■ 설비종합효율 산출 방식

설비고장의 원인을 제거해 설비종합효율, 즉 OEE(Overall Equipment Efficiency)를 향상시키기 위해서 제조업체들은 MES보다 더욱 상세한 데이터에 기반을 둔 분석이 필요하다.

여기에는 설비건강상태 모니터링, FDC(Fault Detection and Classification), R2R(Run To Run), 실시간 제어(Real-Time Control). 예지정비(Preventive maintenance) 등이 포함되는데, 이들은 모두 공정 설비로부터의 상세한 데이터가 필수적이다.

설비종합효율은 고객이 요구하는 제품의 품질과 공급자의 요구사항을 만족시키기 위해 장비와 인력을 포함한 자원을 어떻게 잘 활용하는가의 지표로 활용된다.

<출처: 글로벌 생산운영체계를 위한 실전형 MES 방법론>

■ 빅뱅 적용을 위한 MES 마이그레이션 방법론

0. 데이터 마이그레이션이란?

  - 기존 또는 소스 시스템에서 데이터를 추출, 변환, 로딩 과정을 통해 목표 시스템으로 옮기는 방식 및 절차로써 사업장 업무의 연속성 보장 및 시스템 활용도 제고 필요

1. 마이그레이션 대상 정의

  1) 기준정보: 공통마스터, 운영데이터, 각종 코드 등 기준정보, 기업별로 150여 개 유형 존재

  2) 트랜잭션 데이터: 생산라인에 실행되는 오픈데이터, 즉 PO가 발생되고 마무리되지 않은 데이터

  3) DW 정보: 새로 정의한 분석을 위한 생산과 관련된 보관주기 내 전체 데이터

2. 마이그레이션 수행 원칙

  1) 기본원칙: 기존 자원을 재활용할 경우 모든 데이터를 대상으로 함으로 사전에 철저한 검증 및 테스트를 통해 처리하도록 하고 문제 발생 시 이전 상황으로 되돌리는 복구(Rollback)계획을 수립할 것인가 결정

    -  현실적 : 이전 상황으로 도돌리는 비용적인 면 및 여러 정황 상 정확한 마이그레이션이 현실

  2) 마스터데이터: 과거 및 새로운 데이터 정보를 사업장 내 별도 시스템에 사전에 제공해 인터페이스 연계 문제 최소화

  3) 오픈데이터: 사전에 정리해 이관 대상을 최소화하고 데이터의 무결성을 보장하기 위한 검증 프로그램 별도 개발

  4) 이력데이터: 테이블별로 보존기간 내에 있는 모든 데이터를 마이그레이션 

3. 현행 및 향후 매핑

  1) 테이블 컬럼 단위 매핑: 정의된 항목 별로 AS-IS 및 TO-BE 컬럼 단위로 Mapping 정의서를 작성

  2) 기준정보 과거 및 신규 코드 매핑: 기준정보를 분석, 설계담당자가 매핑 정의서를 작성해 사업장에 사전에 제공하고 기존에 사용되는 통합정보의 유지가 필요할 경우 과거 코드로 컨버전할 수 있도록 기존 시스템 수정

4. 설계 및 개발

  1) 테이블 매핑, 코드 매핑 등 변환기준을 참조해서 프로그램 유형별로 사양서를 작성하고 설계 담당자는 정합성 검증을 위한 프로그램 사양서 및 사양서를 작성

  2) 방법: 프로그램을 통함 변환(PL/SQL, 코드성을 위한 SQL, JAVA등 기타 프로그램), ETL Tool 을 통한 변화나 엑셀 등 수작업

5. 검증방안

  1) 마이그레이션된 기준정보 및 트랜잭션 데이터의 신뢰성을 확보하기 위한 다단계 검증 실시
    - 추출 전후, 검증 전후, 이관 전후

  2) 대상항목: 데이터 레코드 수, 수량에 대한 Sum값, 금액 합계값, 주요 속성값

  3) 검증방법: 수작업 점검(SQL, 엑셀), ETL 툴 활용, 신규로 개발된 UI화면, 별도 검증용 프로그램

6. 이행방안

  1) 마이그레이션 수행 전에 백업을 진행

  2) 기존 시스템 데이터는 클린징 작업완료 후 진행(오픈된 데이터 정리, 필요시 실물재고조사)

  3) 기준정보 과거와 신규 데이터 매핑을 참조해 클린징 작성 실시, 대용량 데이터부터 마이그레이션 모의실험 결과 참조 최적 시행

추가. 

