MES Integration with Business Planning and Logistics

Level 3 Equipment Hierarchy

MES and Production Operations Management

Detailed Production Scheduling

Production Dispatching

Production Execution Management

Production Data Collection

Production Tracking

Production Resource Management

Product Definition Management

Production Performance Analysis

Other Manufacturing Activities

Level 3-4 Boundary

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25.1 서론

​Manufacturing Execution Systems & Business Integration 제조 실행 시스템과 비즈니스 통합

자동화는 단순히 장비 제어에서 끝나는 것이 아니라, 생산 영역 전반에 걸쳐 인력, 장비, 자재를 관리하는 상위 수준의 제어까지 포함됩니다. 제조 기업의 효율성은 장비 제어 능력만으로 평가되지 않습니다. 제조 기업은 최대 성과를 달성하기 위해 서로 다른 제어 시스템 간에 인력, 자재, 장비를 효과적으로 조정하고 제어할 수 있어야 합니다.

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이러한 기능은 일반적으로 소프트웨어 시스템과 문서화된 절차를 통해 수행되며, 이를 통칭하여 제조 실행 시스템 (manufacturing execution system, MES) 계층이라고 부릅니다. MES는 자동화 제어 시스템 위에 위치하며, 기업의 비즈니스 시스템 수준 아래에 존재하고, 특정 사이트나 영역에 국한된 다양한 기능 집합을 정의합니다. 본 장에서는 MES 계층의 기능과 이러한 기능이 기업의 다른 비즈니스 시스템과 어떻게 통합되는지를 설명합니다.

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ANSI/ISA-95.00.03-2005 – Enterprise-Control System Integration, Part 3: Models of Manufacturing Operations Management 표준은 제조 조직 내 활동을 5개 수준으로 정의합니다. 자동화 및 제어는 그 중 하나의 수준을 지원하며, MES는 그보다 상위 수준을 지원합니다. 이는 그림 25-1에 나타나 있습니다.

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  • Level 0은 실제 물리적 공정을 정의합니다.

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  • Level 1은 물리적 공정을 감지하고 조작하는 활동을 정의합니다. Level 1의 요소는 자동화 시스템의 제어 기능에 연결된 센서 (sensors)와 액추에이터 (actuators)입니다.

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  • Level 2는 물리적 공정을 모니터링하고 제어하는 활동을 정의하며, 자동화 시스템에서는 장비 제어 (equipment control) 및 장비 모니터링 (equipment monitoring)을 포함합니다. Level 2의 자동화 및 제어 시스템은 반초 단위 (subseconds)의 실시간 응답을 가지며, 일반적으로 프로그래머블 로직 컨트롤러 (PLC), 분산 제어 시스템 (DCS), 개방형 제어 시스템 (OCS)으로 구현됩니다.

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  • Level 3은 원하는 최종 제품을 생산하기 위해 생산 자원을 조정하는 활동을 정의합니다. 여기에는 레시피 실행을 통한 작업 흐름 제어 (work-flow control) 및 절차 제어 (procedural control)가 포함됩니다. Level 3은 일반적으로 일, 교대, 시간, 분, 초 단위의 시간 프레임에서 작동합니다. 또한 유지보수 기능, 품질 보증 및 실험실 기능, 재고 이동 기능도 포함되며, 이를 통칭하여 제조 운영 관리 (Manufacturing Operations Management)라고 합니다. 생산과 직접 관련된 Level 3 기능은 일반적으로 제조 실행 시스템 (MES)을 통해 자동화됩니다.

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  • Level 4는 제조 조직을 관리하는 비즈니스 관련 활동을 정의합니다. 제조 관련 활동에는 기본적인 공장 일정 수립 (예: 자재 사용, 납품, 출하), 재고 수준 결정, 물류 제어 (logistics control), 자재 재고 제어 (material inventory control)가 포함되며, 이는 자재가 적시에 적절한 장소에 도달하도록 보장하는 역할을 합니다. Level 4는 비즈니스 계획 및 물류 (Business Planning and Logistics)라고 하며, 일반적으로 월, 주, 일 단위의 시간 프레임에서 작동합니다. 기업 자원 계획 (ERP) 물류 시스템은 Level 4 기능을 자동화하는 데 사용됩니다.

