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복잡한 생산라인에서 효율적 공정관리 기법 도입에 따른 공정흐름 및 생산성 개선 연구
A study on the improvement of work flow and productivity in complex manufacturing line by employing the effective process control methods 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.17 no.5, 2016년, pp.305 - 315  

박경민 (광운대학교 경영학과) ,  정석재 (광운대학교 경영학과)

초록
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소품종 대량 생산 체제에서 다품종 소량생산 체제로의 변경으로 인해 개별 기업들은 시장 점유율을 지키기 위해서 생산율 극대화, 재공재고의 최소화, 적정 사이클 타임 운영 등 다양한 생산전략을 개발, 이를 적절하게 운영하기 위한 노력을 경주하고 있다. 특히, 복잡한 제조라인의 경우 작업흐름이 특이하고 공정단계가 많으며 매우 복잡한 공정 순서로 인해, 기존의 수리모형이나 대기이론 모형과 같은 분석적 방법을 적용하여 생산전략을 수립하는 데 많은 한계점을 내포하고 있다. 이를 위해 본 논문은 재투입과 병목공정이 혼재된 제조라인을 대상으로 병목공정 앞에서의 자재 투입 통제 문제와 작업장의 생산변경시점 결정 및 배치기계의 배치크기 및 가공순서를 결정하는 휴리스틱 방법을 제안한다. 제안된 방법의 효과를 검증하기 위해 제조환경을 테스트할 수 있는 시뮬레이션 모델을 개발하였으며, 앞서 언급한 세 가지 의사결정 문제에 대해 현재 기업에서 일반적으로 많이 사용되고 있는 기존 방식과 본 연구에서 제안하는 방법들을 비교하는 실험을 하였으며, 실험을 위한 시나리오는 세 가지 의사결정 문제의 휴리스틱 방법을 단일로 적용하는 경우와 휴리스틱 방법을 동시에 적용하는 경우로 나누어 실험하였고, 실험 결과 세 가지 의사결정 규칙을 함께 적용하는 것이 생산율 향상, 사이클 타임 감소, 평균 재공재고 수준 감소에 효과가 있음을 보여주었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Due to the change from small volume production to small quantity batch production systems, individual companies have been attempting to produce a wide range of operating strategies, maximize their productivity, and minimize their WIP level by operating with the proper cycle time to defend their mark...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 즉, 작업시간이 짧은 작업을 우선적으로 처리한다고 하여 공정 전체 사이클 타임을 줄일 수 없다는 것이다. 그렇기 때문에 생산 납기 시간뿐만 아니라 병목공정의 길이를 동시에 고려한 규칙의 필요성을 제기하였다. 또한, 투입 규칙에서는 공정 전체의 제공재고(WIP)를 고려하는 전통적인 CONWIP규칙과 달리 병목공정의 실제WIP을 고려한 규칙을 고려하였다.
  • 또한, Figure 6의 (b)에서도 마찬가지로 같은 평균 재공재고 중에서 규칙 A가 규칙 B보다 생산율이 높으며 같은 생산율 하에서는 규칙 A가 B보다 평균 재공재고가 낮음을 알 수 있다. 따라서 본 연구에서는 아래 그림과 같은 그래프를 이용하여 각 문제별 규칙 및 세 가지 문제에 대한 규칙 조합을 평가하고자 한다. 이러한 성능평가 기준은 기존의 여러 연구에서 사용한 방법과 유사하며 특히 납기가 고려되지 않은 소품종 대량 생산체제 하에서 가장 일반적인 성능 평가 기준으로 볼 수 있다.
  • 본 연구에서는 현실적인 제조환경을 반영하기 위해배치 기계가 존재하는 공정을 반영하였다. 배치 기계에서 적정 수준의 재고량을 유지하기 위해 배치 크기 및 대기 중인 제품의 가공순서를 효과적으로 이행하기 위한 휴리스틱 제안을 하고자 한다.
  • 본 연구는 생산라인을 개선하기 위한 세 가지 의사결정 문제를 효과적으로 대응할 수 있는 발견적 기법을 제시하고, 기법 도입이 생산성에 미치는 효과를 다루고자 한다.
  • 본 연구에서 앞서 세 가지 발견적 기법에 대해 단일 및 조합 적용 시 생산성 향상에 어떤 영향을 미치는지 분석하고자 한다. 이를 위한 생산성 성능척도 기준으로 생산율, 평균 재공재고 및 사이클 타임을 고려한다[12,13].
  • 본 연구에서는 각 배치 기계 앞에 있는 대기하고 있는 제품 별 로트의 양과 후속 공정에서 대기하고 있는 제품별 로트의 양을 평균화시켜 공정 내의 물류의 흐름을 원활하게 하는 것이다. 또한 자재가 재투입되는 상황을 고려하고 있기 때문에 해당 자재가 현재 몇 번째로 해당작업을 수행 중인지에 대해 구별할 필요가 있다.
  • 본 연구에서는 첫 번째 휴리스틱 방법으로 재투입 횟수와 작업 변경시간을 고려한 작업 투입시점 결정 문제에 대한 휴리스틱 방법을 제안한다.
  • 본 연구에서는 특정 공정에 작업부하가 월등히 높은병목공정이 존재하며 자재의 재투입이 상황이 발생하는현실적이며 복잡한 제조환경을 다루었다.
  • 본 연구에서는 현실적인 제조환경을 반영하기 위해배치 기계가 존재하는 공정을 반영하였다. 배치 기계에서 적정 수준의 재고량을 유지하기 위해 배치 크기 및 대기 중인 제품의 가공순서를 효과적으로 이행하기 위한 휴리스틱 제안을 하고자 한다.
  • 특히, 다품종 소량생산 환경과 같이 다양한 제품을 생산하는 범용 작업장에서는 고객 납기를 충족시키기 위해 효과적인 생산관리를 수행하는 것이 무엇보다 중요하다. 이러한 효과적인 생산관리를 위해선 다양한 의사결정 요소들이 존재하지만, 본 연구에서는 크게 세 가지 관점에서 핵심적인 의사결정을 다루고자 한다.
  • 이에 본 연구에서는 자재 투입시점, 생산변경시점, 배치 크기를 결정하는 세 가지 핵심 의사결정 문제에 대해 효과적인 알고리즘을 제안하고, 알고리즘을 조합한 의사결정이 생산성에 어떤 영향을 미치는 지를 분석하는 데 초점을 맞추고자 한다.
  • (2013)의 연구에서는 제품의 품질을 고려한 우선순위 할당 규칙을 고려하였다. 제품의 품질을 최상으로 유지하기 위한 최적의 생산량을 계산하고, 이 목표 생산량을 맞추기 위해서 제품의 우선순위를 결정하는 연구를 진행하였다.

