1.서 론
최근의 제조시스템은 다품종소량생산과 대중맞춤형 (mass customization) 방식으로 진행되고 있으며, 이러한 환경변화에 따라 관리해야 할 생산 및 공정정보들이 증 가하고 있다. 생산현장에서 발생하는 다양한 정보들을 효율적으로 관리하기 위한 관리시스템으로 MES(Manufacturing Execution System)이 사용되고 있으며, 이는 ERP (Enterprise Resource Planning) 시스템과 같은 생산관리시 스템과 연계되어 생산현장에 대한 통제와 계획을 수행 한다.
MESA(Manufacturing Enterprise Solutions Association International)에서는 MES는 생산현장에서 발생하는 다양 한 정보를 효율적으로 수집하고 필요한 정보를 제공할 수 있어야 한다고 정의하고 있다[1]. 따라서 MES는 제조 시스템의 특성과 경제적 여건에 따라 적용되는 방식이 달라져야 효율성을 극대화할 수 있다. 본 연구에서는 30 인 이하의 중소기업을 대상으로 생산현장을 구성하고 있 는 4M(machine, man, materials, manufacturing resources) 에서 발생하는 정보를 효율적으로 수집하여 수집된 데이 터의 활용방안과 적용사례에 대해 소개하고자 한다. 주 요내용으로는 설비수집방안, 수집된 데이터의 가공 및 시스템 기능, 생산현장 적용에 대한 기능 구현을 포함하 고 있다.
2.관련연구
2.1.생산현장 정보의 활용 및 수집방안
제조현장에서 발생되는 정보들은 설비, 공정, 작업자, 재료 등에 의해 다양한 정보를 발생시킨다. 이러한 정보들은 생산관리, 설비관리, 품질관리, 원가관리 등에 이용된다. <Table 1>은 제조 현장에서 발생되는 정보와 이들 정보의 사용 항목을 분류한 것이다. 하나의 정보는 한곳에만 쓰이 는 것이 아니라 다양한 정보의 산출에 사용된다. 제조현장 에서 발생하는 다양한 정보를 바탕으로 작업자 혹은 관리 자에게 적절한 정보와 정확한 정보를 제공하여야 한다. 정 보관리를 위해 기업에서는 다양한 생산관리 기법과 도구 를 사용하고 있다. 그러나, 이들 도구의 정보흐름이 단절 되는 경우가 많다. 수집된 정보가 ERP 등의 기간시스템에 정보를 제공하지 못하여 상위 시스템에서 계획한 생산계 획정보가 MES로 전달되지 못하는 경우가 많다[2, 3].
이러한 이유는 기업의 정보화 과정에서 시스템의 통 합성이 고려되지 않고 마스터데이터의 관리가 제대로 이 루어지지 않아 통합 정보를 확보 할 수 없기 때문이다 [4]. 정보화 과정에서의 원활한 정보 흐름을 위해 생산현 장의 마스터 데이터 역할과 관리가 요구[5]되고 있으며, 정보흐름의 단절을 예방하기 위해 ANSI/ISA에서는 기업 의 정보흐름 규약을 제정하였다. <Figure 1>은 ISA-95에 서 제정한 Enterprise domain hierarchy 기반의 생산현황 데이터의 활용 모델로서 제조현장(Level 0)에서부터 ERP 와 같은 기업시스템(Level 4)까지의 정보흐름을 나타낸 것이다[3]. MES는 일반적으로 Level 0에서 Level 3까지 의 영역이며, 설비의 데이터 수집부분은 Level 0에서 2까 지의 영역이다[6].
본 연구에서는 설비, 공정 등의 데이터 수집이 가능하 다는 전제하에 Level 3의 생산 데이터의 활용에 대한 사 례를 제시한다. 설비를 비롯한 제조현장의 상태정보 정 보 수집은 전류, 전압, 온도 등의 센서 인터페이스에 의 한 설비정보 수집, RFID 등을 이용한 공정정보 수집, 작 업자에 ID 정보 입력에 의한 방법 등이 있으며, 이를 1 차 현장정보라고 한다[7, 8]. 수집된 정보들은 MES 단말 기를 경유하여 서버로 전송된다.
