원자로 냉각 시스템의 디지털 트윈을 활용하여 생산을 극대화하고 가동 중단 방지

시뮬레이션 자동화

Practicon은 1970년대부터 제조업체가 생산을 최적화할 수 있도록 공장 프로세스를 자동화해 왔습니다. 이 회사는 수년간 고객의 시스템과 요구사항을 파악하고, 운영 향상을 위한 이상적인 솔루션을 설계하고 구현하는 전문성을 쌓아왔습니다. Practicon은 항상 최신 기술을 활용하여 최상의 결과를 제공하는 것을 목표로 합니다. 특히 복잡한 요구사항을 가진 새로운 고객을 만난 것은 툴킷에 다중 물리 시뮬레이션을 툴킷에 추가하기에 완벽한 기회였습니다.

처음에 Practicon의 고객은 다량의 열을 발생시키는 20개의 반응기를 포함한 제조 프로세스를 운영하고 있었습니다. 고객은 원래 이 프로세스를 타사에서 제공한 냉각 시스템을 사용하여 관리했으며, 플랜트가 확장됨에 따라 수 년에 걸쳐 이 시스템을 수정하고 확장해 왔습니다. 이 시스템은 운영에 필수적이었지만 갈수록 신뢰성이 낮아지고 지원도 제한적이어서, 회사는 시스템에 문제가 발생할 경우의 영향을 우려했습니다. 이와 동시에, 시스템이 복잡하기 때문에 전체 제조 프로세스가 중단될 위험 없이 변경하기가 쉽지 않았습니다.

이 회사는 18개월마다 2주간의 유지보수 기간을 두고, 이 기간에 냉각 시스템을 오프라인으로 전환하여 변경할 수 있습니다. 따라서 Practicon은 완벽한 솔루션을 제시해야 했을 뿐만 아니라, 고객의 생산 손실로 인한 비용을 피하기 위해 단시간 내에 솔루션을 구현해야 했습니다.

Practicon의 이사인 Martin Jones는 "처음부터 이 프로젝트는 지금까지 작업했던 프로젝트와 다르다는 것이 분명했습니다."라고 설명합니다. "여기에 관련된 복잡성과 중요성을 이해하고 나니, 성공을 보장하려면 시스템의 가장 정확한 모델링이 필요하다는 것을 알았습니다."

이러한 과제를 해결하기 위해 Practicon은 Simcenter™ Amesim™ 소프트웨어를 도입했습니다. 이는 소프트웨어, 하드웨어, 서비스로 구성된 Siemens Xcelerator 비즈니스 플랫폼의 일부로, 새로운 냉각 시스템을 구현하기 전에 디지털 트윈을 생성하여 철저하게 테스트합니다.

메카니컬 모델링으로 시뮬레이션 검증

기존 시스템은 불안정한 제어 시스템, 내결함성, 불안정한 유속, 압력 및 운영 요구사항 충족의 어려움으로 어려움을 겪었습니다. 이러한 문제를 극복할 방법을 결정하기 전에 Jones와 그의 팀은 기존의 설정을 완벽하게 파악해야 했습니다.

Practicon은 기존 냉각 시스템을 측정하고 매핑한 다음 새로운 시스템 설계에 필요한 변경 사항을 설계하기 위해 기계 모델링 도구를 사용했습니다. 하지만 이 프로젝트에는 그 이상이 필요했습니다. "냉각 시스템의 기본 사항을 시뮬레이션할 수는 있었지만 주어진 상황에 어떻게 대처할지 정확하게 예측할 수는 없었습니다."라고 Jones는 설명합니다. 새 시스템의 설치 기간은 2주뿐이어서 예기치 못한 상황을 감당할 시간적 여유가 없었습니다. 무언가 실제로 만들기 전에 원자로의 가동 및 정지, 유량이나 압력의 변화, 격납 손실 등의 영향을 충분히 테스트할 수 있는 가상 환경이 필요했습니다."

제안된 새로운 솔루션에는 Siemens S7-1500H PLC(Programmable Logic Controller) 시스템이 통합되었습니다. Practicon은 네트워크 중복성을 갖춘 마스터-슬레이브 구성을 활용하여 단일 장애 지점으로 인해 전체 시스템이 중단되지 않도록 했습니다. 이 시스템은 이더넷 케이블 연결 해제와 같은 장애에 대한 탄력성을 제공하기 위해 링 네트워크를 통합했습니다. 또한 시스템 무결성을 유지하는 데 있어서 현장 입력/출력(IO)은 필요하지 않았습니다.

"우리는 주어진 시간 내에 효과적인 솔루션을 구현할 수 있다는 것을 증명해야 했습니다."라고 Jones는 말합니다. "기존 메카니컬 모델링 도구를 사용함으로써 Simcenter Amesim으로 첫 번째 모델을 구축했을 때와 비교할 수 있는 벤치마크를 얻을 수 있었습니다. 이를 통해 우리와 고객은 디지털 트윈이 실제 세계에서 일어날 일을 정확하게 표현한다는 확신을 가질 수 있었습니다."

정확한 디지털 트윈 개발

Practicon은 Simcenter Amesim을 처음 접했기 때문에 시작하는 데 지원을 받기 위해 Siemens Digital Industries Software 파트너인 Maya HTT에 연락했습니다.

