ISA-95 기반의 제조실행시스템 [출처] ISA-95 기반의 제조실행시스템-펌

[튜터 유문종]

1. 서론

 양질의 제품 생산, 납기일 준수, 의사결정에  필요한 정보 제공 등을 목적으로 기업은 ERP(Enterprise Resource Planning) 구현에 많은 비용과 시간을 투자하고 있다. ERP 는 영업, 생산, 회계, 인사, 재고, 구매관리 등 기업 전 분야의 활동을 통합을 목적으로 한다. 현실적으로 ERP는 재무적 관점에서 구축되어 생산공정에 대한 추적, 감시 제어에는 비효율적인 것이 일반적이다. 또한 계획시스템과 생산현장의 실제정보 차이, 생산현장 작업에 필요한 정보제공 수집의 한계 현장의 변화에 대한 유연한 대응능력 부족 등과 같은 문제 때문에 ERP만으로 제조현장을 세밀하게 관리하는 것은 매우 힘들다 [15].
 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 MES(Manufacturing Execution System)가 확산 되고 있다. MES 는 제조현장을 중심으로 실시간 현황, 작업의 계획 및 수행, 품질관리 등을 수행하는 정보시스템을 의미한다. MESA(Manufacturing Enterprise Solutions Association)는 MES 표준기능으로 다음과 같은 11 가지를 제시하고 있다 [4, 15].

  1. 자원할당과 상황(Resource Allocation and Status)
  2. 운영 / 상세일정계획 (Operations/Detail Scheduling)
  3. 생 산 단 위 별 반 송 (搬 送) ( D i s p a t c h i n g  Production Units)
  4. 문서관리(Document Control)
  5. 데 이 터 수 집 / 획 득 ( D a t a Collection/Acquisition)
  6. 인력관리(Labor Management)
  7. 품질관리(Quality Management)
  8. 공정관리(Process Management)
  9. 설비관리(Maintenance Management)
  10. 제품이력 추적 및 구성(Product Tracking and Genealogy)
  11. 성과분석(Performance Analysis)

 MES는 반도체, LCD, 자동차, 중공업 등의 업종부터 점차 제약, 식품, 인쇄 등 다양한 분야로 확대되고 있다. 기업의 관점에서 ERP와 MES 정보는 통합 되어야 한다. 하지만 상용 MES/ERP 패키지들은 각자의 데이터 정의를 사용하며 서로 다른 인 터페이스로 인하여 시스템 통합이 용이하지 않다. ISA와 ANSI(American National Standards Institute) 가 위와 같은 문제를 인지하고 SAP, ABB 등과 같은 주요 시스템 업체들이 참여하여 1995년부터 개발한 표준이 ISA-95 이다. 이 표준은 ERP와 MES 등의 시스템을 통합 운영할 수 있도록 인터페이스와 객체모델을 제시하고 관련 용어를 정의하고 있다. ISA-95 는 총 6개의 Part로 구성 된다 . 2000년에 발표 된 Part 1은 ERP 의 통합운영을 위한 모델과 용어를 정의하며, 2001년에 발표된 Part 2는 객체모형을 이용하여  정의된 모델들을 표현한다. 데이터 통합 기준으로는 XML(eXtensible Markup Language)을 기반으로 한 B2MML(Business to Manufacturing 을 채택하였다. 2005년에 발표된 Part 3은 제조운영(Manufacturing Operations) 관리 모형과 기본활동형 (Generic Activity Model)을 기술한다. Part 4와 5는 진행 중이며 Part 6 만 발표되었다.

 ISA-95에 대한 연구는 대부분 MESA와 ISA를 중심으로 이뤄지고 있다. Schneider andScholten[10]은 제조공정 최적화를 위해 ISA-95를 기반으로 한 As-Is/To-Be 수행 사례를 검토하여 8단계의 분석절차를 제시하였다. Whitfield andSahu[5]는 ISA-95의 목적과 Part 1에 대한 개념을요약하고 ERP와 MES의 통합운영을 지원할 수 있는 통신 메카니즘에 대하여 기술하였다. Johnsson[1]은 ISA-95를 사용할 경우 개발자, 사용자 및 관계자들의 이점을 중심으로 검토하였다.
 그러나 ISA-95와 MES간의 직접적인 관계에 대한 연구는 부족하다. 우리는 ISA-95가 MES 설계에 어떻게 기여할 수 있는가를 검토하고자 한다. 2절에서 ISA-95의 기능계층모형과 제조운영 관리모형을 요약한다. 3절에서는 기본활동모형을 소개하며 4절에서는 B2MML과 ISA-95의 객체모형을약술한다. 5절에서는 MES을 설계할 때 ISA-95의이용방안을 검토한다. 결론과 향후 연구방향은 마지막 절에 제시한다.

