최근 4차 산업혁명과 스마트 팩토리라는 용어를 뉴스나 매체를 통해 자주 들을 수 있다. 하지만 스마트 팩토리에 대한 정보와 어떻게 스마트 팩토리를 구축해야 하는지에 대한 구체적인 가이드라인이 없기 때문에 기업들로부터 외면 받고 있다. 스마트 팩토리의 구축은 도입 목적을 고려하여 회사의 규모에 적합하게 수행되어야한다. 기존 논문 연구에서 국내 대 중 소기업들을 대상으로 스마트 팩토리 성공구축 사례들을 분석 하였다. 사례분석 결과, 대기업의 경우 일부공장을 대상으로 시범적으로 스마트 팩토리를 구축한 후 성공적으로 평가될 시 전체공장으로 확대시키는 전략이 효과적이다. 중소기업의 경우, 낮은 수준의 스마트 팩토리 구축레벨에서 높은 수준의 구축레벨로 업그레이드하는 것이 효과적이다. 본 논문에서는 전통제조업체를 1개 선정하고, 3D가상공정설계를 통해 병목 구간과 개선이 필요한 공정을 파악한 후 센서를 설치한다. 최종적으로 센서를 통해 수집 된 데이터를 분석한 후 공정을 개선하고, 생산성이 향상된 스마트 팩토리를 구축하여 그 효과를 검증해 보고자 한다.
최근 4차 산업혁명과 스마트 팩토리라는 용어를 뉴스나 매체를 통해 자주 들을 수 있다. 하지만 스마트 팩토리에 대한 정보와 어떻게 스마트 팩토리를 구축해야 하는지에 대한 구체적인 가이드라인이 없기 때문에 기업들로부터 외면 받고 있다. 스마트 팩토리의 구축은 도입 목적을 고려하여 회사의 규모에 적합하게 수행되어야한다. 기존 논문 연구에서 국내 대 중 소기업들을 대상으로 스마트 팩토리 성공구축 사례들을 분석 하였다. 사례분석 결과, 대기업의 경우 일부공장을 대상으로 시범적으로 스마트 팩토리를 구축한 후 성공적으로 평가될 시 전체공장으로 확대시키는 전략이 효과적이다. 중소기업의 경우, 낮은 수준의 스마트 팩토리 구축레벨에서 높은 수준의 구축레벨로 업그레이드하는 것이 효과적이다. 본 논문에서는 전통제조업체를 1개 선정하고, 3D가상공정설계를 통해 병목 구간과 개선이 필요한 공정을 파악한 후 센서를 설치한다. 최종적으로 센서를 통해 수집 된 데이터를 분석한 후 공정을 개선하고, 생산성이 향상된 스마트 팩토리를 구축하여 그 효과를 검증해 보고자 한다.
Recently, the terms of the 4th Industrial Revolution and the Smart Factory are often heard through news and media. But most of the companies that are parties are not interested. Because there is no specific guidance on how to build Smart Factory and information about Smart Factory. The built of the ...
Recently, the terms of the 4th Industrial Revolution and the Smart Factory are often heard through news and media. But most of the companies that are parties are not interested. Because there is no specific guidance on how to build Smart Factory and information about Smart Factory. The built of the Smart Factory should be carried out in accordance with the size of the company considering the purpose of the introduction. In the existing study, they analyzed successful cases of building Smart Factory in Korea As a result, in the case of large-size firms, it is an effective strategy that expanding from a model factory to whole factory for successful Smart Factory building. In addition, in the case of medium and small-size firms, it is an effective strategy that upgrading from low-level step to high-level step for successful Smart Factory building. In this study, selecting medium and small-size firms, and bottleneck section and processes requiring improvement are identified through 3D virtual process design, and then install sensors. Finally, after analyzing the data collected through the sensor, we will improve the process and build Smart Factory with improved productivity.
Recently, the terms of the 4th Industrial Revolution and the Smart Factory are often heard through news and media. But most of the companies that are parties are not interested. Because there is no specific guidance on how to build Smart Factory and information about Smart Factory. The built of the Smart Factory should be carried out in accordance with the size of the company considering the purpose of the introduction. In the existing study, they analyzed successful cases of building Smart Factory in Korea As a result, in the case of large-size firms, it is an effective strategy that expanding from a model factory to whole factory for successful Smart Factory building. In addition, in the case of medium and small-size firms, it is an effective strategy that upgrading from low-level step to high-level step for successful Smart Factory building. In this study, selecting medium and small-size firms, and bottleneck section and processes requiring improvement are identified through 3D virtual process design, and then install sensors. Finally, after analyzing the data collected through the sensor, we will improve the process and build Smart Factory with improved productivity.
