생산시스템의 가상실행을 위한 방법론

Abstract

본 연구는 생산시스템에 Virtual Commissioning(가상 실행/검증/시운전)을 위한 모델링 및 시뮬레이션에 관련된 세 가지 이슈에 대하여 기술한다. 기계적, 전기적 설계로부터 획득한 정보를 토대로 가상 플랜트 모델을 작성하고, 이를 실제 제어코드 및 하드웨어 장치와 연결하여 시뮬레이션을 수행하는 제어 수준의 Virtual commissioning 방법론, 플랜트 모델을 구성하는 가상 설비 모델(Virtual device model)을 효과적으로 구축하기 위한 템플릿 기반 모델링 방법, 마지막으로 물리 모델(Physical model)의 기구학 정보를 추출하기 위한 알고리듬 및 절차에 대하여 논한다. (첫 번째 이슈) 본 연구에서는 자동화 생산시스템의 설계 및 검증을 위한 Virtual commissioning 방법론을 제안한다. 여기서 Virtual commissioning은 생산시스템 구성요소 (하드웨어 및 소프트웨어) 및 이에 관한 제어프로그램의 유기적 연동 행위를 센서 수준으로 검증하기 위한 기술을 말한다. 자동화 생산 시스템의 설계는 크게 두 가지 설계 : 기계적 설계 (설비 상세) 및 전기적 설계 (설비 행위 및 시스템 제어)로 구성되는데, 전통적 생산시스템 시뮬레이션은 설계 대안 평가, 시스템 분석, 설계 검증과 같은 추상적 수준 (abstract level)에 집중되어 왔다. 비록 이러한 노력이 시스템의 성능 분석, 대안 평가 및 모니터링에는 적합하지만, 그 모델을 시스템 현장 적용 및 commissioning(시운전 검증) 단계에 적용하기에는 수준이 적절하지 않다. 본 연구는 이러한 문제를 해결하기 위해, 센서 수준(control level)의 제어 시뮬레이션 모델을 구축 및 적용방법을 제시한다.

(두 번째 이슈) 본 연구에서는 제어프로그램의 Virtual commissioning에 사용되는 가상 플랜트 모델의 효과적 구축을 위한 템플릿 기반 모델링 방법을 제안한다. Virtual commissioning 수행을 위해서는 제어프로그램의 입, 출력 신호와 상호 작용할 수 있는 가상 설비모델(Virtual device model)이 반드시 필요하다. 일반적으로, 가상 설비모델의 행위는 DEVS(Discrete Event System Specifications) 방법론의 원자모델(Atomic model)을 통해 기술되는데, 이 모델은 실제 설비 행위와 동일한 수준에서 표현될 수 있어야 한다. 따라서 사용자는 Virtual commissioning을 위한 가상 설비모델 작성을 위해 DEVS 방법론에 대한 깊은 이해와 함께 모델링을 위한 많은 시간과 노력을 투자해야 한다. 이 같은 문제를 해결하기 위해, 본 연구에서는 실제 생산시스템에서 설비가 수행하는 작업 목록 와 이들의 관계 정보에 기반을 둔 템플릿기반 모델링 방법을 제안한다.

(세 번째 이슈) 본 연구에서는 자동화 생산시스템의 조립 라인에 사용되는 치구(Fixture)의 효과적 모델링 절차를 기술한다. 치구모델은 크게 두 가지 하위 모델(Geometric model : 형상 모델, Kinetic model : 기구모델)로 나눠지는데, 설계정보가 변경될 때 마다 두 하위모델이 재작성 되여야 하는 설계 특성을 갖는다. 본 연구에서는 치구 모델 재작성에 소요되는 시간과 노력을 줄이기 위해 치구 형상모델로부터 기구 모델을 추출하는 알고리듬을 제안한다. 비록 조립라인에 사용하는 치구 형상이 매우 다양할지라도, 모델의 기구모델은 세 개의 회전관절(Rotational joint)과 한 개의 선형 관절(Prismatic joint)로 구성되는 4 자유도 slider-crank 기구 메커니즘으로 결정된다. 여기서 선형 관절은 치구의 피스톤과 실린더를 포함하는 공압 액추에이터에 해당하는 부분으로써, 메커니즘 내의 힘 생성 부분을 나타낸다. 따라서 주어진 치구 모델의 형상 정보로부터 이 공압 실린더의 형상을 구분하고, 이로부터 치구의 기구 모델을 추출하는 것은 매우 중요한 과정이다. 본 연구에서는 객체의 회전에 따른 저항 측정 단위인 관성 모멘트(MOI : Moment Of Inertia) 개념을 사용하여 형상 모델로부터의 공압 액추에이터 분리하는 알고리듬을 기술하였다.