계장기술(PROCON)

기획특집 시뮬레이션 기반 디지털 트윈의 구현

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작성자 최고관리자 댓글 0건 조회 351회 작성일 19-08-20 17:31

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1. 서 론

시뮬레이션은 인간이 컴퓨터를 개발한 이후 끊임없이 여러 가지 형태로 발전해왔다. 소프트웨어의 그래픽 성능이 발달함에 따라 시뮬레이션 기법과 기술들은 고도로 발전하였다. 최근 컴퓨터를 구성하는 하드웨어의 가격과 성능이 발달하여 산업계에서 제품을 개발할 때 보다 쉽게 시뮬레이션을 사용할 수 있게 되었다. 이제는 제품을 개발할 때 성능과 품질 개선을 위해 쉽게 시뮬레이션 프로그램을 이용할 수 있는 환경이 되었다.
최근 산업계에서 많은 사람들이 디지털 트윈이라는 단어에 주목하고 있다. 디지털 트윈은 가상의 공간에 개발하고자 하는 제품, 또는 개발된 제품의 트윈이라고 하는 가상의 제품을 만드는 과정이다. 더 나아가 품질, 성능을 확인하기 위하여 가상의 공간에 만들어진 트윈을 이용하는 것이다.

이전의 제품 설계는 단품을 설계하는 것을 목표로 하였다. 단품의 성능 명세에 따라서 성능과 품질을 맞추어 최상의 성능과 품질조건을 유지하도록 한다. 하지만 최근에는 CAD의 성능이 향상되고, 시뮬레이션 기술이 발달하여 단품 설계보다는 통합 설계로 설계의 기준이 발전하고 있다.

기능이 복잡한 제품들이 많아지고, 개별 구성품을 하나의 시스템에 통합할 때 설계한 요구사항과 같이 작동하는지 확인해야 하는 문제가 많이 발생하고 있다. 그림 1에서 볼 수 있듯이, 산업계에서는 설계 목표의 변화와 시장의 품질, 성능 요구사항을 반영하기 위하여 통합 환경에서의 설계와 시뮬레이션이 동시에 진행할 수 있는 환경이 필요하게 되었다.


2. 제품개발 패러다임의 변화

제품개발의 과정에 있어서 각 제조업체들은 효율적이며, 통합적인 개발 환경을 구현하기 위하여 끊임없는 노력을 진행하였다. 시스템 모델링, 시뮬레이션 및 검증은 제품 개발 과정에 물리적 현상, 제어장치 및 운전 환경 사이에 상호작용을 파악하고, 운영 환경에서 성능을 최적화하기 위한 완벽한 디지털 트윈을 만들 수 있도록 도와준다. 센서 및 빅데이터를 트윈 모델과 결합하여 성능과 효율적인 유지관리를 할 수 있도록 실제 운전 환경과 동일한 환경에서 설계된 디지털 트윈을 개발할 수 있다.


3. 시뮬레이션 결과 사용법의 확장

서론에서 간략하게 언급한 가상공간의 트윈에 대하여 짧게 이야기하였다. 디지털 트윈을 이용한 시뮬레이션에서 “트윈은 운영 중인 물리적 자산이 연결되고, 통합된 다중영역 시스템 시뮬레이션 형태의 가상 복제본으로, 운영 중인 물리적 자산의 수명 및 운전 환경을 반영한 가상의 복제 자산”이라고 이야기할 수 있다. 현실세계에서 운영하고 있는 물리적 자산은 여러 가지 복잡한 환경변수들과 함께 운영되고 있다. 심지어 복잡한 환경변수들조차 상호작용을 하기 때문에, 기존의 단품 성능의 시뮬레이션으로는 다양한 변수들과 상호작용하는 제품의 성능과 품질의 시뮬레이션을 구현하기 쉽지 않다. ANSYS 솔루션은 세 가지 측면에서 시스템과 디지털 트윈을 제작을 쉽게 구성하도록 도와준다.

1) 3D 물리, 임베디드 소프트웨어 및 시스템 시뮬레이션
3차원 물리 시뮬레이션, 임베디드 시스템 및 소프트웨어 설계를 위한 앞선 기술을 제공한다. 시뮬레이션 모델을 구성하고자 하는 사용자는 서로 다른 구성요소의 소프트웨어로 제어되는 다중영역 시스템에서 완벽한 디지털 트윈을 구성할 수 있다고 도와주며, 최초 개념설계로부터 제품 운영까지 제품 수명주기 동안 사용할 수 있다.

