산업용 자동화 및 미래의 제어 기술 교육

스마트 팩토리 자동화

Industry 4.0를 위한 스마트 팩토리는 자동 대량 맞춤 생산이 가능하도록 모든 것이 연결된 시설을 말합니다. 제조 산업은 스마트 팩토리를 뒷받침 하는 복잡한 기술을 마스터할 수 있는 능력을 갖춘 전문가를 필요로 합니다. 기업은 진취적인 마인드를 갖고 있으며 추후 커리어에서 마주하게 될 기술 환경에 익숙한 졸업생 인재를 찾고 있습니다.

이러한 요건을 갖춘 미래 기술자를 찾을 수 있는 적절한 곳이 바로 독일 다름슈타트입니다. 다름슈타트는 시계 라디오, 아크릴 유리, 최초의 효소 세탁 세제, 디스플레이에 사용되는 액정과 같이 우리 일상을 바꿔 놓은 여러 제품과 기술이 탄생한 곳입니다. 또한 실용적인 고등교육 기관으로 널리 알려진 다름슈타트 응용과학대학교가 위치한 곳이기도 합니다. 이 대학교의 프로그램 및 연구 역량은 공학, 수학, 정보 과학 및 컴퓨터 공학에서 경영, 사회 과학 및 사회 사업뿐만 아니라 건축, 미디어 및 설계에 이르기까지 다양합니다. 전기 공학 석사 과정 중 하나는 100% 영어로 진행됩니다.

"다름슈타트 응용 과학 대학교 전기공학정보기술과에서는 실제 공장에서 자동화 프로세스를 재생산하는 어셈블리 플랜트를 운영하고 있습니다." Stephan Simon, 다름슈타트 응용과학대학교 자동화 및 제어 기술 교수 "이 소형 스마트 팩토리는 Industry 4.0이 무엇인지 보여주는 곳이며 여러 전공의 학생들이 사물인터넷을 활용한 미래 생산 시설을 설계, 커미셔닝, 운영 및 유지하는 방법을 배우는 연구 및 튜토리얼 플랫폼입니다." 이 학생들은 전기, 기계 공학 뿐만 아니라 산업 공학 및 관리, 시각 광학 기술 및 이미지 프로세싱 등 다양한 시설에 등록되어 있습니다.

이 스마트 팩토리는 50㎡로 협소하지만, 생산 플랜트가 필요로 하는 모든 것을 갖춘 전자기 릴레이용으로 완전히 자동화된 어셈블리 라인이 있습니다. 20미터 (65' 7”) 레일을 운행하는 지능형 셔틀을 사용한 구성품과 완제품, 자재 운송을 위한 44 개의 보관 장소를 갖춘 하이 베이 보관 랙을 갖추고 있습니다. 6축 산업용 로봇은 릴레이가 자동화된 광학 및 전기 테스트를 통과하고 최종 검사를 위한 계량을 통과하기 전에 실제 조립을 수행합니다.

플랜트의 다양한 기능 부품은 PLC 및 모션 컨트롤러 및 전용 로봇 컨트롤러에 의해 개별적으로 제어됩니다. OPC UA 프로토콜을 사용해 프라이빗 및 퍼블릭 클라우드에서 오프 사이트로 운영되는 학교의 ERP (Enterprise Resource Planning) 및 MES (Management Execution) 시스템과 통신합니다.

The smart factory assembles several varieties of electromagnetic relays in one-off quantities as demanded to fulfill orders in a cloud-based ERP system. Both components and finished products are transported through the line using intelligent shuttles equipped with RFID chips. Photo: M. Wittmer

처음부터 디지털 트윈 사용

Simons 교수는 스마트 팩토리 계획을 시작하면서 Siemens PLM Software의 Tecnomatix® 포트폴리오에 대해 알게 됐습니다. Tecnomatix는 제조 디지털화를 지원하는 포괄적인 디지털 제조 솔루션 포트폴리오입니다. 엔지니어들은 Tecnomatix 로봇 공학 및 자동화 프로그래밍 솔루션으로 로봇 공학과 자동화를 오프라인에서 사용해 작업을 설계, 시뮬레이션 및 프로그래밍 할 수 있습니다. 통합 시뮬레이션 기능을 통해 실제 환경에서 가상 PLC 또는 실제 PLC를 연결해 제어, 자동화, 자재 운송 및 전체 작업을 테스트하고 최적화 할 수 있습니다.