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각 수준은 고유한 형태의 제어 기능을 가지고 있으며, 각 수준은 실시간 (real-time)에 대한 정의도 다릅니다. Level 3 시스템에서는 실시간이란 현장 이벤트 발생 후 몇 초 이내에 정보를 사용할 수 있는 것을 의미합니다. 반면 Level 4 시스템에서는 실시간이란 물류 및 자재 정보가 하루 단위 또는 교대 종료 후 몇 시간 이내에 제공되는 것을 의미합니다.

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25.2 MES와 비즈니스 계획 및 물류의 통합

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ANSI/ISA-95.00.01-2000 – Enterprise-Control System Integration Part 1: Models and Terminology 및 ANSI/ISA-95.00.02-2001 – Enterprise-Control System Integration Part 2: Object Model Attributes 표준은 Level 3 시스템과 Level 4 시스템 간 인터페이스에 사용되는 용어를 정의합니다. 이 정보는 생산 활동을 지시하고 생산 결과를 보고하는 데 사용됩니다.

교환되는 정보에 대한 공식 데이터 모델은 다음과 같습니다:

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  • 인력 클래스, 개인, 자격 시험 정보 (Personnel Class, Person, and Qualification Test Information) 생산에 참여하는 개인 및 인력 클래스(역할)를 정의합니다. 이 정보는 생산 기록의 일부로 특정 개인과 생산을 연관시키거나, 인력 클래스를 기준으로 생산 비용을 배분하는 데 사용될 수 있습니다.

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  • 장비 클래스, 장비, 성능 시험 정보 (Equipment Class, Equipment, and Capability Test Information) 생산에 사용되는 장비 및 장비 클래스를 정의합니다. 이 정보는 특정 장비와 생산을 연관시키거나, 장비 클래스를 기준으로 생산 일정을 계획하고 비용을 배분하는 데 사용될 수 있습니다.

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  • 자재 클래스, 자재 정의, 자재 로트, 자재 서브로트, 품질 시험 정보 (Material Class, Material Definition, Material Lot, Material Sublot, and QA Test Information) 생산에 관련된 로트, 서브로트, 자재 정의 및 자재 클래스를 정의합니다. 이 정보는 Level 3 및 Level 4 시스템이 생산 일정에 명시된 자재와 실제 생산에서 소비되거나 생산된 자재를 명확하게 식별할 수 있도록 합니다.

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  • 공정 세그먼트 정보 (Process Segment Information) 생산에 정보를 보내거나 생산으로부터 정보를 수신해야 하는 Level 4 비즈니스 프로세스를 기반으로 한 생산의 비즈니스 관점을 정의합니다. 예시로는 설정 세그먼트, 검사 세그먼트, 생산 세그먼트, 정리 세그먼트 등이 있습니다.

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  • 제품 정의 정보 (Product Definition Information) 제품을 생산하기 위해 필요한 자재, 장비, 인력 및 작업 지침을 정의합니다. 여기에는 제품 생산에 필요한 자재의 수량과 종류를 포함하는 제조 명세서 (Manufacturing Bill, BOM의 하위 집합)가 포함됩니다. 또한 각 생산 세그먼트에서 필요한 경로와 자원을 정의하는 제품 세그먼트도 포함됩니다.

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  • 생산 능력 정보 (Production Capability Information) 현재 및 미래 시점에서 생산이 제공할 수 있는 능력과 용량을 정의합니다. 능력 및 용량 정보는 Level 4의 일정 계획과 Level 3의 상세 생산 일정 계획 모두에 필요합니다.

