EPLAN 기반의 전기 시스템 설계 환경

- 이플랜코리아 컨설팅부 김홍열 부장 -

1. 수주형 양산 산업 설계 환경의 특징

수주형 양산이라는 어떻게 보면 이율 배반적인 용어를 가진 산업군에 속하는 산업 분야는 의외로 많다. 통상적으로 시장에 잘 알려진 설비 및 장비 산업 분야가 이러한 산업군에 속하는데 대표적으로 승강기 산업이나 공작 기계 산업 등이 이러한 산업군에 속한다. 이러한 산업군을 양산 산업으로 정의하는 이유는 새로운 발주에 대응하는 방식이 Engineering To Order(ETO) 방식이 아닌 Configuration To Order(CTO) 방식을 따르고 있기 때문이다. 즉, 새로운 발주가 있을 경우 새로운 설계를 통해 대응을 하는 방식이 아니라 기존에 이미 준비되어 있는 설계의 조합을 통해 발주에 대응하는 방식으로 공용 도면에 표현된 옵션 및 용량별 구성에 따라 생산을 하거나, 또는 공용 도면을 기반으로 옵션 및 용량에 따라 파생 도면을 신규로 작성하여 생산을 하는 방식을 따른다.

또한 공용 도면 사용 방식을 따르든 파생 도면 작성 방식을 따르든 옵션 및 용량 등에 대한 선택은 발주 시 지정된 선택에 따르는 데서 수주형의 특징을 동시에 가지고 있기도 하다. 엔지니어링이라는 관점에서 이러한 수주형 양산 산업군과 다른 산업군과의 차이점을 도식화하면 <그림 1>과 같다.
 

2. 수주형 양산 산업의 엔지니어링 업무 흐름  특징

수주형 양산 산업은 통상적으로 <그림 2>와 같은 엔지니어링 업무 흐름을 따르며 이러한 엔지니어링 업무 흐름에서 다른 산업군과 차별화되는 특징은 다음과 같다. 첫째, 수주형 양산 산업의 승인은 통상적으로 도면을 대상으로 하지 않고 생산된 제품을 대상으로 하므로 고객사의 도면 승인 절차가 없는 경우가 많아 대부분의 회사에서 자체적인 사내 표준을 수립하고 이를 도면에 반영하는 방식을 따른다. 따라서 사내 표준을 적절히 수립하고 지속적으로 이를 설계에 반영할 방안이 필요하다. 전통적으로 이러한 표준을 관리하는 방식은 문서화를 통해 사내 표준으로 등록하고 관리자가 사내 표준을 따르도록 관리, 감독하는 것이다.

하지만 문서가 가진 서로 다른 해석의 가능성, 그리고 관리 감독 자체가 추가적인 업무가 된다는 현실은 이러한 사내 표준을 사문화 시키는 중요한 이유 중 하나이다. 둘째, 신규 모델 혹은 제품의 전개는 기능별 공용 도면의 조합을 통해 이루어지게 된다. 이러한 조합 방식은 앞서 언급한 바와 같이 두 가지 방식이 있는데, <그림 3>과 같이 조합에 대해 표 형태로 미리 도면에 삽입하여 반영하는 공용 도면 활용 방식 또는 공용 도면을 기반으로 파생 도면을 신규로 작성하는 방식이 있다. 어떠한 방식을 사용하든 수주형 양산 산업에 있어 가장 큰 고통 중 하나는 이러한 도면과 생산의 연계성 확보에서 발생한다.

