생산 유연성을 높일 수 있는 방법을 찾고 있는가? 예산을 추가로 지출하거나 새로운 소프트웨어 코드를 작성하느라 몇 주 내지 몇 개월의 시간을 허비하는 수고를 피하고 싶지는 않은가?

ANSI/ISA-88.00.03.2003 제어 산업 표준에서 해답을 찾을 수 있다. 일괄 제조 공장 및 일괄처리 제어를 자동화할 수 있는 최선의 방법을 제시한다.

ISA-88 표준은 일괄처리 제조공정을 위한 표준이다. 더불어 연속적인 생산 작업을 자동화하는 과정에서 시간 및 비용을 줄일 수 있는 수단이기도 하다.

ISA-88은 각 기기 사이의 통신 능력을 향상시키기 위해 공정제어에 쓰이는 공통 언어를 정의한다. 이 언어는 다양한 제어 공정과 생산 공정에 있는 제품 및 프로그램들 사이의 통신에 쓰인다. 또한 일괄처리에 대한 일관적인 개념 및 모델 구조를 만듦으로써 소프트웨어 코드를 구성할 때 길잡이가 되어준다.

표준은 공정제어에 쓰이는 구성단위에 대한 해결책을 제시한다. 구성단위는 기업·국가·지역·공정 셀·장치·장비 모듈·제어 모듈 등 다양하다. 표준 언어를 통해 지역과 공장, 나아가 기업 전체와 연결할 수 있다.

공정 셀 및 장치는 생산 공정을 구성하는 구성단위 중 하나다. 각 공정 셀은 하나 이상의 장치를 포함하고 있다. 공정 셀을 구성하는 장치는 제어 장비의 집합으로 이루어져있다.

장치 안에는 장비 모듈 및 제어 모듈이 있다. 장비 모듈은 공정 기능을 수행하는 장비의 집합이라고 정의하며, 제어 모듈 및 보조장치 모듈을 포함하기도 한다. 제어 모듈은 실제 공정제어를 수행하는 장치 및 시스템을 포함하고 있다.

보편적 구조

ISA-88은 공정의 어려움이나 복잡함에 상관없이 적용할 수 있다. 하나의 프로그래밍 시스템으로 공장 내의 모든 생산 공정을 처리할 수 있다. 표준을 이용하는 사용자 및 프로그래머가 할 수 있는 일은 다양하다.

·레시피 및 절차에 대한 구조와 형식을 식별할 수 있다.

·레시피 및 절차에 대한 수준을 정의할 수 있다.

·제품별 레시피 및 절차에 대해 공인받을 수 있다. 이는 공정 기반 장비 및 직접 제어와 별개로 작용한다.

·제조 장비 및 장비 전용 제어의 계층 및 체계를 확인할 수 있다.

·레시피 제조 및 전체 제품 생산에 쓰이는 장비 성능을 인정받을 수 있다.

·작업에 필요한 모듈러 및 재사용 가능한 제어기능을 확인할 수 있다.

재사용 가능한 소프트웨어 코드 블록은 ISA-88 표준의 중심이다. 또한 IEEE 61131-3을 준수하는 소프트웨어를 사용해 프로그래밍하므로 대부분의 주요 자동화 업체에서 사용할 수 있다. 코드는 래더 다이아그램과 스트럭처드 텍스트(ST) 언어, 기능 블록 도표, 인스트럭션 리스트 혹은 시퀀셜 펑션 차트(SFC) 언어 등으로 만들 수 있다.

대부분의 공급업체는 소프트웨어에 재사용할 수 있는 제어 모듈과 알고리즘 라이브러리를 포함하고 있다. 이를 통해 일반적인 기계 기능과 레시피 단계를 정의할 수 있다. 처음 프로그램이나 레시피가 프로그래밍한 모듈러 코드 블록은 최소한의 수정만으로도 다시 사용할 수 있다. 레시피를 변경하느라 쓸데없이 시간을 낭비할 필요가 없으며, 향후 손쉽게 동역학적으로 바꿀 수 있다.

