디지털 트윈으로 상상하는 첨단기계를 뚝딱

B&R-Maplesoft, 기계 운전에서 디지털 트윈 지원 MOU

기계 자동화 분야 글로벌 솔루션 공급업체인 B&R은 Maplesoft와 협업방안을 발표했다. Maplesoft의 고급 모델링 툴인 MapleSim을 통해 기계 운전에서의 디지털 트윈을 구축해 고객들에게 제공하겠다는 계획이다. B&R은 자사의 개발툴 오토메이션 스튜디오(Automation Studio)에 MapleSim과 연결성을 제공하는 B&R MapleSim 커넥터를 제공하는 것이다.

B&R MapleSim 커넥터를 사용하면 툴박스 및 커넥터 디지털 트윈 기술을 제어 소프트웨어 개발 프로세스와 통합할 수 있다. 가상 커미셔닝을 제공하는 것이다. B&R MapleSim 커넥터는 시스템 레벨 모델링 환경(MapleSim)과 자동화 설계 환경(B&R Automation Studio)간에 단순화된 워크 플로우를 생성한다. 이 커넥터를 사용하면 설계자는 동일한 워크 플로우에서 디지털 모델을 작성하고 PLC 코드를 테스트할 수 있으므로 구현이 쉽고 비용이 적게 드는 설계 단계에서 귀중한 피드백을 얻을 수 있다.

MapleSim은 복잡한 기계 시스템으로 측정한 물리력을 계산하는 수학 기반 소프트웨어 전문 업체 Maplesoft의 고급 모델링 툴이다. B&R은 Maplesoft와의 파트너십 체결로 B&R의 Automation Studio 엔지니어링 플랫폼과 기계 자체를 디지털 트윈으로 통합하는 것이 그 어느 때보다 쉬워졌다고 강조했다.

B&R MapleSim 커넥터가 프로젝트에 제공하는 이점들

1. 초기 개념의 신속한 생성 및 테스트
MapleSim을 사용하면 디자인 개념을 신속하게 프로토타이핑하고 테스트할 수 있다. 더 짧은 시간에 더 많은 아이디어를 시험해 볼 수 있으므로 신속하게 목표를 달성할 수 있다.

2. 고 충실도 모델
MapleSim은 in-the-loop 시뮬레이션, 컨트롤러 설계 및 최적화, 민감도 분석 및 매개 변수 스윕(parameter sweep)과 같은 활동에 적합한 높은 충실도, 계산 효율이 좋은 모델을 생산한다.

3. 디지털 트윈의 효율적인 사용
B&R MapleSim 커넥터는 개발 과정에서 디지털 트윈을 효율적으로 사용할 수 있도록 2가지 효율적인 내보내기 기능을 제공한다. 첫째, 모델의 시뮬레이션 데이터를 서보 드라이브에서 직접 읽을 수 있는 형식으로 내보낼 수 있으므로 서보 드라이브, 모터 및 기어 박스를 올바른 크기로 조정할 수 있다. 둘째, 모델 자체는 CAD 시각화와 함께 제어 코드 테스트를 위해 Automation Studio로 내보낼 수 있다.

4. 하드웨어로 신속하게 모델 전송
Automation Studio에서 모델을 시뮬레이션하여 B&R 제어 하드웨어로 직접 전송할 수 있다. 그 결과 하드웨어의 동작을 실시간으로 에뮬레이션하여 기계 소프트웨어를 안전하게 테스트할 수 있는 제어 된 환경을 만드는 HIL (hardware-in-the-loop) 시뮬레이션이 가능하다. 디지털 모델의 동작은 B&R Scene Viewer에서 실시간으로 시각화를 제공한다.

시뮬레이션과 디지털 트윈에 대한 기술들은 기계 제작자들이 직면하고 있는 가장 큰 도전 과제들 중 일부로 다가왔다. 기계를 어떻게 엔지니어링하는지에 대해 지속적인 변화를 가져올 것이다. 주로 기계 시스템이었던 것에서 지능의 비율이 증가함에 따라 기계의 성능을 판단함에 있어 소프트웨어의 비중이 더 높아지고 있다. 그리고 기계가 점점 더 복잡해지고 적응함에 따라, 더 정교한 테스트와 평가 방법이 필요하다.

기계 제조업체를 위한 디지털 트윈 기법

Maplesoft의 제품 개발 수석 책임자 Chad Schmitke 박사는 “시뮬레이션과 디지털트윈은 기계 제작자들이 직면하고 있는 가장 큰 도전 과제 중 하나”라고 말했다.  그는 “기계를 어떻게 엔지니어링하는지에 대해 지속적인 변화를 가져올 것이다. 주로 기계 시스템이었던 것에서 지능의 비율이 증가함에 따라 기계의 성능을 판단함에 있어 소프트웨어의 비중이 더 높아지고 있다.”고 설명했다. 또한, 기계가 점점 더 복잡해지고 적응함에 따라, 더 정교한 테스트와 평가 방법이 필요하다는 것.

이들 기술은 프로토타입을 물리적으로 직접 만들어야 하는 부담을 없앨 수 있다. 실제 시뮬레이션에서 하드웨어 크기 조정 및 소프트웨어 테스트를 할 수 있다. 디지털 트윈을 통해 가상 커미셔닝도 가능해진다.