  1) 모든 정보를 시스템으로 마이그레이션 할 수는 없다.

  2) 시스템이 변경되면 라인정보, 공정정보, 불량코드 정보 등 기준정보가 변경되는데 해당 정보의 기준정보의 표준화가 타 부분보다 선행 되어야 함

  3) 연관 시스템이 많다면 해당 정보를 횡전개가 완료되기 전까지는 병행 운영 필요

<출처: 글로벌 생산운영체계를 위한 실전형 MES 방법론 - 한울/정삼용 지음>

MES 의 주요 기능

- 출처 : 스마트팩토리 - 제4차 산업혁명의 출발점 -  정동곤 지음/한울 아카데미

[제어계층]

1. 물류제어(Material Control System) 

- Carrier 및 물류설비 상태 관리 / 물류 최적 경로 및 우선 순위관리 / 반송 설비에 물류 지시

- Carrier의 이동시간을 최적화해 생산 효율을 극대화하기 위한 시스템으로 FOUP, Cassette, Mask 등의 Carrier 관리, Stocker, AGV, OHT 등의 물류설비관리 및 반송 명령 관리를 통해 완전자동화를 구현한다. 물류제어 표준 프로토콜인 IB-SEM/Stocker-SEM을 준수하며 최적 반송에 필요한 경로를 제어한다. 또한 반송 중 발생하는 예외 상황 제어 및 실시간 모니터링 기능도 가능하다. 최적경로 탐색 알고리즘 및 동적 경로탐색기능이 있으며 다운타임 최소화를 위한 Hot Deploy 및 자동 장애극복(Fail Over) 기능도 있다. AMAT사의 classMCS와 삼성SDS사의 nanoTrans가 대표적인 솔루션이다.

2. 설비제어(Tool Control)

- 생산 진행 정보 및 검계측 정보 수집, 설비 상태 및 이상 정보 수집, 설비 자동 운전

- 설비 표준 프로토콜을 기반으로 설비데이터를 자동 수집하고 설비 원격제어 등 공장자동화를 위해 설비와 생산실행, 설비엔지니어링 시스템 간의 인터페이스 및 제어를 수행하는 시스템이다. 워크플로를 통한 유연성 및 비즈니스 로직의 시각화 기능이 있다. 반도체 설비의 경우 표준 프로토콜인 SECS/GEM 을 준수하고 설비당 10 Trx/sec 이상의 데이터를 처리하며 다양한 설비 운영 시나리오에 대응해야 한다. 또한 설비의 무정지 운영을 위한 모니터링 및 자동 장애극복기능이 있으며, 다운타임 없이 기능 업그레이드가 가능해야 한다.

[실행계층]

1. 작업지시(Manufacturing Scheduling System)

- 공정 단위 생산계획 수립, 실시작 작업 우선 순위

- 생산계획에 따라 생산물량을 공정별로 할당하고 작업대상의 Work Order를 관리하는 스케줄러와 실시간으로 최적의 작업대상 Lot 또는 설비를 선정하는 Dispatcher로 구성된다. 스케줄링은 설비의 가동률, 제품 및 부자재의 수급상태, 제품의 납기 등을 고려해 최적의 작업지시를 제시하고, 제품/설비 단위로 진행 가능한 제품을 일정한 기간 동안 Work Order로 지정한다. 디스패칭은 스케줄링 결과와 디스패칭 룰을 적용해 현재 공정의 최적 Lot 또는 설비를 제시한다. 설비 단위로 진행 가능한 최적의 Lot을 할당하며 작업 완료된 Lot을 최적의 설비에 할당한다.

2. 생산실행(Manufacturing Operation System)

- 재공, 재고 및 공정 이력, 설비 등 리소스 관리, 제조공정 진행 및 제어

- 제조현장 자원의 실시간 정보를 수집해 이를 기반으로 제품의 투입부터 출하까지의 생산활동을 자동화하는 공장운영시스템이다. 효율적인 공장운영이 가능하도록 생산공정 및 생산자원을 통합관리하며 SEMI, MESA 및 ISA-95 등 국제표준 기능을 준수한다.

