가상세계와 물리세계의 완벽한 조화, B&R - Technical Report

사진: B&R, MathWorks

“전체는 부분의 합보다 크다.”

고대 그리스의 철학자 아리스토텔레스의 지식은 스마트 팩토리와 인더스트리 4.0(Industry 4.0) 시대에도 유용하다. 어떻게 보면, 기계는 하드웨어와 소프트웨어 컴포넌트들의 결합체라고 볼 수 있다. 부품들이 완벽하게 조화를 이루어야 기계 전체가 진정한 잠재력을 발휘할 수 있다. 그 조화를 달성하고 유지할 수 있도록 하는 것은 시뮬레이션이다.

플랜트와 기계 구축에서 시뮬레이션은 어떤 역할을 할까? 해답은 간단하다. B&R (비앤드알산업자동화 )의 시뮬레이션 제품 매니저인 이사벨라 라쉬(Isabella Laasch) 씨는 “시뮬레이션은 기계 라이프사이클 전반에서 효율성을 높이는 열쇠입니다.”라고 강조했다.

기계가 점점 더 복잡해지면서 기계, 전기 및 자동화 컴포넌트 간의 상호작용을 조율하는 것이 더욱 어려워지고 있다. 개발 및 시운전 전반과 운전 중에도 기계의 작동을 테스트하고 조정해야 한다. 실제 물리적 시스템에서 이 작업을 수행하는 것은 비용이 많이 들고, 많은 시간이 소요되며, 많은 경우에는 이러한 작업이 불가능할 수도 있다.

결함 찾기: 빠를수록 좋다

수명주기의 첫 번째 단계인 개발 단계에서도 기계는 여러 단계를 거치게 된다. 심각한 결함은 언제나 모든 곳에서 서서히 나타날 수 있다. ‘10배의 법칙’에 따르면, 이러한 결함을 감지하지 못하고 넘어가는 각 개발 단계에 따라 비용이 10배씩 증가한다. 즉, 결함을 빨리 수정할수록 기계 개발은 더 빠르고, 더 저렴해진다.

개발 중에 발견하지 못한 결함은 프로토타입을 시운전할 때 분명해진다. 라쉬 씨는 “시운전에 이르는 모든 과정에서 문제가 발생하기 시작하면, 그것은 악몽의 시작입니다. 이미 프로토타입 제작 비용을 지출했을 뿐만 아니라, 귀중한 개발 자원을 다시 문제 해결에 투입해야 합니다.”라고 말했다. 하드웨어가 손상되면 추가비용이 발생하고, 부품 교체를 위한 지연이 발생하게 된다. 최악의 경우, 새로운 기계를 제 시간에 납품하지 못해 지연 위약금을 물 수도 있다.

B&R은 시뮬레이션 도구인 ISG-virtuos(ISG), iPhysics(머시니어링), MATLAB/Simulink(매스웍스) 및 MapleSim(메이플소프트)을 통해 모든 애플리케이션에 적합한 오토메이션 시스템에 이 도구들을 통합했다. 사진: B&R, Maplesoft, machineering

상시테스트: 시뮬레이션이 핵심

“따라서 우리에게 필요한 것은 수명주기의 전 단계에서 기계의 디지털 모델로 작업하는 방법입니다. 그것이 바로 시뮬레이션입니다.”라고 라쉬 씨는 밝혔다. 가상 시뮬레이션 환경에서 기계의 모든 측면을 복제해 디지털 트윈을 생성한다. 디지털 트윈을 통해 개발 중인 기계에서 서로 다른 컴포넌트들이 나중에 상호 작용하는 방식을 미리 확인하고, 가상 시운전을 통해 전체 기계의 동작을 검증할 수도 있다.

긴밀한 협력: 모든 단계에서의 시뮬레이션

기계제작자는 이제 다양한 시뮬레이션 툴을 선택할 수 있다. 이들은 기계 하드웨어 모델링을 전문으로 하거나, 혹은 물리적 프로세스를 시뮬레이션 한다. B&R은 시뮬레이션을 전문으로 하는 회사와 다년간의 협력을 통해 자동화 시스템에 모든 도구를 통합했다.

B&R의 라쉬 씨는 “매스웍스(MathWorks), 메이플소프트(Maplesoft), 머시니어링(machineering) 및 ISG와 같은 파트너 덕분에 다양한 시뮬레이션 옵션과 각 애플리케이션에 적합한 솔루션을 제공할 수 있습니다.”라고 설명했다. “여기에서 핵심은 고객이 자신의 기계에 가장 적합한 시뮬레이션 툴을 자유롭게 선택할 수 있다는 것입니다. 그리고 무엇을 선택하든 중앙의 B&R 개발 환경과 원활하게 작동합니다.”