2) 소프트웨어, 전자 장비 및 하드웨어 설계를 함께 평가
소프트웨어, 전자 장비 및 하드웨어 설계 목표를 동시에 고려하면, 제품 구조가 복잡해지고, 설계의 범위를 단품에서 조립품으로 확장할 수 있다. 지능형 상호 연결 제품은 다양한 각각의 구성품을 따르는 설계 요구사항을 다양하게 가지고 있으며, 각각의 구성품은 제작, 확인 및 검증을 해야 하는 수많은 설계변수와 인터페이스가 있다.

3) 제품 설계, 작동 및 서비스 최적화
시스템 시뮬레이션은 설계 요구사항 및 성능의 선택을 위한 정보를 알려주고, 통찰력을 제공하며, 시스템 구성의 특징, 기능, 동작 및 성능을 검증한다. 개별 구성품의 설계뿐만 아니라 각각 구성 부품들 사이의 상호작용을 정확히 수집한다. 시스템 시뮬레이션은 테스트를 거쳐 제품 운영 단계로 확장되며, 복

잡하고 값비싼 자산의 유지 관리 및 최적의 운전관리를 가능하도록 도와준다.  

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4. 디지털 트윈 구현을 위한 솔루션

앤시스 트윈빌더(Twin Builder)는 운전 정비를 위한 보다 완벽한 시스템 시뮬레이션과 디지털 트윈을 구축하고 검증하고 배치한다. 앤시스 트윈빌더는 고객의 운전 정비 결과를 개선하도록 도와준다. 이를 통해 보험 비용을 절감하고 제품 운영을 최적화할 수 있다. 시스템을 쉽고 빠르게 구축하기 위해 트윈빌더는 폭넓은 애플리케이션 라이브러리, 3D 물리 시뮬레이션, 축차모델 기능을 사용하여 다중영역 시스템 모델 구성을 용이하게 한다.

임베디드 소프트웨어 개발 툴과 결합하고, 기존의 제품을 재사용하여 제품의 시스템 모델을 빠르게 생성할 수 있다. 시스템을 검증하기 위해서 트윈빌더는 다중영역 시스템 시뮬레이션 기능을 바탕으로 HMI의 신속한 제작, 시스템 최적화, XIL 검증 툴과 결합을 가능하도록 한다. 이를 통해 시스템 설계는 의도한 설계 목표대로 작동하는 것을 불 수 있도록 한다. 테스트할 트윈 또는 실시간 데이터를 연결하기 위해 트윈빌더는 IIoT 플랫폼과 쉽게 통합되고, 런타임 배치 옵션을 포함하며, 이를 이용하여 물리적 제품에 대한 예측 정비 수행할 수 있다. 트윈빌더는 디지털 트윈 구현을 하기 위한 제품들 중 통합된 접근을 제공하는 유일한 제품이라고 말할 수 있다.

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5. 디지털 트윈 환경 구성을 도와주기 위한 트윈빌더의 다양한 기능들

1) 다중영역 시스템 모델 구성
여러 개의 도메인과 언어를 사용하여 시스템을 구성한다. 복잡한 전력전자 회로와 다중영역 시스템의 계층적 회로도를 생성한다. 아래 나열한 표준 언어와 교환 형식으로 모델링이 가능하다.
SML(Simplorer modeling language), VHDL-AMS (IEEE 1076.1, Modelica), FMI(functional mock-up interface), C/C++, SPICE
<기타 특징>
VHDL-AMS, Modelica®, SML, C/C++, SPICE 모델 생성을 위한 마법사 구동 코드 편집기, 불연속적인 이벤트 시스템 동작을 결합하는 능력. 연결 유형과 물리적 영역의 일관성 보장하는 온더플라이(On-the-fly) 설계 검사 도구

2) 폭넓은 0D 애플리케이션 라이브러리
트윈빌더의 내장 라이브러리는 보다 완벽한 시스템 모델을 구현하기 위하여, 사용되는 부품의 풍부한 컬렉션을 제공한다. 여러 개의 물리적 영역과 여러 수준의 충실도에서 모델을 선택하여 적절한 수준의 세밀도로 원하는 시스템 역학을 캡처할 수 있다. 트윈빌더 모델은 쉽게 매개변수화 하여 물리적 부품의 동작을 복제하는 것이 가능하다. 트윈빌더 라이브러리는 컨트롤 블록 및 센서, 기계적 부품, 유압 부품, 디지털 및 로직 블록, 항공우주 전기 네트워크용 애플리케이션 특정 라이브러리, 전기 자동차, 전력 시스템, 특정 제조업체 부품과 같은 아날로그 및 전력전자 부품 등 다양한 영역의 부품들을 포함한다. 트윈빌더는 Modelica 표준 라이브러리 및 유압, 공압, 액체 냉각, 열교환기용 라이브러리를 제공하는 ModelOn AB의 Modelica 라이브러리를 지원한다.

