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스마트폰과 여러 다른 기기들에 내장된, 작지만 강력한 반도체는 수백 가지 제조 단계를 거쳐 완성됩니다. 미세한 제조 공정에서, 세정제는 반도체가 높은 수준의 순도를 유지하는 데 핵심적인 역할을 합니다.
캘리포니아 헤이워드에 위치한 듀폰의 소규모 배치 생산 시설은 다양한 반도체 세정제를 제조합니다. 그런데 최근 몇 년 동안, 공장에서 사용하는 배치 제어 시스템이 노후화되어 속도가 느려지기 시작했습니다.
시스템에 대한 지원도 중단된 상태였습니다. 또한 알람 관리가 어려웠고 지속적으로 경고가 표시되어 작업자들을 번거롭게 하는 등 생산에 지장을 주는 문제들이 발생했습니다. 더 심각한 문제는, 시스템에 생산 공정에서 품질 제어 향상에 도움을 줄 수 있는 레시피 기반 자동화가 부족하다는 사실이 고객 감사를 통해 발견된 것입니다.
공장은 구형 배치 제어 시스템을 교체하느냐, 아니면 현 상태를 유지하며 한 달에 수천 달러의 손실을 감수하느냐 하는 선택의 기로에 섰습니다. 공장은 업그레이드를 하기로 결정했습니다. 업그레이드를 통해 품질 제어를 향상하는 것 이외에도 공장의 생산량을 늘려 새로운 매출을 창출하길 원했기 때문입니다.
업그레이드 필요
헤이워드 공장에 있는 구형 제어 시스템의 대부분은 수동으로 작동되고 있었습니다. 저장 탱크에서 혼합 탱크로 원료를 추가하는 일만 자동화되어 있었습니다. 드럼 펌프 스테이션과 고체 컨베이어 스테이션을 사용해 작업자들이 모든 다른 원료들을 추가했습니다. 또한 작업자들이 원료 혼합과 필터를 통한 순환 타이밍을 결정하고 제품 샘플을 수집했습니다. 원하는 제품이 완성되면, 작업자가 수동으로 포장 영역에 위치한 필링 스테이션으로 보냈습니다. 필링 스테이션에서 작업자들은 제품을 1~5 갤런 컨테이너에서 200갤런 토트까지 다양한 패키지로 배분했습니다.
이러한 수동 공정은 잠재적으로 오류가 발생할 위험이 존재했습니다. 예를 들어, 작업자가 원료를 15분 동안 혼합하려다 다른 작업을 하느라고 18분 동안 혼합을 하는 경우가 발생했습니다. 이러한 경우 품질 변동이 생길 수 있었습니다.
구형 시스템은 또한 생산에 지장을 주었습니다. 듀폰의 자동화 및 프로세스 제어 엔지니어링 컨설턴트인 낸시 기븐스(Nancy Givens)는 “밸브를 열고 닫을 때마다 HMI에 경고가 표시되도록 설정되어, 작업자가 밸브 3개를 열면, 경고 메시지 3개가 표시되었다”며 “이 때문에 작업자들은 번거로울 수 밖에 없었고 오류가 발생할 가능성이 있었다. 인터페이스가 복잡해져서 작업자가 엉뚱한 밸브를 열거나 닫을 수 있었기 때문”이라고 말했습니다.
알람 또한 문제였습니다. 구형 시스템은 직접 연결된 알람 설정점과 사용자가 수정할 수 있는 설정점이 혼합되어 있었습니다. 직접 연결된 알람은 관리가 어려웠고, 작업자는 특정 코드를 찾는 데 종종 애를 먹었습니다. 알람은 또한 우선순위 할당 같은 현대적인 모범 사례를 사용하지 않았습니다.
이러한 문제와 강력한 품질 제어에 대한 고객의 요구가 결합되어 제어 시스템 업그레이드가 필요해졌습니다.
1단계: 제어 업그레이드
기븐스는 시스템 통합업체인 테크노젼(TechKnowsion)과 듀폰의 글로벌 얼라이언스 공급업체인 로크웰 오토메이션과 함께 제어 업그레이드를 계획 및 실행했습니다. 팀은 2단계 접근 방식을 사용해 업그레이드를 수행했습니다.
첫 번째 단계에서는, 배치 시스템의 컨트롤러와 HMI를 PlantPAx 분산제어시스템(DCS)으로 교체했습니다. 이 작업에는 새로운 제어 코드의 요구사항을 파악하기 위해 기존 컨트롤러를 역엔지니어링하는 작업이 포함되었습니다. 기븐스는 “코드를 단순히 중복하거나 전환하는 것은 원치 않았다”며 “시스템의 기능 요구사항으로 다시 돌아가 깨끗하게 정리해 코드를 향상시킨 후, 그 코드를 듀폰이 수년 동안 고유한 니즈에 맞게 맞춤화해 온 PlantPAx 기반 프로세스 오브젝트 라이브러리에 통합했다”고 설명했습니다.