업계 전문가들에 따르면, 이 방법을 사용하면 첫 번째 프로젝트에서 일반적으로 약 30%가량의 시간과 비용을 절약할 수 있으며 후속 프로젝트에서는 약 70%가량의 이득을 얻을 수 있다.

업계 전문가들은 미국에 있는 제조업체의 50%가량이 현재 ISA-88 표준 및 관련 기술을 사용하는 것으로 추산하고 있다. ISA-88 표준은 지금까지 수천 개의 응용사례에서 활약해왔으며, DCS 제어환경이나 PLC 제어환경 등 다양한 환경에서 활약한다. ISA-88 표준은 산업 전반적으로 광범위하게 적용할 수 있다. 

ISA-88 표준의 목표는 다음과 같다.

·새로운 제품이 생산되기까지 과정을 획기적으로 줄인다.

·공급업체를 통해 일괄처리 제어를 구현하기 위한 적절한 도구를 공급받을 수 있다.

·사용자가 자신의 요구사항을 더욱 정확히 파악할 수 있다.

·레시피 개발이 간단해진다. 제어 시스템 기술자의 지원 없이도 레시피 개발을 실현할 수 있다.

·일괄처리 공정 자동화 비용을 절감한다.

·제품수명주기를 늘림으로써 기술자들의 노력 및 수고를 줄인다.

공정 중인 성분을 변경하는 것, 예를 들어 밀가루 내의 글루텐 비율을 변경하는 작업은 작업자들에게 큰 과제다. 전체 구조 및 구성요소에 대한 가시성이 결여되어있으면 레시피를 상당 부분 재조정해야 할 뿐 아니라 재작업에 대한 수고로움 및 폐기물 발생 등을 야기한다. 구성요소 관리를 개선하기 위한 몇 가지 사항을 제안한다.

1. 품질 개선을 위해 실험실에서 우선적으로 일괄처리를 시행할 것. 제조업체는 자사 제품의 성능을 보증받고 설명서 그대로의 품질을 얻기 위해 승인을 얻은 공급업체와 협력한다. 이를 유지하기 위해서는 공급업체가 반복적으로 시설을 점검하고 재 인증하는 과정이 필요하다. 각 구성요소들의 제조공정이 안정화되지 않을 경우 각 일괄처리 공정에 100% 검사를 도입해야 한다. 가격이 비싸고 시간이 많이 소요되는 생산적 운전을 최소화하기 위해(운전 효율성을 100% 달성하기 위해), 또 규모가 큰 일괄처리가 필요한 경우라면 더 나은 품질을 보증하기 위해 작은 실험실에서 일괄처리를 시행해볼 수 있다.

2. 실험 결과를 실시간으로 적용할 것. 미국에서 구성요소 구입에 대한 표준이 생겨나면서 확실히 자리를 잡은(즉, 인정받은) 표준검사를 도입할 수 있게 됐다. 근적외분광분석법은 검사 속도가 빠르고 결과 역시 신뢰할 수 있는 도구다. NIR 기능(수집·분석·통합 기능)은 실시간으로 자료를 제공함은 물론 실시간 조정 작업을 실현한다.

3. 성분 분석기를 활용할 것. 센서를 통한 위치결정 작업 및 도구, 예를 들어 글루텐 분석기가 중요한 역할을 한다. 구성 성분의 변화를 예측할 수 있도록 돕기 때문이다. 성분 분석기를 도입할 때는 현존하는 가장 섬세하고 민감한 분석기를 선택하고, 최소 2점 이상의 다양한 센서를 도입하는 것이 일반적이다. 성분에 변화가 생기는 경우 변동사항을 확인하고 구성요소를 재조합한 뒤 다시 실험할 수 있을 만큼의 충분한 시간 지연이 필요하다. 이 기능은 피드백 장치를 포함한 폐루프 시스템이 담당한다. 원재료의 품질 및 종류를 파악하는 것은 오류와 수정작업의 복잡성을 줄이는 데에 큰 역할을 한다.

4. 물류에 대한 기본사항(Logistics Essentials)에 충실할 것. 활성성분 관리는 재료에 대한 모든 업무처리 과정에 영향을 미친다. 활성성분 분석 이나 재료 수집 등 많은 일을 할 수 있다. 다량의 활성성분을 직접 처리할 수도 있다. 

