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문제 정의
- 본 논문의 목적은 제강· 연주 공장의 설계와 운영을 지원하기 위한 시뮬레이터를 제안하는 것이다. 먼저 철강 제조 프로세스에 대해 간략히 기술하기로 한다. 철강 제조는 제선, 제강, 연주, 압연 공정 순서로 진행된다.
- 본 논문은 일관제철소의 제강·연주 공장 시뮬레이터를 제시하였다.
- 본 논문의 목적은 제강· 연주 공장의 설계와 운영을 지원하기 위한 시뮬레이터를 제안하는 것이다.
제안 방법
- 관련 부서 사이의 커뮤니케이션을 원활히 하고, 입력 오류 최소화와 데이터 관리의 효율성 증대를 위해 작업 내용별로 산출근거를 명시하여 관리하는 방식으로 입력데이터 부분을 처리하였다. 참고로 표 1, 2에 열거된 항목과 작업시간은 실제로 존재하는 공장의 것이 아니고 예로 들기 위해 가상으로 작성된 것이다.
- 용선 수선장에서 전로까지는 용선 래들이 사용되고 2차정련에서 연주 사이에는 용강 래들이 사용되므로 크게 두 부분으로 나누고 각각에 대하여 운반설비를 포함하지 않는 모델과 포함하는 모델로 구분하였다. 그러고 나서 모듈별로 설계, 개발, 검증, 수정 과정을 거치면서 점진적으로 확장하는 방법을 적용하였다.
- 이 보고서를 이용하면 어느 부분에서 정체가 많이 발생하는지를 정확히 파악할 수 있다. 또한 모델 개발 과정에서는 이 보고서를 이용하여 시뮬레이션 모델과 산출물의 정확도를 체크하였다.
- 두 번째는 TLC 도착 간격, 용선·용강 래들 개수 등과 같은 수치 지정 옵션이다. 마지막은 대체 설비 사용 방식, 전로 운영 방식 등 조업 규칙과 관련된 것들로 미리 옵션별로 모델과 사용자 정의 VBA 코드를 이용하여 모델링 한 후, 모델에 포함시켜서 사용자가 지정할 수 있도록 하였다. 옵션 데이터도 조업 기준 데이터와 마찬가지로 엑셀 시트에서 설정한 후, 시뮬레이션 초기에 입력되어 모델에 반영된다.
- 본 연구의 시뮬레이터는 설계와 운영을 동시에 고려하는 모델로 설계되었으므로 실제에 준하는 정교한 투입계획을 입력 데이터로 준비해야 하며, 2일 정도의 물량을 투입하는 종료형 시뮬레이션(terminating simulation) 형식을 취한다. 그런데 작업 중인 재공재고를 초기 시스템 상태로 반영하지 않으면 가동률과 생산량 통계량 수집과 관련하여 초기 편의 문제가 발생한다.
- 시뮬레이션 모델은 대상 시스템을 모듈로 분할하여 모듈별로 설계하고 개발한다. 모듈별 상세 내용은 2.
- 본 논문은 일관제철소의 제강·연주 공장 시뮬레이터를 제시하였다. 시뮬레이터는 용선 예비처리, 전로, 노외정련, 연주 공정으로 구성되며, 사용 편의성을 높이기 위해 입출력 매체를 엑셀로 처리하였으며, 시뮬레이션을 위해 필요한 다양한 항목들을 옵션으로 설정할 수 있도록 하였다.
- 그런데 작업 중인 재공재고를 초기 시스템 상태로 반영하지 않으면 가동률과 생산량 통계량 수집과 관련하여 초기 편의 문제가 발생한다. 여기서는 시뮬레이션이 시작된 이후에 작업물이 도착하여 각 설비별로 처음으로 작업을 시작하는 시간 이후부터 1,440분(즉, 일일) 동안 수집한 데이터를 이용하여 통계량을 산출한다(표 6의 총가동 시간 부분 참조).