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  • 생산 일정 정보 (Production Schedule Information) 어떤 제품을 생산할 것인지 명시합니다. 여기에는 각 생산 세그먼트에 사용할 특정 인력 또는 역할, 장비 또는 장비 클래스, 생산될 자재 로트 또는 자재 클래스, 소비될 자재 로트 또는 자재 클래스의 정의가 포함될 수 있습니다.

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  • 생산 성과 정보 (Production Performance Information) 실제로 생산된 내용을 명시합니다. 여기에는 각 생산 세그먼트에서 실제로 사용된 인력 또는 인력 클래스, 실제로 사용된 장비 또는 장비 클래스, 실제로 소비된 자재 로트 및 수량, 실제로 생산된 자재 로트 및 수량의 정의가 포함될 수 있습니다.

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25.3 Level 3 장비 계층 구조

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그림 25-2는 ANSI/ISA-95.00.03-2005 – Enterprise-Control System Integration, Part 3: Models of Manufacturing Operations Management 표준에서 정의된 장비 및 조직 계층 구조를 보여줍니다.

Level 4의 ERP 물류 시스템은 일반적으로 전체 기업 및 그에 속한 사이트들을 조정하고 관리하지만, 경우에 따라 영역 (area) 또는 작업 센터 (work center) 수준까지 일정을 계획할 수도 있습니다. 반면, Level 3의 MES 시스템은 영역, 작업 센터, 작업 단위 (work unit)를 조정하고 일정 계획을 수립하는 역할을 수행합니다.

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장비 계층 구조는 ANSI/ISA-88.01-1995 배치 제어 표준에서 정의된 장비 계층 구조를 확장한 것으로, 연속 생산 (continuous production), 개별 생산 (discrete production), 재고 저장 및 이동 (inventory storage and movement)에 사용되는 장비 유형을 포함하도록 구성되어 있습니다. 이 장비 계층 구조는 장비, 자동화 제어, 수동 제어의 조직화를 위한 표준 명명 규칙 (naming convention)을 제공합니다.

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25.4 MES와 생산 운영 관리

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그림 25-3은 사이트 및 영역에서 수행되는 다양한 Level 3 생산 중심 기능을 보여줍니다. 그림의 각 원은 생산 일정이 실제 생산으로 전환되는 과정에서 생산 시설 내에서 발생하는 활동 집합을 나타냅니다. 이는 비즈니스 측의 생산 요구사항이 어떻게 현장 활동을 조정하고 제어하는 데 사용되는지를 설명합니다. 상단의 네 개 화살표는 비즈니스 물류 시스템과 교환되는 이전에 정의된 정보를 나타냅니다.

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생산 모델은 비즈니스 측에서 작성되어 생산 현장으로 전달되는 생산 일정에 의해 구동됩니다. 이 생산 일정은 상세 생산 일정 활동에서 사용되며, 생산 작업 지시서 (production work order)를 포함하는 상세 일정을 정의합니다. 작업 지시서는 시간 및 이벤트에 따라 작업 센터 (work center)와 작업 단위 (work unit)로 전송되며, 작업 지시서가 실행되고 생산 데이터 수집 활동에서 데이터가 수집됩니다.

(참고: 배치 시스템에서는 제어 레시피 (control recipe)가 작업 지시서에 해당합니다.)

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수집된 데이터는 생산 추적 활동에서 사용되며, 시간 기반 정보와 작업 지시서 정보를 연계하여 생산 성과 및 추적 정보를 생성합니다. 수집된 데이터와 추적 정보는 생산 분석 기능에서 사용되어 보고서 및 핵심 성과 지표 (Key Performance Indicators, KPIs)를 생성합니다.

현재 및 미래의 생산 가능성에 대한 정보는 생산 자원 관리 활동을 통해 비즈니스 일정 계획 시스템에 제공됩니다. 제품 정의 정보는 레시피, 절차, 자재 명세서 (Bill of Material, BOM), 작업 경로 (work routing)를 포함하며, 이는 제품 정의 관리 활동에서 관리됩니다.

