공정관리

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1. 개요

공정 관리는 제품의 납기, 수량, 제조 비용, 품질을 경제적이고 효율적으로 생산하기 위한 계획 및 관리 활동이다. 초기에는 물 관리 장치에서 발전하여, 산업 혁명 시기에 인적 조작을 기계화된 공정으로 대체하는 방향으로 발전했다. 1922년 니콜라스 미노르스키는 PID 제어 이론을 개발하여 연속적인 공정 관리에 대한 공식적인 제어 법칙을 확립했다. 공정 관리는 공정 계획, 작업 계열 계획, 부하 계획, 일정 계획, 작업 할당 및 지시, 진도 통제, 재계획 등의 기능을 수행하며, 생산 정보 관리, 생산 계획, 자재 계획 등과 밀접하게 관련되어 있다. 공정 관리는 배치, 연속, 하이브리드 공정의 제어 루프를 통해 경제적 이점을 창출하며, 효율성 향상으로 제품 사양 충족에 필요한 마진을 줄여 경쟁 우위를 확보한다.

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공정관리
개요
학문 분야	공학
하위 분야	제어 공학
응용 분야	자동화, 로봇 공학, 화학 공학, 기계 공학, 전기 공학, 시스템 생물학, 제어 시스템
공정 변수
종류	온도 압력 유량 액체 레벨 pH 점도 밀도
측정 장비	열전대 압력 변환기 유량계 레벨 트랜스미터 pH 센서 점도계 밀도계
제어 요소
종류	제어 밸브 펌프 송풍기 히터
제어 전략
기본 제어	피드백 제어 피드포워드 제어 캐스케이드 제어 비율 제어
고급 제어	모델 예측 제어 통계적 공정 관리 다변수 제어
제어 시스템
구성 요소	센서 전송기 컨트롤러 최종 제어 요소
제어 유형	분산 제어 시스템 (DCS) 프로그래머블 로직 컨트롤러 (PLC) 감독 제어 및 데이터 수집 (SCADA)
관련 개념
관련 개념	제어 루프 PID 제어기 공정 모델링 시스템 식별 자동화 산업 자동화 제어 시스템
활용 분야
활용 분야	화학 공장 정유 공장 발전소 폐수 처리장 식품 가공 공장 제지 공장 광업

2. 역사

과거에는 사람이 직접 밸브 등을 조작하는 방식으로 공정 관리가 이루어졌으나, 이는 많은 인력과 노력이 필요했고 정밀도도 낮았다. 1922년 니콜라스 미노르스키가 PID 제어 원리를 발표하고,^[5] 1936년 공기압식 PID 조절기가 개발되면서 공정 제어 자동화가 진행되었다. 초기에는 중앙 계측실에서 공기압 신호를 사용해 제어했지만, 전송 거리와 소형화에 한계가 있었다. 이후 전기 신호를 사용하는 전자식 계기로 전환되었고, 마이크로프로세서의 발전으로 분산 제어 시스템(DCS)이 개발되면서 컴퓨터 제어가 본격화되었다.^[8]

2. 1. 초기 발전

초기 공정 관리는 주로 물 관리 장치 형태로 발전했다. 기원전 3세기 알렉산드리아의 크테시비오스는 물시계의 수위를 조절하기 위한 부동 밸브를 발명했다. 서기 1세기 알렉산드리아의 헤론은 현대식 변기에 사용되는 채움 밸브와 유사한 물 밸브를 발명했다.^[4]

이후 공정 관리 발명에는 기본적인 물리학 원리가 포함되었다. 1620년 코르넬리스 드레벨은 용광로 온도를 제어하기 위한 바이메탈 온도 조절 장치를 발명했다. 1681년 드니 파팽은 용기 뚜껑 위에 추를 올려 용기 내부 압력을 조절할 수 있음을 발견했다.^[2] 1745년 에드먼드 리는 풍차 효율을 높이기 위해 후미를 만들었다. 후미는 큰 팬 90° 위치에 배치된 작은 풍차로, 풍차 면이 다가오는 바람을 직접 향하도록 유지했다.