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문제 정의
본 논문에서는 전통제조업체를 1개 선정한 후 가상 공정설계를 통해 병목 구간과 개선이 필요한 공정을 파악하여 그 부분에 센서를 설치하고, 센서에 수집된 데이터를 분석한 후 공정을 개선하여 스마트 팩토리를 구축의 효과를 검증해 보고자 한다.
본 연구에서는 실제로 스마트 팩토리를 구축함으로써 다양한 측면에서의 구축 효과를 거두었다. 우선, 기존 공정과 비교했을 때 생산효율이 많이 증가되었다.
제안 방법
그렇기 때문에 과거의 라인생산 방식에서 벗어나 생산 데이터를 기반으로 한 셀(cell) 생산 방식을 정립하여 제철공정에 적용 가능한 표준모델을 개발해 세계최고 수준의 스마트한 제조현장을 구현하였다.
기존 연구들에서 제시한 대기업과 중고기업의 스마트 팩토리 도입 성공 사례중 포스코, 세한진공열처리의 사례를 활용해 기업규모 와 도입 목적에 따라 스마트 팩토리의 도입 범위와 효과를 고찰해 보았다.
전통 제조업체로 초기 계획대비 생산량이 75% 이하이고, 생산공정에서 사고가 많이 발생하는 업체를 선정하였다. 대상 업체는 전통발효식품(장류)공장으로 전통한식 된장 및 간장 생산량은 1일 (8시간기준) 원료기준으로 염수용해 12.8톤/ 일, 메주장담금, 염분리 5.12톤/일, 된장포장 5.8톤/일, 간장제조 포장3.2톤/일, 생산이 가능한 SYSTEM 으로 구축하였고 연간 총 생산량은 Table 1과 같다.
생산 공정상 생산량에 가장 큰 영향을 미치는 공정은 된장이 2차 숙성 후 살균을 위해 이동되는 과정으로 파악되었다. 된장의 점도로 인한 이송관의 압력 저하가 주원인으로 추정하여 에에 대한 대책을 마련하였다.
둘째, SDD(소프트웨어 설계명세서)를 통한 철강 표면 품질측정기술로 최대 초당 1,800m로 진행하는 철강표면결함을 스캐닝하여 식별하고, 로봇이 실시간으로 보수한다.
마지막으로, 드론을 활용한 원자재 측정작업을 실시하고 있다. 드론이 30만평 규모의 야외 연료 야적장을 3D 영상 촬영하여 원료 재고량을 파악하고, 원료 수급시기를 과학적으로 예측한다. 또한 원료를 소프트웨어 알고리즘을 활용해 거대한 크레인을 무인으로 통제하여 최적의 위치에 적재하고 최단 거리를 예측하여 출하위치를 이동시키고 있다[5].
연구 방법은 전통 제조업체를 하나를 선정하여 공정의 문제점, 위험요인, 인력과 장비동선, 제품 적재 등의 효율성을 체크한 후 가상공정을 통해 공정을 검증한다. 문제의 공정에 압력센서, 거리 측정 센서, RFID 등의 센서를 설치한 후 데이터 로거를 사용하여 센서정보(유압, 거리, 통행량 등)를 수집하고 Logger Pro 3.1 Application1)을 통해 정보를 분석한다.
배관 내 압력을 보정해 주기위해 배관 3/4지점에 15bar의 압력을 낼 수 있는 유압펌프를 추가하였다.
셋째, 3D Virtual Factory를 활용하여 가상 공장에 3D 기술로 설비를 세우고, 첨단 제어 알고리즘과 공정기술을 접목하여, 가상공장에서 신제품 시험생산이 가능하도록 하시다.
셋째, 새롭게 구축된 전력관리 시스템을 통해 전력 소비량을 모니터링 할 수 있고, 소비전력 데이터를 받아서 통계 처리한 후 전기요금과 생산 일정을 연계하는 알고리즘을 활용하여 전기요금을 최소화할 수 있는 생산 시스템을 수립하였다.