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25.5 상세 생산 일정 계획

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이 활동은 생산 일정과 현장 자원 정보를 활용하여 상세한 생산 일정을 생성하는 작업입니다. 자동화된 프로세스로 구현될 수도 있지만, 많은 플랜트에서는 숙련된 생산 계획자나 생산 계획 담당자가 수동으로 일정을 수립합니다. 자동화 시스템은 때때로 플랜트 수준의 고급 계획 및 최적화 시스템 (advanced planning and optimization systems)이라고도 불립니다.

이 활동의 핵심 요소는 비즈니스 일정보다 더 세분화된 수준에서 작업 할당 및 자재 흐름을 상세하게 계획하는 것입니다. Level 4 일정이 영역 및 작업 센터 수준에서 작업을 계획하는 반면, 상세 생산 일정은 작업 센터 및 작업 단위 수준에서 작업을 계획합니다.

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25.5.1 생산 지시 (Production Dispatching)

상세 생산 일정이 수립되면, 해당 일정은 생산 라인 (production lines), 공정 셀 (process cells), 생산 단위 (production units), 저장 구역 (storage zones)으로 지시됩니다. 이는 감독자가 일일 일정을 수령하여 작업을 기술자에게 지시하는 형태일 수도 있고, 자동화 시스템이 배치 및 생산 실행을 관리하는 캠페인 관리 (campaign management)를 수행하는 형태일 수도 있습니다.

생산 지시에는 상세 생산 일정에서 예상하지 못한 조건을 처리하는 작업도 포함됩니다. 이러한 상황에서는 작업 흐름 (workflow) 및 버퍼 (buffer)를 관리하는 판단이 필요할 수 있으며, 예상치 못한 조건은 유지보수 운영 관리 (maintenance operations management), 품질 운영 관리 (quality operations management), 또는 재고 운영 관리 (inventory operations management)로 전달되어야 할 수도 있습니다. 이 기능은 MES의 핵심 기능 중 하나입니다.

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25.5.1 생산 지시 관리 (Production Dispatching)

상세 생산 일정이 수립되면, 해당 일정은 생산 라인 (production lines), 공정 셀 (process cells), 생산 단위 (production units), 저장 구역 (storage zones)으로 지시됩니다. 이는 감독자가 일일 일정을 수령하여 작업을 기술자에게 지시하는 형태일 수도 있고, 자동화 시스템이 배치 및 생산 실행을 관리하는 캠페인 관리 (campaign management)를 수행하는 형태일 수도 있습니다.

생산 지시에는 상세 생산 일정에서 예상하지 못한 조건을 처리하는 작업도 포함됩니다. 이러한 상황에서는 작업 흐름 (workflow) 및 버퍼 (buffer)를 관리하는 판단이 필요할 수 있으며, 예상치 못한 조건은 유지보수 운영 관리 (maintenance operations management), 품질 운영 관리 (quality operations management), 또는 재고 운영 관리 (inventory operations management)로 전달되어야 할 수도 있습니다.

이 기능은 MES의 핵심 기능 중 하나입니다.

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25.5.2 생산 실행 관리 (Production Execution Management)

생산 실행 관리 활동은 지시된 작업 요청을 수신하고, 종이 기반 시스템, MES 시스템 또는 레시피 실행 시스템 (recipe execution systems)을 사용하여 실제 작업 실행을 조정하고 제어합니다. 여기에는 레시피의 절차적 논리 실행 및 작업 흐름 지침을 작업자에게 표시하는 작업이 포함될 수 있습니다.

이 활동은 배치 또는 생산 실행과 같은 작업 단위를 선택하고 시작하며, 적절한 작업 순서를 따라 이동시켜 실제로 제품을 생산하는 과정을 포함합니다. 실제 장비 제어는 Level 2 기능에 해당합니다. 생산 실행 관리는 MES 시스템의 핵심 기능 중 하나이지만, DCS 시스템이나 배치 실행 시스템에서 레시피 또는 수동 작업 흐름 지침 시스템을 통해 수행될 수도 있습니다.