1760년대 산업 혁명이 시작되면서, 공정 관리 발명은 인적 조작을 기계화된 공정으로 대체하는 것을 목표로 했다. 1784년 올리버 에반스는 양동이와 스크류 컨베이어를 사용해 작동하는 수력 제분기를 만들었다. 헨리 포드는 1910년 자동차 생산 공정에 조립 라인을 도입하여 인적 개입을 줄였다.^[2]

2. 2. 현대적 발전

니콜라스 미노르스키는 1922년에 PID 제어 이론을 개발하여 연속적인 공정 관리에 대한 공식적인 제어 법칙을 확립하였다.^[5] 미노르스키는 미국 해군을 위해 자동 선박 조종을 연구하면서, 선원이 배를 조종할 때 현재의 항로 오차뿐만 아니라 과거의 오차와 현재의 변화율까지 고려한다는 점에 착안하여 PID 제어의 기반을 마련하였다.^[6]^[7]

초기에는 공정 플랜트의 로컬 패널에서 제어가 이루어졌으나, 많은 인력이 필요하고 프로세스 전체를 파악하기 어려웠다. 이후 모든 플랜트 측정값을 중앙 제어실로 전송하는 방식이 도입되어 인력 절감과 프로세스 파악 용이성이 개선되었다. 그러나 각 제어 루프마다 별도의 제어기 하드웨어가 필요하여 유연성이 떨어졌다.

전자 프로세서와 그래픽 디스플레이의 등장으로 분산 제어 시스템(DCS)이 개발되었다.^[8] DCS는 개별 제어기를 컴퓨터 기반 알고리즘으로 대체하고, 플랜트 주변에 분산 배치하여 제어실에서 그래픽 디스플레이를 통해 프로세스를 감시하고 제어할 수 있게 하였다. 이는 플랜트 제어의 상호 연결 및 재구성을 용이하게 하고, 다른 생산 컴퓨터 시스템과의 인터페이싱을 가능하게 했다.

일본에서는 1936년 공기압식 PID 조절기가 개발된 이후 프로세스 제어 자동화가 진행되었으며, 중앙 계측실이 등장했지만 공기압 신호의 한계로 어려움을 겪었다. 이후 전자식 계기로 전환되었고, 1975년 마이크로프로세서 기반의 DCS 발표로 컴퓨터 제어 도입이 가속화되었다.

3. 목적

공정 관리의 목적은 제품의 납기, 수량, 제조 비용, 품질을 가장 경제적이고 능률적으로 생산하는 것이다. 이를 위해 기업의 생산 부문에서는 사람, 기계, 재료 등을 투입하여 제품을 생산할 때, 누가, 무엇을, 어디에서, 어떻게 할 것인가를 합리적으로 결정한다. 또한 제품의 흐름과 사람·기계의 생산 활동이라는 양면에서 생산 능률을 높이는 것을 목표로 한다. 여기서 생산 능률이란 재공품을 감소시키고 생산 기간을 단축하는 것을 의미하며, 사람과 기계의 가동률을 높이고 생산성을 증대시키는 것을 포함한다.^[1]

4. 기능

공정 관리는 다음과 같이 7가지 주요 기능으로 분류된다.

공정 계획: 주어진 설계 모형이나 도면에 따라 요구되는 품질의 제품을 생산하기 위한 가공 순서 및 방법을 계획한다.
작업 계열 계획: 공정에서 작업 할당, 작업 순서, 가공 순서를 계획하고, 생산 능력 균형 등을 검토한다.
부하 계획: 작업량과 납기를 검토하여 생산 능력과 대응시키고, 작업 계획을 수립한다.
일정 계획: 각 공정의 착수일과 완료일을 납기와 비교하여, 공정의 우선순위를 결정한다.
작업 할당 및 지시: 작업자와 설비에 작업을 할당하고, 작업 지시 및 작업 진도를 파악한다.
진도 통제 (독촉): 작업 완료 보고를 통해 작업 진도를 파악하고, 지연 작업에 대한 대책을 강구한다.
재계획: 진행 상황에 따라 일정 계획을 다시 조정하고, 납기 지연을 막기 위한 대책을 수립한다.^[1]

4. 1. 공정 계획

주어진 설계 모형이나 도면에 의하여, 요구되는 품질의 제품을 생산하기 위한 가공 순서·가공 방법을 계획한다. 가공 방법의 규정에는 사용 설비, 사용 공구, 품질 검사 기준 등이 포함되며, 이에 따라 공정 관리의 기술적 조건이 결정된다.

