(이미지 시그마테크/123RF.com)
모델기반설계로 더 나은 기계를 더 빠르게구축: 모델 기반설계를 통해 기계 또는 시스템을완전하게 디지털 트윈을 생성하고 시뮬레이션할 수 있다.
따라서 실제 하드웨어 및 기계 제작까지 기다릴 필요 없이 테스트 및 최적화를 수행할 수 있다. 이는개발시간을 단축하고 위험을 최소화하며, 재작업을 제거하는데 도움이 된다. 이를통해 기계 및 시스템 제조업체는 더 나은 기계를 더 빠르게 개발하고 시장입지를 확보할 수있다. (저자: Ing. Peter Kemptner, x-technik, Automation3 2023년 5월호 발췌)
기계 및 장비 제조업체는 거대하고 때로는 상충되는 문제에 직면해 있다. 치열한 국제사회에서 살아남기 위해서는 고효율과 생산성을 갖춘 혁신적인 기계와 장비를 개발해야 한다. 개발 및 시운전에 소요되는 시간은 지속적으로 감소하는 반면, 개발의 복잡성은 증가하고 있다.
기계 제작자용 모델 기반 시스템 개발
Digital Twin은 소프트웨어 생성 중 위험 최소화 및 출시 기간 단축. (이미지: 시그마테크)
기계설계의 방법 변경
과거에는 기계적인 부분이 먼저 설계되고 전기 기술의 설계 및 구성이 뒤따랐으며 마지막으로 제어 프로그래밍을 수행하였다. 여기에는 몇 가지 단점이 있다. 개별 작업을 동시에 실행하지 않고 연속적으로 수행하면 총 소요시간이 길어진다. 논리적 오류와 오해는 종종 전체 설계 과정에서 늦게 발생한다. 이로 인해 수정이 어렵고 비용이 많이 든다.
앞선 개발과정에서 자주 일어나는 지연 때문에 프로그래밍은 종종 엄청난 시간 압박 속에서 수행된다. 잘 알려진 바와 같이 문제는 항상 내리막길로 이어진다. 그 과정에서 프로그래머는 종종 설계 이면의 의도를 추측해야 하고 효율성이 매우 제한된 소프트웨어를 통해 기계적으로 불충분한 부분을 보완해야 한다.
이러한 조건에서 성공의 열쇠는 모델 기반 설계이다. 이를 통해 기계 또는 시스템의 디지털트윈 이 먼저 설계되고 시뮬레이션 되어야 한다. 자동화 시스템 공급업체인 SIGMATEK(시그마테크)의 기술 관리자 Franz Aschl은 “이 용어는 안타깝게도 다양한 용도로 사용되므로 Digital Twin의 본질을 살펴볼 필요가 있다.”라고 말한다. “이것은 단순히 기계나 시스템의 3D모델 뿐만 아니라 기능의 다양한 측면도 포함된다.“
실제 개발 작업 시간은 거의 동일하다. 연속적으로 작업하는 것이 아니라 병렬로 작업하는 기능을 통해 전체 개발 시간이 단축된다. Franz Aschl, SIGMATEK GmbH & Co KG의 기술관리자 (이미지: 시그마테크)
병렬 처리를 통한 가속화
이 기능 모델은 기계 및 시스템에 대한 보다 정교하게 공식화된 요구사항 프로파일에 지나지 않는다.
기계적인 부분의 3D 모델과 결합하면 소프트웨어 제품을 사용하여 물리 기반 3D 시뮬레이션을 위한 완전한 디지털 트윈을 생성할 수 있다.
<그림3> 모델 기반 설계에서 기계 또는 시스템의 디지털 트윈은 먼저 물리 기반 3D 시뮬레이션을 위한 소프트웨어 제품을 사용하여 설계되고 시뮬레이션 된다. 이것이 기계 및 하드웨어를 완료하기 전에 종합적인 테스트 및 최적화가 가능하게 한다. (이미지 출처: Machineering 사)
이는 세부적인 소프트웨어 개발과 전기 구성 및 설계를 위한 유효한 기반을 형성한다. 디지털 트윈을 사용하는 모델 기반 설계의 핵심적인 장점은 병렬화 옵션을 통해 개발을 가속화할 수 있다는 것이다. 이전의 일반적인 설계 프로세스와 달리 다양한 분야의 개발이 동시에 시작될 수 있으며, 각 전문가가 디지털 트윈에 각자의 역할을 기여해야 한다.
디지털 트윈은 다양한 기술 분야 간의 언어 장벽을 극복하는 데 도움이 된다. 플라스틱 3D 표현을 통해 개발자는 서로의 활동을 조정하고 다른 특수 영역의 요구 사항과 필요 사항을 고려하는 것이 더 쉽게 된다.
Franz Aschl은 “경험에 따르면 소프트웨어 개발에 소요되는 시간은 거의 동일하며, 프로그래밍에서 디지털 트윈을 만드는 초기 단계에 조금 더 많은 노력이 필요하다”라고 설명한다. “연속적으로 작업하는 대신 병렬로 작업할 수 있기 때문에 전체 개발 시간이 상당히 단축된다.”