여기서는 마스터 데이터(자주 변하지 않고 자료 처리 운용에 기본 자료로 제공되는 자료의 집합. 출처 IT용어사전)를 지속적으로 유지하는 것이 중요하다. 각 활성성분의 실제 비율을 설계 사양에 맞춰 일괄적으로 처리하는 작업에 필수적이다. 

작업자는 자료를 통해 각 활성성분을 계획한 비율에 맞추어 저장할 수 있다. 또 각 활성성분 사이에 간격을 둘 수도 있다. 각 성분마다 가지고 있는 특성 등 다양한 분류체계를 통해 활성성분 비율을 정의한다. 이 자료는 정확한 구성명세서(BOM) 작성은 물론, 정확한 재고 파악 및 유지에 필수적이다.

ISA-88은 많은 사람들이 동일한 자동화 언어를 사용할 수 있도록 돕는 표준이다. 

ISA-88 표준은 장비에 적용할 수 있는 코드를 통일한다. 코드를 통일함으로 인해 작업자들이 장비와 함께 원활히 작업을 수행할 수 있다. 

존 파르라가는 로크웰 오토메이션 일괄처리공정 부서의 세계 공정기술 자문위원이며, ISA-88 관련 세미나 진행자이기도 하다. 존 파르라가는 “ISA-88은 우리 모두가 동일한 자동화 언어를 사용할 수 있도록 만든 표준”이라며, “규칙인 것은 아니지만, 기존 방식을 박살내기 위한 좋은 가이드라인”이라고 말했다. 

파르라가는 “ISA-88은 간단하지만 강력한 개념을 기반으로 하고 있다. 우리는 기계가 할 수 있는 작업을 코딩하며, 사람들이 기계를 통해 어떤 작업을 하고 싶은지 명확히 하기를 원한다”는 말로 ISA-88 표준 설립 취지를 드러냈다.

S88 측면에서 ‘장비 모델’이란 장비가 수행할 수 있는 작업에 대해 정의하며, ‘절차 모델’이란 장비를 통해 사람들이 수행할 수 있는 작업을 정의한다. 

레시피 편집 소프트웨어는 절차상 모듈(Procedural Module)을 설정하는 데에 쓰인다. 하지만 작업 자체가 바뀌는 경우 프로그램 모듈은 바뀌지 않는다. 이것이 S88이 ‘어떻게 온도를 바꿀 수 있을까?’하고 고민하는 것에서 ‘원하는 온도를 만들어!’하는 식으로 접근법을 바꾸게 된 이유라고 파르라가는 말했다.

무엇을 의미하는 것일까? 파르라가는 “공장에서 상품을 생산해내는 사람들이 모두 기술자가 될 필요는 없다는 것을 의미한다”고 말했다. “새 제품을 만들거나 기존의 제품에서 무언가를 변경하고자 할 때, 컨트롤러를 제작하거나 코드를 바꿀 필요가 없다. 작업 과정에서 ‘변경해야 하는 코드’ 자체가 없기 때문”이라고 파르라가는 설명했다.

레시피 조절 작업은 제어 변경 작업과 별개로 이루어진다. 이로 인해 작업자들이 코드 혹은 공정 전체에 위해를 가할 염려 없이 레시피를 조절할 수 있다고 파르라가는 이야기했다. 파르라가는 “아주 작은 개선에 불과하지만, 장기적 개선을 이끌어낼 수 있는 좋은 사례가 될 것”이라고 말했다. 그는 위험 없이 새로운 시스템을 구현함에 따라 레시피가 점차 더 나아질 수 있을 것이라고 조언했다.

레시피 기반 개선사례로는 제자리 세정(Clean In Place, CIP) 및 살균 작업을 들 수 있다. “이런 작업들은 굉장히 획일적으로 진행되었으며, 좀처럼 변할 기미가 없었다. 하지만 이 공정을 약간 비틀 만한 기술이 있다면(예를 들어 오염수를 그냥 흘려보내지 않고 탱크에 물을 저장해 사전 세정 작업용으로 사용하는 것 등) 전체 공정을 한층 빠르게 만들 수 있다”고 파르라가는 조언했다. “S88 표준 모듈 방식을 통해 이와 같은 개선을 이루어낼 수 있다”는 것이 파르라가의 설명이다.

