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실시간생산정보시스템을 위한 지그비와 임베디드시스템에 관한 연구
A Research of Zigbee & Embedded System for Real Time Production System
박 주 식*․정 영 득**․신 현 재*
Abstract
In this study, which is the basis for industrial presses to target small and medium enterprises with production information system is designed. Production information in real time on-site digitizing and transmitting data to a standard PC is to base operations.
Personnel management, safety management, production management is to increase the efficiency. Therefore, at low cost is to encourage computerization within the company. These embedded systems and wireless communication module has a database management program installed in order to raise productivity and competitiveness will improve.
Keywords: Zigbee, Embedded System, Real time monitoring, PIS
1. 서 론
현대의 정보화 시대에서 기업 정보화는 반드시 필요하며 기업 정보화는 운영효율을 높이는 도구로부터 시장을 인식하고 고객과 밀착하는 전략수단으로 영향의 범위와 중 요성이 날로 증대되고 있다. 최근 정보화 기술의 발달로 과거의 관리방식에서 할 수 없었던 급속한 정보의 양과 질의 변화로 전환되고 있다. 그러나 정보 분석에 있어서 중요한 정보입력 부분은 아직도 사람에 의한 수동체계로 입력하는 것이 대부분이다.
즉시에 필요한 정보가 늦게 입력되거나, 잘못입력으로 인해 예기치 않은 사태가 발생 하기도 한다.
* 인천대학교 산업경영공학과
** 전주비전대학 레저스포츠과
자동차부품을 생산하는 중소기업은 모기업의 주문을 통해 생산함으로써 납기와 품 질은 기업운영에 매우 중요한 관리 중에 하나이다.
이러한 관리를 기존의 수작업과 관리자를 투입하여 원가상승요인에 비해서 품질이 떨 어지는 관리방법으로는 기업간 경쟁에서 어려운 경영을 하게 된다. 특히, 프레스에 의 한 생산방식을 채택하는 기업은 긴급오더, 물류와의 시간관리가 매우 중요하다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 실시간으로 현장의 생산정보를 디지털화하여 전송 하고 데이터베이스운영을 하고자 한다. 따라서 본 연구에서는 뿌리산업과 같은 프레 스, 사출, 도금, 염색업과 같은 중소기업을 대상으로 생산정보시스템을 구현하여 인력 관리, 안전관리, 생산관리의 효율을 높이고자 한다.
그러므로 적은 비용, 손쉬운 유지 및 운영으로 사내 전산화를 유도하기 위해서 하드 웨어, 소프트웨어에 관련한 장치들을 쉽게 구하고, 교체할 수 있도록 설계하고자 한다.
또한 소프트웨어를 통해 다음과 같은 생산정보시스템을 설계하였다.
- 수주제품별로 타공수가 다른 생산수량관리(합격/부적합품 동시관리)를 실시간 조 회 및 관리.
- 반제품/제품의 현황 동시조회.
- 금형의 카운터 자동 누적관리를 통해 품질유지운영.
- 현장정보에 따라 관리지시사항을 실시간으로 모니터링 체계운영.
- 생산계획을 위한 창고현황(재고)조회 시스템.
소프트웨어설계를 위한 프로그램언어는 마이크로소프사의 VisualBASIC Ver.6.0이며, 데이터베이스는 MDB로 구성하였다.
최근 근거리 무선통신기술의 발달로 크기가 작고, 저렴하면서 고성능의 제품들이 시 중에 많은 종류가 있다. 본 연구에서는 Maxstream사의 XBee-Pro로 구축하였으며, 임 베디드시스템에 사용한 마이크로프로세서는 Atmel사의 Atmega128로 PCB를 설계하였다.
2. 연구내용
생산통합시스템을 적용하기 위해 중소기업 규모의 시스템은 전산업무를 하기에는 미비한 상태이며, 특히 하드웨어 시스템과 소프트웨어가 프레스에는 아직 생산업체에 이 모델을 적용하기에는 여러 문제점이 있는 것으로 파악이 되었다. 특히, Off-line에 의한 관리방식을 전산화하는데 발생하는 오류, 시간지연 등으로 인해 신뢰성이 떨어져 비효율적인 업무를 발생시키고 있는 실정이다. 그래서 납기, 품질, 자재수급, 작업지시 의 부정확성으로 인해 생산성이 저하되고 있는 상황이다.