설계 입장에서는 공용 도면 활용 방식이 가장 유리한 방식이다. 옵션이나 용량이 바뀔 때마다 신규 도면을 작성해야 하는 경우의 도면 작성 시간과 비교하여 공용 도면 작성에 필요한 시간은 상대적으로 많지 않으며, 무엇보다 설계 변경 사유가 발생하였을 경우 이를 일괄 반영하기 용이한 방식이다. 반대로 생산 입장에서는 공용 도면 활용 방식이 가장 불리한 방식이다. 옵션이나 용량이 바뀌어 생산을 할 때마다 항상 공용 도면을 보고 어떤 정보를 적용하여 생산할지를 결정해야 하기 때문에 시간적, 품질적인 손실이 발생하게 된다. 파생 도면을 신규로 작성하는 방식은 반대로 설계 입장에서 가장 불리한 방식이다. 옵션이나 용량이 바뀔 때마다 매번 도면을 신규로 작성하여 배포하여야 하기 때문에 설계 입장에서는 역시 상당한 손실이 따르지만 생산 입장에서는 매번 생산 시 생산에 필요한 명쾌한 정보만이 배포됨으로써 가장 효과적인 방식이 된다

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셋째, <그림 1>에 표현된 다른 산업군과는 달리 수주형 양산 산업군은 양산에 근접한 산업군으로 통상적으로 프로토타입 제작 및 시험을 거친 후 양산에 착수하게 된다.
프로토타입 제작 및 시험은 양산에 앞서 설계 과정에서의 오류와 문제점을 미리 확인하기 위한 목적으로 수행된다. 품질 확보를 위해서는 이러한 프로토타입 제작과 시험을 반드시 거쳐야 하겠지만, 여기에는 제작 및 시험을 위한 시간과 비용이 필요하게 된다.

따라서 한 차례의 프로토타입 제작과 시험은 불가피하다 하더라도 그 과정 중에 문제점 발생과 수정으로 인해 두 차례 이상 이러한 과정을 반복하는 것은 결론적으로 품질 확보를 위해 시간과 비용을 희생시키는 결과를 낳게 된다. 또한 회로도와 2D 배치도 수준의 부족하고 불확실한 설계 정보를 이용하여 제작에 착수하고 그 때 그때의 상황에 맞추어 프로토타입 제작이 이루어지는 경우, 프로토타입에서 검증된 결과가 실제 양산에서는 달라지는 치명적인 결과를 야기할 수도 있다. 

3. EPLAN 기반의 설계 환경 혁신을 통한 수주형 양산 산업 설계 업무의 개선

앞서 살펴 본 바와 같이 수주형 양산 산업의 설계는 그 특수성으로 인해 다른 산업과 차별화되는 3가지 문제점을 가진다. 본 기고문에서는 이러한 문제점을 해결하기 위한 방안을 <표 1>과 같이 제안한다.
 

3.1. 템플릿 기반의 설계와 형상 관리

템플릿 기반 설계는 앞서 언급한 문서 기반의 사내 표준을 대체할 수 있는 방법으로서 <그림 4>와 같이 회사 표준에 반영되어 있는 표시, 심볼, 양식 등의 요소들을 데이터화하여 하나로 패키지화 한 형태를 말한다.

설계자는 이러한 템플릿을 기본 요소로 하여 설계 프로젝트를 시작하고 템플릿을 통해 사내 표준에 해당하는 데이터가 직접적으로 제공되기 때문에 문서를 매개체로 하는 경우와는 달리 해석의 여지가 없는 설계 표준 적용이 이루어지게 되며 표준 적용의 정확성 역시 보장될 수 있다. 특히 이러한 요소들의 개정이 개별적으로 발생할 때 템플릿 단위의 패키지화는 더 효과적으로 활용될 수 있다. 템플릿 단위가 아닌 개별 데이터 단위의 배포가 이루어졌을 때 각 데이터별 최신 개정을 지속적으로 관리하는 것으로 쉽지 않은 일이기 때문이다. 템플릿 기반 설계가 설계자 관점에서 사내 표준을 유지할 수 있는 방법이라면 관리자 관점에서 이러한 사내 표준의 유지 및 관리 방안은 형상 관리를 통해 확보될 수 있다. EPLAN에서 제공하는 <그림 5>와 같은 프로젝트 관리 기능은 아래와 같은 형상 관리 기능을 제공한다.

