[논문]생산현장의 안전성 향상을 위한 실시간 공정관리 시스템 개발

이승우; 남소정; 이재경; 이화기

doi:10.12812/ksms.2013.15.4.171

생산현장의 안전성 향상을 위한 실시간 공정관리 시스템 개발
Development of Real-time Process Management System for improving safety of Shop Floor 원문보기

대한안전경영과학회지 = Journal of the Korea safety management & science, v.15 no.4, 2013년, pp.171 - 178

이승우 (한국기계연구원 첨단생산장비연구본부) , 남소정 (한국기계연구원 첨단생산장비연구본부) , 이재경 (한국기계연구원 기계시스템안전연구본부) , 이화기 (인하대학교 산업공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Workers are avoiding production/manufacturing sites due to the poor working environment and concern over safety. Small and medium-sized businesses introduce new equipment to secure safety in the production site or ensure effective process management by introducing the real-time monitoring technique for existing equipment. The importance of real-time monitoring of equipment and process in the production site can also be found in the ANSI/ISA-195 model. Note, however, that most production sites still use paper-based work slip as a process management technique. Data reliability may deteriorate because information on the present condition of the production site cannot be collected/analyzed properly due to manual data writing by the worker. This paper introduces the monitoring and process management technique based on a direct facility interface to secure safety in the field by improving the poor working environment and enhance there liability and real-time characteristics of the production data. Since the data is collected from equipment in real-time directly through the SIB-based interface and PLC-based interface, problems associated with workers' manual data input are expected to be solved; safety can also be improved by enhancing workers' attention to work by minimizing workers' injuries and disruption.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

또한 개방형 CNC를 지향할 경우 Fanuc의 FOCAS1/2 (Fanuc Open CNC API System 1 or 2)와 같은 Open API 혹은 산업표준화로 자리 잡은 OPC (OLE for Process Control) 인터페이스를 이용할 경우 위의 열거한 문제점을 해결할 수 있지만 분산 환경에 최적화되어 구축이 용이하지 않기 때문에 원격 A/S가 힘든 단점이 있다. 따라서 생산현장의 다양한 설비를 대상으로 실시간 데이터를 수집할 수 있는 모니터링 기법에 대해 연구하였다.
본 논문에서는 생산현장의 안전성 향상을 위해 실시간으로 설비 혹은 공정의 상태정보를 수집하여 처리할 수 있는 공정관리시스템 개발에 대한 연구를 수행하였다. 개발된 공정관리시스템은 작업자의 작업부하 및 간섭을 최소화하여 작업자의 작업 주의력을 향상시켜 안전성을 향상시킬 수 있도록 설비 혹은 공정의 상태정보를 직접적으로 수집할 수 있도록 구성하였다.
따라서 근래에 생산현장에 많이 보급되어 있는 MES (Manufacturing Execute System) 혹은 POP (Point Of Production)와 같은 생산실적집계시스템을 활용하여 생산현장의 설비를 모니터링하거나 공정관리가 이루어지기도 한다. 본 논문에서는 실시간으로 설비의 상태정보를 모니터링할 수 있는 방법을 제안하고 이를 기반으로 한 공정관리를 소개하고자 한다. 또한 개발된 설비 모니터링 기법을 실제 생산현장에 적용하여 개발된 시스템의 적용성을 시험 하였다.

