자동차산업에서의 Descrete event Simulation

(주)아이·이 시스템즈는 미국의 시뮬레이션 전문업체인 Auto Simuletion사가 개발한 제조 및 물류시스템 전용의 3차원 시뮬레이션 소프트웨어인 Automod와 Finlte Capacity Plannig & Scheduling 소프트웨어 Autosched를 국내에 공급하고 있다.

자동차 업계에서는 수년간 Discrete Event Simulation을 이용하여 자동차를 제작하기 위한 여러 생산시스템들의 생산능력(Capability)을 연구, 검토해 왔다. Simulation Model이 구축되어지면 시스템이 현장에 구축되었을 때 발생할 수 있는 문제점을 사전에 발견할 수 있을 뿐만 아니라 그 시스템에 대한 생산능력을 파악할 수 있게 된다.
대표적인 예로 Chrysler사는 DCT Welding이라는 Simulation 컨설팅회사와 Michigan Troy의 Assembly 공장과 98년 LH 차체용접과 조립설계에 관한 Simu-lation 컨설팅 계약을 체결했다.
Chrysler사는 그동안 많은 생산을 거치면서 차체 용접라인은 생산장비에 대한 혁신적인 수정 없이는 더 이상 원하는 생산량을 맞출 수 없다고 판단했다. 이를 위한 Chrysler의 목표는 모든 프로젝트를 시간당 70개의 작업으로 구축하는 것이었다. 그리고 설계단계에 Discrete Event Simulation Tool인 AutoMod를 이용하여 이 목표를 성취하였다. Chrysler의 Engineer Supervisor인 Kris Hinchman은 “이제껏 우리의 선택 중 최고의 결정" 이라는 말로 만족감을 표시했다.

Traditional Approach Reqires Rework
차체용접 시스템 구축의 고전적인 방법은 매뉴얼에 적힌 설계개념을 그대로 적용하여 개발하는 방법과 설비 공급자에서 제안하는 시스템을 도입하여 구축하는 방법, 공장내의 기존 시스템의 재건축 등을 포함한다. 그리고 일반적으로 공정시간이 가장 긴 부분의 작업에 최종적으로 상호충돌에 대한 방지, 높은 신뢰성, 생산효율을 보장하기 위하여 재점검 및 작업을 하는 것이다. 그러나 이러한 작업들은 매뉴얼로 설명하기에는 너무 복잡하다. 그 동안의 많은 생산정책은 원래의 시스템(그것이 설계 문서에 정확하게 동작하더라도)을 생산목표에 도달시키기에는 무리가 있었다. 과거의 일반적인 LH 차체 용접시스템은 시간당 70개의 작업을 수행해야 했던 작업을 시간당 26개의 작업만 수행했다.
DCT 관리자는 이러한 현상을 방지하기 위해서, 공학적인 세부묘사가 가능하고 빠른 속도의 모델구현이 가능한 AutoMod Software를 선택하였다. AutoMod를 사용함으로 DCT는 0.01인치의 정확도를 포함한 물리적 거리측정과 Conveyor 시스템을 포함한 이상적인 자동 이동장치의 시뮬레이션이 가능해졌다.
초기 높은 수준의 시뮬레이션 기간동안 DCT 엔지니어들은 그들의 초기 접근방식이 모든 로봇의 용접 동작들에까지 도달할 수 없음을 알았다. 그것에 대한 간단한 해답은 Pick Up 작업을 위한 로봇을 좀 더 추가하는 것이었다.
그러나 Simulation은 이와 같은 접근방법이 문제점을 내포하고 있음을 보여주었다. 여분의 로봇들은 대부분의 시간에 Down되어 있었고, 추가된 로봇들은 생산량을 향상시키지 못하고, 오히려 시스템의 성능을 하락시켰다. DCT 엔지니어들은 시스템으로부터 로봇들을 제거했고, 각각의 로봇에 할당되던 동작들을 증가시켰다. 이렇게 많은 설비의 감소는 필요한 생산량에 도달하는 생산성의 향상을 가져왔다. 그러나 이러한 접근은 직관적으로 판단할 수 없는 것이므로 AutoMod 시뮬레이션의 통계적 증명 없이는 이해하기 매우 어렵고 검증하기 어려웠음이 틀림없었을 것이다.
DCT와 Chrysler 엔지니어들은 시뮬레이션의 정확도를 높이기 위하여 기존 장비들의 Uptime과 Downtime을 모델의 입력 데이터로 사용하여 Line의 성능을 검증하였다. 그들은 몇개의 주요장비 Downtime이 전체 Line Down을 야기시킴을 알아냈다. 그래서 현존 Line의 비슷한 장비의 Downtime 값이 시뮬레이션의 변수로 도입되었고, 그리고 그 변수들은 Line의 생산량에 결정적인 영향을 가져왔다. 엔지니어들은 다양한 위치의 버퍼장소를 측정할 수 있었고, 이러한 버퍼들은 주요 장비들이 Down 되었어도 주요 생산물을 생산할 수 있도록 하여 주었다.
마지막 시뮬레이션은 시간당 70개의 작업을 쉽게 달성하도록 하는 것이었고 결과는 아주 성공적이었다. AutoMod 시뮬레이션을 통한 조립 Line의 검증은 Line 가동시점의 엔지니어링 공정의 연속라인과 실 생산전 4개월간의 가상생산을 성공적으로 이끌어 주었다. 그리고 이것은 이 분야에서 누구도 듣지 못한 업적이 되었다. 자동차 공정은 크게 보면 프레스, 차체, 도장, 조립으로 분류되어지며 이러한 각 분류별 적용범위 및 효용성은 다음과 같다.