가설 설정

  • 각 공정 내에서는 여러 개의 동일 기계 mh(h = 1,2…….M)가 병렬 형태(identical and parallel)로 존재함을 가정하며 병렬형태 모형은 임의의 공정으로 투입된자재가 해당 공정 내에 포함된 어떤 기계로부터도 가공을 받을 수 있음을 의미한다.
  • 작업장별 평균 가공시간은 정규분포를 따르는 것으로 가정하였으며 가공시간의 변동을 정규분포의 분산으로 모형화하였다. 그리고 한 작업 장내에서의 모든 기계의 가공시간 분포는 모두 동일한 모수를 갖는 정규분포로 가정하였는데 이는 한 작업장에 도착한 로트는 장비에 관계없이 항상 일정한 가공시간을 가짐을 의미한다. 즉 1st Process에서의 생산준비시간은 일정하게 2시간으로 가정하였다.
  • 또한, 앞에서 설명한 바와 같이 공정 간의 로트 이송시간은 고려하지 않았으며 기계의 고장시간은 지수분포(Exponential distribution)으로 가정하여 고려함으로써 예측하지 못한 기계의 고장 및 장비 보전에 필요한 시간등을 포함하였다. 한편, 공정으로의 자재 도착은 포아송분포를 따르는 것으로 가정했을 때 평균 도착율을 일정한 값을 갖는 것으로 간주하였다.
  • 생산라인의 첫 번째 공정은 병목공정(타 공정에 비해생산 시간이 월등히 큰 공정으로 묘사) 특징을 가진다고 가정하였으며 세 번째와 네 번째 공정은 병렬 형태로 존재하며, 자재마다 BOM(Bill of material) 흐름에 따라 둘 중 하나의 공정을 거치는 상황을 묘사하였고, 두 공정모두 배치 기계로 작업하는 환경을 반영하였다.
  • 실제 공정에서는 공정간 이동시간이 반영될 수도 있지만, 대부분의 공정에서 작업시간이 공정 간 이동시간보다 매우 큰 값이므로, 본 연구에서는 공정간 이동시간은 고려하지 않았다. 다만, 작업 후에 자재 불량으로 인한 재작업 등이 존재할 수 있기 때문에 본 연구에서는 이를 반영하기 위해 재작업 공정이 별도로 존재함을 반영한다.
  • 작업장별 평균 가공시간은 정규분포를 따르는 것으로 가정하였으며 가공시간의 변동을 정규분포의 분산으로 모형화하였다. 그리고 한 작업 장내에서의 모든 기계의 가공시간 분포는 모두 동일한 모수를 갖는 정규분포로 가정하였는데 이는 한 작업장에 도착한 로트는 장비에 관계없이 항상 일정한 가공시간을 가짐을 의미한다.
  • 그리고 한 작업 장내에서의 모든 기계의 가공시간 분포는 모두 동일한 모수를 갖는 정규분포로 가정하였는데 이는 한 작업장에 도착한 로트는 장비에 관계없이 항상 일정한 가공시간을 가짐을 의미한다. 즉 1st Process에서의 생산준비시간은 일정하게 2시간으로 가정하였다.
  • 투입되는 자재는 제품마다 고유한 BOM 구조에 따라여러 유형의 자재가 투입됨을 또한 가정하며 핵심 의사결정 조합을 테스트하기 위해 공정 특성을 세 가지 유형이 공존하는 형태를 고려한다. 첫째는 특정 공정에서 작업부하가 크게 발생하는 병목 현상이 있고, 둘째 범용 기계를 갖는 공정에서는 여러 자재들에 대해 작업이 가능하지만 이 때 기계의 툴(Tool) 교환에 따른 상이한 작업준비시간(setup time)이 발생하는 상황을 반영한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
작업 투입의 시점이 적절하지 못해서 너무 빨리 자재를 투입하여 생기는 문제는? 특히 다품종 소량생산체제 환경 하에서는 고객의 납기요구를 만족시키기 위하여 효과적인 작업 투입 통제 규칙이 필요하다. 작업 투입의 시점이 적절하지 못해서 너무 빨리 자재를 투입하면 생산시스템의 혼잡도를 증가시킬 뿐만 아니라 재고의 양이 증가하게 되며, 반면에 너무늦게 투입이 되면 납기 내에 생산을 완료하지 못하게 되므로 고객의 수요를 충족시켜줄 수가 없다.
일정한 WIP 수준을 유지하는 방법은 어느 경우에 효과적인가? 제조현장에서 많이 활용되고 있는 방법은 일정한 WIP 수준을 유지하는 방법(CONWIP Method)이다. CONWIP 방법은 모든 공정에서의 작업시간이 균등한경우에는 효과적이다. 하지만 병목공정이 뚜렷한 생산라인의 경우 공정 내에 범용 기계에서는 작업 변경시간(setup time)이 작업 부하(workoad)에 미치는 영향이 크기 때문에, CONWIP 방법의 적용이 생산성 개선에 있어그 효과가 매우 제한적일 수밖에 없다.
소품종 대량 생산 체제에서 다품종 소량생산 체제로의 변경으로 개별 기업이 하고 있는 노력은? 소품종 대량 생산 체제에서 다품종 소량생산 체제로의 변경으로 인해 개별 기업들은 시장 점유율을 지키기 위해서 생산율 극대화, 재공재고의 최소화, 적정 사이클 타임 운영 등 다양한 생산전략을 개발, 이를 적절하게 운영하기 위한 노력을 경주하고 있다. 특히, 복잡한 제조라인의 경우 작업흐름이 특이하고 공정단계가 많으며 매우 복잡한 공정 순서로 인해, 기존의 수리모형이나 대기이론 모형과 같은 분석적 방법을 적용하여 생산전략을 수립하는 데 많은 한계점을 내포하고 있다.
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참고문헌 (15)