  1) 자원관리 : 설비, 인원, 공구, 금형 등 상태 및 이력 관리

  2) 데이터 수집 : 실시간으로 현장의 제조 데이터 수집

  3) WIP 관리 : 재공품의 실적 및 진도 관리

  4) 트래킹(Tracking) : 제품 및 제조이력 추적 관리

  5) 품질관리 : 검사, 불량추적, 불량이력관리

3. 설비엔지니어링(Equipment Engineering System)

- 설비 미세 상태 정보관리, 설비 주요 파라메터 관리, 설비공정 품질 정보 관리

- 제조활동 과정에서 발생하는 설비데이터를 포함해 수집, 활용 가능한 모든 데이터를 이용하여 설비효율을 높이고 제품의 품질을 향상시키기 위한 시스템이다. 공정제어, 설비생산성, 설비이상 감시제어가 주요기능이다.

[분석계층]

1. 품질분석(Yield Management System)

- 수율분석, 공정 품질분석, 비정형 이미지분석, 영상분석, 비정형 설비로그 분석

- 정형분석과 비정형분석을 담당한다. 정형분석은 공정진행, 검측, 계측, 설비데이터 등 생산 현장에서 수집된 다양한 데이터를 활용해 통계적 분석을 한 후 이를 바탕으로 설비 및 제품 이상 유무 등 수율 향상을 제고한다. 비정형분석은 설비로그, 검사이미지 등 비정형 데이터를 분석해 설비 또는 제품 이상 유무를 판단한다. 대용량 데이터 처리를 위한 고속 분산처리 통계기반의 품질분석 솔루션이다.

2. 생산분석(Manufacturing Report)

- 생산 주요 실적 및 지표, 설비종합효율, 불량 주요 지표

- 대부분 자체적으로 개발하며 설비종합 효율, 불량 주요지표 등 주요 실적 및 지표를 리포팅한다.

CPS는 모든 사물이  IoT 기반으로 연결되고 컴퓨팅과 물리세계가 융합되어 자동화 지능화 되는 것을 말한다.

CPS 의 가장 큰 기술적 요소는 Communication, Computing, Control 이다.

1) Communication - 4M(Man, Machine, Material, Method) 에서 발생하는 데이터를 수집하는 기술

2) Computing - 수집된 데이터를 바탕으로 특정 계산을 통해 공장을 제어하거나 

                     사용자에게 의사결정을 지원하기 위한 정보를 제공하는 기술 

3) Control - 그 정보를 받아서 공장을 제어하는 기술

CPS 기술을 공장에 적용한 것을 CPPS(Cyber Physical Production System)라고 하는데 스마트한 부품을 사용해 CPPS로 스마트한 제품을 생산하는 것이 스마트팩토리라고 정의하고 있다.

CPPS가 제대로 작동하기 위해서는 설비와 공정 및 제품 관련 데이터를 센서, 액추에이터(에너지를 사용하여 기계적인 일을 하는 기구), 컨트롤러(기동, 운전, 정지, 속도 조정등), 디바이스 등을 통해 수집하고 PLM, MES, ERP, SCM 등의 제조 IT 솔루션을 통해 신뢰성 있게 분산제어하는 지능형 시스템이 구축되어야 한다. 기존에는 지능형 제어보다는 단순하게 피드백을 받아 수행하는 피드백 제어가 주류를 이루었다.

현실세계(Physical System)의 다양한 현상과 디지털 사이버세계(Cyber System)가 긴밀하게 결합된 시스템을 CPS라고 하는데 이는 여러 분야에서 다양하게 정의된다. 그중에서도 가장 기본이 되는 메커니즘은 제어대상(제조설비, 자동차 등) 에 센서를 부착하여 IoT 기기를 이용해 센서에서 발생하는 각종 데이터를 클라우드 상의 빅데이터로 수집, 분석 한 후 현실세계에 결과를 피드백하는 것이다.

CPS는 기본적으로 IoT 인프라가 변화, 발전함에 따라 다양하게 발생하는 데이터가 기폭제가 되어 확장, 운영되는 시스템이다. 체계적인고 통합화된 IoT 인프라가 결국은 CPS 기반으로 활용되고, CPS가 원활하게 작동할 수 있도록 지원하게 된다.

IoT와 CPS는 현실 환경에서 센서를 통해 생성된 방대한 양의 다양한 데이터를 수집, 관리하는 애플리케이션을 지원할 수 있도록 설계한다.