안전하게 개발 결과 달성
실제 기계 및 하드웨어의 구성 및 테스트 전에 실제 기계 및 하드웨어의 가용성을 기다릴 필요가 없다는 사실은 개발을 크게 가속화하는 데 도움이 된다. 모든 분야의 개발자뿐만 아니라 프로덕션 및 고객도 매우 초기 단계에 참여할 수 있다.
예를 들어, 요구 사항 정의에 대한 오해는 프로토타입 단계가 아니라 수정할 수 있는 시점에 약간의 노력으로 큰 지체 없이 발견할 수 있다..
더 나은 기계를 더 빠르게 개발하기 위한 필수 단계인 Digital Twin을 사용한 모델 기반 설계는 가상 커미셔닝 옵션도 제공한다. 따라서 Digital Twin은 실제 기계 또는 시스템을 대체한다. 이것은 처음에 "소프트웨어 인 더 루프(software in the loop)"가 있는 컴퓨터 모델로 완전히 시뮬레이션 된다. 다음 단계에서 프로그램은 점점 더 많은 실제 구성 요소를 포함하는 ‘하드웨어 인 더 루프’로 시뮬레이션 된 운동학을 제어하는 실제 제어 하드웨어로 전송된다. 이를 통해 기계 로직 외에도 시간 응답의 상당 부분을 테스트에 포함할 수 있는 옵션이 제공된다.
소프트웨어 개발의 핵심은 일반적으로 정상적인 프로세스를 프로그래밍하는 것이 아니라 예상치 못한 특수 상황에 대처하는 데 있다. Digital Twin에서는 갑작스러운 정전까지 발생할 수 있는 모든 오류 조건을 시뮬레이션하고 테스트할 수 있다.
Daniel Schachl, SIGMATEK 소프트웨어 엔지니어 (이미지: 시그마테크)
LASAL 설계 환경의 진단 도구에서 축 위치(예: 로봇)를 정확하게 추적하고 편차를 감지했다.(이미지: 시그마테크)
따라서 많은 결함과 문제를 개발자 사무실에서 미리 감지하고 제거할 수 있다. 이러한 문제는 기존 방법에서는 실제 기계 또는 시스템의 시운전 중에서만 발견되었다. 이는 종종 고객 사이트에서 처음 발생하기도 했다. 가상 시운전은 사무실 환경에서도 수행할 수 있으며, 서로 다른 위치에서 근무하는 직원 간의 협업도 가능하다. 이것은 그 자체로 설치 현장에 장비를 갖춘 프로그래머가 상주하는데 드는 비용을 크게 줄일 수 있다. 이를 통해 전원을 켜는 순간부터 즉시 생산성을 발휘하고 스스로 비용을 지불하기 시작하는 기계와 시스템, 즉 “Plug & Produce”라는 목표에 더 가까워질 수 있다.
엔지니어링 도구로 완전통합
제어 및 자동화 제조업체로서 SIGMATEK은 기계 제조업체와 자동화 전문가가 미래 지향적이고 유연한 모듈식 기계와 장비를 간단하고 빠르고 경제적으로 개발하고 제조할 수 있도록 하는 것이 그 임무라고 생각한다. 여기에는 소프트웨어 개발의 표준화 및 자동화도 포함된다.
모델 기반 설계 및 가상 시운전을 지원하기 위해 Salzburg 제조업체는 LASAL 소프트웨어 설계 환경을 수정했다. 이 과정에서 외부와 연결되는 모든 I/O 개체 클래스를 크게 확장되었다. 이러한 고급 I/O는 더 이상 ‘외부’ 끝에서 실제 연결이 필요하지 않고 사전 정의되거나 시뮬레이션 된 값 또는Digital Twin에서 생성된 값을 사용하여 다양한 모드에서 작동할 수 있다.
이러한 작동 모드 간 전환은 Virtual Commissioning Manager에서 매개변수를 설정하여 클래스 별로또는 전체 프로젝트에 대해 한 번에 수행된다. “소프트웨어 개발자는 설계 환경을 벗어나지 않고도 먼저 시뮬레이션에서 프로그램을 테스트하고 나중에 Digital Twin에서 테스트 및 최적화하고 가상 시운전을 수행할 수 있다.”라고 SIGMATEK의 소프트웨어 개발자인 Daniel Schachl은 설명한다. “또한 실제 기계에서 프로그램을 시운전하려면 적절한 매개변수를 변경하기만 하면 된다.”
객체 지향이 가능하게 만든다
SIGMTEK이 20년 이상 객치 지향 프로그래밍을 사용해 온 것이 LASAL의 추가 개발 과정에서 이점으로 작용했다. 덕분에 물리 기반 3D 시뮬레이션 소프트웨어와 통합하기 위해 기반 기술을 적용하는 것이 매우 쉬웠다. 대부분의 노력은 완전한 상호 운용성을 테스트하는 데 투입되었다. 결국 이 시스템은 여러 특수한 I/O, 전반적인 구동 및 안전 기술 등 몇가지 영역에서 계속 작동해야 한다. 뮌헨에 기반을 둔 소프트웨어 제조업체인 machineering GmbH & Co. KG의 iPhysics는 통합된 최초의 시스템이었다.