제안 방법

개발된 공정관리시스템은 작업자의 작업부하 및 간섭을 최소화하여 작업자의 작업 주의력을 향상시켜 안전성을 향상시킬 수 있도록 설비 혹은 공정의 상태정보를 직접적으로 수집할 수 있도록 구성하였다. CNC 제어기와 같은 제어기가 없는 설비 및 공정은 센서 기반의 인터페이스를 통해 설비의 상태정보를 수집하게 하였고 CNC 설비의 경우 PLC를 이용한 인터페이스를 통해 설비의 상태정보를 수집할 수 있도록 하였다. 수집된 정보의 효율성을 위해 데이터 수집 HMI를 구성하였으며, 작업자의 공정 감시를 통한 안전성 향상을 위해 센서에서 수집된 정보들이 그래픽으로 작업자에게 제공될 수 있도록 구성하였다.
본 논문에서는 생산현장의 안전성 향상을 위해 실시간으로 설비 혹은 공정의 상태정보를 수집하여 처리할 수 있는 공정관리시스템 개발에 대한 연구를 수행하였다. 개발된 공정관리시스템은 작업자의 작업부하 및 간섭을 최소화하여 작업자의 작업 주의력을 향상시켜 안전성을 향상시킬 수 있도록 설비 혹은 공정의 상태정보를 직접적으로 수집할 수 있도록 구성하였다. CNC 제어기와 같은 제어기가 없는 설비 및 공정은 센서 기반의 인터페이스를 통해 설비의 상태정보를 수집하게 하였고 CNC 설비의 경우 PLC를 이용한 인터페이스를 통해 설비의 상태정보를 수집할 수 있도록 하였다.
생산현장의 설비 상태정보 모니터링을 통해 생산현장의 안전성 향상을 위한 공정관리시스템을 개발하였다. 개발된 시스템의 효율성과 적용성 시험을 위해 SIB와 PLC 인터페이스의 특성에 맞는 공정과 설비에 적용하였다. 제품 조립이 완성된 다음 성능평가를 위한 검사공정에 개발된 공정관리시스템을 적용하였다.
수집된 정보의 효율성을 위해 데이터 수집 HMI를 구성하였으며, 작업자의 공정 감시를 통한 안전성 향상을 위해 센서에서 수집된 정보들이 그래픽으로 작업자에게 제공될 수 있도록 구성하였다. 구성된 시스템의 적용성 및 효율성 테스트를 위해 적용연구를 실시하였다. 이를 통해 생산현장의 설비 혹은 공정상의 데이터를 실시간 수집되는 것을 확인할 수 있었으며, 작업자의 작업부하 경감을 통해 생산현장의 안전성 향상에 기여할 수 있는 공정관리시스템을 개발하였다.
본 논문에서는 실시간으로 설비의 상태정보를 모니터링할 수 있는 방법을 제안하고 이를 기반으로 한 공정관리를 소개하고자 한다. 또한 개발된 설비 모니터링 기법을 실제 생산현장에 적용하여 개발된 시스템의 적용성을 시험 하였다.
이러한 문제의 해결로 CNC 벤더에서 제공하는 API 소프트웨어를 이용할 수 있으나 가격이 고가이며 필요정보의 추출에 제한이 따른다. 비자동화 설비와 CNC 범용 설비를 대상으로 PLC 기반 인터페이스, SIB 기반 인터페이스를 제안한다.
생산현장의 설비 상태정보 모니터링을 통해 생산현장의 안전성 향상을 위한 공정관리시스템을 개발하였다. 개발된 시스템의 효율성과 적용성 시험을 위해 SIB와 PLC 인터페이스의 특성에 맞는 공정과 설비에 적용하였다.