Level 3에서 Level 2로의 정보 흐름에 대한 표준은 ANSI/ISA-88.01-1995, OPC, Fieldbus 표준에서 정의되어 있습니다.

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25.5.3 생산 데이터 수집 (Production Data Collection)

생산 데이터 수집은 특정 작업 단위 (배치 또는 생산 실행)에 대한 생산 데이터를 수집, 정리, 관리하는 활동입니다. 제조 제어 시스템은 일반적으로 수량 (무게, 단위 등), 특성 (속도, 온도 등), 장비 정보 (컨트롤러, 센서, 액추에이터 상태 등)와 같은 공정 정보를 처리합니다.

수집된 생산 데이터에는 센서 판독값, 장비 상태, 이벤트 데이터, 작업자 입력 데이터, 거래 데이터, 작업자 행동, 메시지, 모델 계산 결과 및 제품 생산에 중요한 기타 데이터가 포함됩니다. 수집된 데이터는 본질적으로 시간 또는 이벤트 기반이며, 시간 또는 이벤트 정보가 추가되어 수집된 정보에 맥락을 부여합니다.

이 정보는 제품 분석, 생산 분석, 공정 분석 등 다양한 분석 활동에 제공됩니다. 실시간 데이터 기록 시스템 (real-time data historians) 및 자동 배치 기록 로깅 시스템 (automated batch record logging systems)은 이 활동을 지원합니다.

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25.5.4 생산 추적 (Production Tracking)

생산 추적 활동은 센서 및 장비 데이터를 배치 및 생산 실행과 같은 할당된 작업과 연계된 정보로 변환하며, 생산에 사용된 장비, 자재, 인력에 대한 추적 정보로도 변환합니다. 생산 추적은 또한 비즈니스 활동에 보고되는 정보를 통합하고 요약합니다.

이 기능은 MES의 핵심 기능 중 하나입니다. 자동화 시스템이 사용되는 경우, 일반적으로 데이터 기록 시스템 및 배치 기록 로깅 시스템과 연동됩니다.

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25.5.5 생산 자원 관리 (Production Resource Management)

자원 관리 활동은 인력, 자재, 장비 등의 생산 자원의 가용성을 모니터링합니다. 이 정보는 상세 생산 일정 계획 및 비즈니스 물류 계획에서 사용됩니다. 이 활동은 계획된 유지보수, 휴가 일정, 자재 주문 상태 및 납기일 등의 정보를 활용하여 현재 및 미래의 예측된 가용성을 고려합니다.

이 활동에는 Kanban과 같은 자재 재주문 기능도 포함될 수 있습니다. Kanban은 다음 공정의 수요 알림에 따라 부품 및 하위 조립품을 생산하는 적시 생산 (just-in-time production) 운영의 일부로 사용되는 자재 관리 시스템입니다. 일본어로 “표지판”을 의미하는 Kanban은 일반적으로 재주문 카드 또는 실제 사용량에 기반한 자재 생산을 유도하는 다른 방식으로 사용됩니다.

자원 관리는 일반적으로 수작업, 자동화, 데이터베이스 관리가 혼합된 운영 방식입니다. 자원 관리는 로컬 자원 예약 시스템을 포함할 수 있으며, 인력, 장비, 자재 등 각 자원 유형별로 별도의 예약 시스템이 존재할 수 있습니다. 이 기능 역시 MES의 핵심 기능 중 하나입니다.

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25.5.6 제품 정의 관리 (Product Definition Management)

제품 정의 관리에는 제품 정의와 관련된 활동이 포함됩니다. 여기에는 레시피 (recipes), 작업 지침서 (work instructions), 조립 지침서 (assembly instructions), 표준 작업 절차서 (standard operating procedures), 그리고 생산 과정에서 제품을 제조하거나 조립하는 데 사용되는 기타 정보가 포함됩니다. 이 기능은 MES의 핵심 기능 중 하나입니다.