2.2.관련연구
생산현장 및 설비의 실시간 정보를 수집하기 위해 센 서를 이용한 모니터링 대한 다양한 연구가 진행되었다. 마이크로 엔드 밀링 가공 시스템을 대상으로 미세 절삭 가공 상태를 감시하기 위해 진동 센서, 전류센서, AE (Acoustic Emission) 센서를 이용한 연구[7], surface location error predictions에 대한 연구[8] 등이 수행되었다. 기 계 산업분야의 대형 공작기계 업체들 사이에서도 i-Cell, e-Tower, Mori-Net과 같은 공작기계 전용 솔루션[9]을 제 안했지만 고가이며, 자사 장비에 대한 종속적 특징을 갖 는다. 생산현황 데이터를 수집할 수 있는 다양한 방안에 대한 사례가 많으나, 특정 분야에 제한적이어서 범용성 이 떨어지고 시스템 도입비용이 고가이다. ‘Application of Data Acquisition System for MES[10]’에서 생산현장에 서 이기종 생산설비에서 발생하는 다양한 현황정보를 실시간으로 수집할 수 있도록 센서기반 설비인터페이스 와 PLC 기반 설비 인터페이스를 접목한 생산 정보 수집 시스템을 제안하였다. 설비의 제어기 장착 유무에 상관 없이 범용성 있게 설비 정보를 수집할 수 있었으나 수 집된 데이터의 활용방안에 대한 제시가 미흡하였다. 제 조현장은 생산되는 각 제품의 특징에 따라 정의된 공정 에 따라 작업이 진행되며, 다품종 소량 생산방식에서는 각 제품의 공정이 복잡하게 얽혀있어 제품의 재공품 관 리가 힘들어 진다. 적절한 관리도구가 없는 상황에서는 생산되는 제품의 현재 위치, 설비의 부하관리, 재공품 관리 등의 정보를 관리하기 어렵다. 제조현장에서 발생 되는 데이터를 효율적으로 수집하기 위해서는 설비 혹 은 공정에서의 시점관리가 필요하다[11].
MES 단말기에서 가공되거나 서버에 저장된 1차 정보 는 가동시간, 고장시간, 불량여부, 현재 위치 등의 2차 정보로 변환되며, 관리자 혹은 작업자에게 필요한 생산 현황 데이터는 기본 정보와의 matching을 통해 산출된다. 이러한 정보의 흐름을 <Figure 2>에 나타내었다.
<Figure 3>은 제조현장에서의 설비 가동 시 생산데이 터가 발생되는 순서도를 표현한 것으로 설비/ 공정에서 의 시작시점과 종료시점이 저장된다. 설비/공정에서는 관 리레벨에서 입력된 작업지시정보, 공정정보, 설비정보 등 을 작업지시(발주서 & WorkOrder)정보와 결합하여 작업 시작을 하며 이때의 시점을 저장한다. 단위 공정 혹은 복 수공정에 따라 작업이 종료되면 설비의 상태정보를 입력 하고 종료시점을 자동으로 입력한다. 고장이 발생할 경 우 고장원인을 수집하고 발생시점, 완료시점 등을 수집 하고 재 작업을 거친 후 종료시점을 기록한다. 이러한 정 보흐름에서 저장된 정보와 시점들은 작업결과, 계획대비 실적, 설비이력정보, 고장원인 및 설비가동시간, 제품의 현재 위치 및 상태 정보 등의 생산현황 데이터 가공의 기 본정보로 활용된다[14].
3.생산현황 데이터 활용 시스템
중소기업의 생산력 향상을 위해 생산현장의 4M 에서 발생되는 다양한 정보가 관리되고, 생산현장에의 손실 분 석이 이루어 져야 한다. 생산현장에서 발생되는 다양한 데이터는 기업 생산관리를 위한 system reference data, 제품 생산을 위한 설비 설정 데이터인 primary shop-floor data, 실제 설비 가동으로 발생되는 2nd shop-floor data, system reference data와 2nd shop-floor data로부터 추출 가능한 생 산현황 데이터인 3rd shop-floor data로 구분할 수 있다.
