EPLAN 기반의 반도체/디스플레이 장치 산업 최적 전기 시스템 설계 환경

수주 장비 산업군의 대표 주자인 반도체/디스플레이 장치 산업군의 전기 시스템 엔지니어링 업무는 다른 산업군과는 다른 특성을 가지고 있다.

반도체/디스플레이 장치 산업군은 전기 시스템 설계 기준이 되는 장비 자체가 수주에 따라 그 사양 및 기능이 일정 부분 달라지기에 그러한 장비에 맞춰 전기 시스템 설계 역시 변동성을 갖게 된다.

1. 반도체/디스플레이 장치 설계 환경의 특징

국내 수주 장비 산업군의 대표 주자인 반도체/디스플레이 장치 산업군의 전기 시스템 엔지니어링 업무는 다른 산업군과는 다른 독특한 특성을 가진다.
수배전반 등 수주형 모듈 공급 산업 군에 해당하는 판넬 산업군이나 공작 기계 등 수주형이지만 양산 체계를 가지고 있는 산업군처럼 공용 도면 체계를 유지할 수 있는 환경도 아니며, 또 반대로 완전히 처음부터 새로 설계해야하는 FA 등 시스템 설계 산업군과도 다른 특성을 가진다. 반도체/디스플레이 장치 산업군은 이러한 양산에 근접한 산업군과 시스템 산업군의 중간 정도에 위치해 있다고 할 수 있는데 전기 시스템 설계의 기준이 되는 장비 자체가 수주에 따라 그 사양 및 기능이 일정 부분 달라지기 때문에 그러한 장비에 맞추어 전기 시스템 설계 역시 변동성을 가지게 된다.

물론 장비의 특성상 그 변화의 정도가 FA 등과 같은 시스템 전체에 비해서는 높지 않기 때문에 매 프로젝트마다 기존 프로젝트를 기반으로 설계 변경 개발을 한다는 표현이 어울릴 수 있다. 반도체/디스플레이 장치 산업군 외에 대표적으로 자동차 공장의 프레스 공정처럼 특정 공정 산업도 유사한 특성을 가진다. 엔지니어링이라는 관점에서 반도체/디스플레이 장치 산업과 다른 산업군의 차이점을 도식화하면 <그림 1>과 같다.
 

2. 반도체/디스플레이 장치 엔지니어링 업무 흐름의 특징

반도체/디스플레이 장치 산업은 통상적으로 <그림 2>와 같은 엔지니어링 업무 흐름을 따르며, 이러한 엔지니어링 업무 흐름에서 다른 산업군과 차별화되는 특징은 다음과 같다.
 

첫째, 반도체/디스플레이 장치 산업은 새로운 프로젝트가 시작되면 장비 사양과 SEMI-22, IEC 60204-1 등 안전 인증 관련 규격에 대한 기준이 정해진다. 앞서 언급한 바와 같이 장비 사양이 기존 프로젝트와 변동성이 있다고 하지만 동일한 부분이 더 많고, 안전 인증에 관한 요구 사항도 새로울 것이 없다. 따라서 기존에 이미 개발된 설계 데이터를 어떻게 효과적으로 재활용 할 수 있는지는 이후 업무 흐름의 효율성을 결정하는 가장 중요한 요소가 된다.

따라서 재활용이 편리한 프로젝트 구조와 재활용을 위한 적절한 수단을 통한 체계적인 재활용 환경 구축이 요구되지만, 현실의 업무에서는 대부분의 경우 설계자의 임의 판단과 수행에 의해 이러한 재활용이 이루어지는 것이 현실이다.

결국에 설계자가 충분한 기술적인 역량과 경험이 있는 경우 크게 문제되지 않을 수 있겠지만, 반대로 얘기하면 재활용이라는 중요한 업무를 설계자 개인의 역량과 경험에 의존하여 방치하는 상황이라고 볼 수 있다. 

둘째, 이렇게 재활용을 위한 설계 데이터가 준비되면 이러한 데이터는 도면에 반영되고 도면 간의 조합을 통해 설계를 수행하게 되며, 이렇게 준비된 설계 도면은 고객사에 제출을 통해 최종 승인이 이루어지게 된다.