기계제작업체들이 기계에 맞게 소프트웨어를 제작할 때가 되면, 보통의 경우에는 바로 프로그래밍을 시작하는 것이 일반적이었다. 그러나 이제는 시스템을 모델링함에 있어서 MapleSim과 같은 툴을 통한 모델링은 아주 손쉬운 접근 방식을 제공한다.

B&R의 시뮬레이션과 디지털트윈팀 리더인 Kurt Zehetleitner 박사는 “우리는 파트너십을 통해 툴 간의 작업 흐름을 간소화하고 고객이 새로운 영역을 신속하게 탐색할 수 있도록 도와주는 B&R MapleSim Connector라는 패키지를 개발하게 됐다.”고 말했다.

MapleSim Connector 패키지에는 MapleSim과 MapleSim용 B&R 어플리케이션이 포함되어 있으며, Automation Studio로 모델을 자동으로 내보내기 위한 CAD 데이터도 포함된다. 뿐만 아니라 SERVOsoft 사이징 툴로 내보내기 기능도 있다. MapleSim Connector는 이러한 ‘모든 툴 간의 작업 흐름을 능률적이고 고객에게 최대한 유용하게 만드는 종합 툴 세트’라 표현할 수 있다. 이 패키지는 B&R 웹사이트에서 다운로드할 수 있으며, 향후 Automation Studio 버전 설치용 DVD에도 포함될 예정이다.

B&R의 Kurt Zehetleitner는 “소프트웨어 개발에 어려움을 겪고 있는 고객들이 MapleSim과 Automation Studio를 접해본다면, MapleSim과 Automation Studio가 얼마나 간편하고 원활하게 협업할 수 있는 엔지니어링 솔루션인지 알 수 있을 것”이라고 설명했다.

개발자는 기존의 CAD 데이터를 MapleSim으로 가져와 키네마틱 방정식을 다룰 필요없이 모형을 만드는 것으로 시작이 가능하다. 여기서 몇 번의 클릭만으로 C 코드를 만들어 Automation Studio로 가져올 수 있는 것이다. Automation Studio는 다른 펑션 블록과 흡사하게 시뮬레이션 환경이나 실제 하드웨어에서 실행할 수 있다. CAD 데이터도 가져오기 때문에 개발자는 B&R의 Scene Viewer에서 3D 표현을 볼 수 있다. 디지털 트윈은 개발자에게 모든 것이 올바르게 작동하고 있는지를 한눈에 보여준다. 그리고 프로젝트를 진행하는 과정 중에 기계 설계가 불가피하게 변경되더라도, 이 모델을 최신 상태로 유지하여 실제 기계에서 소프트웨어를 실행할 때 당황할 일도, 놀랄 일도 없다.

MapleSim에서 구축된 모형은 Automation Studio에서 시뮬레이션 모형으로 사용되고 직접 B&R 제어 하드웨어로 이전될 수 있다. 결과는 루프 내 하드웨어(hardware-in-the-loop) 시뮬레이션이며, 여기에서는 기계 거동이 실시간으로 에뮬레이션되어 기계 소프트웨어를 안전하게 시험할 수 있는 통제된 환경이 만들어진다. 이러한 환경에서는 모든 제어 파라미터를 조작할 수 있고 드라이브의 온도 거동을 시뮬레이션할 수 있다. 디지털 트윈의 거동은 B&R Scene Viewer에서 실시간으로 가시화된다.

점점 기계가 더 역동적이고 적응할수록 복잡성과 가변성이 증가하고 있다. 이에 엔지니어는 어떤 컴포넌트가 실행될 것인지를 그들의 직감에 의존하기 어려워질 수 밖에 없다. 따라서 사이징과 가상 커미셔닝은 매우 중요한 어플리케이션이 될 전망이다. 예를 들면, “B&R의 ACOPOStrak 수송 시스템을 사용하면 디지털 트윈을 통해 생산성을 극대화할 정확한 셔틀의 수를 쉽게 알아낼 수 있다”는 점이 있다.

Maplesoft의 Chad Schmitke는 “디지털트윈은 개발부터 시작해서 예측 유지보수, 고급 제어, 튜닝과 같은 것으로 사용 영역을 넓혀갈 것”이라고 강조했다. 그는 “개발자가 그리는 토크와 모델이 예상하던 것과 다를 때를 생각해 볼 수 있다. 예를 들어, 개발자는 주어진 메커니즘에 무언가 잘못될 수 있다는 것을 알고 있다. 또한 What-if 시나리오를 이용할 수 있다. 주어진 파라미터 세트를 보고 ‘이 모션 프로파일에서 달성할 수 있는 가장 빠른 사이클은 무엇이며, 내 모터의 토크 제한 범위 내에 있는가?’라는 질문도 할 수 있다. 여기서부터 그것은 상상력에 달려있다.”고 말했다. 디지털트윈을 통해서 누구든지 쉽고 경제적으로 구상하고 있는 기능들을 만들어 나가는 것이 가능해 질 것이라는 설명이다.