2.1 생산정보시스템 하드웨어설계
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설비의 생산현황을 자동으로 감지할 수 있는 카운터 장치, 생산제품의 ID관리를 위 한 RFID처리장치, Key-pad 입력장치, 임베디드 마이크로프로세서장치, 무선통신장치, 그리고 현재통신상황과 생산현황 등을 볼 수 있는 LCD 출력장치로 나누어 설계하였 다. 현재 적용대상 업체에는 소형, 중형, 대형의 15대 프레스가 운영되고 있으며, 데이 터 송신장치 15대와 수신장치 1대를 제작한다.
2.2 임베디드 시스템
최근에 임베디드 시스템은 군사, 산업기기, 통신장비, 자동차, 가전기기 등 다양한 응 용에 사용되고 있을 만큼 널리 시스템지원에 활용되고 있다. 기존의 산업현장에 대표 적으로 사용되었던 PLC(Programabel Logic Controller)가 주도적으로 사용되었으나 반 도체기술의 급진전에 힘입어 PL C에서 할 수 없었던 제어, 기억, 기능 등이 하나의 부 품에 집적화하여 사용자는 단자의 기능에 연결하여 일반 프로그램언어인 C, BASIC 등의 컴파일러를 통해 간단하게 원하는 제어시스템을 구현할 수 있다.
갑자기 추가되는 기능, 변경되는 복잡도를 줄이고 중복활용이 가능하여 개발기간 단축이 용이한 유연한 구조를 갖춘 하드웨어 및 소프트웨어가 결합한 플랫폼이라 할 수 있다. <그림 1>은 본 연구에 적용한 마이크로프로세서의 핀 레이아웃이다. 각 핀의 고유 기능들이 있어 필요한 기능을 원하는 핀에 연결하여 프로그램으로 인식하도록 하면 쉽게 적용할 수 있는 장점이 있다.
<그림 1> Atmega128 마이크로프로세서 Pin layout
2.3 입출력 시스템 2.3.1 LCD
현장에 있는 작업자들에게 제품ID설정 및 생산수량을 보여주기 위한 고휘도 LCD로 구성하였다. <그림 2>에서와 같이 HY-2004A-802를 장착하였다.
<그림 2> 문자형 LCD 및 표시내용
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첫 번째줄은 ID와 ID 기억번지이다, 기억번지는 최대 50개 까지 가능하도록 하였다.
두 번째줄은 생산량에 관계되며, Goal은 목표수량이며 Now는 현재 프레스가 생산한 수량이다. 만약 Goal과 Now가 같으면 알람출력 포트를 연결할 수 있도록 하였다. 세 번째줄은 현재 프레스의 상태를 선택한다. “Production”은 현재 프레스의 생산수량을 카운트모드, “Idle”은 프레스가 아무것도 하지 않는 상태이며, “Setup”은 금형교체 및 위치조정상태를 만든다.
2.3.2 메인회로 및 입출력장치
<그림 3>은 프레스에 장착한 정보 수집 장치의 메인회로도이다. Atmega128과 LCD 드라이버, 무선통신을 위한 MAX232와 Keypad 및 알람출력을 위한 I/O 포트를 구성 하였다. <그림 4>는 프레스가 1개의 제품을 생산하였을 때 카운트되는 신호를 처리하 는 장치이며, 마이크로프로세서I/O 핀에 접속하도록 핀방식으로 설계하였다. 전원은 SMPS를 통해 DC5V를 받아서 고주파와 저주파 노이즈 차단을 위해 비드와 필터링 콘덴서를 통해 MPU에 공급하도록 하였다. AD와 같은 아나로그 신호처리가 없어 바 로 스위칭 전원을 사용하였다.
이러한 장치를 제어하는 프로그램을 Firmware라 한다. <그림 5>는 “Codevision”을 이용하여 프로그램을 만들어 컴파일한 후 ISP를 통해 마이크로프로세서에 프로그램을 설치하였다. 본 하드웨어 시스템은 크게 Master와 Slave로 구성하였다. 현장에 설치되 는 정보 수집장치가 Slave가 되며 사무실의 PC에 연결한 정보수집 장치가 Master가 되도록 하였다. 즉, PC에서 원하는 프레스 정보를 Com#를 선택하면 현장에 해당하는 같은 Com#를 가진 정보 수집장치가 현재 상황을 전송하도록 하였다. <그림 6>은 메 인회로이며, 무선통신 및 입출력장치를 구성한 제품사진이다.