또한 승인을 위한 고객사의 도면 검토 결과에 따라 설계 변경이 발생하는 경우도 있다. 이 과정에서 설계 자체 업무가 아닌 도면 표현 그 자체를 위한 업무가 발생하게 된다. 예를 들어 페이지 번호를 삽입하거나, 심볼을 변경하거나, 또는 도면상의 위치를 표시하는 것과 같은 업무들은 설계 그 자체의 업무라기보다는 단순히 도면의 표현을 기계적으로 수정하는 업무라고 할 수 있다.
이러한 기계적인 업무가 전체 설계 시간에서 차지하는 시간은 예상외로 높은 비중을 차지하여 전체 업무의 효율성을 저하시키는 원인이 된다.

셋째, 또한 승인 과정 중의 또 다른 문제는 내부 관리를 위한 도면의 정보와 승인을 위한 도면의 정보를 구분하여 관리할 필요가 있다는 것이다. 예를 들어 부품의 구체 사양과 같은 정보가 승인 과정 중에는 필요하지 않은 경우가 많고 또 기술 보안상의 이유 때문에 제작을 위한 구체 사양이 표현된 도면과 승인을 위한 도면을 이중 관리해야 하는 시간 소비와 번거로움이 발생하게 된다.
이러한 도면 정보의 구분 관리는 제작을 위한 단계에서도 발생한다. 예를 들어 제어 판넬의 경우 많은 경우 외부 협력사에서 제작이 이루어지곤 하는데, 이러한 경우에도 도면의 정보를 구분 관리 해야 하는 경우가 발생한다.

이 경우에 부품의 단가와 같은 정보는 협력사에 전달되는 정보로 바람직하지 않기 때문에 역시 도면의 이중 관리 필요성이 발생하게 된다. 
넷째, 판넬이나 기타 전장품의 경우 사전 제작과 입고 후 검증을 통해 적합성 여부를 현장 설치 이전에 검토할 수 있겠지만, 현장에서의 배선 작업의 경우 현장에 설치하기 전에 사전에 검토를 수행하는 것은 현실적으로 불가능하다.

이러한 이유로 현장 배선이 설치 이전 계획보다 길거나 짧아져서 현장에서의 작업을 통해 이를 대응하는 경우가 빈번히 발생하는 데 이러한 현장에서의 작업은 결국 설계 관점에서 품질을 확보할 수 있는 범위를 벗어나게 된다.  

3. EPLAN 기반의 설계 환경 혁신을 통한 반도체/디스플레이 장치 설계 업무의 개선

앞서 살펴 본 바와 같이 반도체/디스플레이 장치 산업의 설계는 그 특수성으로 인해 다른 산업과 차별화되는 4가지 문제점을 가진다. 본 기고문에서는 이러한 문제점을 해결하기 위한 방안을 <표 1>과 같이 제안한다.

3.1. 기능 관점의 도면 전개

 IEC 81346-1의 구조화 법에 따르면 하나의 객체를 구조화하기 위한 방법론은 제품 관점, 위치 관점, 기능 관점의 3가지 관점이 존재한다. 이러한 구조화 법에 따라 도면을 구조화하는 것이 통상적으로 IEC 60204-1과 같은 규격에서 요구되는 도면 작성 방법이기도 하다.

<그림 3>과 같이 EPLAN에서는 하나의 프로젝트 파일 내에서 여러 도면 페이지를 이러한 구조화법에 맞추어 구성할 수 있는 기능을 제공한다. 이러한 구조화 관점에서 국내의 통상적인 전기 시스템 도면을 보게 되면 대다수의 도면이 관례적으로 제품적인 관점의 도면 형태로 작성됨을 알 수 있다.
 

예를 들어 PLC를 이용한 제어 회로를 도면화 할 경우 통상적으로 우리가 쉽게 볼 수 있는 도면 형태는 <그림 4>의 좌측 상단에 표현된 바와 같은 PLC 카드 중심의 도면이다. 이러한 도면이 보편적으로 많이 활용되는 이유는 제작에의 용이성 때문이며, 반대로 설계의 재활용 측면 그리고 제품 설치 이후의 유지 보수성이라는 측면에서는 단점을 가진다.