■ 독일과학기술아카데미(Acatech) 가 정의한 CPS 특징

- 물리 세계와 디지털 세계 간의 직접 연결

- 정보, 데이터, 기능 통합을 통한 새로운 시스템

- 기능 통합(다기능성)

- 네트워크를 통한 접근

- 센서와 액추에이터 네트워크

- 시스템 내외부 네트워킹

- 전용 사용자 인터페이스

- 어렵고 복잡한 물리적 상태 배치

- 장시간 운용

- 자동화, 적응성, 자율성

- 높은 요구(시큐리티, 데이터 보호, 신뢰성, 고비용)

■ 미국의 산업인터넷 전략의 강점

1. 전 세계 공장의 기계로부터 취합된 모든 데이터를 구글과 같은 인터넷 사업자의 데이터 센터에 축적하고 그 데이터를 해석해 지구 차원의 거대 비즈니스를 창출할 잠재력이 있다.

2. GE가 '산업인터넷컨소시엄(IIC)' 을 설립하고 미국 기업뿐만 아니라 외국 기업의 참여를 독려해 사실상의 표준을 만들 체제를 강화해가고 있다.

3. 애플의 글로벌 전략에서 알 수 있듯이 미국의 선진 기업들은 IoT 생태계를 기반으로 튼튼한 글로벌 전략 토대를 갖고 있다. 특히 애플의 PC, 스마트폰, 태블릿, 아이패드 등의 정보 단말기는 상호 접속을 통해 동기화함으로써 정보 공유화가 가능하다. 이처럼 GE는 OS를 탑재한 기계들이 동기화되면 제조업 분야에서 제2의 구글, 애플이 생겨날 수 있다.

4. 자금력을 보유한 미국의 기업들이 3D 프린터와 같은 디지털 제조기술을 보유한 영향력 있는 기업들에게 투자하면 적량 맞춤형 대량생산이라는 디지털 제조혁신을 주도할 수 있다.

- 출처 : 스마트팩토리 - 제4차 산업혁명의 출발점 - , 정동곤 지음/한울아카데미

BOM (Bill Of Materials)

- 제조공정에는 상취품목, 부품, 자재명세서, 사용량, 최종 품목, 중간 조립품, 구매부품, 제품생산 공정 등으로 구성되어 있다. 자재명세서(BOM)는 모든 품목에 대해 상위 품목과 부품의 관계와 사용량, 단위 등을 표시한 리스트이다.

Cp(공정능력지수)

- 공정변동에 대한 규격변동의 양적인 표현을 나타낸 지표이다.

Cpk(치우침이 보정된 공정능력지수)

- 공정평균의 위치를 반영해 공정능력이 산포의 중심에서 벗어난 정도를 나타낸 지표이다.

GEM(Generic Equipment Model)

- 모든 반도체장비가 SECS 프로토콜에 의해 통신을 하지만, 그 동작 방식이나 사용하는 메시지가 모두 다르다면 정말로 복잡한 일이 아닐 수 없다. 이런 이유로 SEMI에서는 장비의 동작에 대한 시나리오와 용어로 이때 사용되는 메시지를 묶어서 장비 구동에 관한 표준을 마련했는데, 이 표준이 E30 생산설비 통신과 제어를 위한 핵심 모델(Generic Model for Communications and Control of Manufacturing Equipment)이고, 이를 간단히 줄여서  GEM이라고 부른다.

SEM(Specific Equipment Model)

- GEM을 통해 일반적인 장비의 동작 규약을 정하고는 있지만  GEM만으로 반도체생산에 투입되는 모든 장비의 사양을 규정하는 것은 실제로 불가능하다. 특히 다른 공정 장비와 비교할 때 작업 자체가 색다른 반송장비나 스토커 등의 경우는 더욱 그렇다. 이런 이유로 특별한 장비에 적용되는 사양은 따로 SEM(Speciific Equipment Model) 사양을 정해서 관리하고 있다.

SECS-1(SEMI Equipment Communications Standard 1)

- 반도체 처리 장비와 호스트 간의 메시지 교환에 적합한 통신 인터페이스를 정의한 것이다.

ST(Standard Time)

- 문제 발생 ㅇ벗이 정상적인 작업속도로 설비나 작업자에 의해 부품, 완제품을 생산하는 데 직접적으로 소요되는 시간을 말하며, 사이클타임(Cycle Time)은 어떤 제품을 한 번 생산하고 동일제품을 두 번 생산할 때 주기이다.

T/T(Tact Time)

- 제품 한 개를 생산하는 데 필요한 기준 시간. 만약 설비가 1시간에 3,600개의 생산을 하면  Tack Time 은 1초이다.

http://www.mckinsey.com/business-functions/operations/our-insights/manufacturings-next-act