지난 4월 개최된 ‘2018 하노버 박람회(Hannover Fair)’는 세계 산업 박람회 중 가장 중요한 행사로서 방문객에게 디지털 공장, 디지털화 및 Industrie 4.0에 대한 최신 동향을 보여주었다. 전 세계의 타 이어 제조 산업에서 이런 추세는 얼마나 중요할까? 전통적인 방식의 타이어 제조업에서 타이어 공장의 디지털화 구현으로 이어지는 이행 과정이 의미하는 것은 무엇일까? 이 새로운 기술의 접근 방식을 보여주는 사례에는 어떤 것이 있을까?
가장 중요한 핵심 내용은 다음과 같다.
자동화는 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC)를 기계에 통합하고 PLC 프로그래밍을 수행하는 단순한 기계 자동화에서만 시작되지 않는다. 현대의 자동화 접근 방식은 훨씬 일찍 시작되어 제품 개발 및 생산 공정의 모든 단계를 다룬다.
핵심 성공 요인은 제품 및 생산 수명주기의 초기 단계에서 생성된 모든 데이터를 이후의 단계(PLM) 에서 직접 재사용하는 것이다.
이는 타이어 설계부터 시작하여 타이어 R&D 부서와 생산기획 또는 생산관리 및 생산 실행 부서 간의 긴밀한 데이터 연결이 성공의 열쇠다.
예를 들면, 새로운 화합물이 타이어 제조업체의 실험실에서 설계되자마자, 이 화합물의 생산 장소로 지정된 공장의 믹싱 재료표(Bill of Material, BoM) 와 이 화합물을 혼합하는 제조법(레시피)이 제공되어야 한다. 그리고 현지 요구 사항에 따라 글로벌 제조법 을 쉽게 수정할 수 있어야 한다. 올바른 버전 관리 및 역추적을 포함해서.
화합물 및 제조법 취급 과정은 중요한 지적 재산을 포함하고 있기 때문에 보안 측면은 필수적인 요소다.
완성된 타이어의 BoM에 대해서도 다음과 같이 동일한 전달 절차를 진행해야 한다.
주문 관리와 관련된 BoM 데이터는 MES로 전달 되고, 믹서와 관련된 BoM 데이터는 믹싱룸 되고, 타이어 제조 기계와 관련이 있는 BoM 데이터는 설비기술팀에 전달되는 등…
이 모든 데이터를 전달함으로써 타이어의 모든 부품이 BoM 규격에 따라 생산된다는 것을 확인할 수 있으며, 이는 품질 비용을 줄이기 위한 주요 수단이 된다.
그림 1 : 이해하기 쉬운 또 다른 예는 프로필 설계 규격(예: 가류 공정에 사용되는 몰드 Siemens NX 설계 소프트웨어로 작성)을 재사용하는 것이다(사진. 지멘스).
생산 기획 단계(Production Planning)에서는 디지털 팩토리와 같은 최첨단 개념이 가장 효과적이다. 오늘날에는 CAD 소프트웨어 도구를 기반으로 새로운 생산 구역을 배치하거나 전체 레이아웃(Layout)을 배치하는 경향이 매우 일반화되었다. 자재 및 생산 흐름을 위한 시뮬레이션은 타이어 제조업체에게 실질적인 이익을 가져다 줄 수 있다.
타이어 생산은 원부자재창고, 반제품창고, 그린타이어 창고, 몰드 창고, 완제품타이어 창고 등 여러 저장 영역으로 구성되며, 이 영역들은 여러 유형의 운송시스템이나 생산기계에 의해 연결된다. 다음 질문 중 일부는 타이어 플랜트 시뮬레이션을 통해 해결될 수 있다.
•다음을 고려할 때 목표 처리량을 달성할 수 있을까?
•운송시스템
• 서로 다른타이어 제작을 위한공구 재장착 시간 또는 기계 또는 운송 부문별로 예상되는 다운타임
• 기계고장 시 어떤 일이 발생하나? 전체 처리량에 미치 는 영향은 어느 정도인가?