예를 들어 설계 변경을 통해 2개의 입력 접점과 3개의 출력 접점을 가지는 장비의 ‘기능’이 삭제되어야 한다면, 이러한 제품 관점의 도면에서는 최악의 경우 3개의 입력 접점 카드 도면, 1개의 출력 접점 카드 도면, 그리고 출력과 연계된 전원 제어 도면을 모두 수정해야 하는 상황이 된다. 장비의 ‘기능’ 하나가 여러 페이지의 도면에 분산되어 표현될 수밖에 없는 도면이기 때문이다. 뿐만 아니라 유지 보수 업무의 측면에서도 하나의 기능을 점검하기 위해 여러 페이지의 도면을 찾아봐야 한다는 번거로움을 감수할 수밖에 없다.

도면 표현의 또 다른 방법으로 기능 관점으로 도면을 구성할 수 있다. 국내에서는 쉽게 찾아 볼 수 없는 형태지만, <그림 4>의 좌측 하단에 표현된 바와 같이 특정한 ‘기능’을 구현하기 위한 입력 점점, 출력 접점, 그리고 전원에 관한 표현이 한 페이지에 표현될 수 있다. 이러한 도면이 가지는 단점은 제작 단계에서의 어려움이다.

제작 단계에서는 PLC 카드 단위로 작업이 이루어지기 때문에 이렇게 제작에 관한 정보가 분산될 경우 제작 현장에서의 혼란이 불가피하게 된다. EPLAN에서 여기에 대한 대안으로 제공할 수 있는 기능은 <그림 4>의 우측에 표현된 바와 같은 카드 단위의 개요도(혹은 이면 배선도라고도 한다.)를 자동으로 생성하는 것이다.

논리적으로 생각해보면 기능적인 관점의 도면이나 이러한 개요도가 동일한 설계 정보를 가지고 있고 표현만이 달라지는 경우이기 때문에 EPLAN의 상호 참조 기능을 이용하여 이러한 개요도 생성을 자동화하여 기능 관점 도면의 정점을 유지하면서도 제작 단계에서의 어려움을 극복할 수 있다.

3.2. 매크로를 활용한 재활용 수단 확보

EPLAN에서 제공하는 매크로 기술은 설계 재활용을 위한 기술로서 통상적인 CAD에서 블록 단위로 복사 및 붙이기 하던 관례적인 업무를 편리하고 지능화된 방식으로 제공하는 기술이다. 이러한 매크로 기술은 페이지 매크로와 윈도우 매크로로 구분할 수 있다.

EPLAN의 페이지 매크로는 1페이지 이상의 페이지를 하나로 묶어 파일로 저장하고 필요할 때마다 설계 도면에 페이지를 추가하는 방식을 지원하는 기술이다.
앞서 언급한 바와 같이 도면 구조가 기능 관점으로 구성되어 있다면 기능의 추가 및 삭제가 이러한 페이지 묶음 단위의 추가 및 삭제를 통해 이루어질 수 있다. 하지만 이렇게 페이지 매크로를 삽입 및 삭제할 때 몇 페이지에 삽입되었느냐에 따라 변동되는 요소인 페이지 번호, 그리고 참조를 위한 페이지/행/열로 구성된 위치 정보를 매번 프로젝트마다 설계자가 판단하여 기입하여야 한다면 굉장히 고통스러운 업무가 될 것이다.

페이지 매크로는 삽입 위치 즉 몇 번째 페이지에 위치하는지의 정보를 스스로 판단하여, 도면에 표현된 이러한 페이지 관련된 정보를 자동 업데이트해주는 장점을 가진다. 뿐만 아니라 도면의 양식과 통상적으로 도면의 타이틀 블록에 표현되는 정보에 대해서도 삽입되는 프로젝트의 공통 정보에 따라 업데이트해주기 때문에 활용에 따른 설계자의 수고를 최소화 해준다. 뿐만 아니라 페이지에 반영되어 있는 장치의 식별자 넘버링 역시 삽입되는 페이지 위치에 맞추어 자동으로 업데이트해주기 때문에 설계자는 설계 외에 표시만을 목적으로 한 추가적인 변경 업무에서 자유로워질 수 있다. 예를 들어 <그림 5>와 같은 주전원 인입 회로 같은 경우 프로젝트가 달라지더라도 동일한 구성을 가지기 때문에 이러한 페이지 매크로 작업에 적합한 특성을 가진다.
 

