제어시스템 및 생산계획의 운영 안정성 검증을 위한 시뮬레이션 활용 방안

Abstract

급변하는 소비자 요구에 신속히 대응하고 제조 산업의 시장 경쟁력을 향상시키기 위하여, 본 연구는 제어 시스템의 안정성과 생산 계획의 현장 운영 적합성 검증이 가능한 시뮬레이션과 모델링 방안을 제시하였다. 제안한 방안은 제품을 양산하는 계획 생산 방식과 수주된 제품을 납품하는 주문 생산 방식으로 산업을 구분하여 연구되었다. 자동차 산업으로 대표되는 계획 생산 방식의 제조 산업은 생산 설비의 자동화 율 향상을 통해 생산 시스템의 자동화를 실현하고 있다. 이에 따라, 생산 시스템의 운영 안정성을 향상시키기 위해서는 제어 시스템이 매우 중요한 요소로 대두되고 있다. 본 연구에서는 Static Layout Model, Job Flow Model과 Supervisory Control Model로 구성된 3단계 모델링 프레임워크를 기반으로 가상 설비 모델, 매개 전달 모델, 제어 시스템으로 가상 공장을 구성하였다. 가상 설비 모델은 현장 설비의 특성을 표현하는 물리적 부분과 가상 설비의 동작을 관리하는 논리적 부분으로 구분되어진다. 가상 공장의 제어 시스템 반영 정확성을 향상시키기 위해 매개 전달 모델은 발현 가능한 정보를 가상 설비에 전달함과 동시에 그 결과를 피드백 해 준다. 또한 현장의 제어 로직과 HMI를 통해 전체적으로 가상 공장의 Supervisory Control Model로 구현하여, 실제 생산 환경의 통신 환경과 유사하게 하였다. 제안한 가상 공장의 구현을 위해 본 연구에서는 Automata와 DEVS에 기반한 입출력 모델을 활용하였다. 구축된 가상 공장은 자동차 차체 라인에 적용되어 총 25개의 오류를 검출하여 수정하여 현장의 제어 운영의 안정성을 제고시킴과 동시에 안정화 시간의 단축이 가능하였다. 조선 산업으로 대표되는 job shop 형태의 주문 생산 방식은 수주된 제품에 대해 구축된 생산 시스템의 관련 자원 효율을 향상시킴으로써, 납기에 대처하고 있다. 하지만, 생산 자원 활용과 작업의 배분이 이루어지는 생산 계획은 작업자의 경험과 지식이 크게 반영되어 현장과의 괴리가 매우 큰 실정이다. 이에 따라, 생산 시스템의 운영 안정성을 제고 하기위해서는 생산 계획의 현장 운영 적합성 검증이 수행되어야 한다. 본 연구에서는 공정 부하 평가 모델, 작업 결정 모델, 공정 특성 모델, 결과 로그 모델을 통해 시뮬레이션을 구성하였다. 공정 특성 모델은 현장 운영의 제품, 공정, 자원의 제약을 정의한 데이터 모델이고, 공정 부하 평가 모델은 이벤트 발생 시점에서 제품, 공정, 자원의 부하를 모니터링 하는 모델로 정의된다. 또한, 작업 결정 모델은 생산 현장에서 각 작업과 단계의 의사 결정자의 역할을 시뮬레이션 상에서 수행하는 규칙들의 집합으로써, 시뮬레이션의 각 요소를 운영하게 되며, 그 결과는 결과 로그 모델로 전송되어 계획의 현장 적합성을 판단하는 지원 정보를 제공하게 된다. 제안한 시뮬레이션 모델에서 작업 결정 모델의 고정 정보와 변동 정보의 구분 그리고 작업 결정 모델을 위한 의사 결정 기준 정보의 품질 평가 등을 통해 현장에서 지속적으로 활용 가능함과 동시에, 현장을 최대한 반영할 수 있게 하였으며, 조선 산업의 블록 조립공정을 대상으로 적용하였다. 그 결과, 현장 실적치와의 94%의 정확성을 보였으며, 다양한 결과 제시를 통해 현장에서 수립된 생산 계획의 현장 적합도 평가 기준 정보로 활용 가능하였다. 본 연구는 현장 업무를 지원할 수 있는 방안도 추가적으로 제시하였다. 이는 제어 시스템의 설계 시 필요한 문서화 방안과 생산 계획 작성을 지원 가능한 전문가 시스템으로 구분하여 제안되었으며, 이를 통해 제안한 시뮬레이션 및 모델링의 활용도를 제고 가능하다. 그리고 본 연구는 제조 산업의 시뮬레이션 적용 선행 연구로써, 현장에서 활용 가능한 실증적 접근을 수행한 시뮬레이션의 귀중한 초석으로써, 큰 공헌이 가능하리라 기대한다.