• 생산흐름의 병목현상은 어디에서 발생하며, 해결방법은 무엇인가?
• 각 유형에 맞는 최적의 기계는 무엇인가?
• 각 시스템의 사용율은 얼마나 되나?
• 원료 비축, 그린 타이어 비축 등을 위한 최적의 저장 용량은 얼마인가?
• 출고가 없는 휴일은 재고량에 어떤 영향을 미치나?
그림 2 : (예: 경화 공정에 사용되는 다이 생산을 위해 Siemens NX 설계 소프트웨어로 작성을 재사용하는 것이다.)(사진. 지멘스)
물론 이 모든 질문에 대해서는 각 공정의 전문가 팀이 대답할 수도 있다. 그러나 거의 100% 최적화된 솔루션은 시뮬레이션 및 시나리오 기술을 사용해서만 개발할 수 있다. 예를 들면, 서로 다른 기계 유형, 가용성 수준 및 처리량에 대한 시나리오뿐만 아니라, 비교를 위한 가격 시뮬레이션도 할 수 있다. 최신 버전의 Tecnomatix Plant Simulation 을 사용하면 에너지 소비량을 시뮬레이션할 수도 있다. 이는 요즘 필수 요소가 된 총 소유 비용(TCO)에 또 다른 관점을 부여한다.
미래에는 이 플랜트 시뮬레이션 과정과 다양한 기계 옵션 시나리오가 혁신적인 기계 제작자에 의해 지원되어 데이터 시트뿐아니라, 플랜트 시뮬레이션을 위한 기계에 대한 핵심정보를 제공하게 될 것이다. 따라서 각 기계 제작자는 미래의 생산 라인 시뮬레이션을 통해 잠재 고객 및 타이어 제조업체에게 기계의 이점을 쉽게 입증할 수 있다.
공장과 라인이 설계되자마자 기계의 통합을 계획해야 한다. 물론 기계적 통합이 있다. 생산 현장에 있는 기계 전체의 모든 기구 작동이 원활하게 함께 수행되나?
이것은 Siemens Tecnomatix를 기반으로 한 시뮬레이 션에서 답변해야 할 또 다른 질문이다.
그러나 논리적 통합은 어떨까?
현대의 공장에는 관리, 감독 및 데이터 수집(SCADA: Supervisory Control And Data Acquisition) 시스템 과 전체 생산 라인을 포괄하는 제조 실행 시스템(MES, Manufacturing Execution System)이 있다. 또한 타이어 물류 시스템과의 통합도 있다. 모든 기계는 이러한 세 가지 통합 시스템에 의해 모두 연결되어야 한다. 타이어 산업에서는 일반적으로 한 기계 제작자가 모든 기계를 공급 하지 않기 때문이다. 오히려 여러 공급업체의 자동화와 통신 방식은 각기 다르다. 최대한의 성능으로 고품질의 타이어를 생산하기 위해 이들 모두를 하나의 생산 라인에 통합하는 경우 자칫 큰 재앙이 될 수 있다.
따라서 타이어 제조업체가 자동화 공급업체들과 함께 소위 선호 부품 목록(Preferred Part Book) 을 정의하는 것이 필수적이다. 이 목록은 새로운 생산에 사용될 자동화 구성 요소를 설명한다. 타이어 제조업체의 선호 부품 목록의 이점은 공장에 설치된 다양한 자동화 구성 요소가 감소되어 예비 부품 재고 가 줄어든다는 것이다. 그리고 더 중요한 점은, 타이어 제조업체의 유지 보수팀을 위한 교육 필요성이 크게 줄어든다는 것이다. 선호 부품 목록의 구성 요소들은 항상 전용 기계의 최적화와 복잡성 감소 사이의 절충 을 통해 결정된다. 이는 자동화 및 드라이브 공급 업체의 지원을 받아 타이어 제조업체의 자동화 팀 에서 해결해야 한다. 또한, 선호 부품 목록은 견적 요청(RFQ)의 일부로 기계 제작자에게 전달되어야 한다. 이러한 유형의 표준화는 기계 제작자 측에 약간의 노력이 필요할 수도 있기 때문이다.