2. ISA-95 Framework
   2.1 ISA-95의 MES 영역


ISA-95는 기업 활동을 그림 1과 같이 4개 계층으로 분류한다. 최상위 계층인 Level 4는 기업전체 수준의 사업 계획 및 물류를 포함한다. 또한 공장단위의 생산계획 및 운영관리 등을 담당하며 ERP의 주 대상 영역이다. Level 3은 제조운영 관리영역으로서 제품을 생산하기 위한 활동을 포함하며 MES의 대상 영역이다. Level 2와 1은 제조현장 및 실제 제조공정을 관리하는 영역으로 공정의 형태에 따라 그림과 같이 3가지 형태로 구분한다. Level 0은 생산을 수행하는 물리적 활동을 포함 한다. 기능계층과 ISA-95의 6개 Part와의 관계는 다음과 같이 정리할 수 있다 [7, 9].

                                                             그림 1. 기능계층모형 [7, 9]

-. Part 1: Level 4와 Level 3의 Interface에 해당하며 전사적인 관점을 지향하며 ERP 및 MES 등 시스
                 템 통합 운영을 위한 용어 정의 및 기본 모형 제시
-. Part 2: Part 1에서 제시된 ERP와 MES간 표준화된 정보흐름을 표현하기 위해 객체모형과 그 속성
                 을 제시
-. Part 3: 제조운영활동 구분 및 기본활동모형을 통해 Level 3의 제조운영활동을 정의
  -.Part 4: Part 3에서 제시된 제조운영활동에 관련된 객체모형과 그 속성들을 제시
-. Part 5: 생산자동화 시스템과 사무지원활동간 운영에 대한 정의로서 Level 4와 Level 3간의
                 Interface에 적용 가능
-. Part 6 : 제조공정간 운영

  2.2 ISA-95의 제조운영관리모형

 제조운영은 인력, 장비, 자재, 에너지 등을 이용하여 원자재 및 반제품을 최종 제품으로 변환시
키는 일련의 활동을 의미한다 [9]. ISA-95의 제조운영 관리모형은 업무 프로세스를 중심으로 기업
활동을 정의하는 것으로서 1992년 발표된 Purdue Reference Model에 기초하고 있다. 그림 2는 제조
운영 관리모형을 도식화한 것이다. 그림에서 타원은 프로세스를, 화살표는 정보의 흐름을, 점선은 기
능계층모형의 Level 3과 Level 4의 경계를 의미한다. 제조운영 관리는 점선 안쪽에 해당한다.
 그림과 같이 ISA-95는 제조운영관리를 생산운영, 설비관리, 품질관리 그리고 재고관리 등 4가지
범주(Category)로 구분한다. 범주별 정의는 다음과 같다.

  -. 생산운영관리: 원자재, 에너지, 장비, 인력, 장비를 이용하여 비용, 품질, 수량 등 요구되는
      수준을 갖춘 제품을 생산하기 위한 일련의활동
-. 설비관리: 정기적인 점검계획을 수행하며 장비가 항상 사용 가능한 상태를 유지할 수 있도록 하는
      일련의 활동
-. 품질관리: 품질을 측정하고 보고하는 일련의 활동
-. 재고관리: 작업장에서 장비 및 자재의 이동에 관련된 활동

 이와 같은 분류는 기업의 실제 조직을 반영하지도 않으며 모든 기능을 포함하지도 않는다. 그러나 이와 같은 원형적(Generic) 모형은 MES 개발에서는 Function Map으로 기업에게는 중요한 Benchmarking 대상으로 활용할 수 있다. 실제 제조현장의 유형과 특성, 업무, 조직 구성 등은 매우 다양하지만 Reference Model을 기준으로 제조활동을 개선할 수 있기 때문이다.

                                                           그림 2. 제조운영 관리모형 [7, 9]

3. 기본활동모형

활동모형은 대상 영역에 관련된 정보흐름 및 활동간 관계를 명시화하기 때문에 시스템 설계에서 중요하게 활용된다. 그림 3에 제시된 ISA-95의 기본활동모형(Generic Activity Model)은 전술한 4개 범주들의 상세활동을 설명하기 위한 템플릿이다. 그림에서 타원은 상세 활동을 의미하고 화살표는 정보의 흐름을 표현한다. 점선 사이 영역이 MES의 대상 영역에 해당된다. 모든 범주의 활동은 8가지 의 기본 요소로 구성할 수 있다.
ISA-95는 Request-Response Cycle 개념을 바탕으로 활동의 흐름을 이해한다. 예를 들면, ERP,설비제어 시스템 등과의 인터페이스도 Request-Response 관계이다. 기본활동모형은 각 활동과 주요정보의 관계도 보여준다. 이들 관계는 각 범주의 내용에 맞게 변형할 수 있다. Data Collection의 경우 공통 활동이기 때문에 별도로 구분되지 않았다.

                                             그림 3. 제조실행관리의 활동모형 [9]

4. B2MML

 ISA-95는 XML 기반의 B2MML을 시스템간의 통신 표준으로 제안하였다. 실제로 SAP, Simens, ABB 등의 주요 개발업체들이 B2MML을 기업정보 시스템의 통합운영 표준으로 채택하였다 [12, 14]. B2MML 스키마는 WBF(World Batch Forum)에서 관련 파일을 제공하고 있다. 현재는 사용자 확장성이 포함된 version 3까지 발표되었다. B2MML은 XML을 이용하여 제품이 갖게 되는 일반적인 속성을 정의한다. 그림 4는 제품정의에 대한 B2MML 스키마의 예이다. 대상을 정의하기 위해 추가적인 속성이 필요하다면 extension.xsd를 사용할 수 있다.
 B2MML을 적용하여 시스템 통합을 하는 경우 ISA-95에 따라 수행되는지는 다음과 같이 충족도(Completeness), 적응도(Compliance), 적합도(Conformance)를 통해서 확인할 수 있다 [8].