디지털 트윈을 통해 개발중에도 나중에 다른 컴포넌트들이 어떻게 상호작용하는지를 알 수 있고, 가상 시운전으로 전체 시스템의 작동을 검증할 수도 있다.

적합한 툴: 모든 요구사항을 만족

예를 들어, 메이플소프트와 매스웍스 시뮬레이션 소프트웨어는 기계 컴포넌트의 세부 모델을 쉽게 생성하고, 설계 및 크기 조정에 필요한 토크 및 세부적인 영향을 시뮬레이션할 수 있다. 다양한 부하 조건의 모든 유형을 시뮬레이션하고 테스트를 수행하는 것은 어렵지 않다. 물리적 시스템에서는 많은 시간이 소요되고 광범위한 자원을 투입해야만 하는 과정이다. 또한 물리적 테스트는 하드웨어에 과부하는 물론 손상의 위험도 초래할 수 있다. 반면에 시뮬레이션에서는 기계가 주어진 부하를 처리할 수 있는지 여부를 한눈에 확인할 수 있다.

프로세스 시뮬레이션에서는 머시니어링과 ISG의시뮬레이션 도구가 작동하는 것을 볼 수 있다. 여기에서 기계 전체의 동적 동작을 3D로 보여준다. 재료의 흐름에 영향을 미치는 모든 동적 요소를 디지털 트윈을 통해 실시간으로 테스트할 수 있다. 기계제작자는 시스템의 가동이 기계 컴포넌트의 서로 다른 구성에서 어떤 영향을 받는지에 대해 즉각적으로 시각적인 피드백을 받는다. 또한 다운타임을 초래할 수 있는 문제를 조기에 감지할 수 있다.

실시간 데이터: 강력한 예측 유지보수

기계가 개발되고 납품된 후에도 디지털 트윈은 계속해서 가치를 제공한다. 실시간 운전 데이터를 사용하여 제어 캐비닛에서 기계 컴포넌트의 상태 및 남아있는 서비스 수명에 대한 정확한 예측을 위해 가상의 기계 형태로 계속 실행된다. 라쉬 씨는 “예를 들어, 실제 기계의 동작이 베어링 마모로 인해 디지털 트윈의 동작과 달라질 경우, 이것은 즉시 감지됩니다.”라고 설명했다. 수집된 데이터는 예측 유지보수, 고장 기록, 원격 유지보수 시스템 등에 사용된다.

가상 미리보기: 교육 시간 단축

기계의 디지털 복제품을 갖추면, 기계 작동자와 서비스 기술자를 교육할 수 있는 새로운 가능성도 마련된다. 실제 현장에 투입되기 전에 HMI 또는 기계 자체에 대한 작동 능력을 가지면, 학습 성과를 크게 높여준다.

디지털 트윈의 또 다른 인기있는 용도는 디지털 쇼룸이다. 이제 OEM은 이벤트와 무역박람회가 아니더라도 언제든지 잠재 고객들에게 새로운 기계를 선보일 수 있다. 증강현실(AR) 헤드셋이 있다면 고객들은 실감 나는 환경에서 디지털 기계를 경험해 볼 수 있다. 계획 및 개발 중에 다양한 ‘가상’ 시나리오를 탐색할 수 있으며, 위험없이 모든 통찰력을 제공받을 수 있다.

머시니어링의 iPhysics와 같은 시뮬레이션 도구는 프로세스 시뮬레이션 영역을 다루며, 기계 전체의 동적 작동을 3D로 보여준다. 사진: B&R, ISG

데이터 기반 개선: 혁신의 통찰력

라쉬 씨는 “디지털 트윈은 기계의 전체 수명주기와 함께 합니다. 또한 미래 업그레이드 및 개선을 위한 기반을 제공함으로써 다음 세대에도 영향을 미칩니다.”라고 말했다. 기계제작자는 계획된 수정을 안전하게 테스트할 수 있는 시뮬레이션 모델을 통해 시스템을 최적화하기 위해 작동중에 얻은 통찰력을 적용할 수 있다. 이는 업그레이드를 구현할 때 다운타임을 최소화하고 차세대 기계 개발을 가속화한다.

Isabella Laasch

B&R Simulation 프로덕트 매니저

“매스웍스(MathWorks), 메이플소프트(Maplesoft), 머시니어링(machineering) 및 ISG와 같은 파트너와 협력하여 우리는 다양한 시뮬레이션 옵션과 모든 애플리케이션에 적합한 솔루션을 제공합니다. 고객들은 기계에 가장 적합한 시뮬레이션 도구를 자유롭게 선택할 수 있습니다. 무엇을 선택하든 간에 중심에 있는 B&R 개발 환경과 원활하게 작동한다는 것을 알고 있습니다.”