EPLAN의 윈도우 매크로는 하나의 페이지 내에 사용되는 회로 블록의 재활용을 위한 기술로 페이지 매크로와 유사하게 삽입 시에 식별자 넘버링을 업데이트해주는 기능에 추가적으로 지능적인 기능을 제공한다. 첫 번째 지능적인 기능은 유형 관리 기능이다.

즉 하나의 윈도우 매크로는 최대 16개의 유형을 가질 수 있고 이를 도면에 삽입하는 시점에 선택할 수 있는 기능을 제공한다. 이러한 유형 관리 기능은 재활용을 위한 윈도우 매크로를 기능 단위로 관리할 수 있는 방법을 제공하게 된다. 즉 동일한 기능의 다른 방식에 대해 동일한 윈도우로 통합 관리함으로써 기능 단위의 재활용을 지원할 수 있게 된다. 예를 들어 <그림 6>의 예에서와 같이 동일한 기능을 하는 회로를 하나의 매크로로 관리하며 구현 방식이 일반 회로인 경우와 안전 회로인 경우로 구분하여 관리할 수 있다.

두 번째 지능적인 기능은 변수 관리 기능이다. 윈도우 매크로는 EPLAN에서 제공하는 또 다른 기술인 위치 지정 객체를 가질 수 있고 위치 지정 객체를 통해 설계 과정 중에 변동성이 있는 항목을 파라미터화하고 도면 삽입 시에 파라미터 설정 값을 지정할 수 있다. 파라미터가 설정되면 파라미터와 연계된 변수값이 자동으로 설정되면서 도면에 자동 반영이 되는 기술이다.

이러한 변수 관리 기능 역시 동일한 기능에 다른 구성이 필요한 경우에 활용됨으로써 기능 단위의 재활용을 지원할 수 있게 된다. 예를 들어 <그림 7>의 예에서와 같이 동일한 기능을 하는 회로가 용량 그리고 인증의 필요성 여부에 따라 사용되어야 하는 부품이 달라져야 한다면, 용량과 인증의 필요성을 파라미터로 지정하고 이러한 파라미터 선택에 따라 사용되는 부품을 변수로 결정하여 자동으로 도면에 반영할 수 있는 기능을 제공하게 된다.

앞서 언급한 페이지 매크로나 윈도우 매크로는 모두 개별 파일 단위로 관리 되고, 특히 윈도우 매크로의 경우는 설계 과정 중에 나올 수 있는 변동성이 매크로 자체에 반영되기 때문에 설계자가 선택해야 하는 부분이 최소화 될 수 있다. 바꾸어 말하면 역량이나 경험이 풍부한 설계자에 의해 구축된 매크로를 사용함으로써 그렇지 않은 설계자도 동일한 재활용 품질을 확보하면서 설계를 진행할 수 있게 된다.

3.3. 도면 표시를 위한 정보의 자동 업데이트 기능

도면 표시를 위한 정보의 자동 업데이트 기능은 EPLAN이 기본적으로 제공하는 기능이며, 특히 설계 변경 시에 활용 효과가 극대화 된다.
 

설계 변경 시에 가장 난감한 경우는 새로운 페이지가 삽입되거나 삭제된 경우이다. 이러한 경우에 도면상에 표기되는 페이지/행/열로 구성된 인터럽트 지점이나 참조 위치 표시를 페이지 변경에 따라 변경해주어야 하는데 통상적인 CAD 환경에서는 설계자가 기계적인 일의 반복에 지나지 않는 이러한 작업을 수행해주어야 한다.

유사하게 프로젝트의 제목이 변경되었다거나 하는 경우에도 모든 페이지의 관련 정보를 일괄 수정해주어야 하는데 역시 이러한 반복적인 업무 역시 설계자의 업무라고 하기에는 너무 기계적인 일이라고 할 수 있다. 뿐만 아니라 회로도와 연계되어 있는 단선도 및 개요도 그리고 부품 리스트 등의 다양한 보고서에도 이러한 설계 변경 정보가 연계되기 때문에 페이지 추가 및 삭제에 따라 설계자가 수행해줘야 하는 설계 이외의 도면 변경 작업은 더욱 가중되게 된다. EPLAN은 이러한 기계적인 업무를 자동으로 업데이트해주는 기능을 제공하며, EPLAN의 설계 데이터가 완전한 형태의 관계형 데이터베이스로 이루어졌기 때문에 도면 페이지 수에 상관없이 고속의 업데이트 환경을 제공한다.  