그러나 선호 부품 목록을 정의하는 것만으로는 SCADA, MES 및 물류와 같은 전체 시스템의 완벽한 통합을 보장하기에 충분하지 않다. 또한 통신 인터페이스의 명확한 정의를 기술해야 하며, 이를 RFQ의 일부로 기계 제작자에게 인도해야 한다.
이를 위해, 아래 세 가지 유형의 정보를 구별해야 한다.
•기계와 상위 시스템 간의 통신 방법 (수직 통합)
•기계 간 통신방법 (수평 통합)
•제조법 다운로드 및 업로드
•기계제어 명령
•상태정보(‘자료 없음’)와 같은 기계 피드백
• 테스트를 마친 타이어에 대한 품질 데이터 시트 제공
제어 센터와 기계 사이의 인터페이스를 언제 정의 할 것인가?
타이어 설계 중에 미리 세부적으로 모니터링해야 하는 중요한 제조 공정이 있는지 여부를 결정해야 한다. 중요한 품질 데이터를 확보하기 위해서는 추가적 또는 특수한 측정 장비가 필요할 수 있다.
늦어도 생산 설계가 완료되면 통합 요구 사항을 기술하고 이를 기계 공급업체에게 전달해야 한다.
통합 요구 사항이 나중(예: 시운전 단계)에 기계 제작자에게 알려지는 경우, 이는 종종 타이어 제조 업체에 대한 변경 요청 및 추가 비용으로 이어진다.
표준화의 두 가지 유형에는 정의된 선호 부품의 표준화 및 기계 통신 인터페이스의 표준화가 있다. 세 번째 유형은 기계 상태 및 표준화된 기계 HMI의 표준화다. 표준이 없어도 대부분의 생산 기계에는 소위 ‘경광등(Light Stack)’이 장착될 것이다. 그러나 한 기계의 동작은 다른 기계와 다를 수 있다. 예를 들면, ‘재료 없음’ 상태의 경우 한 기계에서는 청색 경광등을 켜서 신호를 보내고, 다른 기계에서는 청색 경광등을 켜서 신호를 깜박여 신호를 보낼 수 있다. EN / IEC 60204-1에 따르면 깜박임 모드가 올바 른 방법이다.
또한 로컬 기계 HMI의 각 화면이 다르게 보일 수 있다. 물론 타이어 성형기와 가류기의 각기 다른 기능들은 항상 다르게 보일 것이다. 그러나 ‘자동 모드로 전환’ 또는 ‘수동 모드로 전환’에 대해 다른 작동 방식을 취할 이유는 없다. 이러한 유형의 표준 화는 공장 운영자의 작업을 훨씬 간편하게 만들어 준다.
따라서 지멘스는 상태 모델과 공통 HMI 화면을 샘플 코드로 제공한다.
이 코드는 타이어 제조용 표준 기계 유형에 대한 샘플 프로젝트에 포함되어 있으며, 국제 표준을 기반으로 한다.
타이어 제조업체에 이러한 솔루션을 제공하는 목적은 기계 제작자의 작업을 간편하게 만들기 위해서다.
타이어 제조업체의 경영진은 표준화가 얼마나 필요한지, 이 표준을 구현하기 위한 추가 비용으로 얼마를 지출해야 하는지에 대해 명확한 결정을 내리는 것이 중요하다 .
표준화는 무료가 아니다. 그러나 새로운 생산을 위한 총 소유 비용(TCO)은 이 결정에 크게 영향을 받을 것이다. 그리고 또 다른 중요한 요소가 있다. 표준화는 통합에 따른 위험을 상당히 감소시킬 수 있다,
이미 언급했듯이 많은 기계 제작자들이 새로운 타이어 생산 라인에 제품을 공급한다.
최적화된 생산 라인에 이러한 모든 서로 다른 기계를 통합함으로써 발생되는 위험은 표준의 엄격한 사전 정의를 통해 상당히 감소시킬 수 있을 것이다.