- 입력 데이터의 마지막 항목은 옵션 입력 데이터이다. 옵션은 크게 세 가지로 유형으로 구분될 수 있는데, 첫 번째는 시뮬레이션 실행 속도와 관련된 옵션으로 애니메이션 수준, 리포트 출력 여부, 스케줄 출력 기간을 설정할 수 있도록 하였다. 두 번째는 TLC 도착 간격, 용선·용강 래들 개수 등과 같은 수치 지정 옵션이다.
- 4절에서 기술한다. 용선 수선장에서 전로까지는 용선 래들이 사용되고 2차정련에서 연주 사이에는 용강 래들이 사용되므로 크게 두 부분으로 나누고 각각에 대하여 운반설비를 포함하지 않는 모델과 포함하는 모델로 구분하였다. 그러고 나서 모듈별로 설계, 개발, 검증, 수정 과정을 거치면서 점진적으로 확장하는 방법을 적용하였다.
- 그리고 대차와 크레인을 이용하여 각 공정 사이를 이동하는 것을 표현하는 운반 모듈이 있다. 운반 모듈은 유사성이 커서 각 공정과 분리하여 별도의 모듈로 모델링 하였다.
- 입력 데이터는 조업 기준 데이터, 투입계획, 시뮬레이션 옵션으로 구분되는데, 쉽게 사용하면서 유연성을 높이기 위해 엑셀 파일을 이용하였다. 시뮬레이션 실행 초기에 데이터 입력 모듈에서 이 엑셀 파일의 데이터를 읽어 들인다.
- 철강 제조는 제선, 제강, 연주, 압연 공정 순서로 진행된다. 제철 과정에 대해서 본 논문의 연구 범위인 제강과 연주를 중심으로 기존 문헌(포스코, 2011; 한국철강협회, 2011; 현대 제철, 2011)을 참고하여 간략히 알아보기로 한다. 오늘날의 제철· 제강 제조 방법은 보통 고로에서 선철(pig iron)을 만들고, 이것을 제강로에 넣어 강(steel)을 만드는 것이다.
- 히트 개체가 제강· 연주 공장에 도착하여 용선 및 용강 래들 개체와 결합하여 거쳐가는 공정을 모듈로 구분하여 모델을 개발하였다.
대상 데이터
- 시뮬레이터를 위한 모델의 범위는 용선수선장, 탈황, 전로, 노외정련으로 구성되는 제강 공정에서 액체 상태의 철이 고체로 응고되는 연주 공정까지이다.
이론/모형
- 과연 ‘그래픽 입력 방식이 대규모 모델 개발의 생산성 향상에 도움이 되고 있는 것인가’에 대해서는 의문이 든다. 여기서는 본 연구자가 개발한 활동 흐름도(activity flow diagram)(Rossetti, 2009)에 기반을 두는 개념 모델링 방법론, CoSiM(Conceptual Simulation Model Design)을 적용하였다. CoSiM은 개념 모델링에 필요한 구성 요소들을 템플릿화 하여 그림 2와 같이 MS Visio의 스텐실(stencil)로 통합하였다.
성능/효과
- 그림 5는 #1 전로를 탈린 전로로 사용하고 #2와 #3 전로를 탈탄 또는 일반 LD 전로로 사용하는 전로 운영 옵션을 적용하는 경우, 시뮬레이션 시작 이후 1,377분 시점의 애니메이션 화면의 일부이다. 탈황 작업 중인 개체와 전로 작업 중인 개체가 각각 2개이고, 주조 작업이 진행 중인 개체가 3개임을 보여주고 있다. 설비의 우측(또는 좌측)에 현재 작업 중인 개체의 캐스트 ID와 히트 ID가 표시되고 있다.
후속연구
- 본 연구에서 제안하는 시뮬레이터는 생산량 분석과 물류 분석을 통하여 제강· 연주 공장 설계안의 적정성을 평가하는데 유용하게 사용될 수 있다. 그리고 다양한 상황별로 최적의 제품 조합(product mix)을 도출하는 데 적용될 수 있으며, 공정별 설비별로 작업을 배정하는 조업 운영 패턴을 평가하고 정확도를 향상시키는 도구로 활용이 가능하다.