<Figure 4>는 생산현장에서 발생되는 데이터의 흐름을 표현한 것으로, 각 단계에서의 데이터를 관리할 수 있는 시스템이 필요하다. 상용 시스템 중에는 이미 생산현황 데이터를 관리하는 기능이 반영된 제품이 상당수 있다. 높은 시스템 도입비용과 MES, ERP와 같은 상위 시스템 과의 종속성 등의 이유로 중소기업에서 단독으로 도입하 기 어려운 실정이다. 제조현장에서 발생하는 다양한 정 보를 바탕으로 작업자 혹은 관리자에게 적절한 정보와 정확한 정보를 제공하기 어렵다.
이에 제 Ⅲ장에서는 <Figure 4>의 system reference data 관리를 위한 기본정보 관리 모듈, system reference data 와 2nd shop-floor data의 가공을 통해 생산현황 데이터를 관리하는 모듈 소개한다.
3.1.기본정보 관리 모듈
제조현장의 설비로부터 수집된 1차 데이터를 가공하 여 생산현황 데이터로 활용하기 위해서는 설비정보, 설 비에 설정된 I/O 및 센서정보, 공정정보 등의 기본정보가 관리되어야 한다. 설비 혹은 제조현장의 상태정보를 수 집하는 방법은 인터페이스, 자동인식, 작업자에 의한 입 력 방식이 있으며, 정확한 상태정보를 수집하기 위해서 는 설비에 설정되어 있는 I/O 접점정보와 온도, 전류, 전 압 등의 센서에 등에 의한 정보를 관리하여야 한다.
<Figure 5>는 설비의 정보를 입력, 수정, 관리하는 화 면을 나타낸 것으로 선삭 설비의 I/O 접점내용과 부착된 온도센서의 환경정보를 관리하도록 구성되어 있다. I/O 접점은 설비의 상태를 on/off 동작 값으로 구성하는 정보 이며, 온도센서와 같은 정보는 센서에서 발생되는 전류 값을 물리량 변환식에 의해 일반 온도 값으로 변환되는 규칙을 관리한다[7, 9]. 제조현장에서 가공제품 혹은 부 품은 특정 공정에 따라 진행된다. <Figure 6>는 각 제조 현장에서 관리되는 제품별 공정관리 모듈을 나타낸 것이 다. 각 공정은 설비와 연결되는 것으로 하여 <Figure 6> 에서 보는 것과 같이 공정 플로우는 여러 개의 공정으로 구성된다. 각 공정은 공정의 특성과 공정과 연결된 설비, 공정의 선행 및 후행 공정 등의 정보로 구성된다.
각 제품별로 발주 관리된 정보는 작업지시정보에 의 해 제조현장에서 생산이 진행된다. 작업지시는 단일 혹 은 복수의 품목을 묶어 진행될 수 있으며 이들 정보는 앞서 관리된 기본정보들과 매핑하여 생산현황 데이터를 가공/활용한다.
3.2.생산현황 데이터의 가공/활용
관리해야 하는 정보가 증가함에 따라 제조현장에서의 정보관리는 어려워진다. 특정 가공공정에 따라 진행되는 각 제품의 특성에 따라 발생되는 정보가 다르기 때문이다.
공정이 복잡하고 다양한 제품이 제조현장에 투입됨에 따라 제품 혹은 작업지시서의 현재 공정위치 및 관련된 정보들이 실시간으로 파악하기 어렵게 된다.
이러한 정보의 부재는 공정 부하관리가 어려우며 이에 따른 납기지연, 생산현황데이터의 불확실성 등이 대두되어 전체 제조시스템의 생산성을 저하시킨다. 설비와 기본정보 의 매핑에 의한 생산현황 데이터의 활용은 매우 중요하다.
<Figure 7>은 실시간으로 변화되는 작업현황을 나타낸 것으로 본 화면에서는 기간별로 각 작업지시서의 현재 공정, 작업자, 현재 위치(설비), 생산수량, 공정상태(running or complete), 시작/종료 시간 등을 나타내고 있다. <Figure 8> 은 설비 별 작업현황을 나타낸 것으로 설비 명(코드)을 기준 으로 기간별로 수행한 작업현황을 일자, 작업지시서 번호, 제품, 공정, 작업자, 생산수량, 불량품 수 등을 파악할 수 있다. 이외에도 작업지시서 처리현황, 작업자 별 실적, 공정 별 작업 실적, 불량품 처리 현황 등의 생산현황 데이터를 실시간 으로 입력된 제조현장의 데이터를 기반으로 가공할 수 있다.