첫째, 프로젝트 관리 기능을 통해 실제 도면이 포함되어 있는 프로젝트 파일을 열지 않고도 프로젝트의 전역 속성 정보와 어떤 템플릿을 기반으로 설계가 이루어졌는지 직관적으로 확인할 수 있다. 둘째, EPLAN 프로젝트 관리 기능은 형상 관리의 가장 중요한 두 가지 요소인 비교 기능과 동기화 기능을 제공한다. 비교 기능은 서로 다른 프로젝트 혹은 템플릿을 자동으로 비교하여 그 차이점만을 표시할 수 있는 기능으로서 변경 내용 파악을 위한 자동화된 기능을 제공하며, 동기화 기능은 서로 템플릿이 가지고 있는 개별적인 구성 요소에 대해 제공하는 업데이트 기능으로서 변경 혹은 개정이 필요할 때 역시 자동화된 기능을 제공한다. 셋째, EPLAN 프로젝트 관리 기능을 통해 기존에 수행된 프로젝트로부터 템플릿을 생성하거나, 반대로 템플릿을 이용하여 프로젝트를 생성할 수 있다. 특히 복수 개의 사내 표준이 유지되어야 하는 경우 이러한 기능은 효과적으로 활용될 수 있다.   

3.2. 공용 데이터 관리와 공용 도면/파생 도면 자동 생성 환경

생산을 위해 공용 도면을 직접적으로 활용하든지, 아니면 공용 도면을 기반으로 하여 매번 새로운 도면을 작성하든지 그 이면에는 공용 데이터가 존재하고 있다. 이러한 공용 데이터를 직접적으로 도면에 반영하면 공용 도면이 되고, 이러한 공용 데이터에서 특정 옵션 혹은 용량에 해당하는 일부를 추출하여 도면을 작성하면 파생 도면이 작성된다. 결국 동일한 데이터를 기반으로 하여 데이터의 어느 부분까지를 사용하느냐 그리고 어떤 방식으로 표현하느냐에 따라 설계에 유리한 방식과 생산에 유리한 방식으로 나뉘게 되는 것이다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 가장 이상적인 방법은 설계 입장에서 공용 도면이 아닌 공용 데이터를 관리하여 개정 등 도면 관리의 측면에서는 공용 도면을 작성하고 생산을 위해서는 옵션 및 용량을 지정한 파생 도면을 작성하는 것이다. 물론 이러한 두 가지 유형의 도면을 모두 사람 손에 의존하여 작성해야 한다면 업무상 불가능한 일이 되겠지만 EPLAN의 설계 자동화 솔루션인 EEC-one을 이용하면 설계 및 생산 양측에 모두 유리한 도면을 자동으로 생성 할 수 있다.  

<그림 6>에서와 같이 이러한 도면 자동 생성 환경은 설계를 위한 공용 데이터를 관리하면서, 사용자 인터페이스를 통해 사용자가 지정한 특정 옵션 혹은 용량에 따른 데이터 혹은 공용 도면을 위한 데이터를 자동으로 추출하여 EEC-one의 인터페이스 수단인 Typical 파일에 자동으로 삽입하게 된다(공용 도면을 영문으로 Typical Drawing으로 표현하는 것과 같이 Typical의 의미는 공용의 의미로 사용될 수 있다).
 

이렇게 Typical 파일에 삽입된 데이터를 기반으로 EEC-one은 해당하는 매크로 삽입과 위치 지정 객체 변수 지정을 통해 도면을 생성하게 된다. 물론 도면이 생성되기 전에 표준 데이터가 되는 템플릿을 지정함으로써 사내 표준의 적용 역시 자동으로 이루어지게 된다. 또한 이러한 도면 자동 생성 환경은 사용자 인터페이스와 더불어 생산 의뢰 시스템 등과 같은 전사 시스템과 연동이 가능하기 때문에 생산 의뢰 데이터를 기반으로 도면을 자동으로 생성하는 것과 같이 시스템 간의 결합을 통한 도면 자동 생성 환경 역시 구축할 수 있다.