3) 표준을 통한 다양한 프로그램의 통합
트윈빌더는 다양한 모델을 함께 통합환경에 구성할 수 있도록 하기 위해 FMI(Functional Mock-up Inter face)를 지원하며, 이를 이용하여 다양한 소스의 모델을 전체 시스템 구성에 사용할 수 있다. 100개 이상의 도구와 함께 GT-SUITE, CarSim, Amesim, Dymola를 비롯한 FMI 모델 내보내기 및 연동해석을 공식적으로 지원함으로써 고성능 솔버와 ANSYS 3D 시뮬레이션 모델과의 링크를 활용하는 트윈빌더에서 전체 통합 시스템 모델을 구현할 수 있다. 인터페이스의 추가를 이용하여 기존의 C/C++ 코드와 MathWorks Simulink 모델을 통합 시스템 모델과 함께 구성할 수 있다. 트윈빌더에서 구성한 모델을 다른 FMI 호환 환경에서 사용하기 위해 트윈빌더 모델을 FMI 형태로 교환하여 사용할 수 있다. 

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4) 3차원 축차모델
트윈빌더는 ANSYS의 3D 기반 시뮬레이션 기술과 결합하여 통합환경의 시스템 모델링 구성에 3D 시뮬레이션의 세밀한 조작을 제공한다. 축차모델 기능의 지원은 세밀한 3D 기반 시뮬레이션 기술을 사용하는 것과 같이 정확하고 효율적인 시뮬레이션 환경을 시스템 단위에서 구현할 수 있도록 지원한다. 트윈빌더는 ANSYS 구조, 유체, 전자기 및 반도체 제품 시뮬레이션을 지원하여 기계 제품, 전자기 구동기 및 기기, 회로 및 케이블 기생소자, 열 네트워크 및 신호 무결성을 모델 구성을 구현하도록 도와준다. 

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5) 통합된 형태의 내장 소프트웨어 지원
트윈빌더는 임베디드 컨트롤 소프트웨어와 HMI 설계를 손쉽게 통합하여 물리적 시스템의 모델을 통해 임베디드 컨트롤의 성능을 테스트하기 위한 MiL(Model-in-the-Loop)과 SiL(Software-in-the-Loop) 흐름을 지원한다. ANSYS SCADE Suite 및 SCADE Display와의 강력한 결합으로 소프트웨어 실행 동안 상호작용 방식의 모니터링과 디버깅이 가능하다. 표준 인터페이스(예 : FMI)와 강력한 API를 통해 맞춤형 코드와 타사 컨트롤을 트윈빌더 시스템에 통합할 수 있다.

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6) 다중영역 시스템 시뮬레이션
수십 년 동안 사용한 트윈빌더의 솔루션 기술은 다중 영역 시스템 시뮬레이션을 계속하여 사용함으로써 입증되었다. 적응 시간 단계 제어와 정교한 솔버 동기화 기능을 통해 트윈빌더는 연속 시간, 불연속적인 시간, 그리고 아날로그/혼합 신호 동작의 효율적이고 정확한 시뮬레이션이 가능하다. 고성능 컴퓨팅 리소스에서 트윈빌더 시뮬레이션을 실행하고, 다중 실행 분석을 병렬로 수행하여 시뮬레이션 처리 속도를 높일 수 있다. 트윈빌더는 시뮬레이션 결과를 분석하고 후처리를 위한 완벽한 환경을 제공한다. 강력한 그래픽 파형 출력 기능을 통해 시간 영역과 주파수 영역 데이터를 다양한 2D 및 3D 디스플레이와 표 형식으로 시각화할 수 있다. 그래픽 및 표 형식 보고서를 모델 다이어그램에 직접 배치하고, 시뮬레이션 진행 상황에 따라 동적으로 업데이트할 수 있다. 사전 정의된 치수와 마커의 방대한 컬렉션을 그래픽 보고서에 적용하여 시뮬레이션 출력에서 정보를 추출할 수 있다. 자동화된 보고서 생성은 지정된 설계 정보와 결과를 수집할 수 있다.