연구 방법은 전통 제조업체를 하나를 선정하여 공정의 문제점, 위험요인, 인력과 장비동선, 제품 적재 등의 효율성을 체크한 후 가상공정을 통해 공정을 검증한다. 문제의 공정에 압력센서, 거리 측정 센서, RFID 등의 센서를 설치한 후 데이터 로거를 사용하여 센서정보(유압, 거리, 통행량 등)를 수집하고 Logger Pro 3.
이에 포장라인의 지게차 공간을 확보하기 위해 간장 포장라인의 Lay-out 변경하였다.
새한진공열처리사의 스마트 팩토리 프로세스 구축은 다음과 같이 진행되었다. 첫째, 스마트 팩토리를 도입하여 문제점을 개선하였다. 과거에 수기로 주문받고, 종이서류로 작성되던 작업지시서가 지금은 영업사원이 외부에서 스마트폰을 통해 주문을 입력하면 시스템을 통해 납품시기를 예측할 수 있어 고객들의 협력사에 대한 신뢰도가 높아지게 되었다.
현장 작업자들과의 회의와 생산 공정 관찰을 통해 제품동선과 인력 동선, 설비 위치 및 작업방향, 원료 운송, 포장 및 적재방법 등에서 중복되는 부분과 병목 현상(bottle neck)에 의한 시간지연, 불합리한 공정(기계, 사람 작업방식)등을 확인하고, 공장 전체 공정에 대한 가상 공정설계를 실시하여 문제가 발생할 수 있는 공정을 확정한다.
회사의 ERP시스템에서 개선 전 일주일 생산량 평균과 개선 후 일주일 생산량 평균을 시간대별로 확인해 보았다. 그 결과는 Table 6 과 같다.
대상 데이터
RFID 데이터는 리더기를 통해 전송된 데이터가 ERP 시스템에 저장되어 엑셀로 변환하여 사용하였다.
전통 제조업체로 초기 계획대비 생산량이 75% 이하이고, 생산공정에서 사고가 많이 발생하는 업체를 선정하였다. 대상 업체는 전통발효식품(장류)공장으로 전통한식 된장 및 간장 생산량은 1일 (8시간기준) 원료기준으로 염수용해 12.
성능/효과
1일 평균 생산량 그래프 Fig. 12 에서 볼 수 있듯이 공정 개선 후 오전, 오후의 생산량 감소폭이 줄었으며, 개선 전과 비교했을 때도 안정된 생산량을 유지하는 것을 볼 수 있다.
결과를 종합해보면으로 지게차가 36번 통행하는 동안 작업자'A'와 12번, 작업자'B'와 7번 겹친 것을 확인 할 수 있었다.
둘째, 체계적인 생산관리와 MES(생산관리시스템)를 구축하여 생산 공정을 한 눈에 볼 수 있게 되었고, 실시간으로 주문에 대한 생산 진행을 확인할 수 있게 되었으며, 문제 발생과 위험요인을 사전에 감지할 수 있게 되었다.
또한 시간당 생산량이 128~134box로 스마트 팩토리 구축 이전의 생산량 74~135box와 비교했을 때 시간당 생산량 편차가 크게 개선되었음을 알 수 있다.
스마트 팩토리 구축 이전과 이후를 비교해 보았을 때, 제품품질은 21%이상 향상되었고, 생산성은 27%가 증대되었다. 또한 에너지효율이 34%로 향상되었으며, 58%나 되는 운전인력이 감소되었다. 포스코는 이러한 가시적인 성과를 바탕으로 광양제철소 후판 공장에만 적용하던 스마트 팩토리를 포스코 포항 본사에 확대 적용하기로 결정하였다[6].
스마트 팩토리 구축으로 불량률을 67% 감소시킬 수 있었고, 연간 3억원이 소요되는 전기요금 중 5,000만원 이상을 실제적으로 절감할 수 있었다. 또한, 작업정보를 실시간으로 파악할 수 있어 불필요한 대기와 작업혼선이 줄여 전반적으로 공정 효율화를 꾀할 수 있었다. 수주한 주문은 자동으로 생산 일정 관리에 편성되었고 최적화된 작업 일정 편성이 가능해짐으로써 인력과 전력 사용의 효율성을 높일 수 있었다
생산 공정상 생산량에 가장 큰 영향을 미치는 공정은 된장이 2차 숙성 후 살균을 위해 이동되는 과정으로 파악되었다. 된장의 점도로 인한 이송관의 압력 저하가 주원인으로 추정하여 에에 대한 대책을 마련하였다.