3.3. 도면의 사전 자동 검토

어떤 회사에서나 프로토타입 제작 및 시험에 앞서 도면의 정합성에 대한 사전 검토를 수행한다. 이러한 사전 검토는 논리적인 오류 검토와 엔지니어링적인 오류 검토로 구분할 수 있다. 논리적인 오류는 어떤 경우든지 적용되어야 하는 오류에 대한 사전 검토 항목으로 설계 결과 자체에 모순이 있는 경우가 여기에 해당한다.  예를 들어 터미널 블록의 단자 번호가 중복된다든지, 4개의 접점만이 제공되는 릴레이의 접점이 5개 표현되어 있다든지, 전기적으로 절연되어야 하는 서로 다른 전원의 상이 전기적으로 접속되어 있다든지 하는 경우가 여기에 해당한다.

결국 이러한 오류는 프로토타입 제작 및 시험 시에 접점의 부족을 통한 설계의 변경, 차단기의 트립 등과 같은 문제를 야기할 수 있기 때문에 사전에 이러한 오류에 대한 검증을 완료하고 프로토타입 제작 및 시험에 착수하는 것이 시행착오를 최소화할 수 있는 방법이다. 통상적인 CAD를 이용하여 설계를 하는 경우 이러한 오류 검증을 관리자의 검토와 같이 사람에 의해 수행할 수 밖에 없기 때문에 완전성을 보장할 수 없고 또한 검토 자체를 위한 추가적인 시간이 소비되게 된다. 

EPLAN에서는 자동화된 기능을 통해 이런 오류를 데이터 자체의 비교, 예를 들어 부품 데이터와 설계 데이터의 비교, 그리고 전위 정의와 전위 접속 관계의 비교를 통해 쉽고 완벽하게 확인할 수 있다. 관리적인 측면에서는 어떠한 오류를 검증 대상으로 할지, 그리고 그러한 오류를 어떤 방식으로 관리할지 (예를 들어 도면 작성 후의 검증 항목으로 할지 아니면 설계 과정 중에 이러한 오류를 사전에 방지하도록 할 것인지) 등을 하나의 검증 기준으로 설정하여 관리 및 배포할 수 있는 기능을 제공한다.
 

엔지니어링적인 오류 검증 역시 EPLAN의 기능 확장을 통해 자동화할 수 있다. 논리적 오류 검토와는 달리 엔지니어링적인 오류 검토는 회사별로 표준이 상이할 수 있다. 예를 들어 동일한 부하에 적용되는 차단기나 전선의 경우에도 어떤 환경 조건에서 사용되는지, 그리고 정격 전류 대비 얼마의 여유를 가지고 설계하는지의 기준은 회사별로 각각 다를 수 있기 때문이다. 이러한 검증 항목은 예를 들어 표 2와 같이 구성할 수 있다.

<표 2>의 예시에서 제시된 검증 항목은 회사별 설계 기준에 따라 검증 기준을 설정하고 데이터의 복합적인 연산 및 비교, 분석을 통해 수행할 수 있으며 API(Application Program Interface)를 구현한다.

 
3.4. 3D 설계 도입을 통한 가상의 프로토타입 환경

판넬 설계에 있어 3D 설계를 도입하는 가장 큰 목적은 아마도 가상의 프로토타입 제작을 사전에 수행할 수 있기 때문일 것이다. 2D 상에서는 확인하기 어려운 간섭 및 이격 거리 확보의 확인과 배선 경로에 따른 케이블 덕트 용적률 확인 등이 이러한 가상의 프로토타입 제작을 통해 확인할 수 있는 대표적인 항목일 것이다. <그림 8>과 같이 EPLAN의 판넬 3D 설계 환경인 Pro-panel은 이러한 목적으로 사전 설정 값을 기준으로 경고 상황이 발생할 경우 설계자에게 경고를 해주는 기능을 포함하고 있기 때문에 좀 더 편리한 환경에서 이러한 확인을 수행할 수 있다.