- 제철소는 고가의 장비가 투입되고 24시간 가동하는 공장으로 생산성을 최대한 높이기 위한 조업 패턴과 제품 조합의 설정에 대한 연구가 필요한데, 이때 본 논문에서 제안하는 시뮬레이터와 연계하면 대안에 대한 성능을 신속하고 정확하게 예측할 수 있으며, 애니메이션을 통하여 시스템에 대한 통찰력 향상과 부서간의 커뮤니케이션 증대 면에서 적지 않은 효과를 기대할 수 있다. 둘째로 고로에서 제강공장 사이의 용선 운반 및 용선 임시 보관을 담당하는 TLC 적정대수 산정과 TLC 운영 방안 연구를 지원하는 툴로 확장될 수 있을 것이다.
- 본 연구에서 제안하는 시뮬레이터는 생산량 분석과 물류 분석을 통하여 제강· 연주 공장 설계안의 적정성을 평가하는데 유용하게 사용될 수 있다.
- 조업 기준 데이터는 표 1, 2와 같이 작업시간과 운반시간으로 대별된다. 본 연구에서는 조업 시간을 상수로 처리하였으나, 현장의 실측 데이터를 통해 확률분포를 얻게 되면, 확률분포를 사용하는 모델로 확장할 수 있을 것이다.
- 그리고 제강 공장의 최적 운영 방안을 도출하고 검증하는 툴로써 활용 가치가 크다. 아울러 공장에 투입되어 작업 중인 재공재고에 대한 정보를 반영하도록 모델을 확장하면 공정별 설비별로 작업을 배정하는 스케줄을 생성하거나 평가하는 도구로 활용될 수 있을 것이다.
- 향후 연구 방향으로는 첫째 제강 공장의 최적 운영 패턴 설계 시스템과의 연계를 고려할 수 있다. 제철소는 고가의 장비가 투입되고 24시간 가동하는 공장으로 생산성을 최대한 높이기 위한 조업 패턴과 제품 조합의 설정에 대한 연구가 필요한데, 이때 본 논문에서 제안하는 시뮬레이터와 연계하면 대안에 대한 성능을 신속하고 정확하게 예측할 수 있으며, 애니메이션을 통하여 시스템에 대한 통찰력 향상과 부서간의 커뮤니케이션 증대 면에서 적지 않은 효과를 기대할 수 있다. 둘째로 고로에서 제강공장 사이의 용선 운반 및 용선 임시 보관을 담당하는 TLC 적정대수 산정과 TLC 운영 방안 연구를 지원하는 툴로 확장될 수 있을 것이다.
- 향후 연구 방향으로는 첫째 제강 공장의 최적 운영 패턴 설계 시스템과의 연계를 고려할 수 있다. 제철소는 고가의 장비가 투입되고 24시간 가동하는 공장으로 생산성을 최대한 높이기 위한 조업 패턴과 제품 조합의 설정에 대한 연구가 필요한데, 이때 본 논문에서 제안하는 시뮬레이터와 연계하면 대안에 대한 성능을 신속하고 정확하게 예측할 수 있으며, 애니메이션을 통하여 시스템에 대한 통찰력 향상과 부서간의 커뮤니케이션 증대 면에서 적지 않은 효과를 기대할 수 있다.
- 무한 경쟁과 지하자원 고갈 등으로 원자재 확보와 아울러 원자재 가공 전통산업의 생산성 향상이 화두로 대두 되고 있다. 향후, 원자재의 안정적인 확보와 원자재 가공 전통산업의 안정 없이는 우리나라의 주력 산업은 불안정한 위치에 놓일 가능성이 클 것으로 예상된다. IT · 서비스 산업 이외에 제철과 같은 전통 산업에도 좀 더 관심을 가져야 할 것으로 사료된다.
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