4. 2. 작업 계열 계획

공정에서의 작업 할당, 작업 순서, 가공 순서를 계획하고, 생산 공정의 능력 균형, 작업자의 능력과 작업량 등을 검토하여 작업의 경제성을 분석한다.

4. 3. 부하 계획

작업량과 납기를 검토하여 생산 능력과 대응시키고, 작업 계획(잔업 계획, 작업조 투입 계획)을 수립한다. 장기적으로는 공장의 능력 계획(설비 투자 계획, 인원 계획)에 활용된다.

4. 4. 일정 계획

각 공정의 착수일과 완료일을 납기와 비교하여, 공정의 우선순위를 결정한다.

4. 5. 작업 할당 및 지시

작업자와 설비에 작업을 할당하고, 작업 지시 및 작업 진도를 파악한다. 소일정계획에 따른 작업 준비 이행 여부, 실제 작업 소요 시간과 표준 시간을 검토하고 분석한다.

4. 6. 진도 통제 (독촉)

작업 완료 보고를 통해 작업 진도를 파악하고, 지연 작업에 대한 대책을 강구한다.

4. 7. 재계획

진행 상황에 따라 일정 계획을 다시 조정하고, 납기 지연을 막기 위한 대책을 수립한다.^[1]

5. 관련 기능

공정 관리와 밀접하게 관련된 기능으로는 생산 정보 관리, 생산 계획, 자재 소요 계획, 외주 관리, 능률 관리 등이 있으며, 이러한 관련 기능들의 적합성은 공정 관리의 원활한 수행을 위한 전제 조건이다.

6. 생산 형태와 공정 관리

대량생산공장의 공정관리는 시장생산에서 개발공정관리, 조달품의 견본과 조달방법 결정, 외주처 또는 구입처의 납품관리, 조립부문의 공정균형, 생산부문의 일정관리 등에 초점을 둔다.^[1]

6. 1. 대량 생산 공장

시장 생산에서 공정 관리의 초점은 다음과 같다.

개발 공정 관리
조달품 견본 및 조달 방법 결정
외주처 또는 구입처 납품 관리
조립 부문 공정 균형
생산 부문 일정 관리^[1]

6. 2. 대량 생산에 준한 공장

표준 견본에 의거하여 부품을 제조하고, 고객의 주문에 따라 제품을 생산하는 공장에서는 표준화된 부품의 견적 생산과 가공 부품의 재고 관리가 중심이 된다.

특히 공정 관리는 가공 부품의 재고 관리를 중심으로 다음과 같은 사항들이 중요하다.^[1]

주문품의 견본 결정
부품의 주문별 할당
조립 및 가공 관리
부품 제조 지령서 발급
부품 가공 공정 일정 관리
재료, 외주 또는 구입 부품의 납품 관리

6. 3. 개별 생산 공장

주문품 견본에 따라 제품 설계가 시작되므로, 공정 관리는 대일정 계획이 최초 관리 초점이 된다.^[1] 소일정 계획에서는 부품 발주, 공정 가공 순서, 작업 지시 및 진도 통제가 관리 대상이다.^[1]

7. 기본적 방법

공정 관리에는 공정 분석, 기준 일정법, 라인 밸런싱, 직장별 시뮬레이션 등 기본적인 방법이 사용된다.

7. 1. 공정 분석

제품의 제조 공정과 사무 작업의 흐름을 조사·분류·검토하는 기본적인 방법이다. 이를 위하여 공정별 작업 내용을 작업·검사·운반·정체 또는 저장의 4가지로 구분하고, 작업 공정·운반 경로·운반 방법·보관 방법·공정 편성·설비 및 인원의 배치를 분석하여 문제점을 발견하고 그 개선안을 모색한다.^[1] 공정 분석에 이용되는 기호는 [표 1]과 같고, 공정별 검토 항목은 [표 2]에서 보는 바와 같다.^[1]