다음 그림에도 이 내용이 나와 있다.
표준화 비용의 상당 부분은 새로운 생산의 시운전 단계에 서 이미 회수할 수 있다. 비용의 나머지 부분은 수명주기 동안의 TCO 절감을 통해 회수할 수 있다.
결국, 다음 4가지 요소 사이의 균형이 있어야 한다.
• TCO
• 표준화 검토
• 표준화 비용
• 위험 감소
그러나 지멘스와 같은 주요 글로벌 자동화 공급업체는 타이어 제조의 표준화 구현 비용에도 영향을 준다. 지멘스는 타이어 제조 업계 전반에 동일한 표준을 제안하고 제공함으 로써 회사별 표준과 더불어 표준화를 지향한다. 따라서 기계 제작자가 각각의 모델에 따라 생산을 표준화하면 그 즉시 향후 모든 프로젝트에서 이를 재사용할 수 있다. 이는 장기적으로 기계 제작자의 시스템 구현 비용을 상당히 절감해 준다,
시운전 단계의 어려움을 피하기 위해 디지털 팩토리 접근 법에서 사용하는 또 다른 솔루션은 바로 가상 시운전이다. 이것은 가류기의 개발에 기초하여 설명하려 한다. 그러나 일반적으로 이 솔루션은 타이어 산업의 모든 생산기계에도 적용할 수 있다 .
오늘날 모든 기계 설계는 CAD 시스템에서 작성되며 여기에는 해당 기계의 기계 부품들을 포함한다. 대부분의 CAD 도구의 출력물을 Siemens Tecnomatix Process Simulate로 가져올 수 있으며, 아래와 같은 세 가지 입력을 추가할 수 있다.
• 기계의 작동
• 근접 스위치 등 전기부품 또는 모터나 밸브와 같은 액추에이터의 동작
사진. 지멘스
Siemens PLC는 이 모든 전기 입력 및 출력 목록 정보 에 접근할 수 있다. PLC 내부I/O 메모리와 시뮬레이션의 I/O 목록은 OPC 통신을 통해 연결된다. 이제 실제 가류기의 제어가 이루어지는 것과 동일한 방식으로 PLC가 가류기의 시뮬레이션을 제어할 수 있다.
이를 통해 기계 제작자의 PLC 프로그래머는 실제 기계가 아직 제공되지 않았더라도 모든 프로그램 루틴을 구현하고 테스트할 수 있다. 기계 구성이 손상될 가능성이 있기 때문에 실제 기계로는 테스트할 수 없는 프로그램 구성을 테스트할 수도 있다.
또한 전체 기계-로컬 HMI 연결을 실제 기계 없이 프로그래밍 및 테스트할 수 있다. 또한, 타이어 제조업체와 기계 제작자는 또한 아주 초기 프로젝트 단계에서부터 최종 형태와 디스플레이 작화를 조정할 수 있다. 타이어 제조업체는 이 시뮬레이션을 사용하여 생산 설비의 현지 직원을 교육시킬 수 있다. 실제 기계가 사용 가능해지자마자 PLC와 시뮬레이션 간의 OPC 연결이 실제 I/O로 대체되고, 가류기는 프로그래밍된 대로 작동한다. 이는 위 사진에서 시뮬레이션과 실제 가류기 사이의 전환을 보고 확인할 수 있다.
실제 기계가 인도될 때 현장 직원은 이미 기계 작동 방법을 알고 있다. 따라서 가상 시운전은 실시간으로 이루어지며 시운전 단계에서의 위험을 줄여준다.
공장 설계가 완료되고 모든 기계가 설계된 경우 주요 위험 없이 시운전을 수행할 수 있다.
그러나 새로운 생산 설비의 작동은 어떻게 될까? 디지털화와 Industrie 4.0에 대한 접근법 또한 도움이 될까? 대답은 ‘예’이다.
다음 그림은 Siemens SIMATIC IT 및 SIMATIC WinCC를 기반으로 전체 타이어 생산을 운영하고 완벽한 타이어 생산 관리 센터를 구성하는 데 필요한 모든 주요 기능을 개괄적으로 보여준다.