Simons 교수는 Tecnomatix Process Simulate 솔루션으로 스마트 팩토리 프로젝트를 시작했습니다. 구체적으로 가상 커미셔닝을 위해 해당 소프트웨어의 기능을 실제 PLC와 연결하는데 사용했습니다. 이후 스마트 공장에서 사용하던 Tecnomatix 포트폴리오를 Plant Simulation 솔루션으로 확대했습니다.

여기에는 3D로 재료 흐름 및 에너지 소비 시뮬레이션도 포함됩니다. Simons 교수는 “미래에는 생산 라인의 시뮬레이션 및 가상 커미셔닝이 업계 경쟁력을 유지하는 데 필수적이라는 것을 알고 있었습니다. "Tecnomatix를 사용해 어셈블리 라인의 디지털 트윈을 구축하고 가상 커미셔닝을 수행한 결과, 한 학생이 한 학기만 일을 하는 정도로 2년 만에 공장을 정상 운영 할 수 있었습니다."

The fully automated assembly line features a high-bay storage rack and material transport using intelligent shuttles as well as a 6-axis industrial robot for assembly and several test stations. The stations are controlled by PLCs also taking care of functional safety that communicate via OPC UA. Image: P. Abé

체계적이며 실용적인 방식

이 스마트 어셈블리 라인의 주 목적은 최신 기술을 문제 해결에 사용하는 방법을 학생들에 가르치기 위함입니다. 이들은 포괄적인 시스템을 만들어 전문 영역 이외의 지식에도 익숙해지는 방법을 배워야 했습니다. 정보 기술 (IT)과 산업 자동화는 더 이상 개별적인 영역이 아닙니다. 이들은 밀접하게 연결돼 있습니다. 소프트웨어 하나가 제품 제작의 모든 측면을 처리할 수 없으므로 여러 특수 시스템을 적용하고 통합해야 합니다.

Simons 교수는 "최대 과제는 미래를 형성할 실용적 프로젝트에 착수할 준비가 된 인재를 산업에 제공하는 겁니다" 라고 말합니다. "산업은 여전히 각 부서를 단절시키는 벽으로 가득차 있으며, 이러한 벽을 허물 전문성과 동기를 가진 사람들을 필요로 합니다."

여느 공대와 다름슈타트 응용과학대학교를 차별화하는 것은 바로 한층 실용적인 접근 방식입니다. 업계의 실질적 요구사항에 부합하기 위해 스마트 어셈블리 라인은 현재 시장에서 사용할 수 있는 산업 기술만 사용합니다. Simons 교수는 "우리는 자동화와 디지털화를 위해 Siemens 시스템을 선택했습니다" 라고 말합니다. "Siemens는 타 업체보다 성공적인 방식으로 자동화와 IT를 결합합니다."

가상 세계와 실제 세계 통합

다름슈타트 대학교 학생들은 CAD에 NX™ 소프트웨어를 사용합니다. 생성한 모델을 Tecnomatix와 보편적인 JT™ 데이터 형식을 사용하는 다른 소프트웨어 시스템으로 내보내기 합니다. 이들은 2016년부터 NX 내에서 Mechatronics Concept Designer™ 소프트웨어를 사용하고 있습니다. 설계의 기계, 전기 및 자동화 측면에 대한 기능 모델부터 시작하여 기계 설계에 대한 다 분야 시스템 엔지니어링 접근 방식을 추구 할 수 있습니다. Mechatronics Concept Designer에는 사용하기 쉬운 물리 기반 대화식 시뮬레이션 기능이 있어 제품 제작에 앞서 정상 작동 여부를 검증 할 수 있습니다. 다른 도구에도 사용할 수 있는 개방형 인터페이스라 Tecnomatix를 사용한 커미셔닝과 다른 규모의 가상 커미셔닝에 사용할 수 있습니다.