7. 2. 기준 일정법

특정 공정의 표준 소요 일수를 설정하여 일정 계획을 수립하는 방법이다. 예를 들어 도금 공정 표준 일정을 2일, 조립 공정 표준 일정을 5일로 하면, 납기 10월 20일에 맞추어 조립 공정 착수일은 10월 16일, 도금 공정 착수일은 10월 14일이 되어야 한다.^[1]

기준 일정은 다음 요소로 구성된다.^[1]

순가공 시간: 가공 로트의 크기 × 표준 시간 + 준비 시간
대기 시간: 공정의 평균 대기 주문 수 × 주문 당 평균
공정 간 운반 시간
전표 처리 시간
여유 시간

기준 일정은 다음 방법으로 산출한다.^[1]

과거 경험에 의한 견적 방법
갠트 차트(Gantt chart)에 의한 분석법
대기 모델에 의한 방법

7. 3. 라인 밸런싱

작업자를 작업 현장에 균형 있게 배치하는 것을 검토하는 방법이다. 한 사람의 작업자에게 할당되는 작업량은 컨베이어 속도(택트 타임)에 따르며, 이는 소요 생산량 및 컨베이어의 조건에 따라 1차적으로 결정된다. 그 다음 작업량의 균형을 고려하여 라인 밸런싱 손실을 최소로 하는 방법을 검토한다.

라인 밸런싱을 검토하는 데에는 다음의 자료가 필요하다.

세부 작업명 및 작업 시간
작업 순서
작업 성질에 따른 고려 사항
작업 순서의 허용도
택트 타임

작업 할당 결과 나타나는 작업자의 유휴 시간과 실제 작업 시간의 비율은 밸런스 손실이라 하고, 이는 라인 밸런싱의 평가 기준이 된다.

7. 4. 직장별 시뮬레이션

시뮬레이션은 납기 관리 및 공정 가동률 향상을 위한 방법이다.^[1]

8. 제어 모델

임의의 공정 기본 모델을 결정하기 위해, 시스템의 입력과 출력은 다른 화학 공정과 다르게 정의된다.^[9] 균형 방정식은 물질 입력이 아닌 제어 입력과 출력에 의해 정의된다. 제어 모델은 시스템의 동작을 예측하는 데 사용되는 방정식의 집합이며, 변화에 대한 반응이 어떠할지 결정하는 데 도움을 줄 수 있다. 상태 변수(x)는 온도(에너지 균형), 부피(질량 균형) 또는 농도(성분 균형)와 같이 시스템의 상태를 잘 나타내는 측정 가능한 변수이다. 입력 변수(u)는 일반적으로 유량을 포함하는 지정된 변수이다.

들어오고 나가는 유량은 모두 제어 입력으로 간주된다. 제어 입력은 조작 변수, 교란 변수 또는 모니터링되지 않는 변수로 분류될 수 있다. 매개변수(p)는 일반적으로 용기 부피 또는 재료의 점도와 같이 시스템에 대해 고정된 물리적 제한 사항이다. 출력(y)은 시스템의 동작을 결정하는 데 사용되는 지표이다. 제어 출력은 측정, 비측정 또는 모니터링되지 않음으로 분류될 수 있다.

9. 제어 유형

공정은 배치, 연속, 하이브리드로 분류될 수 있다.^[10]

배치 공정은 특정 기간 동안 특정 방식으로 특정 양의 원자재를 결합하여 중간 또는 최종 결과를 생성해야 한다. 한 가지 예는 접착제와 풀의 생산으로, 일반적으로 일정 기간 동안 가열된 용기에서 원자재를 혼합하여 최종 제품의 양을 형성해야 한다. 다른 중요한 예로는 식품, 음료 및 의약품 생산이 있다. 배치 공정은 일반적으로 연간 상대적으로 적은 양에서 중간 양의 제품(몇 파운드에서 수백만 파운드)을 생산하는 데 사용된다.

연속 물리 시스템은 시간에 걸쳐 부드럽고 중단되지 않는 변수를 통해 표현된다. 예를 들어, 가열 자켓의 물 온도 제어는 연속 공정 제어의 한 예이다. 일부 중요한 연속 공정은 연료, 화학 물질 및 플라스틱 생산이다. 제조에서 연속 공정은 연간 매우 많은 양의 제품(수백만 파운드에서 수십억 파운드)을 생산하는 데 사용된다. 이러한 제어는 PID 제어기와 같은 피드백을 사용한다. PID 제어기는 비례, 적분 및 미분 제어기 기능을 포함한다.