Jones는 "첫 번째 통화 후에 Simcenter가 우리에게 적합한 도구라는 사실을 알았습니다. Maya HTT의 엔지니어들은 초기 대화를 바탕으로 Simcenter Amesim 내장 라이브러리를 사용하여 대략적인 모델을 빠르게 생성했습니다. 저는 즉시 그 잠재력을 알아보았고, 우리가 계약을 수주하고 효과적인 솔루션을 구현하는 데 Simcenter가 중요한 역할을 할 것임을 깨달았습니다."

Simcenter Amesim 모델은 실시간으로 실행할 수 있었기에 다양한 시나리오와 매개변수를 테스트하여 시스템의 안정성을 보장할 수 있었습니다. 이 실시간 기능은 제어 솔루션을 실제 플랜트에 구현하기 전에 검증하는 데 매우 중요했습니다.

Maya HTT와 Practicon의 엔지니어들은 긴밀히 협력하여 모델을 개발하고 정확성을 보장했습니다. Practicon은 디지털 트윈을 사용하는 데 자신감이 생기자 모든 시나리오를 디지털 트윈으로 시뮬레이션할 수 있게 되었습니다. Jones는 "복잡한 솔루션이지만 직관적이고 작업하기 쉽다는 사실을 알게 되었습니다."라고 말했습니다. "엔지니어들은 불과 몇 시간 만에 Simcenter Amesim을 구성하고 새로운 시스템 설계를 테스트하기 위한 시뮬레이션을 실행했습니다.

"기존 시스템의 디지털 트윈을 구축한 후, 이것이 무슨 일이 일어나는지를 실시간으로 정확히 시뮬레이션한다는 것을 고객에게 보여주었습니다. 이를 통해 디지털 트윈에 수정 사항을 적용하고 시뮬레이션에서 그 효과를 입증하면 실제로 구현했을 때 효과가 있을 것이라는 확신을 갖게 되었습니다.

"시스템의 안정성을 더욱 보장하기 위해 Siemens TIA Portal과 고급 시뮬레이터를 사용하여 가상 환경에서 시스템을 실행했습니다. 이를 통해 구현 전에 솔루션의 PLC 코드와 기계적 측면을 검증하여 고객의 요구사항을 충족하는지 확인할 수 있었습니다."

탄력성 입증 및 공장 승인 테스트 통과

공장 승인 테스트의 일환으로 50개의 테스트 사례 시나리오를 고려해야 했습니다. Practicon 엔지니어는 디지털 트윈을 사용하여 각 시나리오를 시뮬레이션하고, 매번 새로운 솔루션을 검증하는 이해하기 쉬운 차트와 그래프를 생성했습니다.

디지털 트윈의 중요한 이점은 냉각 시스템 내에서 발생하는 모든 일을 모니터링할 수 있다는 것입니다. "시스템 전체에 물리적 센서를 설치하는 것은 비실용적이고 비용이 매우 많이 듭니다."라고 Jones는 말합니다. "Simcenter Amesim을 사용하여 전체 시스템에서 필요한 곳에 유량과 압력을 측정하는 가상 센서를 추가했습니다. 오류는 용납되지 않았습니다. 유량이 떨어지고 300밀리초 내에 회복되지 않으면 예방 조치로 반응기가 자동으로 차단됩니다. 새로운 솔루션의 탄력성 향상을 위한 일환으로, 필요 시 두 개의 펌프만으로도 작동할 수 있는 펌프 3개로 이루어진 시스템을 설치했습니다. 디지털 트윈을 활용함으로써, 유지보수를 위해 펌프를 가동하거나 중지해도 유량에 영향을 주지 않으며 생산이 중단되지 않는다는 점을 입증했습니다."

Practicon은 새로운 솔루션 도입을 통해 필요할 때 시나리오 시뮬레이션을 실행할 수 있는 디지털 트윈을 갖게 되었습니다. Jones는 "고객이 변경을 원하거나 효율성 또는 운영에 대한 우려가 있는 경우 시뮬레이션을 통해 모든 것을 실행하고 무슨 일이 일어나고 있는지 정확히 보여 정보에 입각한 결정을 내릴 수 있습니다."라고 말합니다.

추가 시뮬레이션으로 새로운 비즈니스 기회 창출

첫 번째 프로젝트가 성공한 후, 고객은 공장의 다른 구역에서도 유사한 시스템 업그레이드를 Practicon에 요청했습니다. 이는 동일하지 않았으므로 동일한 접근 방식을 사용하여 기존 시스템을 모델링하고 디지털 트윈을 통해 변경 효과를 제공했습니다.

Jones는 "이렇게 해서 프로세스를 반복할 수 있다는 점을 입증했습니다."라고 설명합니다. "이제 다른 고객에게도 이 방식을 적용할 수 있다는 것을 알게 되었고, 비즈니스의 새로운 영역이 열렸습니다. 과거에는 너무 위험해서 수행할 수 없는 프로젝트가 있었지만 Simcenter Amesim을 통해 지금 이러한 작업을 수행할 수 있다는 확신을 갖게 되었습니다. 이는 우리에게 상당한 경쟁 우위를 제공합니다."

Jones는 Simcenter Amesim이 Practicon과 고객에게 제공하는 이점을 경험한 뒤, Simcenter 포트폴리오의 다른 도구들도 활용할 가능성을 적극적으로 모색하고 있습니다. "Siemens Xcelerator의 다양한 패키지를 보고 다른 프로젝트에 대한 아이디어를 얻을 수 있었습니다."라고 Jones는 말합니다. "이제 고객이 제시하는 거의 모든 과제를 시뮬레이션할 수 있습니다. Simcenter는 우리가 신규 계약을 수주하고 성공적으로 이행하는 데 큰 역할을 할 것이라고 확신합니다."