Tecnomatix는 컨베이어 및 로봇이 포함된 복잡한 시스템을 시뮬레이션 할 수 있는 반면, Mechatronics Concept Designer는 시스템의 중요한 운동학적 동작을 시뮬레이션 하는데 가장 적합합니다. 이 소프트웨어에 대한 경험을 얻기 위해 우선 소형 컨베이어 시스템을 설계하고 시뮬레이션하는 데 사용했습니다.

Simons 교수는 “Tecnomatix와 Mechatronics Concept Designer를 사용해 학생들에게 작업에 적합한 소프트웨어를 선택하도록 가르칠 수 있습니다" 라고 말합니다. "제조사가 셔틀의 물리적 속성이 제대로 반영되지 않은 간소화된 3D 모델만 제공해 릴레이 어셈블리 라인에서 셔틀을 시뮬레이션하려는 학생들의 시도가 실패했습니다."

For physics-based design and simulation, Darmstadt University of Applied Sciences is also using the Mechatronics Concept Designer

Darmstadt University of Applied Sciences students used Tecnomatix Process Simulate to create a digital twin of the smart factory for virtual commissioning

For final inspection, the relays pass automated optical and electrical tests as well as weighing. Photo: M. Wittmer

계속되는 변화에 대처하는 방법을 배우다

여러 전공의 학생들이 6학기 중에 2~6명으로 팀을 구성해 자동화를 주제로 한 프로젝트를 진행했습니다. 2018년 중순 경 학생들은 다름슈타트 스마트 어셈블리 라인에서 프로젝트를 실시했습니다. 재설계가 지속적으로 진행되면서 실제 산업 현장을 최대한 사실적으로 반영합니다.

릴레이가 고장나면 결함 수리 작업자는 AR 안경에 표시되는 단계별 지침에 따라 수리를 지원하는 수작업 스테이션으로 이를 전송합니다. 학생들은 주변 시스템과 연결해 고장을 해결할 수 있도록 OPC UA 클라이언트가 있는 안경을 착용했습니다.

다름슈타트 응용과학대학원은 Siemens의 클라우드 기반 개방형 IoT 운영 체제인 MindSphere가 출시되기 전부터 이를 사용하기 시작했습니다. 에너지 데이터 분석 외에도 가동 중인 플랜트에서 이상을 감지하는 머신 러닝 애플리케이션에 이 제품을 사용합니다.

최근 다름슈타트 응용과학대학원은 제품 라이프사이클 관리를 위해 Teamcenter® 소프트웨어를 사용하기 시작했습니다. 내부 워크플로 및 승인 프로세스에 이 제품을 사용합니다. Siemens PLM Software의 전기 및 자동화 엔지니어링을위한 Automation Designer 소프트웨어와 함께 Teamcenter® 사용을 확대할 예정입니다. 다름슈타트 응용과학대학원은 이 소프트웨어를 개방형 그래픽 통합 플랫폼 기반인는 NX에 배치하여 더욱 완성도 높은 포괄적 개발 환경을 구축할 계획입니다.

주요 산업 행사에서 Siemens 부스를 둘러 본 교수들은 대부분 새로운 비즈니스 사례에 대한 아이디어를 얻어가며, 이는 신기술을 기존 플랜트에 어떻게 통합해야 하는가 하는 의문으로 이어집니다. Simons 교수는 이렇게 말합니다. "이 질문에 대한 좋은 답변을 찾을 수 있는 능력은 현재 업계가 전기 엔지니어들에 기대하는 바와 일치합니다."

Relays that have failed final inspection are transported to a manual rework station where workers correcting the fault are supported by a 3D animation and step-by-step instructions displayed in augmented reality glasses