[Figure 7]은 앞 절에서 설명한 PLC와 SIB를 이용한 설비 직접 인터페이스를 기반으로 하는 실시간 공정관리를 위한 시스템의 구조이다. 설비 인터페이스를 통해 실시간으로 수집된 데이터는 ShopFloor Manager라는 HMI를 통해 실시간으로 작업자에게 설비 및 공정의 상태정보를 모니터링 할 수 있도록 하였다.
제어기가 없는 범용설비 혹은 공정에서 설비로부터 직접적으로 데이터를 수집하기 어렵다. 설비는 다양한 정보를 발생하기 때문에 센서를 이용한 데이터 수집장치를 구현하여 [Figure 3]과 같이 센서 기반 인터페이스 보드(이하 SIB: Sensor -based Interface Board)를 개발하였다. SIB는 온도센서 5점과 전압센서 2점, RS485 통신 포트, 4개의 외부 확장 센서 인터페이스로 구성되어 있다.
이를 위해 내부적으로 수신 데이터를 분석하는 Data Parser, DB에 저장하는 Data Uploader, 해당 정보를 작업자에게 보여주는 Master Data Connector가 자동으로 수행된다. 설비로부터 수집되고 상위로부터 받은 정보는 사용자의 편의와 가시성을 위해 그래프 또는 차트로 수치를 가시화할 수 있도록 하였다. [Figure 8]은 설비 인터페이스를 이용한 실시간 공정 관리를 위한 ShopFloor Manager HMI를 나타낸 것이다.
CNC 제어기와 같은 제어기가 없는 설비 및 공정은 센서 기반의 인터페이스를 통해 설비의 상태정보를 수집하게 하였고 CNC 설비의 경우 PLC를 이용한 인터페이스를 통해 설비의 상태정보를 수집할 수 있도록 하였다. 수집된 정보의 효율성을 위해 데이터 수집 HMI를 구성하였으며, 작업자의 공정 감시를 통한 안전성 향상을 위해 센서에서 수집된 정보들이 그래픽으로 작업자에게 제공될 수 있도록 구성하였다. 구성된 시스템의 적용성 및 효율성 테스트를 위해 적용연구를 실시하였다.
앞 장에서 설명한 대로 CNC 설비의 PMC를 PLC와 일대일 인터페이스하고 설비의 동작 및 이상상태 발생시 상태정보 HMI에 나타나도록 구성하였다. 가공공정의 특성상 작업자가 설비에 가까이 있는 경우가 많아 HMI를 간결하게 구성하였다.
작업자의 간섭을 최소화하여 작업부하를 낮추도록 하였다. 이를 위해 내부적으로 수신 데이터를 분석하는 Data Parser, DB에 저장하는 Data Uploader, 해당 정보를 작업자에게 보여주는 Master Data Connector가 자동으로 수행된다.
제조현장에 있는 다양한 설비의 상태정보를 실시간으로 수집하여 작업자와 관리자에게 실시간 공정관리가 가능한 시스템을 구성하였다. [Figure 7]은 앞 절에서 설명한 PLC와 SIB를 이용한 설비 직접 인터페이스를 기반으로 하는 실시간 공정관리를 위한 시스템의 구조이다.
개발된 시스템의 효율성과 적용성 시험을 위해 SIB와 PLC 인터페이스의 특성에 맞는 공정과 설비에 적용하였다. 제품 조립이 완성된 다음 성능평가를 위한 검사공정에 개발된 공정관리시스템을 적용하였다. 기존의 검사방법은 [Figure 9]의 왼편에 보는바와 같이 수작업에 의한 온도 특성을 검사하는 공정이었다.

