자동화 기술에서 디지털 트윈

디지털 트윈을 프로세스와 소프트웨어 그리고 하드웨어의 네트워킹을 위한 컨셉트로 이해한다면, 중소기업도 이익이 될 수 있다.

레오 바르테비안(Leo Bartevyan): Cenit AG의 디지털 팩토리 솔루션 IT 시스템 엔지니어

디지털 트윈 컨셉트는 개별 항목에 대해 너무나 유동적이고 다층적이다. 그동안 MM은 디지털 트윈을 세 부분으로 나누어 시리즈를 진행하고 있다. 첫 번째는 그 역사와 중요 개념을 다루었으며, 이번 파트에서는 자동화 기술의 구체적인 사례를 살펴보는 데 할애할 예정이다. 다음에 진행할 세 번째 파트에서는 디지털 트윈 프로세스에 초점을 맞춰 기계 학습과 인공 지능 맥락에서 주제를 정할 것이다.

브라운 필드를 위한 디지털 트윈

시스템은 계획에서 제어, 작동까지 다양한 세부 단계를 거친다. 제도판에서 설계한 그대로 정확하게 구현되는 자동화 시스템은 거의 없을 것이다. 이유는 다양하고 제각각이지만 그럼에도 불구하고 한 가지 명확한 추세는 확인할 수 있다. 제품 사이클이 점점 짧아지고 타임 투 마켓이 갈수록 중요해지고 있다. 따라서 포괄적이고 연속적인 플랜트 구조 계획이 희생되는 경우가 많다. 자동화 시스템은 그린 필드에서 계획되는 경우가 드물다. 플랜트가 가동되는 중에 그리고 자재 흐름이 진행되는 중에 자동화 시스템이 통합하는 경우가 대부분이다. 브라운 필드의 최종적인 성능은 자원 가용성과 공급 네트워크 성능에 의해 좌우된다. 계획과 결정 프로세스가 얼마나 오래 지속되느냐에 따라 일반적 조건이 근본적으로 변화할 수 있다. 또한 플랜트 구성 요소의 연결 효과와 개별적인 프로세스 종속성은 반복적으로만 해결할 수 있다. 시스템 및 자재 흐름의 디지털 모델이 이러한 애로 분석 과정에서 유용하게 이용할 수 있다(그림 2).

그림 2: 포장 라인 디지털 트윈

프로젝트 과정에서 계획 오류나 조건 변경이 늦게 발생할수록, 이를 수정해야 할 비용은 갈수록 커진다. 따라서 플랜트를 계획하는 회사들은 플랜트 조립이나 커미셔닝 시의 발생할 수 있는 모든 사태를 조기에 타진하고 해결책을 준비해야 한다. 이를 위해 플랜트 디지털 모델은 프로그래밍의 상당 부분을 가상 모델에서 사전에 테스트하고 검증하기 위한 전제 조건을 제공한다.

PLC 검증과 오프라인 프로그래밍

기계나 로봇은 자동화 시스템의 한 부분일 뿐이다. 이들 외에 외부 축, 그리퍼, 엔드 이펙터, 완충 장치, 매거진, 안전 펜스, 컨베이어 기술 그리고 다른 메카트로닉스 요소 등이 있다. 프로젝트 과정에는 자동화 피라미드의 여러 레벨에서 기능하는 여러 장치들이 모이는 경우가 많다. 이러한 여러 장치들을 한 번에 구현하고 수평 및 수직 방향으로 통합해야 할 경우, 각 전문 분야의 협력이 필요하다. 디지털 트윈은 이러한 협업을 위한 통일되고 연속적인 기반을 제공한다. 설계 시에 또는 사전에 제조 가능성을 고려하여 부품을 설계하고 최적화할 수 있다. CAD 데이터는 오프라인 프로그래밍인 로봇과 CNC 프로그램, 컴퓨터 지원 작성을 위한 기반이 된다. 디지털 트윈은 시스템이 구성되기도 전에 PLC와 제어 프로그램을 설계와 준비, 테스트할 수 있다(그림 3).

그림 3: 시스템 제조 시 가상화를 통해 훨씬 가파른 시동 곡선을 구현할 수 있다. 성능을 빠르게 획득하고, 품질을 높여 현장에서 값비싼 시간을 절감한다.

시스템 프로그래밍

설계 중에 디지털 트윈과 메카트로닉스 모델의 모듈 덕분에 시스템 프로그래밍을 시작할 수 있다. PLC와 CNC 그리고 로봇 공학 프로그래밍과 같은 여러 부서가 다른 파트의 준비 과정과 관계없이 기민한 방법을 사용할 수 있고 동시에 자신의 파트에서 시작할 수 있다. SiL(소프트웨어 인 더 루프)를 이용하여 PLC 또는 로봇 컨트롤의 가상 복제물, 이른바 가상 컨트롤러를 키네마틱 시스템 모델의 디지털 트윈에 연결하여, 모든 컨트롤 특성을 일대일로 맵핑할 수 있는 새로운 차원의 섬세함을 갖춘 디지털 트윈이 형성된다. 이 시점부터는 시스템 프로그래밍을 위한 가상 컨트롤이나 실제 컨트롤 하드웨어가 연결 여부는 중요하지 않다.

그림 4: 디지털 트윈 덕분에 실제 자동화 시스템 현장에서 완성된 프로그램을 컨트롤 유닛에 로드할 수 있다.