-. 충족도: Part 1의 7절과 Part 2의 4절에서 정의된 객체 모형과 객체를 시스템 사양서나 구현 시 반영
                 하는 정도로 확인할 수 있다.
  -. 적응도: 구현 시 Part 1의 7절에서 정의된 용어와 Part 2의 4절에서 정의된 속성의 사용정도를 확인
                 한다.
-. 적합도: Part 2에서 정의된 내용을 바탕으로 표 3과 같이 표현되었는지를 확인한다.

                                       그림 4. 제품정의와 확장성에 대한 B2MML 스키마[11]


5. MES 설계와 ISA-95

 MES 구축 시 ISA-95는 다음과 같은 역할을 수행할 수 있다.

  -. 시스템 통합 인터페이스 표준 제공
   -. MES 구성 모듈의 정의
  -. MES 데이터의 속성 및 관계에 대한 표준 제시

  ISA-95의 첫 번째 역할은 시스템이 통합 운영 될 수 있도록 지원하는 것이다. 기업정보시스템 구조는 그림 5와 같이 도시할 수 있다. ISA-95에서 제시된 표준 인터페이스, 기능계층모형, 제조운영관리모형 등과 관련 데이터 정의를 활용하여 ERP와 MES를 설계한다면 관련 시스템의 통합이 매우 효율적일 것이다.

                                                     그림 5. 기업정보시스템 구조도

 둘째로 ISA-95를 활용하면 MES 모듈을 합리적으로 정의할 수 있다. MES의 모듈은 MESA의 11가지 표준기능에 따라서 정할 수도 있으나, MESA의 표준기능은 품질관리, 설비관리 등 상위 모듈과 운영관리의 서브모듈인 인력관리, 운영/상세계획 등을 동등한 수준에서 정의하므로 불균형 문제가 발생할 수 있다. 실제로 일반적 MES 패키지는 운영관리를 중심으로 구현되므로, 설비관리는 별도 시스템으로 관리하는 경우가 많다.
 ISA-95는 제조운영 관리모형과 기본활동모형을 통해 표준기능을 정의하므로, 이를 이용하면 MES는 생산운영, 설비, 품질, 재고관리 등의 4개 기능모듈과 기준정보, 데이터 통신 등의 공통 모듈로 구성할 수 있다. 그림 6은 MESA의 11가지 표준기능과 ISA-95의 MES 모듈 관계를 표현한 것이다. 모듈의 세부 기능은 기본활동모형의 활동을 통해서 정의할 수 있다. 예를 들면 생산운영관리모듈 중 세부생산계획은 다음과 같은 세부 활동을 갖는다.

                                         그림 6. MESA 표준 기능과 ISA-95 MES 모듈 관계도

-. 세부생산계획 수립 및 유지
-. 생산계획 대비 진척도 비교
-. 생산자원관리기능에 따라서 각 자원의 사용량을 결정
-. 설비관리, 품질관리, 재고관리 모듈로부터 관련 정보 수집
  -. What-if 시뮬레이션 수행

 마지막으로 ISA-95는 MES 데이터의 속성 및 관계에 대한 표준을 제시한다. ISA-95는 그림 7의 생산능력모형 및 Part 2에서 정의된 객체의 모형을 UML(Unified Modeling Language)을 이용하여 제시한다. 간단하고 표준화된 표기법을 사용하고 있기 때문에 관계 및 의미 파악이 용이하다. 또한 데이터의 속성 명칭, 설명 및 예제를 제시함으로써 설계 및 구현 시 올바른 형태의 정보를 사용할 수 있게 한다.

                                                            그림 7. 생산 능력 모형 [8]

6. 결론 및 향후 연구 방향

 본 논문에서는 ISA-95의 기능계층모형, 기본활동모형 및 B2MML의 내용을 정리하고 MES를 구축하는데 미치는 영향을 다음과 같이 제시하였다.

  -. 시스템 통합 인터페이스 표준 제공
-. MES 구성 모듈의 정의
-. MES 데이터의 속성 및 관계에 대한 표준제시
 MES 업체들은 대부분 ISA-95를 준수하고 B2MML을 사용한다고 발표하고 있다. 하지만 45개의 솔루션을 대상으로 2006년 초 시행된 MESA의 조사에 따르면 각 모듈에 대한 평균 반영비율은 생산운영
78.6%, 설비관리 43.7%, 품질관리 55.6%, 재고관리 54.3% 등이다 [9]. 따라서 추후 개발사례 및 제품을 중심으로 생산관리에 비하여 타 부분에 적용이 저조한 원인에 대한 연구 및 적용방법에 대한 연구가 필요하다.

[출처] ISA-95 기반의 제조실행시스템|작성자 다크호스