포스코는 스마트 팩토리를 구축함으로써 다양한 측면에서의 구축효과를 거두었다. 스마트 팩토리 구축 이전과 이후를 비교해 보았을 때, 제품품질은 21%이상 향상되었고, 생산성은 27%가 증대되었다. 또한 에너지효율이 34%로 향상되었으며, 58%나 되는 운전인력이 감소되었다.
스마트 팩토리 구축으로 불량률을 67% 감소시킬 수 있었고, 연간 3억원이 소요되는 전기요금 중 5,000만원 이상을 실제적으로 절감할 수 있었다. 또한, 작업정보를 실시간으로 파악할 수 있어 불필요한 대기와 작업혼선이 줄여 전반적으로 공정 효율화를 꾀할 수 있었다.
안전사고도 줄고 작업환경이 기존과 비교했을 때 크게 향상되었다.
본 연구에서는 실제로 스마트 팩토리를 구축함으로써 다양한 측면에서의 구축 효과를 거두었다. 우선, 기존 공정과 비교했을 때 생산효율이 많이 증가되었다. 뿐만 아니라, 생산량이 고르게 분포하여 안정된 생산이 가능하게 되었다.
이를 통해 생산 공정상 병목현상이 개선되었고, 생산 설비, 생산 환경이 개선되었음을 확인할 수 있다.
이송관내 압력상승과 지게차의 작업공간을 확보하여 생산량이 증가하였고, 이전 대비 12.5%상승한 것으로 확인되었다.
첫째, IoT 기술을 이용해 설비와 기계들이 네트워크로 연결되어 정보를 주고받으며 설비동작상태를 한 눈에 파악할 수 있게 하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
스마트 팩토리란?
스마트 팩토리는 ICT와 제조업이 융합하여 산업기기와 생산과정이 모두 네트워크로 연결되고 IoT, CPS, 빅데이터, 클라우드 등의 ICT 기술을 통해 기 계간 상호 소통을 통해 생산 방식의 전 과정이 자동화 및 정보화되어 공장과 공장을 비롯한 가치사슬 전체가 하나의 공장처럼 실시간 연동 및 통합되는 생산 체계이다[1].
포스코가 it기술을 적용하기 어려운 이유는?
포스코는 일반적인 생산조립공정과는 달리 고온 쇳물이 24시간 쏟아져 나오고 거대한 연속적인 설비공정으로 연결되어 있어 IT 기술을 쉽게 적용하기 어려운 특성이 있다[6-7].
포스코의 스마트한 제조 현장에서 IoT 기술을 이용하여 어떤 일을 수행하는가?
첫째, IoT 기술을 이용해 설비와 기계들이 네트워크로 연결되어 정보를 주고받으며 설비동작상태를 한 눈에 파악할 수 있게 하였다.
J. Lee and Y. Kim, "Industrie 4.0 & Manufacturing Creation and Economic Strategy," IT & Future Strategy, May 2014, pp.1-6.
H. Xu and C. Kim, "Design and Implementation of a Smart Home Cloud Control System Using Bridge based on IoT," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 12, no. 5, Oct 2017, pp. 866-869.
H. Lee and J. Oh, "Design and Implementation of a Small Server Room Environment Monitoring System by Using the Arduino," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 12, no. 2, Apr 2017, pp. 386-387.
J. Park, "Analysis on Success Cases of Smart Factory in Korea: Leveraging from Large, Medium, and Small Size Enterprises," J. of Digital Convergence, vol. 15, no. 5, 2017, pp. 110-114.
POSCO Research Institute, "A New Start for Industry 4.0," POSRI Report, June 2015.
G. No, S. Park, and T. Kim, "Analyis of the Structure and Impact of SCM Advanced Planning System : Lessons from POSCO Case," J. of Digital Convergence, vol. 12, no. 4, 2015, pp. 145-155.
T. Park and K. Park, "Effect of IT Manufacturing Firms' Technological Innovation Factors - From Government Support Level," J. of Digital Convergence, vol. 10, no. 6, 2012, pp. 17-22.
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