 유연성

기대효과	문제점
다품종을 자동으로 생산(전환 손실 최소)	매우 큰 초기 투자
설비 가동률 향상, 무인·야간 운전	시스템 설계·운영의 복잡성
리드타임·재공재고 감소	고급 기술 인력 필요
품질 균일화, 인건비 절감	적용 부품 범위의 제약

FMS와 셀 생산·GT의 관계는 1.2.6을 참고한다.

DNC(Distributed/Direct Numerical Control) (106회)¶

정의: 여러 대의 NC·CNC 공작기계를 중앙 컴퓨터와 네트워크로 연결해, NC 프로그램을 내려보내고 각 기계의 가동 상태를 수집·관리하는 시스템이다.

발전: 초기의 Direct NC(중앙 컴퓨터가 종이테이프 대신 프로그램을 직접 공급) → Distributed NC(각 기계는 CNC로 자체 제어하고, 중앙 컴퓨터는 프로그램 관리와 데이터 수집 담당)
기능: NC 프로그램의 저장·전송·버전 관리, 가동·정지·생산 실적 데이터 수집, 작업 지시 연계
효과: 프로그램 관리의 일원화, 준비 시간 단축, 가동률 모니터링, FMS·CIM·MES의 기반

답안 작성 포인트

FMS는 정의 → 구성도 → 구성 요소 → 유연성 종류 → 효과·문제점 순으로 쓴다. 구성도를 반드시 그린다.
DNC는 Direct → Distributed로의 발전과 FMS·MES와의 관계를 함께 쓴다.

관련 기출 4문항 (67회, 76회, 106회, 121회)

제67회(2002) 1교시 2번 · 10점
유연생산시스템(FMS)이란
제76회(2005) 1교시 12번 · 10점
유연생산시스템(FMS).
제106회(2015) 1교시 9번 · 10점
DNC(Distributed Numerical Control)
제121회(2020) 1교시 8번 · 10점
FMS(Flexible Manufacturing System)

4.5.3 가상제조·SCADA¶

가상제조시스템(VMS, Virtual Manufacturing System) (65회)¶

정의: 제품 설계부터 생산 공정·공장 운영까지를 컴퓨터 모델과 시뮬레이션으로 가상 공간에서 미리 구현·검증하는 시스템이다.

구성	내용
가상 설계	CAD·CAE로 제품 형상과 성능을 해석
가상 공정	가공·조립 공정을 시뮬레이션해 간섭·가공성 검증
가상 공장	레이아웃·물류·생산 흐름을 시뮬레이션해 병목·능력 검증

효과: 시제품 제작과 시행착오 감소, 개발 기간·비용 단축, 생산 전 문제점 발견, 신속한 공정·공장 설계 변경 발전: 실제 공장과 실시간 데이터로 연결된 디지털 트윈(Digital Twin)으로 발전하고 있다.

SCADA (136회)¶

정의: SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition, 원격 감시제어 및 데이터 수집)는 넓게 분산된 설비·공정의 상태를 실시간으로 감시하고, 원격 제어하며, 데이터를 수집하는 시스템이다. ISA-95 계층에서 Level 2(감시·제어)에 해당한다.

flowchart LR
    F["현장 센서·구동기"] --> R["RTU·PLC<br/>(현장 제어)"]
    R <-->|통신망| S["SCADA 서버<br/>(마스터 스테이션)"]
    S --> H["HMI<br/>(운전자 화면)"]
    S --> D["이력 DB·<br/>MES 연계"]

구성	역할
현장 장치	센서(측정)·구동기(밸브·모터)
RTU·PLC	현장 데이터 수집과 국부 제어
통신망	현장과 중앙을 연결(유·무선)
SCADA 서버	데이터 수집·처리, 제어 명령
HMI	상태 표시, 경보, 운전자 조작 화면

기능: 실시간 감시, 원격 제어, 경보·이벤트 관리, 이력 저장·추세 분석, 보고서
적용: 전력·수도·가스 같은 기반 시설, 화학·정유 공정, 공장 유틸리티
유의점: 외부 네트워크와 연결되면서 사이버 보안이 중요한 과제가 되었다.

답안 작성 포인트

SCADA는 약어 풀이 → 구성도 → 기능 → 적용 분야를 쓰고, MES(Level 3)·PLC(Level 1)와의 계층 관계를 한 줄로 밝힌다.
VMS는 디지털 트윈과의 관계를 결론에 넣으면 최신성을 보여 줄 수 있다.