제어 시스템의 새로운 HMI는 최신 시각화 방식을 사용해 작업자에게 보다 효과적인 조회 경험을 제공합니다. 기븐스는 “기존 HMI는 여러 색상을 사용해 화면이 혼란스러워지는 경우가 있었다”며 “새로운 회색톤의 HMI는 핵심적인 문제는 빨간색으로 하이라이트에 작업자에게 알려준다. 새로운 HMI를 구현한 후, 현장에서 몇 가지 체크를 해 보았는데, 작업자가 아무 것도 놓치는 법이 없었고 항상 어디에 주의를 해야 하는지 알고 있었다”고 말합니다.
2단계: 배치 자동화
2단계에서는 로크웰 오토메이션팀이 듀폰과 직접 작업을 하며 완전한 레시피 제어와 순서 자동화가 가능하도록 FactoryTalk 배치 소프트웨어를 설정 및 설치했습니다.
기븐스와 팀은 배치 시스템 구현을 위한 프레임워크에 ISA S88 표준을 준수하길 원했습니다. 이를 위해 로크웰 오토메이션은 먼저 생산 장비에 대한 물리적 모델을 구축하고 자동화된 제조 단계에 대한 절차적 모델을 생성해야 했습니다. 이러한 단계는 다른 레시피가 필요할 때마다 사용할 수 있는 구성 요소의 역할을 합니다.
기븐스는 “배치 소프트웨어에 포함된 단계 관리 기능은 우리가 S88 표준을 명확하게 따를 수 있도록 해 주었다”며 “혼합이나 추가 등의 단계를 한 번만 설정하면 여러 번 재사용할 수 있게 되어 시간이 크게 절약되었다. 각 레시피마다 새로운 코드를 생성하는 것보다 훨씬 효율적이다”라고 말했습니다.
팀은 또한 배치 소프트웨어를 샘플링과 레시피 검토 같은 수동 공정에 사용했습니다. 소프트웨어는 자동화 단계와 수동 단계를 통합하여 두 단계 간에 원활한 운영 경험을 제공합니다. 기븐스는 “듀폰은 기업 전반에서 광범위하게 이 기능을 사용한다”며 “컨트롤러에 수동 프로세스 코드를 작성하는 것보다 구현하기가 더 쉽고 매끄럽다”고 설명했습니다.
마지막으로, 팀은 로크웰 오토메이션과 함께 공장의 저장 탱크의 원료를 추적해 주는 소프트웨어를 설치했습니다. 이 소프트웨어는 수동으로 재고를 추적해야 하는 종이 기반 로깅 시스템을 대체해 주었습니다.
소프트웨어는 또한 자동 탱크 전환 기능이 포함되어 있습니다. 기븐스는 “전에는 추가 단계에서 탱크에 원료가 떨어지면, 작업자가 그동안 얼마나 많은 원료가 추가되었는지를 일일이 추적해 탱크에 남은 원료의 잔여량을 계산했다”며 “이제, 소프트웨어가 필요한 원료의 잔여량을 계산하고 탱크를 전환하며 설정치에 도달할 때까지 원료를 추가한다”고 말했습니다.
품질 제어 및 생산량
새로운 자동화 시스템은 예정된 다운타임을 이용해 1주일 이내에 구현되었습니다. 업그레이드를 통해, 공장은 노후화된 플랫폼에서 완전히 지원되는 플랫폼으로 이동했습니다. 이외에도, 새로운 HMI는 작업자들을 괴롭혔던 잦은 경고 표시 문제와 알람 관리 문제를 해결해 주었습니다.
로크웰 오토메이션의 프로세스 오브젝트 라이브러리는 설계, 설정 및 구현 시간을 줄여 줍니다. 실제로, 기븐스는 라이브러리 덕분에 프로그래밍 설정 시간이 40%가량 절감되었다고 추정합니다. 지금도, 새로운 시스템은 효과적으로 가동되고 있고, 라이브러리는 지속적으로 효율성 혜택을 제공하고 있습니다.
기븐스는 “라이브러리는 유지 보수와 문제 해결에 도움이 된다”고 말합니다. “설명을 변경하기 위해 엔지니어링 워크스테이션이나 프로그래밍 소프트웨어를 열 필요가 없다. 페이스플레이트를 사용해 HMI에서 직접 변경할 수 있다. 혹시 밸브가 열리지 않으면, 작업자가 페이스플레이트를 열고 인터록 아이콘을 열면 무엇이 잘못되었는지 알 수 있다. 과거에는 밸브 인터록을 확인하려면 작업자가 화면을 설정해야 하고, 문제를 진단하려면 종이 문서를 뒤져야 했다. 이제 클릭 몇 번이면 대답을 찾을 수 있다.”
한편, 배치 소프트웨어 덕분에 공장은 낮은 수준의 자동화에서 자동화된 세정 공정이 포함된 완전한 배치 자동화로 전환되었습니다. 이는 공장이 듀폰 고객들이 원하는 수준의 품질 제어를 달성할 수 있게 해 주었습니다. 다른 생산 장치들 간에 조율을 향상하도록 소프트웨어를 수정한 후, 생산량도 획기적으로 증가했습니다.