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25.5.7 생산 성과 분석 (Production Performance Analysis)

생산, 공정, 제품에 대한 분석과 관련된 활동은 생산 성과 분석으로 정의됩니다. 이러한 활동은 일반적으로 오프라인에서 수행되며, 화학적 또는 물리적 시뮬레이션, 양호 및 불량 생산 실행 분석, 생산 지연 및 병목 현상 분석 등을 통해 공정을 개선할 방법을 모색합니다.

생산 성과 분석에는 성과 지표 (performance indicators), 선행 및 후행 행동 예측 지표의 계산도 포함됩니다. 이러한 활동은 플랜트 데이터 기록 시스템 (plant data historians)에 수집된 정보를 주요하게 활용합니다. 생산, 공정, 제품 분석을 위한 도구는 종종 별도로 존재하며, 도구의 구성은 연속 생산 (continuous), 개별 생산 (discrete), 배치 생산 (batch) 등 생산 유형에 따라 달라집니다.

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25.6 기타 제조 활동 (Other Manufacturing Activities)

위에서 설명한 항목들은 생산 시설의 모든 활동을 정의하는 것은 아닙니다. 다음과 같은 추가적인 운영 관리 활동들도 존재합니다:

  • 유지보수 운영 관리 (Maintenance Operations Management)
  • 장비, 도구 및 관련 자산을 제조에 사용할 수 있도록 유지하기 위한 기능을 조정, 지시, 추적하는 활동입니다.
  • 품질 운영 관리 (Quality Operations Management)
  • 품질을 측정하고 보고하는 기능을 조정, 지시, 추적하는 활동입니다. 품질 운영 관리의 범위는 중간 제품 및 최종 제품의 품질을 보장하기 위한 품질 활동과 그 활동의 관리까지 포함합니다.
  • 재고 운영 관리 (Inventory Operations Management)
  • 작업 센터 간 및 작업 센터 내 자재 이동 기능을 조정, 지시, 추적하며, 자재의 위치 및 상태에 대한 정보를 관리하는 활동입니다.

제조 운영에는 제조에 특화된 인프라 활동도 필요하며, 이는 제조 기업의 다른 부문에서도 요구되는 요소일 수 있습니다. 인프라 활동에는 다음이 포함됩니다:

a) 제조 운영 내 보안 관리

b) 제조 운영 내 정보 관리

c) 제조 운영 내 구성 관리

d) 제조 운영 내 문서 관리

e) 제조 운영 내 규제 준수 관리

f) 제조 운영 내 사고 및 이탈 관리

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25.7 Level 3–4 경계

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어떤 활동이 Level 4에서 관리되어야 하는지, 아니면 Level 3, 2, 또는 1에서 관리되어야 하는지를 판단하기 위해 적용할 수 있는 네 가지 규칙이 있습니다. 다음 조건 중 하나라도 충족하면서 해당 활동이 제조에 직접적으로 관련되고, 인력, 장비 또는 자재에 대한 정보를 포함한다면, 그 활동은 Level 3 이하에서 관리되어야 합니다:

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a) 해당 활동이 플랜트의 안전에 중요할 경우

b) 해당 활동이 플랜트의 신뢰성에 중요할 경우

c) 해당 활동이 플랜트의 효율성에 중요할 경우

d) 해당 활동이 제품 품질에 중요할 경우

e) 해당 활동이 제품 또는 환경 관련 규제 준수를 유지하는 데 중요할 경우

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※ 참고: 여기에는 안전, 환경, 그리고 cGMP (current good manufacturing practices, 최신 우수 제조 기준) 준수와 같은 요소들이 포함됩니다.

이러한 기준에 따라, 앞서 정의된 일부 Level 3 활동은 운영이 아닌 물류의 일부로 수행될 수도 있습니다. 일반적으로 이는 상세 생산 일정 계획 및 생산 지시 활동과 관련됩니다.

MES 시스템의 범위는 위의 규칙을 각 사이트 또는 사이트 내의 영역에 적용하여 결정됩니다.