3.4. 심볼/양식 및 언어 변환 기능

통상적인 CAD 환경에서 설계자에게 요구되는 또 다른 기계적인 업무는 심볼이나 양식의 변환, 언어의 변환과 같은 업무이다.
 

 이러한 업무는 설계 자체의 변경은 없는 가운데 도면 표현에 사용되는 심볼, 도면의 양식, 언어 등을 고객사 혹은 납품 국가에 맞추어 변경하는 업무이다. 예를 들어 미국 이외의 지역에서는 IEC 표준 심볼을 사용한 도면이 보편적으로 받아들여지지만 미국향의 경우에는 NFPA 표준 심볼을 사용해야 할 필요가 있거나 고객사에 따라 고객이 원하는 양식에 맞추어 도면을 작성해야 할 필요가 있거나 하는 경우가 여기에 해당한다.

EPLAN은 심볼 및 양식 등 도면의 형식적인 부분을 일괄 변경할 수 있는 기능으로 표준 변환 기능을 제공한다. 예를 들어 기존 도면의 표준이 IEC였다면 이를 NFPA로 설정하는 것만으로 NFPA 심볼로 표현된 새로운 도면을 자동으로 생성할 수 있다. 언어 변환의 경우도 유사하다고 할 수 있는데, EPLAN의 언어 변환은 한국어, 영어, 중국어, 일본어를 포함한 17개국 언어로 자동 변환을 지원할 수 있고 이러한 기능한 내장된 사전 데이터베이스를 기반으로 수행되게 된다. 이러한 사전을 설계자의 필요에 따라 편집을 할 수 있음은 물론이다.

3.5. Excel 대량 편집 기능

EPLAN에서 제공하는 Excel 대량 편집 기능은 방대한 설계 정보를 선택적으로 Excel로 내보내기하여 이를 일괄적으로 수정을 할 수 있도록 지원하는 기능이다. 앞서 언급한 바와 같이 EPLAN의 설계 데이터는 완전한 형태의 관계형 데이터베이스로 구성되어 있기 때문에 실질적으로 도면을 구성하는 모든 요소를 Excel로 내보내기 하여 편집을 할 수 있다.

이러한 선택적이면서 동시에 일괄 수정할 수 있는 기능은 사용처에 따라 도면 정보를 구분하여 관리하는데 굉장히 편리한 기능으로써 활용할 수 있는데, 일반적인 CAD 환경에서의 방식이 각각의 사용처 별로 별도의 도면을 관리하는 방식이라면, EPLAN 환경에서는 Excel 대량 편집 기능을 활용을 통해 1 종의 도면 관리와 사용처 별로 편집용 Excel 파일을 구분하여 관리하는 방식으로 개선할 수 있게 된다.

3.6. 3D 가상 프로토타입을 통한 현장 배선의 사전 검증

3D 가상 프로토타입을 통한 현장 배선의 사전 검증을 위해 선택할 수 있는 방법은 두 가지가 있다.

첫 번째 방식은 3D 설계를 지원하는 기구 CAD를 사용하는 방식이며, 두 번째 방식은 3D 상에서 하네스 전용 설계 기능을 제공하는 하네스 전용 3D 설계 환경을 사용하는 것이다. 이 두 가지 방법의 장단점에 앞서 가장 중요한 선택의 기준이 되어야 하는 것은 사내 업무 프로세스이다. 전기 설계자의 설계가 마무리 된 상태에서 기구 설계자가 현장 배선 설계와 여기에 필요한 브라켓, 덕트 등의 기구 설계를 병행한다면 기구 설계를 위한 CAD 사용이 적합할 것이며, 기구 설계가 어느 정도 고정된 상태에서 전기 설계자가 현장 배선 설계를 수행해야 한다면 EPLAN의 Harness Pro-D와 같은 3D 하네스 설계 전용 환경을 활용하는 것이 적합할 것이다.