일괄처리 시스템은 다양한 측면에서 사용이 편리한 것이 장점이다. 프로그래밍 및 구성, 실시간 레시피 관리 및 성분 관리, 실시간으로 상황을 보고하기 위한 연결 기능 등이 그것이다.

하지만 여전히 궁금증이 남아있다. 일괄처리 소프트웨어를 선택할 때에는 어떤 기능을 중점적으로 살펴야 할까? 

1. 소프트웨어 특징을 명확히 파악한다. 소프트웨어는 특정한 작업을 고려해 설계하는 것이 일반적이다. 일괄처리 소프트웨어는 원자재에 대한 요구를 수집 및 통합하고, 비용에 대한 정보를 제공하고, 장비와 작업자 사이에 원활한 통신을 보장해야 한다. 일괄처리 소프트웨어는 많은 변수 및 자료를 유지 및 관리하며 다른 시스템과 쉽게 통합할 수 있도록 돕는다.

2. 원활한 연결은 필수적이다. 온라인 연결을 지원할 경우 일괄처리 소프트웨어의 효율성이 크게 높아진다. 재공품(在工品, 생산 공정 중에 있는 미완성 제품) 재고 시스템에 접속하거나 원재료 혹은 부분가공 식품의 특징 및 특성(효능·수분함유율·지방함유율·식품가공을 위한 고기 중 비계 비율 등) 분석 등을 일괄처리 작업 방식으로 수행할 수 있다. 

또한 여러 일괄처리를 결합한 소프트웨어는 단일 일괄처리만을 처리하는 시스템과 비교했을 때 재료 사용량 및 비율을 낮추는 등 더  한층 나아진 성능을 발휘한다.

3. 작업을 자동화하기 위해 고려해야 할 요소들이 있다. 예를 들어, 현존하는 다양한 자동화 솔루션을 통해 소금을 한 자밤만 넣는 작업을 자동으로 수행함으로써 일관되지 않게 작업하던 작업자를 대체할 수 있다.

하지만 작업자는 사람이기 때문에 소금을 추가하는 것 이외에도 많은 일들을 할 수 있다. 소금이 실제로 잘 뿌려졌는지, 기계가 지나치게 소금을 많이 싣고 있지는 않은지, 기계 내부가 무언가로 인해 막혀있지는 않은지, 기계 안에 있는 소금이 굳어 작동이 멈추는 일은 없는지, 소금이 후추와 섞여 오염되지는 않았는지 등 여러 세부사항을 점검할 수 있는 것.

소금 한 스푼을 추가하는 간단한 과정을 자동화하기 위해서는 공정 관찰·유지보수·품질·안전·기타 인간이 수행하던 기능을 대체할 수 있는 소프트웨어 및 하드웨어가 필요하다.

4. 일괄처리 요소들. 일괄처리 작업은 많은 하부 요소들을 포함하고 있다. 여러 부속품들의 속도부터 장비 및 측정도구의 정밀도, 플러그 없는 호퍼 및 빈 저장장치 설계 그리고 각 일괄처리 작업 결과를 출력하는 작업에 이르기까지 다양하다. 어떤 작업이든 다음 단계로 진행하기 전에 오차 정도 및 내성을 검토할 필요가 있다.

현재 시장에서 선보이고 있는 일괄처리 소프트웨어에도 오랜 시간동안 크고 작은 변화를 거쳐왔다. 이들 제품은 현재 대부분 ISA S88 일괄처리 작업 표준을 준수하고 있다. 

일괄처리 소프트웨어를 적절하게 활용할 수 있는 방안에 대해 소개한다.

1. 개방형 구조의 일괄처리 시스템을 선택할 것. 개방형 일괄처리 시스템은 ISA S88 표준을 준수하며, 어떤 공급업체의 공정제어 시스템과도 쉽게 상호 연결할 수 있다.