배치 및 연속 공정 제어 요소를 모두 갖춘 응용 프로그램은 종종 하이브리드 응용 프로그램이라고 한다.

10. 제어 루프

연속 흐름 제어 루프의 예시. 신호는 산업 표준 4-20mA 전류 루프를 통해 이루어지며, "스마트" 밸브 위치 지정기는 제어 밸브가 올바르게 작동하도록 보장한다.

연속 교반 탱크 반응기의 레벨 제어 시스템의 예시. 탱크로의 유량 제어는 레벨 제어를 벗어나 계단식으로 연결된다.

모든 산업 제어 시스템의 기본 구성 요소는 하나의 공정 변수를 제어하는 제어 루프이다. 첨부된 그림은 파이프의 유량을 PID 제어기로 제어하는 예시를 보여준다. 이는 밸브 위치를 정확하게 보장하기 위한 밸브 서보 제어기 형태의 계단식 루프에 의해 지원된다.

일부 대규모 시스템은 수백 개 또는 수천 개의 제어 루프를 가질 수 있다. 복잡한 프로세스에서 루프는 상호 작용하므로, 하나의 루프 작동이 다른 루프 작동에 영향을 줄 수 있다. 제어 루프를 나타내는 시스템 다이어그램은 배관 및 계장 도면이다.

일반적으로 사용되는 제어 시스템으로는 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC), 분산 제어 시스템(DCS), SCADA가 있다.

제어 밸브가 탱크의 레벨을 유지하는 데 사용되는 경우, 레벨 제어기는 레벨 센서의 해당 판독값을 레벨 설정값과 비교하여 레벨을 일정하게 유지하기 위해 밸브 개방을 조절한다. 그런 다음 계단식 유량 제어기가 밸브 위치의 변화를 계산한다.

11. 경제적 이점

공정 제어의 효율성 향상은 제품 사양을 충족하는 데 필요한 마진을 줄여 경제적 이점을 가져온다.^[2] 이는 공정에서 교란의 영향을 최소화하도록 공정 제어를 개선함으로써 수행할 수 있다. 효율성은 분산을 좁히고 목표를 이동하는 두 단계의 방법으로 개선된다.^[2] 마진은 다양한 공정 업그레이드(예: 장비 업그레이드, 향상된 제어 방법 등)를 통해 좁힐 수 있다. 마진이 좁혀지면 공정에 대한 경제적 분석을 수행하여 설정점 목표를 어떻게 이동할지 결정할 수 있다. 덜 보수적인 공정 설정점은 경제적 효율성을 높인다.^[2] 효과적인 공정 제어 전략은 이를 사용하는 제조업체의 경쟁 우위를 높인다.

참조

_[1] 간행물 Computational Intelligence Techniques for Sustainable Supply Chain Management Elsevier 2024-05-24
_[2] 웹사이트 A Guide To Statistical Process Control https://redmeters.co[...] 2021-03-29
_[3] 서적 Control Engineering Longman Publishing Group
_[4] 서적 A Real Time Approach to Process Control John Wiley & Sons Inc. 2014
_[5] 논문 Directional stability of automatically steered bodies
_[6] 서적 A History of Control Engineering 1930-1955 https://books.google[...] Peter Peregrinus Ltd. On behalf of the Institution of Electrical Engineers
_[7] 논문 A brief history of automatic control http://ieeecss.org/C[...] 2018-03-25
_[8] 웹사이트 Reliance Electric Automax PLC 57C435A {{!}} Automation Industrial https://57c435a.com/[...] 2023-12-14
_[9] 서적 Process control: Modeling, Design, and Simulation Prentice Hall PTR 2003
_[10] 웹사이트 Difference between Continuous and Batch Process | Continuous vs Batch Process | MindsMapped https://www.mindsmap[...]
_[11] 논문 Process Control for the Process Industries - Part 2: Steady State Characteristics 2017-03
_[12] 백과 공정관리 https://terms.naver.[...] 두산백과

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