이러한 전용 기능들에 대해 살펴보겠다.
사진. 지멘스
생산 기획 및 스케줄링:
상위 ERP 시스템의 입력을 기반으로, ERP 주문을 각 생산 영역의 작업 주문으로 나눈다. 예를 들어, 가능한 한 항상 가류기를 24시간 가동시키는 최적화 가이드 라인의 경우, 가류기의 몰드 청소 일정을 잡는 일 등은 예측유지 보수의 관점에서 제약조건으로 간주 된다. 이 모듈의 전반적인 목표는 공장의 모든 생산 설비의 활용도를 최적화하고 생산량을 최적화하는 것이다.
주문 처리:
생산기획 및 스케줄링에서 나온 모든 작업 지시는 가루공정 등 각 공정의 특정 개체로 구분된다.
추적 이력 관리:
특히 프리미엄 자동차 시장에 진출할 때는 고객의 요구 시 자동차 제조업체의 각 타이어에 대한 이력 관리 기록을 보여줄 수 있어야 한다. 이력 관리는 식품 및 의약품 업계에서는 일반적인 요구 사항이다. 또한 독일에서 발생하는 연간 약 1,200 건의 자동차 사고의 근본 원인은 여전히 타이어이기 때문에, 이력 관리는 타이어 제조에 있어서도 표준이 될 것이다.
추적 접근법은 공장 내 영역의 모든 자재가 도착한 상태에서 공장 외로의 드 납품까지 전체 가치 사슬을 포괄해야 한다. 문제는 가치 사슬의 과정 중심 부분인 반제품 영역까지의 단계를 극복하는 것이다.
품질 추세 관리는 단일 생산 단계뿐만 아니라 가치 사슬의 다양한 분야의 조합의 경우에도 제공되어야 한다. 화합물 변화가 타이어 균일성에 주는 영향을 시각화하는 것을 예로 들 수 있다.
수율(제품생산율):
수율은 공장 관리자에게 가장 중요한 핵심성과지표 (KPI) 중 하나다. 지속적인 개선 절차를 수립하기 위해서는 측정된 문제의 등급과 고장을 올바르게 세분화하여 이를 기반으로 올바른 KPI를 정의하는 것이 필수적이다. 세부적으로 너무 깊이 들어가면 개괄성을 잃을 것이다. 한편 KPI가 너무 일반적이 라면 더 이상 품질 개선 조치를 도출할 수 없다.
경영 보고서는 타이어공장의각 관리자 그룹에 대해 최적화된 보고서로서, TCO를 줄이기 위한 또 다른 방법이다. 따라서 공장 관리자의 예를 들면, 생산 라인 관리자나 품질 관리자와는 다른 보고서가 필요 하다. 그러나 모든 보고서는 동일하고 일관된 데이터 세트를 기반으로 해야 한다.
제조법 관리는 R&D 부서에서부터 모든 생산 영역의 생산 현장까지 원활하게 통합되어야 한다. 각 타이어에 대한 최종 마무리 공정에서 포착된 각 매개 변수의 값은 물론 허용 편차도 타이어 R&D에서 지정되고 자동으로 시험 장비에 전달될 수 있어야 한다.
지멘스의 솔루션은 타이어 성능과 관련된 기능에서부터 기계설비에 보다 특화된 기능까지 전반적인 솔루션을 제공한다.
자재 흐름:
이 화면에서는 모든 기계의 현재 상태, 반제품 저장 영역 의 가동률 및 각 기계 관련 KPI에 대한 개요를 제공한다.
전반적인 장비 효율(OEE) 및 장비 가동률:
항상 다음을 기억해야 한다. Tecnomatix Plant Simulation Software 를 사용하여 공장 설계를 최적화한 경우, 공장 설계 단계에 서의 각 기계 가동률에 대해서는 이미 논의한 상태다. 그러나 이제는 실제 기계 데이터를 기반으로 한 동일한 화면을 갖게 되었다. 이 화면에는 고장 및 문제점이 모두 분류되어 표시된다.