SIGMATEK은 LASAL프로그램으로 쉽게 수정 가능한 객체 클래스 방법을 통해 필요한 경우 다른 유사한 시스템을 사용할 수 있는 옵션을 매우 빠르게 생성할 수 있었다.
모델 기반 설계 및 가상 시운전을 지원하기 위해 수정된 SIGMATEK LASAL 소프트웨어
외부와 연결된 모든 I/O 개체 클래스를 확장하여 환경을 설계한다. (이미지: 시그마테크)
기계 또는 시스템의 디지털 트윈을 사용한 모델 기반 개발을 통해서 개발 위험을 최소화하고 재작업 하는 것을 없애고 전체 엔지니어링 시간을 단축하는 데 도움이 된다. (이미지: 시그마테크)
개발 위험 감소
장비 제조업체의 경우 Digital Twin을 사용하여 개발 순서를 모델 기반 시스템 개발로 되돌리면 많은 이점을 얻을 수 있다. 가장 중요한 것은 확실히 개발 위험을 최소화하는 것이다. 소프트웨어는 기계 기능에 대한 설명이므로 다른 모든 것에 대한 출발점이자 참조가 될 수 있다. 기본 기능은 견적 단계에서 이미 프로그래밍할 수 있다. 이를 고객과 조율하면 잘못된 의사소통, 기대치의 불일치 및 오해를 피하는 데 도움이 된다.
센서와 액추에이터의 설계 및 물리적 구성은 실제 하드웨어 및/혹은 기계 장치 없이 이미 정의할 수 있다. 프로토타입이 제작되기 전에도 시간 응답의 많은 부분을 확인하면 엄청난 시간을 절약하고 구성 요소 설계에 더 큰 확신을 제공한다.
가상 시운전을 통해 문제를 해결하고 기계 프로그램을 미리 최적화할 수 있다. 사전 테스트를 거친 오류 없는 프로그램을 사용하여 실제 관성 응답으로 물리적 기계 장치를 시운전할 수 있다. 이는 소프트웨어 엔지니어가 “건설 현장"에서 보내는 시간을 크게 줄여준다. 디지털 트윈에서 이미 많은 최적화가 이루어진 경우 이전에 종종 필요했던 재작업의 상당 부분도 제거될 수 있다.
연속적인 기계 구성에서는 사전 테스트되고 입증된 모듈에서 구성 키트를 준비할 수 있다는 이점이 있다. 변형 옵션에 대해서만 디지털 트윈을 생성하면 변형 개발이 크게 단순화되고 가속화된다. 또한 기계의 디지털 트윈은 이미 실제 HMI 장치와 함께 사용되어 운영자와 유지보수 인력을 교육할 수 있다.
커미셔닝 적용이 끝이 아니다. “igital Twin에서 모델 기반 설계를 사용하면 소프트웨어의 품질도 크게 향상될 수 있다. ”소프트웨어 개발의 핵심은 일반적으로 정상적인 프로세스를 프로그래밍하는 것이 아니라 예기치 않은 특수 상황에 대처하는 데 있다. Schachl은 말한다. 디지털 트윈에서 가능한 모든 오류조건을 시뮬레이션하고 테스트할 수 있으며, 이는 갑작스러운 정전에서도 테스트가 가능하다.” 실제 프로토타입에서 이것은 종종 불량품을 생성하거나 드물지 않게 기계를 파괴하기도 한다.
몇 가지 오브젝트 클래스만 수정하면 되기 때문에 물리 시뮬레이션 소프트웨어와 함께 LASAL을 사용하면 쉽게 배울 수 있다. 예를 들어 런타임, 스위칭 시간 및 모터 곡선과 같은 매개변수는 개별적으로 생성된 객체 클래스에서 제공될 수 있다. 그러나 이러한 파라미터는 iPhysics에 입력하거나 실제 측정 값에서 반환할 수도 있다. 스크립트를 사용하면 시뮬레이션 소프트웨어에서 다양한 상황을 쉽게 재현할 수 있다.
시뮬레이션 소프트웨어
그러나 Digital Twin의 적용 가능성은 시운전용으로 국한되지 않는다. 이는 작동 중에 실행되어 편차를 감지하고 적절한 조치를 취할 수 있다. 따라서 오류 허용 오차와 기계의 수명이 증가하고 예측 유지 관리가 가능하다. Schachl은 “기계 및 장비 제작에서 모델 기반 설계에 디지털 트윈을 사용하는 것은 분명히 잠재력이 있다.”라고 결론지었다.
"LASAL과 통합함으로써 SIGMATEK 제어 사용자는 디지털 변환을 통한 여정에서 유리한 고지를 선점할 수 있게 되었다.”
자료제공: 서보스타