<그림 3> 마이크로프로세서 메인회로
<그림 4> 카운터 신호 처리장치
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<그림 5> Codevision을 통한 Embedded 프로그램 설계
<그림 6> 메인장치의 내.외부
<그림 7>은 현장의 각 프레스에 설치된 정보 수집 장치이다.
<그림 7> 프레스에 설치한 메인장치
2.4 무선정송장치(Zigbee)
지그비(ZigBee)는 저전력, 저가격, 사용의 용이성을 가진 근거리 무선 센서네트워크 의 대표적 기술 중의 하나로 IEEE 802.15.4 표준의 PHY층과 MAC층을 기반으로 상 위 프로토콜(PROTOC -OL)과 응용(Application)을 규격화한 기술이다. 근거리에서 속 도가 크게 빠르지 않고, 네트워크 사용빈도가 드문 시스템의 구축에 가장 적합한 시스 템이다. <그림 8>은 본 과제의 원격모니터링을 위한 Zigbee 통신 개요도이며, <그림 9>는 무선통신모듈과 장착된 장치이다. 기존의 블루투스의 성능에 비해 운영거리가 늘어났으며, 접속 통신ID도 무한대까지 가능하다.
<그림 8> Zigbee 통신 개요도
<그림 9> 무선통신모듈 및 시스템
2.5 생산정보시스템 소프트웨어설계
현장의 정보를 모니터링하고 분석할 수 있도록 PC 운영프로그램은 MDB와 VB6.0을 통해 MRP 수준의 분석과 관리시스템 그리고 현장의 설비별 운전시간과 수량을 모니 터링하기 위한 프로그램이다. 현장프로그램은 C/S(클라이언트/서버)운영을 위해 DB를 네트워크로 공유하도록 하여 현장에서의 생산정보등록과 실행을 사무실에서는 현재의
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운영상태의 분석을 통한 수/발주관리, 물류관리를 결정할 수 있는 분석을 통해 생산운 영관리의 효율을 극대화한다. 실시간 현장현황을 통해 납기를 사전에 예측 조회할 수 있어 기업의 신뢰성 향상 및 생산관리 효율화를 극대화 할 수 있게 된다.
프로그램의 구조는 네 개의 메뉴로 설정되는데 첫 번째 메뉴는 <그림 10>과 같이 모 니터링 현황이다. 현장의 프레스 15대의 가동상태와 생산수량 및 운영시간을 볼 수 있도 록 하였으며, 대형화면에 의한 분기모니터 설치시 생산 ID에 대한 이미지처리도 하였다.
또한 프레스가 현재 생산가능 상태이면 프레스ID에 해당하는 배경색이 녹색으로 바 뀌고, Idle, setup 상태시에는 회색 및 노란색 배경으로 변경된다. 작업시간은 시작시간 을 기준으로 현재시간을 뺀 것으로 작업자의 숙련도에 따라 작업시간을 모니터링하여 ID별 효율적인 작업자 배치를 할 수 있도록 하였다. 배경화면은 생산정보운영의 등록 이 이루어지면 자동으로 DB에 저장되어 모니터링프로그램과 생산관리 프로그램이 동 시에 관리되도록 하였다. 본 시스템에 적용된 DB는 MD B(Microsoft Database)를 활 용으로 텍스트화하여 인덱스를 부여하여 관리자에게 필요한 정보를 제공하도록 하였다.
<그림 10> 실시간 현장 모니터링 화면
<그림 11> 데이터분석 지원 프로그램
두 번째는 저장된 DB를 운영할 수 있는 기간별 생산수량, 작업자별 운영현황, 설비 별 가동현황, 작업일보(일일, 주간, 월간, 분기, 년간) 및 누적생산관리로 구성하였다.
여기서 설비별 가동현황은 Goal수량이 끝난 경우 해당 금형의 카운트를 직전의 카운 트와 누적하여, 금형의 보수를 통해 품질의 문제를 해결하도록 하였다. <그림 11>은 일보를 통한 작업자 운영 및 금형관리 그리고 공정시간 분석을 위한 분석 프로그램이다.
<그림 12> 일일생산계획지시 및 생산관리
세 번째 메뉴는 일일업무 즉 생산계획을 지시하기 위한 메뉴이다. 특히 긴급오더가 발생시 작업자에게 경광등과 버저를 출력하여 조속한 조치가 이루어지도록 하였다.