3D 설계를 지원하는 기구 CAD를 사용하는 방식에서 전제되어야 하는 것은 기구 CAD에서 하네스 설계를 위한 연결 장치 정보와 배선 정보를 가져오기 할 수 있는 기능이 제공되어야 하는 것이다. SolidEdge, NX와 같은 3D CAD에서 이러한 기능을 제공하는데, EPLAN의 설계 데이터 내보내기 기능을 통해 연결 장치와 배선 정보를 내보내고, 3D 기구 CAD의 가져오기 기능을 통해 3D 모델과 매칭시켜 하네스 설계를 수행할 수 있다. 이렇게 하네스 설계가 완료되면, 반대로 3D 기구 CAD의 내보내기 기능을 이용하여 배선의 길이 정보 등을 EPLAN 회로도에 반영할 수 있다. 이러한 업무 과정 중에 가장 번거로운 업무는 EPLAN의 장치 정보와 3D 기구 CAD 상의 3D 모델을 매칭시키는 일일 것이다. 하지만 이러한 일단 매칭 작업이 완료되면 EPLAN에서 설계한 결선 정보를 이용하여 하네스 배선 설계를 수행할 수 있는 장점을 가지게 된다.

EPLAN의 Harness Pro-D는 3D 상에서 하네스 설계를 수행할 수 있는 전용 프로그램으로 범용적인 용도의 기구 CAD에 비해 여러 가지 차별화된 기능을 가진다. 첫째, Harness Pro-D는 회로도 설계를 위한 Electric P8과 장치 식별자, 그리고 부품 수준의 상호 호환성과 동기화 기능을 제공하므로 앞서 기구 3D CAD에서 언급한 매칭과 같은 번거로운 업무를 줄일 수 있으며 회로도의 결선 정보를 직접적으로 이용한 하네스 설계를 지원한다.

둘째, Harness Pro-D는 생산을 목적으로 한 보고서 형태인 Nail Board 다이어그램과 부품 리스트 등을 자동으로 생성할 수 있는 기능을 제공한다. 특히 Nail Board는 통상적인 하네스 제작 업체에서 보편적으로 활용하던 생산을 위한 정보 표현 방법이기 때문에 기존에 수행하던 업무와의 괴리감을 최소화할 수 있다. 셋째, Harness Pro-D는 전기 설계에 특화된 다양한 기능을 제공한다. 이러한 기능에는 커넥터와 하우징의 연결 관계 설정을 통해 하우징이 이동할 경우 연결되는 커넥터도 동시에 이동하는 기능과 Nail Board 다이어그램과 3D 설계 환경과의 하이퍼 링크 기능 등이 포함된다.

무엇보다 중요한 특화 기능으로 다양한 설계 검증을 수행할 수 있는 기능을 들 수 있다. 예를 들어 곡률 반경을 위배한다든지, 고주파 신호를 위한 결선의 길이가 기준값을 초과한다든지, 또는 하네스의 외경이 기준 값을 초과한다든지와 같은 상황에서 설계자에게 적절하게 경고할 수 있는 기능을 갖추고 있다.

4. 결론

반도체/디스플레이 장치 산업의 전기 설계 업무는 대표적으로 업무가 과다한 분야로 알려져 있다. 사양 협의에서부터 전기 시스템 설계, PLC 프로그램 개발, 그리고 설치 및 시운전 지원까지 한 명의 설계자가 감당해야 할 업무의 범위 역시 상당히 넓기 때문이기도 하다. 이러한 업무 중에서도 특히 전기 시스템의 설계 분야는 대표적으로 기계적인 반복 업무가 많은 일로 시간 소요가 많은 일로 인식되어 왔다.

실제로 전기/전자 및 제어 분야에서 원가의 결정 비중이 가장 높고, 안전 인증 등에 직접적으로 연관이 되는 것과 같이 중요한 업무임에도 불구하고 기계적인 반복 업무로 인해 이러한 중요한 업무를 어떻게 개선할지에 대한 고민 보다는 매번 프로젝트를 위한 도면 출도에 급급한 현실인 회사 들이 많다. 동시에 국가의 중요 산업인 반도체 디스플레이 산업을 뒷받침하는 장치산업이니 만큼 업무 개선을 통한 경쟁력 확보에 대한 압박은 지속될 수밖에 없는 것도 또 다른 현실이다. 이러한 업무 개선을 위해 무엇이 설계자가 집중해야 하는 지적인 영역이고, 무엇이 시스템 혹은 환경 구축을 통해 해결해야 하는 영역인지 고민이 필요한 시기이다. 

자료제공 | 이플랜코리아(www.eplan.co.kr)