프레스
프레스공장을 설계할 때의 목표는 필요한 고가장비에 대한 투자를 최소화하고 원활한 물류시스템이 되도록 설계하는 것이다. 즉, 필요한 프레스 기계의 수가 얼마인지, 어떻게 설비들이 구성되어야 하는지를 결정할 때 도움을 준다.
시뮬레이션을 이용하여 Stamping공장의 생산성과 각각의 설비에 대한 가동률 예측, Fork Truck 및 자동화된 이송설비들에 의한 설비간의 부품의 이송능력을 실험 검증하여 수동 혹은 자동화된 이송설비들에 대한 최적의 배치를 결정할 수 있도록 도움을 준다.
또한 Stamping 공장이 가동 중일때는 각각의 장비 및 작업자에 대한 적절한 작업계획이 생산량에 중요한 영향을 미치게 되는데, Setup Time, Tool Fixture, 예방정비, 그리고 다른 요소들도 Stamping공장 생산성에 영향을 줍니다. 시뮬레이션을 기초로 한 스케줄링은 각각의 설비들과 작업자들이 따라야 할 Sequencing 문제를 위한 해답을 제시하여 줄 자세한 모델링을 할 수 있게 한다.

차체
차체 공장에서의 Simulation은 제품 Life Cycle의 Concept, Design 및 Build 단계에서 새로운 공구 및 이송장치들이 생산량에 미치는 영향을 연구하는데 도움을 준다.
차체 공장 시스템을 시뮬레이션 하기 위하여 일반적으로 2가지의 방법이 사용되고 있다. 첫번째는 차체공장을 Station-Level로 Simulation Model을 작성하는 것이고, 두번째는 Line 또는 Subassembly-Level로 Simulation Model을 작성하는 것이다.

1.Station-level
Station-level의 Simulation Model은 Subassembly Area의 독립적인 생산능력을 분석하는데 사용되어 진다. 각 Station의 Cycle Time과 Downtime들을 Simulation Model에 입력하여, Subassembly Area의 생산량이 산출된다. 산출된 Subassembly Area의 생산량은 직접 Body Shop의 목표치와 비교하여 볼 수 있다. Subassembly의 생산량은 전체 Body Shop의 생산량(Throughput)보다 커야만 한다. 이를 만족시키지 못할 경우, 새로운 Subassembly Area의 설계가 필요하게 될 수 있다.
만약 Station에서 복잡한 수작업이 발생되면, 이러한 수작업들도 Station-Level의 Simulation Model안에 포함시킬 수 있다. 또한 작업자의 보행시간, Pickup 시간, Downtime의 설정 등을 Simulation Model 입력하여 Subassembly Area를 위한 각각의 Station에서 요구되는 Cycle Time을 확인할 수 있다.

2. Subassembly-level
Subassembly Area를 위한 Station-Level의 분석이 진행되는 동안 Line-Level의 Model을 개발할 수 있다. 각각의 Subassembly Model들에서 추정된 생산량들을 Line-Level Model에 입력하고 상세한 Conveyor System을 추가 Modeling한다. Subassem-bly들과 Conveyor System들간의 상호작용을 분석하여 Body Shop내에서 병목현상을 발생시키는 Subassembly군(群) 또는 개별적인 Subassembly를 확인할 수 있도록 한다. 이후 병목현상이 발생되는 Subassembly간의 Buffer를 증가시키고, 병목현상이 없는 부분은 Buffer를 감소시켜 Conveyor 시스템의 크기를 정하게 된다. 이러한 과정이 설계단계에서 계속된다.
또 다른 하나의 Simulation에 의한 접근방법은 모든 Subassembly Model들을 하나의 커다란 Model로 합병시키는 것이다. Subassembly 또는 Conveyor의 Layout이 변경될 때마다 Model을 갱신하여 전체 차체공장시스템을 분석할 수 있도록 하는 것이다.
전체 차체 공장모델은 시스템 내에 존재하는 Operation Parameter들에 의해 미치는 영향을 분석할 때도 사용된다. Operation Parameter는 PM, MTTR의 증감, Batch 크기 정도, 잔업시간 등이 될 수 있다. 이러한 Operation Parameter들을 변경하여 이것이 전체 차체공장 시스템에 미치는 영향 등을 확인하여 시스템 성능의 향상을 꾀할 수 있는 기회가 생기며, 투자 우선순위 결정에도 도움을 줄 수 있다.