따라서 우리는 공장 설계가 이미 최적화되어 있는지 또는 개선할 부분이 있는지 확인할 수 있다. 많은 경우에 어느 한 대의 기계가 충분히 사용되지 않는 경우 그 이유가 다른 기계 또는 저장 영역의 문제점에서 기인할 수 있기 때문에, 근본 원인을 분석할 수 있다는 것도 매우 중요한 요소다. 기계들 간의 이러한 모든 관계를 보여주는 것이 이 기능의 임무 중 하나다.
다운타임 모니터링:
다운타임 모니터링 또한 기계 최적화를 목표로 한다. 이 모니터는 고장 분석 및 수리와 같은 모든 중간 단계를 포함 하여 고장 발생 시간, 재작동까지 걸린 시간 등을 보여준다.
에너지 관리:
오늘날 에너지 관리는 공장을 최적화된 방식으로 운영하고 TCO를 줄이는데 필수 요소다.
에너지 관리에는 모든 유형의 에너지(WAGES)를 포괄 해야 하며, 공장운영팀에 적정수준의 투명성을 제공하여 올바른 조치를 취하고 에너지 소비를 줄일 수 있어야 한다.
시각화:
모든 기계의 주요 매개 변수 및 동작은 기계에서뿐 만 아니라, 공장제어 센터에서도 볼 수 있도록 하여 필요할 경우 중앙에서 모든 기계에 액세스 할 수 있어야 한다.
경보 및 시스템 진단:
문제가 발생하면 올바른 담당자에게 정해진 절차에 따라 적절한 경고 메시지를 통지하여 담당자가 신속하게 대응할 수 있도록 해야 한다.
그리고 담당자는 문제를 해결하는 데 필요한 모든 정보를 최대한 빨리 입수해야 한다. 예를 들면, Siemens SIMATIC PLC는 케이블 단선과 같은 문제를 자동으로 감지하고 고장난 케이블의 논리적 위치를 경고 메시지로 운영자 스테이션에 직접 표시하는 지능형 기능을 갖추고 있다. 이 과정은 SIMATIC 시스템 기능이기 때문에 추가 설정 없이 작동한다.
유지보수:
예측 유지보수의 효과적인 구현을 통해 갑작스런 문제로 인한 경보를 제거하여 모든 기계의 연중 무휴 24시간 운영을 보장할 수 있다면 더욱 좋을 것이다.
이로써 모든 준비가 끝나게 되고 기계를 새로운 생산 라인에 공급하고 일정에 따라 생산량을 늘릴 수 있게 된다. 디지털 팩토리, 디지털화 및 Industrie 4.0은 이러한 일을 원활하게 할 수 있도록 지원하는 중요한 역할을 해왔다.
지멘스 디지털 팩토리 CEO인 안톤 후버(Anton S. Huber)는 디지털 엔터프라이즈가 앞으로 회사의 디지털화된 복제판이 될 것인지에 대한 질문에 다음과 같이 대답한다.
"가치 사슬(Value Chain)의 디지털화된 표현은 단지 하나의 측면이지만 중요한 요소입니다. 디지털 엔터프라이 즈는 회사의 실제 모습과 그 디지털 이미지와의 연결에서 나온 것입니다. 디지털 세계와 현실 세계의 지능적 협력은 글로벌 비즈니스에서 경쟁력과 함께 프로젝트 수익성을 유지 하기 위해 절대적으로 중요한 경제적 이점을 제공합니다. 물론 이러한 모든 디지털 개념이 이미 구현된 것은 아닙니다. 그러나 지멘스는 현재 디지털 기업들을 선도하여 Industrie 4.0으로 가는 여정에 있다고 생각합니다. 타이어 산업 부분 도 마찬가지입니다. 지멘스는 이러한 첨단 개념과 솔루션을 제공하지만 타이어 생산 설비를 제공하지는 않습니다. 이는 전 세계의 지멘스와 우리의 파트너, 타이어 제작사 및 기계 제작사가 함께 만들어 나갈 수 있을 것입니다.”