4.적 용
제안된 생산현황 데이터의 활용 시스템의 효용성을 검 토하기 위하여 실제 생산제조를 하고 있는 중소기업에 적 용하였다.
각 설비들은 <Figure 2>에 나타낸 바와 같이 제조현 장에서는 각 설비에 설비의 상태정보(생산 및 공정진 행 정보)를 수집하는 DAQ(Data Acquisition Module)가 장착되어 제조현장의 생산현황정보를 실시간으로 수집 한다.
<Figure 9>은 설비에 장착된 DAQ 시스템을 나타낸 것으로 각 설비에는 설비의 상태를 표현하는 디지털 접 점(I/O) 신호 및 전류 값과 같은 아날로그 신호를 수집 하는 PLC 기반의 DAQ가 실장 되어 MES 단말기를 통 해 수집된 1차 현장정보를 MES 서버에 저장/갱신한다. 수집된 데이터는 설비 및 공정 정보 등과 같은 저장된 기본정보 등과 매핑 되어 생산현황 데이터로 가공된다.
제조현장에서 수집된 1차 데이터와 제품, 공정, 설비 등의 기본정보인 2차 데이터가 매핑된 정보는 현장 작 업자 및 관리자에게 다양한 생산현황 데이터를 가공/제 공한다. <Figure 10>은 가공된 생산현황 데이터의 일부 를 나타낸 것으로 (a)는 설비 별 생산량 추이를 나타낸 것이다.
특정설비의 특정기간 동안 생산된 특정 제품의 생산 량을 나타낸 것으로 차트에서 계획 대비 실적, 달성률 등을 월별, 합계, 평균치 등으로 나타내며, 그래프에서 월 생산량 추이를 모니터링 할 수 있다. (b)는 공정 별 제품 생산 계획 대비 실적을 나타낸 화면으로 차트에 서는 계획, 실적, 달성률 등이 표시되며 계획 대비 실 적이 월별로 바 그래프 형태로 표시되어 관리자에게 용이하게 정보를 전달 할 수 있다.
제안된 생산현황데이터 활용 시스템은 기존의 제조 현장에서 사용되던 종이전표를 활용한 작업수집시스템 에서 탈피해 실시간으로 제조현장의 생산현황정보를 파악할 수 있는 시스템이다. 효용성을 검증하기 위해 제조업 기반의 중소기업에 적용연구를 수행한 결과 해 당 설비 및 공정의 현황 데이터, 제품의 공정 현황 데 이터 등은 실시간으로 파악할 수 있었다. 현재 적용 결 과를 분석하여 제조 현장의 전체 공정으로 확장을 고 려중에 있다.
5.결 론
제조시스템의 공정이 복잡화되고 다품종 소량생산체 제로 변화됨에 따라 제조현장에서 발생하는 다양한 정보 들을 실시간으로 수집하여 관리해야 하는 필요성이 증대 되고 있다. 현재의 공정진행상태, 작업현황 등의 생산현 황 데이터를 실시간으로 제공하지 못함에 따라 납기지 연, 재공품 증대에 따른 원가 상승, 생산성 저하 등의 문 제점이 나타난다.
본 논문에서는 제조현장에서 발생되는 설비 및 공정 정보를 실시간으로 수집하고 수집된 데이터를 기본 정보 와의 매핑을 통해 필요한 생산현황 데이터를 작업자 혹 은 관리자에게 정확한 정보를 제공하는 시스템을 제안하 고 개발하였다.
제안된 시스템을 실제 제조시스템에 적용하여 효용성 을 검증하였으며, 시스템의 우수성이 인정되어 전체 제 조시스템의 적용을 검토 중에 있다. 이를 통해 제조현장 의 변화에 능동적으로 대처할 수 있어 특히 고가의 시스 템 도입이 어려운 중소기업의 경쟁력 향상에 도움이 될 것으로 예상된다.
