[B&R 캐롤라 슈반크너(Carola Schwankner) 커뮤니케이션 에디터] 전 세계 시장 및 산업 전반에 걸쳐 ‘제품’은 콘셉트 디자인부터 시장 출시까지의 시간이 점점 줄어들고 있는 추세다. 그만큼 기계의 하드웨어를 개발하고 소프트웨어를 프로그래밍하는 데 걸리는 시간이 경쟁사와의 승패에 결정적인 요인이 될 수 있다.

따라서 개발하는 속도가 빠를수록 좋다. 디지털 트윈은 기계의 하드웨어와 소프트웨어를 개발하고 테스트하는 시간을 단축하는 데 중요한 역할을 할 수 있다.

디지털 트윈을 사용해 지능형 수송 시스템인 ACOPOStrak의 물리적 동작을 실제 시스템이 구성되기 전에 실시간으로 시뮬레이션할 수 있다. [사진=B&R]

기계가 타이트하게 계획한 개발 일정을 소화할 수 있는 유일한 방법은 매우 효율적인 프로세스를 사용하는 것이다. 오류는 처음부터 반드시 배제해야 한다. 새로운 기계의 프로토타입도 예외는 없다.

B&R의 커트 제흐트레이터(Kurt Zehetleitner) 시뮬레이션 및 모델링 개발 담당은 “시뮬레이션은 보다 높은 목표를 충족시키기 위해 여러 분야에서 입증된 접근 방식”이라고 말한다. 디지털 트윈은 제품의 어떤 부분이 실제로 존재하기 전에 가상에서 제품의 특성을 평가하는 것이 가능하다.

이 접근 방식은 이미 자동차와 항공 산업에 사용되는 메카트로닉 시스템을 개발하기 위한 일반적인 관행이다. 기계 시스템은 컴퓨터에서 모델링을 하고 시뮬레이션 환경에서 테스트한다.

이 개발 전략은 제조업의 다른 분야에서 꾸준히 영역을 넓히고 있다. 이는 시뮬레이션 할 모델을 개발하는 것이 고급 수학에 대한 이해력이 높은 개발자만이 할 수 있는 시간 소모적인 작업이며, 모델 자체가 오류를 일으키기 쉽다는 인식이 널리 퍼졌기 때문으로 볼 수 있다. 제흐트레이터 담당은 “처음에는 그랬을 수도 있지만 요즘에는 시뮬레이션 모델을 만드는 것이 상당히 쉽고 빠르게 이뤄진다”고 말한다.

Automation Studio에서 디지털 트윈은 애플리케이션 개발자들에게 결정적인 이점을 제공한다. 개발자들은 PC에서 직접 가상 모델링을 시작하고 소프트웨어 또는 하드웨어에 내장 구성해 컨트롤러에 연결할 수 있다. [사진=B&R]

디지털 트윈은 커미셔닝을 가속화한다

요즘의 시뮬레이션 툴로 디지털 트윈을 생성하는 것은 매우 쉽다. 디지털 트윈을 통해 하드웨어와 소프트웨어 개발을 단순화하고 가속화시킬 뿐만 아니라 가상 커미셔닝을 수행할 수 있다. 기계의 물리적인 동작을 실시간으로 시뮬레이션하면 병목 현상과 최적화 가능성을 개발 초기 단계에도 빠르게 파악할 수 있다.

제흐트레이터씨는 “개발 툴 간의 원활한 상호 작용을 통해 시뮬레이션으로 높은 수준의 유연성과 효율적인 리소스 관리가 가능하다”며, “이를 통해 개발 자원을 최적으로 활용할 수 있고 커미셔닝 시간을 최대 80%까지 줄이는 데 도움이 된다”고 말했다.

B&R Automation Studio 엔지니어링 환경에서 디지털 트윈은 애플리케이션 개발자들에게 결정적인 이점을 제공한다. 애플리케이션 개발자들은 PC에서 직접 가상 모델링을 시작하고 소프트웨어 또는 하드웨어에 내장 구성해 기계 컨트롤러에 연결할 수 있다. 애플리케이션 소프트웨어는 사전에 개발, 검증 및 테스트할 수 있으며 성능 요구사항은 컨트롤러에서 테스트할 수 있다.

디지털 트윈을 생성하기 위해 개발자는 기계의 CAD 데이터를 MapleSim과 같은 모델링 툴로 가져온다. 이러한 툴은 질량 및 밀도 값과 같은 CAD 설계의 중요한 특성을 쉽게 사용할 수 있고, 개별 기계 컴포넌트에 자유도 및 컨트롤러 인터페이스와 같은 추가 특성도 삽입할 수 있다.