뿐만 아니라 이러한 3D 설계를 통해 회로 설계와 2D 배치 설계를 통해서는 확보하기 어려운 상세한 설계 정보를 확보하여 프로토타입 제작에서 양산까지 일관된 생산이 이루어지도록 할 수 있다. 첫째, <그림 9>와 같이 3D 설계에 반영되는 케이블 덕트, 부탁 레일 등과 같이 회로도 상에 반영이 되지 않는 부자재를 회로도에 사용되는 부품과 통합하여 관리할 수 있다. 이러한 부품 통합 관리 기능을 통해 부자재 수준까지 정확한 설계 정보를 확보할 수 있으며, 추가적으로 이를 기준으로 하여 부자재 소요량 파악을 지원함으로써 투명한 원가 산출에도 기여하게 된다.

둘째, EPLAN Pro-panel은 EPLAN Electric P8에서 설계된 회로도와 연계되어 설계를 수행할 수 있는 기능을 제공한다. 즉 회로도에 어떤 장치가 배치되어 있는지, 그리고 이러한 장치간의 연결 관계는 어떻게 되는지에 대한 정보를 설계자가 회로도와 별도로 3D 설계 환경에 반영하는 시간과 실수 가능성을 최소화하기 위해 장치 리스트를 통한 Drag & Drop 방식의 배치를 지원하고 회로도의 연결 관계를 기반으로 자동으로 최적의 경로를 선정하여 배치된 장치 사이의 연결 배선을 자동으로 생성하여 준다. 이러한 기능을 통해 장치 간의 연결 경로 등과 같이 수작업으로 수행할 경우 확보하기 위해 긴 시간을 투입해야 하는 정보를 손쉽게 얻을 수 있다.

셋째, 앞에서 언급한 지원 기능을 통해 확보한 상세한 설계 정보는 생산용 데이터로 자동 생성이 가능하다. 경로 설계가 완료된 개별 전선의 가공 정보나 이러한 개별 전선의 묶음 단위인 번들에 관한 생산용 데이터를 자동 생성함으로써 판넬에 들어가는 전선 묶음(통상적으로 하네스로 칭하기도 한다)을 사전 생산해 생산 효율을 향상시키고, 또 일정한 배선 경로를 지정함으로써 프로토타입에서부터 양산까지 항상 동일한 기준의 생산품을 확보할 수 있다. 뿐만 아니라 이러한 생산용 데이터는 특정 가공 머신용 데이터의 자동 생산으로 확대 운영할 수 있기 때문에 설계 데이터를 바로 생산 데이터로 연계하여 활용할 수 있는 최적의 생산 환경을 구축할 수 있다.

4. 결론

통상적인 CAD를 활용하는 환경에서 수주형 양산 산업군의 업무 특성에 따른 여러 가지 문제점들은 어쩔 수 없이 사람이 개입해 해결할 수 밖에 없는 문제들로 인식되어 왔다. 하지만 이러한 업무가 가중될수록 현업 설계자는 설계 본연의 업무보다는 부서 간의 업무 협조, 현장에서의 제작 및 시험 등 부가적인 업무에 더 많은 시간을 빼앗길 수 밖에 없었고, 이러한 상황은 결론적으로 전기 분야 기술력 발전에 큰 저해 요소가 되어 왔다. 아직도 많은 경우 전기 시스템 설계자에게 엔지니어링적인 요소보다는 앞서 언급한 부가적인 요소가 강요되는 현실에서 전기 분야의 기술력 확보는 요원할 수 밖에 없을 것이다.
인더스트리 4.0, 제조업 혁신 전략 3.0 등의 혁신을 통한 경쟁력 확보라는 당면 과제를 위해 무엇이 설계자가 집중해야 하는 지적인 영역이고, 무엇이 시스템 혹은 환경 구축을 통해 해결해야 하는 영역인지에 대한 고민이 필요한 시기이다. 

자료제공 | 이플랜코리아(www.eplan.co.kr / www.ecae.co.kr)