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  3. Fu M, Askin R, Fowler J, Haghnevis M, Keng N, Pettinato J. S and Zhang M, "Batch production scheduling for semiconductor back-end operations", Semiconductor Manufacturing, IEEE Transactions, Vol.24, No.2, pp.249-260, 2011. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/TSM.2011.2114900 

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  9. S. W. Yoon, Y. J. Cho and S. J. Jeong, "Combination effects analysis of bottleneck-load order review/release and the dispatching rule: Application to a printed circuit board manufacturing line with multiple bottlenecks", International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, Vol.15, No.8, pp.1725-1732, 2014. DOI: http://dx.doi.org/10.1007/s12541-014-0525-4 

  10. Chen C. F, Wu K. J, Chang C. T, Wong D. S. H and Jang S. S, "Generation and verification of optimal dispatching policies for multi-product multi-tool semiconductor manufacturing processes", Computers and Chemical Engineering, Vol.52, No.3, pp.112-121, 2013. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.compchemeng.2012.12.009 

  11. Thiesse F and Fleisch E, "On the value of location information to lot scheduling in complex manufacturing processes", International Journal of Production Economics, Vol.112, No.2, pp.532-547, 2008. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.ijpe.2007.05.006 

  12. Vinod V and Sridharan R, "Simulation modeling and analysis of due-date assignment methods and scheduling decision rules in a dynamic job shop production system", International Journal of Production Economics, Vol.129, No.1, pp.127-146, 2011. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.ijpe.2010.08.017 

  13. Weigert G, Klemmt A and Horn S, "Design and validation of heuristic algorithms for simulation-based scheduling of a semiconductor Backend facility", International Journal of Production Research, Vol.47, No.8, pp.2165-2184, 2009. DOI: http://dx.doi.org/10.1080/00207540902744784 

  14. GRAVES, R. J., KONOPKA, J. M., & MILNE, R. J. (1995). Literature review of material flow control mechanisms. Production Planning & Control, 6(5), 395-403. DOI: http://dx.doi.org/10.1080/09537289508930296 

  15. Glassey, C.R. and Resende, M.C.G., "A Scheduling Rule for Job Release in Semiconductor Fabrication,", Operations Research Letters, 7, 213-217, 1998. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/0167-6377(88)90033-8 

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