2. 일괄처리 소프트웨어 모델의 기능에 집중할 것. 일괄처리 소프트웨어는 서로 다른 레시피들을 동시에 처리할 수 있어야 한다.

 

3. 소프트웨어에 대한 요구사항을 준수할 것. 소프트웨어는 유연한 일괄처리 통합 모델을 만듦으로써 공장에서 사용하는 공유자원을 유연하게 처리할 수 있어야 한다. 

공유자원의 예로는 물품 전환 및 관리를 위한 밸브 상태 변경 등의 작업이나 믹서기와 같은 일반 장비 등이 있다. 

일괄처리 소프트웨어를 사용하면 장비의 가동중지시간을 최소화하면서 다른 레시피를 사용하는 다양한 일괄처리 작업을 동시에 진행할 수 있다.

4. 일괄처리 모델을 공정제어 시스템과 쉽게 연결할 수 있어야 한다. 공정제어 로직은 동적이고도 유연한 선택을 할 수 있을 정도로 수준이 높아야 한다.

5. 일괄처리 소프트웨어는 일괄처리 작업 보고를 위해 자료를 보관 및 전송할 수 있어야 한다. 뿐만 아니라 MES(환경의 실시간 모니터링·제어·물류 및 작업내역 추적 관리·상태파악·불량관리 등에 초점을 맞춘 현장 시스템. 출처 지식경제용어사전) 모듈을 제공하고 기업 자체 시스템과도 자료를 주고받을 수 있어야 한다.

6. 일괄처리 소프트웨어는 재료 및 자재를 추적할 수 있는 모듈(즉, 재료 추적 모듈) 기능을 탑재해야 한다. 모듈을 통해 일괄처리 과정에 있어 중요한 정보를 획득 및 추적하고 문제가 생겼을 경우 원인을 분석할 수 있다.

7. 일괄처리 소프트웨어는 사용자 친화적인 클라이언트 컴퓨터와 SFC 런타임 디스플레이가 조합되었을 때 제 능력을 발휘한다. 적합한 장치와 조합한 일괄처리 소프트웨어는 레시피 감시뿐 아니라 제어과정에서 각 단계에 맞추어 개별적 작업을 수행할 수 있다.

8. 일괄처리 소프트웨어 제품군은 전자 작업흐름 관리 시스템을 보완 및 지원해야 한다. SOP(표준운영절차)를 자동화할 뿐 아니라 수동 작업 역시 지원하는 것이 바람직하다. 

이를 통해 기록 및 인증을  실행함은 물론 21 CFR 파트 11 규정(미국식품의약국에서 개정한 미국연방규정 중 하나로, 전자기록 및 전자서명에 대한 규정을 의미한다. 편집자 주)을 준수한다.

 

 

8) 더 나은 일괄처리를 위한 다섯 가지 팁
오늘날 소프트웨어 및 지원은 효율적인 일괄처리를 달성할 수 있는 중요한 요소로 작용한다. 

이와 관련해 더 나은 일괄처리를 달성할 수 있는 몇 가지 방법을 소개한다.

1. 사적인(즉, 널리 사용하고 있지 않은) 소프트웨어를 피할 것. 업계 전반적으로 쓰이는 소프트웨어 및 하드웨어 플랫폼을 기반으로 하고 있는지 확인할 것.

2. 프로그래밍 및 문제해결 능력이 충분한 공급업체와 협력할 것.

3. 작업 도중 간단한 문제를 해결하고 지속적으로 유지관리를 할 수 있을 것. 추가적인 지원이 필요할 경우 정보에 대한 문의가 가능한지도 확인할 것.

4. 가능한 한 목적 프로그래밍(Object Programming) 기능을 활용할 것. 

목적 프로그래밍을 활용하면 표준 성능을 입증받은 모듈 및 제어 시스템(및 백업) 라이브러리를 원활히 사용할 수 있다.

5. 모든 준비를 마쳤다면 모든 프로그래밍 소프트웨어를 개방형 시스템 산업 플랫폼으로 교체할 것.