성능/효과

설비와의 인터페이스를 통한 실시간 공정 분석 데이터를 [Figure 13]에 나타내었다. 분석된 결과로는 제품별 생산량, 실 가동시간, 공정정지 사유 등이 실시간으로 분석가능하며, 이들 데이터는 설비별, 기간별, 작업자별 데이터 분석도 가능하다.
구성된 시스템의 적용성 및 효율성 테스트를 위해 적용연구를 실시하였다. 이를 통해 생산현장의 설비 혹은 공정상의 데이터를 실시간 수집되는 것을 확인할 수 있었으며, 작업자의 작업부하 경감을 통해 생산현장의 안전성 향상에 기여할 수 있는 공정관리시스템을 개발하였다. 추후에는 개발된 데이터수집시스템의 수집데이터를 바탕으로 생산 현장의 설비관리 시스템을 구현하고자 한다.
수집된 데이터를 RS232 시리얼 통신을 통해 DAQ에 전달된다. 작업자의 수기입력에 의한 데이터 수집이 아닌 설비와의 직접 인터페이스를 통해 데이터를 수집할 수 있어 데이터의 투명성, 정확성, 실시간성을 높일 수 있어 제조 현장의 안전성 향상에 실질적 도움을 줄 수 있다.

후속연구

개발된 공정관리시스템은 작업자의 작업부하를 경감시키고 생산현장에서 이상상황이 발생하면 즉각적인 대응이 가능해져 생산현장의 안전성을 향상시킬 수 있으며, 제품 불량률을 현격히 줄일 수 있을 것으로 기대된다. 동시에 체계적인 설비관리도 가능해져 설비의 고장 및 이상발생으로 인한 고장률이 감소되어 생산현장의 생산성 향상에 기여할 수 있다.
이를 통해 생산현장의 설비 혹은 공정상의 데이터를 실시간 수집되는 것을 확인할 수 있었으며, 작업자의 작업부하 경감을 통해 생산현장의 안전성 향상에 기여할 수 있는 공정관리시스템을 개발하였다. 추후에는 개발된 데이터수집시스템의 수집데이터를 바탕으로 생산 현장의 설비관리 시스템을 구현하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	근래에 생산현장에 많이 보급되어 있는 MES (Manufacturing Execute System) 혹은 POP(Point Of Production)와 같은 생산실적집계시스템을 활용하여 생산현장의 설비를 모니터링하거나 공정관리가 이루어지는 이유는?	생산현장은 많은 설비와 자원들로 구성되어 있으며, 이들의 상태정보를 모니터링하는 것만으로도 생산현장의 안전성을 향상시킬 수 있다. 대부분의 생산현장에서는 한명의 작업자가 여러 대의 설비를 운영하여 공정을 진행하며, 이는 설비에서 발생하는 다양한 정보의 대처 능력을 떨어뜨려 안전사고를 유발하기도 하며 공정관리 데이터의 신뢰성을 떨어뜨리기도 한다. 따라서 근래에 생산현장에 많이 보급되어 있는 MES (Manufacturing Execute System) 혹은 POP(Point Of Production)와 같은 생산실적집계시스템을 활용하여 생산현장의 설비를 모니터링하거나 공정관리가 이루어지기도 한다.
	설비개량의 핵심기술은 무엇인가?	안전성에 대한 보장 및 열악한 작업 환경 개선 등의 직무기피 해소를 위해 새로운 설비를 보급하거나 기존 설비를 개량하는 방법 등이 사용되고 있다[1]. 현재 중소기업의 환경에서는 새로운 설비의 도입보다는 기존 생산설비의 개량을 통해 제조현장의 안전성 향상을 추구하고 있으며, 설비개량의 핵심기술은 설비의 상태정보를 실시간으로 모니터링하여 이상상태를 감지하고, 이상상태 발생 시 적절한 조치를 취하는 것이다. 생산현장은 많은 설비와 자원들로 구성되어 있으며, 이들의 상태정보를 모니터링하는 것만으로도 생산현장의 안전성을 향상시킬 수 있다.
	생산현장의 안전성에 많은 영향을 미치는 것은?	생산현장의 제조공정상 수반되는 열, 냄새, 분진, 절삭유 등은 현장의 안전성에 많은 영향을 미치고 있다. 열악한 작업환경 및 안전성에 대한 우려는 생산현장에 대한 직무기피 현상으로 나타나며 장기적으로는 인력난으로 이어진다.

참고문헌 (11)

김기욱, 정태갑, 이석철, 김창수 RFID 태그를 이용한 실시간 공정관리 시스템 구현, 한국인터넷정보학회 2005 추계학술발표논문집, (2005), Vol. 6, No. 2, 331-334.
김호균, 배창옥, 정홍진, 이철규, POP 기술을 활용한 자동차 고무부품 제조업체의 실시간 공정관리 시스템 개발, 대한산업공학회 춘계학술발표논문집 (2008) 1-6.
중소기업청, 생산현장 직무기피요인 해소사업, 2010
MES Explained: A High Level Vision, MESA, 1997.
MESA, ISA SP88, ISA-95, USA
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Lei, Y., Henry C.B. Chan, RFID-based Logistics Control System for Business-to-Business E-Commerce, Proceedings of the International Conference on Mobile Business, IEEE (2005).
Kwark, W. Y., Kim, W. S. and Park, G. D., Design and Implementation of Equipment Monitoring System for Data Integration, Journal of the Korea Society of Computer and Information, Vol. 14, No. 9, pp.115-126, 2009.
Lihui Wang, Peter Orban, Andrew Cunningham, Sherman Lang, Remote real-time CNC machining for web-based manufacturing, Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, Vol. 20, Issue 6 (2004), 563-571

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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