센서나 액추에이터 그리고 전자 장치 및 스위치 캐비닛과 같은 전통적인 제어 요소들은 정확하게 작성하고 매개변수화하기 위해 실제 하드웨어 상대가 필요하다. 이후 완성된 설치물은 시스템의 디지털 트윈에 연결할 수 있다. 다른 장치의 프로그램을 컨트롤에 업로드하고 실제 시스템에서 검증 및 수정할 수 있다. 이런 방식으로 분리된 새로운 작업 시퀀스가 형성되어, 기계 엔지니어링의 일상 업무를 훨씬 용이하게 만든다. 부서는 여러 개인데 실제 컨트롤은 하나인 경우, 이러한 디지털 트윈 덕분에 모든 프로젝트 팀이 동시다발로 작업할 수 있고, 심지어 각기 다른 여러 장소에서 동시에 일할 수 있다.   

디지털 트윈은 또한 구성과 창의성에 따라 산업 플랜트 공장 인수 시(Factory Acceptance Test- FAT) 완전히 새로운 컨셉트가 가능하다. 여러 곳에서 한 플랜트의 장치를 제작할 수 있다면, 디지털 트윈이 이러한 비용을 현저히 낮출 수 있다. 이 디지털 트윈을 출장 보낼 수도 있고 장치를 현장에서 하드웨어 인 더 루프를 통해 연결할 수 있다. 운영자는 항상 전체 시스템을 관찰하고 물리적 장치를 한 단계씩 인수할 수 있다.

사용자 교육 시 강력한 도구

시스템 디지털 트윈은 새로운 사용자 교육과 훈련 시에 강력한 도구가 될 수 있다. 사용자와 기계 운영자는 앞으로의 과제와 활동을 미리 준비할 수 있다. 간단한 장애 처리와 처리 확인에서 시스템 가동 중단 시 오류 제거, 중요한 시스템의 자체 수리 및 유지 보수까지 모든 시나리오를 작동 전에 또는 작동과 병행하여 위험하지 않게 실행하고 교육할 수 있다. 이를 통해 운영자는 안전을, 현장의 엔지니어는 프로그램 실행 시 지원하고 도움을 줄 수 있는 교육 받은 사용자를 얻게 된다.

원격 서비스와 새로운 비즈니스 모델

디지털 트윈의 부가 가치는 계획과 커미셔닝 그리고 시스템 시동 시 이점을 훨씬 능가한다. 시스템을 모니터링하고 제어 거동으로 조정할 수 있다. 시스템 또는 개별 요소가 비정상적으로 거동하거나 고장이 발생할 경우 조기에 이를 감지한다(예측 유지 보수).

시스템의 기능 복제물을 갖게 되면 최적화와 개선에도 이용할 수 있다. 로봇이 충돌 없이 목적지에 도달하고 눈에 보이는 문제가 없더라도, 프로그램은 이를 최적화할 수 있다. 강한 가속과 제동을 피하고 가능한 유연한 경로를 통해 이동하여, 균일한 모터 부하와 전기, 유압 그리고 공압 측면에서 최적화된 거동을 설정한다. 이는 장기적으로 수리와 가동 비용에도 영향을 끼친다. 디지털 트윈이 없었다면 시간과 올바른 도구가 없기 때문에 어려운 작업이 되었을 것이다.

이를 넘어 시스템 제조사에게는 디지털 트윈이 완전히 새로운 비즈니스 모델과 경쟁 우위를 제공한다. 시스템 디지털 트윈으로 시스템 엔지니어링 최적화가 가능하고, 타임 투 마켓을 단축할 수 있다. 또한 디지털화와 생산 시스템 네트워킹에 방향을 맞춤으로써 데이터 기반 비즈니스 모델의 잠재력이 생긴다.

자동화 시스템 커미셔닝을 위한 터보

시스템을 가상으로 인수하고 현장에서는 전체 시스템을 처음이자 마지막으로 한 번에 제작한다. 디지털 트윈 덕분에 번거롭고 중단 위험을 안고 프로그래밍 하는 대신, 현장에서는 완성된 프로그램을 갖고 가서 이를 컨트롤 유닛에 로드한다. 이후 관리 가능한 수의 모듈이 캘리브레이션 되고, 시스템은 작동을 시작할 수 있다. 사용자는 커미셔닝 시에 있을 수 있는 실수의 원인을 미리 차단하고 실력 있는 조력자가 된다. 훈련과 지도 덕분에 첫날부터 라인을 완전하게 운전할 수 있고 전체 시스템 성능을 불러올 수 있다. 이는 현장에서 사용자의 안전을 보장하고, 비용이 많이 드는 커미셔닝 시에 시간을 절감하고 경쟁력을 지속 가능하게 약속한다.    

   항공기 엔지니어링 예시 연구 프로젝트 „Eitec“ 연구 프로젝트 „Eitec“은 다양한 유형의 디지털 트윈을 동시에 사용하였다. 항공기 동체 구조를 조립할 경우 CFRP(Carbon Fiber reinforced Plastics, 탄소섬유강화플라스틱)는 조립 프로세스에서 정확한 형태로 제작되어야 한다. CFRP 구성품은 동일하거나 형태가 안정적이지 않기 때문에 일정 공차로만 경제적으로 제작할 수 있다. 조립 절차 중에 필요한 CFRP 부품의 탄성 변형은 구성품의 내부 응력을 초래하기 때문에 일정 수준을 초과하면 안 된다. 따라서 프로젝트 „Eitec“은 조립 프로세스의 자동화된 제어를 통해 내부 응력을 제한한다. 개별 포지셔닝 시스템의 다수 디지털 트윈이 동체 구조의 내부 응력을 최소화하고, 항공기 구조의 하중 흡수 능력을 최대화하기 위해 힘 센서 장치를 사용하는 조건에서 포지셔닝 움직임을 최적화한다.