네 번째 메뉴는 코드관리로서 작업자등록, ID등록 및 금형이력등록이다. 금형ID 및 이력정보 등록 화면이다. 생산누계는 생산카운트에 의한 정보가 자동으로 누적처리 하 도록 하였다. 또한 투입중량과 제품중량을 통해 스크랩하중을 전산화하여 자재관리의 정확한 정보운영이 가능하도록 하였다. 금형수정이력은 수정사항이 발생할 때마다 정 보를 등록할 수 있어 금형의 보수 및 품질관리에 지원할 수 있도록 설계하였다. 하나 의 금형에 최대 6가지의 공정을 동시에 등록하여 생산운영에 편리하도록 설계하였다.
각 공정별 ID와 이미지도 등록할 수 있도록 하여 생산공정 등록시 각 공정별로 작업 자를 따로 관리할 수 있어 작업자의 숙련도에 따른 품질관리도 병행 할 수 있도록 하였다.
3. 성과분석 3.1 기술적 성과
사내 전산망 구현을 위해 하드웨어와 소프트웨어 유지관리 및 업그레이드가 용이한 것으로 설계하여야 향후 문제발생시 수정 및 추가사항을 원활하게 하여 전산화업무가 유지될 수 있다고 볼 수 있다. 따라서 기존의 무선통신 모듈 운영(Zigbee)방법, 데이터 베이스 구조변경 및 운영방법, 고급언어(VB 6.0)운영을 통한 필요관리 분석작업이 가 능하여 프레스설비관리 및 생산관리 운영방안 구현하는데 효과를 올릴 수 있다.
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3.2 경제적 성과
범용적인 시스템을 구축하여 향후 유지보수 비용과 특히 전산에 관련한 고급인력이 필요하지 않아 전산화관리의 운영비용을 대폭 줄일 수 있다. 향후 정보입력처리 부분 의 매개체변경을 통해 운영프로그램과 인터페이스를 할 수 있도록 모듈화하여 업종별, 부서별 상황에 맞는 정보수집시스템 구현이 가능하다. 따라서 본 시스템에서 DB 항목과 프로그램의 필드항목만 수정하면 타사 프레스, 사출기 및 장치산업에도 적용할 수 있다.
3.3 사회적 성과
본사 및 지사형태인 타사업장에서도 인터넷을 통한 웹-모니터링 프로그램으로 업그 레이드를 할 때 현장방문에 대한 확인과 서류검색이 줄어 신속한 의사결정과 업무효 율이 증대될 것으로 본다. 또한 서류작성으로 인한 현장인원에게 부여한 기록 관리의 부담을 줄이게 하여 품질과 안정에 비중을 둘 수 있고 기업부담 비용 및 사고에 따른 의료부담을 줄일 수 있을 것이다.
4. 결 론
많은 중소제조업체에서 전산화를 구축하고자 노력을 기울려 왔으나, 빈번히 실행하 다가 중도에 포기 및 비효율적으로 운영하고 있다. 본 연구과제에서는 이러한 문제점 을 파악하여 현장의 정보를 사무실 관리에서 필요한 것으로 만들기 위한 방안을 모색 하고자 하였다. 실시간정보를 위해서는 인력의 손을 거치지 않고 설비에서 센서를 통 해 데이터전송을 통해 실시간적으로 정보를 저장하는 방안과 기존의 액셀을 통한 분 석로직을 프로그램으로 구성하여 관리자가 원하는 정보를 신속하고 정확하게 출력할 수 있도록 하였다. 특히 누적관리를 통해 작업자의 숙련도 관리, 금형의 이력과 카운 트를 통해 품질예측시스템으로도 응용이 가능하였다.
본 연구에서 제안한 시스템은 MS-윈도우상에서 운영되도록 하였으며, 윈도우 버전 에 따른 DB호환의 문제점이 발생하였으며, 향후에는 이러한 문제점을 해결하기 위한 방안과 인터넷 웹-운영프로그램의 확대를 통해 PDA전송, 홈페이지 연계시스템으로도 확장하고, 최근에는 스마트폰 어플리케이션인 앱프로그램 개발이 필요하다.
5. 참 고 문 헌
[1] 박주식, “실시간적인 CBMS(Condition Based Management System) 연구”, 한국생 산성학회, 2000년 하계학술대회
[2] 정영득, “SBR구조의 지능형 오수처리시설제어장치 구현”, 대한산업공학회 추계학술대회, 2007.
[3] http://www.machineinfo.co.kr