B&R의 Scene Viewer 툴은 CAD 데이터를 사용해 3D로 움직임을 시각화한다. [사진=B&R]

방정식이 없는 모델링

MapleSim이나 industrialPhysics와 같은 툴을 사용하면 복잡한 모델도 구현하기 쉽다. MapleSim은 모델 확장 및 미세 조정 과정을 직관적이고 쉽게 만드는 질량, 조인트, 스프링 및 댐퍼와 같은 모델링 요소 라이브러리를 제공한다. 시스템은 백그라운드에서 모델에 대한 방정식을 생성한다.

MapleSim의 B&R 어플리케이션은 모델을 CAD 데이터와 함께 Automation Studio로 자동 내보내기가 가능하다. 사용자는 Automation Studio에서 모터 부하와 컨트롤러 튜닝에 관하여 기계 소프트웨어를 테스트할 수 있다. B&R의 Scene Viewer 툴은 제공받은 CAD 데이터를 사용하여 3D로 움직임을 시각화한다. 제흐트레이터 담당은 “소프트웨어 개발자는 복잡한 수학 방정식 없이도 소프트웨어 테스트 및 문제 해결을 매우 쉽게 할 수 있다”고 전했다.

접근 방식은 industrialPhysics 시뮬레이션 툴과 유사하다. 툴에는 실시간 성능에 중점을 두고 물리적 시스템의 대략적인 시뮬레이션을 제공하는 통합 물리학 엔진(integrated physics engine)이 있다. 제흐트레이터 담당은 “이 시스템은 이제 기계는 물론 공장 전체를 시뮬레이션 할 수 있다”며, “하드웨어 인 더 루프 환경에서 특정 하드웨어의 실시간 동작과 시스템 로드를 확인할 수도 있다”고 말했다.

Industrial Physics 툴은 실시간 성능에 중점을 두고 물리적 시스템의 대략적인 시뮬레이션을 제공하는 통합 물리학 엔진(integrated physical systems)을 갖고 있다. [사진=B&R]

자동 코드 생성

일단 디지털 트윈이 만들어지면 자동 코드 생성은 특정 시스템에서 기계 Function의 개발 및 구현에 중요한 역할을 한다. 많은 이점들이 있지만 무엇보다 프로그래밍의 양을 대폭 줄이는 것이 가장 큰 이점이다.

특히 MATLAB/Simulink 툴은 자동 코드 생성에 적합하다. B&R은 MATLAB/Simulink와 Automation Studio 간 사용 가능한 양방향 인터페이스를 개발했다. Automation Studio Target for Simulink를 사용하면 개발자의 작업이 마우스 클릭 몇 번만으로 완성된다.

제흐트레이터 담당은 “Simulink에서 모델을 만드는 것부터 B&R 컨트롤러에서 고품질 프로그램 코드를 실행하는 것까지 매우 빠르게 개발할 수 있다”며, “아주 정교한 진단 옵션도 포함해서”라고 덧붙였다. Automation Studio Target for Simulink는 제품 품질을 높이는 동시에 기계 소프트웨어 개발 속도를 높인다.

개방형 인터페이스

시뮬레이션 툴을 사용할 때, 다른 시스템과 자유롭고 원활하게 통신하기 위해서는 개방형 표준과 인터페이스가 필수적이다. 기존 소프트웨어를 사용할 수 있는 점도 귀중한 시간을 절약할 수 있다. B&R은 모든 레벨과 모든 제품 라인에서 개방형 인터페이스를 제공한다. 독립 산업 표준 FMI(Functional Standard Functional Mock-up Interface)를 사용하면 다양한 개발 툴을 사용해 모델을 교환하고 공동 시뮬레이션을 할 수 있다.

B&R은 FMI 2.0 표준에 따라 FMUs(Functional Mock-up Units)의 가져오기 기능을 통해 메커니즘을 제공할 수 있다. 제흐트레이터 담당은 “FMUs는 Automation Studio에 펑션 블록으로 원활하게 통합된다”라고 설명했다.

시뮬레이션 툴을 사용해 정의된 모든 시나리오에서 모델을 테스트하고 포괄적인 가상 커미셔닝을 수행할 수 있다. 가상 커미셔닝 중에 수행되는 테스트는 단순한 논리 시퀀스부터 복잡하고 중요한 시나리오까지 다양하기 때문에 기계 하드웨어와 소프트웨어의 전반적인 효율성과 품질을 보장할 수 있다. 디지털 트윈을 사용하면 실제 기계를 커미셔닝하는 데 필요한 시간을 대폭 줄이고 오류 위험을 최소화할 수 있다.

글 B&R 캐롤라 슈반크너(Carola Schwankner) 커뮤니케이션 에디터

[이건오 기자 (news@industrynews.co.kr)]

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