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7) HMI 초기 모델 구성
트윈빌더는 강력하고 설계하기 쉬우며, 대화형 그래픽 패널을 사용하여 시뮬레이션 경험을 강화하는 신속한 프로토타이퍼를 포함하고 있다. 이를 통해 테스트 중인 애플리케이션과 상호작용하기 위해 사전 정의된 위젯(버튼, 슬라이더 등)을 사용하면 대화형 패널을 생성할 수 있다. 이 기능을 이용하며, 모델 시뮬레이션을 가능하게 만들어준다. 초기 요건 검증은 다양한 기능을 통해 가능하다.

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8) 시스템 확인과 최적화 구현
트윈빌더는 시스템 동작을 테스트하기 위해 완벽한 환경을 제공한다. 정상 상태, 시간 및 주파수 영역에서 기본 시뮬레이션 실험을 수행할 수 있고, 고급 테스트 제품군은 정교한 다중 실행 분석을 자동화하기 위한 프레임워크를 제공한다. 정의된 범위에서 매개변수 값을 스위핑하여 시스템 응답의 효과를 파악할 수 있다. 내장 알고리즘을 사용하거나 ANSYS DesignXplorer 및 ANSYS OptiSlang과 연결하여 지정된 설계변수의 비용 함수를 기반으로 시스템 성능을 최적화할 수 있다. 사용자는 시스템 감도와 최악의 설계/운전 조건을 식별할 수 있을 뿐만 아니라, 시스템 성능에서 통계 변화 및 제조 허용오차의 효과를 분석할 수 있다.

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9) XiL 통합
임베디드 소프트웨어는 가상적으로 모든 시스템에서 찾아볼 수 있으며, 운영 및 컨트롤에 필수적인 역할을 한다. 임베디드 소프트웨어는 가상 시스템 모델의 중요한 요소이며 여기에 MiL(Model-in-the-Loop) 설계와 컨트롤 전략의 조정을 위한 연동해석, 가상 시스템에서 실제 임베디드 코드의 SiL(Software-in-the-Loop) 검증을 위한 코드 불러오기를 비롯한 물리적 모델에 소프트웨어를 통합하기 위해 트윈빌더는 다른 기술이 존재한다. 트윈빌더는 ANSYS SCADE 툴 슈트 및 MathWorks Simulink를 비롯한 인기 있는 임베디드 컨트롤 설계 도구와의 링크를 제공한다. 

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10) IIoT 제품과의 연동
트윈빌더를 사용하면 다양한 IIoT(Industrial Internet of Things) 플랫폼에 디지털 트윈을 연결할 수 있으며, 이를 통해 테스트 및 실시간 데이터에 액세스할 수 있다. 트윈빌더의 내장 API는 PTC ThingWorx, GE Predix, SAP Leonardo와의 매끄러운 연결을 제공한다. 트윈빌더는 기타 모든 IIoT 플랫폼에 연결할 수 있으며, 이는 물리적 자산에 대한 예측 정비 수행을 가능하게 도와준다.

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6. 맺음말

정보통신기술과 통합 융합하는 4차 산업혁명의 매우 중요한 부분인 디지털 트윈 환경은 먼 미래에 갑자기 구현되는 기술의 혁명이 아닌 오늘부터 변화하여 지속적으로 구현을 위하여 노력해야 하는 새로운 개발 환경이다. 이전의 산업 현장은 기계, 인간, 그리고 산업 현장이 독립적인 영역을 가지고 발전해왔다. 앞으로 다가올 산업 현장은 정보통신기술을 기반으로 한 통합된 제품개발 환경에서 인간과 인간의 원활한 의사소통뿐만 아니라 기계와 인간의 의사소통이 구현되어야 한다. 산업 현장의 디지털 트윈 환경을 구성을 용이하게 도와주기 위하여 앤시스의 솔루션은 다중영역의 모델링부터 통합 환경에서의 시뮬레이션까지 함께 실행되는 솔루션을 제공하고 있다. 앞으로 다가오는 제품개발 환경에서는 원활한 의사소통 기반으로 설계 요구사항을 따라 품질과 성능을 유지할 수 있는 통합 개발 환경이 구성되기를 기대해본다. 


younhyuck.chang@ansys.com

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