도장
자동차 도장공장을 시뮬레이션 할 때, 그 초점은 일반적으로 도장공정들을 경유하는 부품들을 이송하는 Power-and-Free Conveyor 시스템에 맞추어진다. Power-and-Free Conveyor 시스템은 “dog"라 불리는 갈고리 모양의 기계장치에 의해 움직이는 Chain에 고정되는 Carrier들로 구성되어 있으며, 이는 일반적인 Conveyor System과 다르다. 두 개의 다른 속도의 Chain을 병합하여 사용할 때, Carrier는 축적(Accumulate)될 수 있으며, 새로운 Chain의 dog에 의해서 Pickup 된다.
Chain에는 두가지 종류가 있다. Pro-duction Chain(Low Speed)과 Transport Chain(High Speed)이 그것이며 Production Chain은 부품이 도장되는 동안 사용되고, Transport Chain은 다른 Production Areas 사이에 부품을 이송하기 위하여 사용한다.
이러한 도장공장의 시스템들은 설계 초기단계에서 설계된 Power-and-Free Conveyor의 Layout이 생산목표량에 맞출 수 있는지를 시뮬레이션하여 평가되어 진다.
즉, 시뮬레이션에 의해 필요한 Carrier의 수가 얼마인지, 어떻게 Chain들을 연결시키고, 이송시 올바로 작동할 것인지, 적절히 축적(Accumulation)되고 있는지를 획인할 수 있다.
또한 Paint 시스템이 가동중일 때, 현재의 라인에 각각의 차체들과 도장 타입이 혼류 투입될 경우에 발생되는 영향을 예측하기 위하여도 사용될 수 있다. 수년동안 자동차모델이 변경되고, 도장 Option이 급격히 증가함에 따라 변화하는 요구에 발맞추기 위해 기존의 도장 Line을 수정하는 것은 필수적인 것이 되었으며, 시뮬레이션은 이미 설치되어 있는 라인을 변경하기에 앞서, 변경요구를 수용하기전에 평가를 미리 하여보는 “시험대(test bed)"를 제공한다. 이것은 라인변경 기간동안에 시스템의 Downtime을 줄이고, 또한 작업자들과 관리자들에게 확신을 가지고 라인변경에 임할 수 있도록 하여 준다.

조립
조립공장의 Trim/Chassis/Final(TCF)시스템은 모든 부품들이 완전한 자동차의 모양을 갖추기 위해 조립되는 곳이다. 시뮬레이션은 모든 조립공장의 Sub-System들이 상호작용에 의하여 미치게 될 영향을 확인하고, 그 공장의 생산능력이 얼마나 될 것인가를 예측하는데 도움을 준다.
일반적으로 TCF 공장은 서로 다른 Cycle Time을 가진 작업들간의 적체를 해소하기 위하여 작업장 간에 Buffer들, 수작업과 자동화된 조립공정이 모두 포함되어 있다.
TCF 시스템의 설계단계에서 Layout은 제품흐름의 효율을 예측하기 위하여 평가되어야 한다. 부품들은 일반적으로 적시에 공급받고, 조립라인에 즉각적으로 배달되며, 이를 위해 부품의 투입구들과 라인 사이에는 원활하고 효율적인 흐름이 중요하다.
시뮬레이션은 동적(Dynamic) 조건하에서 Line Balance를 평가하기 위해 이용된다. TCF 시스템내의 대부분의 수작업 및 모든 작업의 Cycle Time들은 근소하게 차이가 있을 것이다. 시뮬레이션은 실제의 공장에 존재하는 여러가지 불확실성의 변수(Randomness)들을 표현할 수 있으며, 이로 인한 라인내의 각각의 작업들 사이에 상호영향을 분석하는데 도움을 주게 된다.
또한 작업위치들 사이의 Buffering 문제도 역시 시뮬레이션에 의해서 미리 평가하여 볼 수 있다. 시뮬레이션에 의한 결정된 Buffer들은 작업자들에게 충분한 일거리를 마련해주고, 그로 인해 조립라인의 작업자들은 가능한 한 작업의 방해 없이 작업할 수 있게 된다.
이와같이 시뮬레이션은 자동차 생산라인에서 고가 가공기계의 투자를 위한 적정수량의 결정, 라인간의 이송장치에 대한 Layout의 검증, 제품 Life Cycle의 Concept, Design, Build 단계에서 새로운 장비, Conveyor 그리고 자재 운반이 생산량에 미치는 영향조사 등 수많은 의사결정 상황에 직면하였을 때 의사결정을 위해 보다 정확하고 정량적인 정보를 제공하여 준다.
이것은 비단 자동차 산업에만 국한된 것은 아니다. 신규 및 증설라인에 대해 설계단계에서 사전에 시스템을 점검하고, 기존의 각 제조라인에 잠재되어 있는 문제점을 검출, 이를 해결하기 위한 아이디어를 컴퓨터를 통해 가상의 공장에서 실험, 검증한다면 시설투자 및 변경비용에 대한 혁신적인 절감은 물론 생산성 향상까지 동시에 달성할 수 있을 것이다.