TÜV SÜD Korea의 디지털 트윈 제안

ECLASS를 활용한 자산관리 쉘(AAS) 및 기능안전이 적용된 디지털 트윈 플랫폼

ECLASS를 활용한 자산관리 쉘(AAS) 및 기능안전이 적용된 디지털 트윈 플랫폼

디지털 트윈(Digital Twin)이란?

디지털 트윈이라는 용어는 2002년 미국 미시간 대학교의 마이클 그리브스(Michael Grieves)가 제품 수명주기 관리를 위해 처음 사용한 이후로 계속 발전해 왔습니다. 디지털 트윈은 다양한 IIoT(산업용 사물인터넷) 및 인더스트리 4.0 사용 사례의 핵심 요소로 알려져 있으며, 산업별 다양한 사용 사례가 있고 지금도 계속 발전하고 있습니다.

디지털 트윈은 실존하는 개체를 디지털화 해서 특성을 디지털 환경안에서 표현하는 것으로 해당 개체와 상호작용할 있는 인터페이스를 제공해 줍니다. 주어진 환경 안에서 해당 개체의 상태와 행동을 모니터링하고 예측하기 위해 통신, 정보의 저장, 해석 처리를 있도록 돕습니다.

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TÜV SÜD Korea는 다음 내용을 통해 디지털 트윈 개발에 대한 전반적인 내용과 ECLASS, 기능안전이 중요한 고려사항이 될 수 있음을 이야기하고자 합니다.

디지털 트윈의 세 가지 주요 구성요소

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  • 데이터

디지털 트윈에는 실존하는 자산(asset)에서 수집된 데이터가 포함되며 이러한 데이터에는 설계관련 데이터, 제조관련 데이터 유지보수 관련 데이터가 포함됩니다.

  • 모델

디지털 트윈에는 실존하는 객체에 적용할 있는 다양한 연산 표현 모델들이 포함될 있습니다.

  • 서비스 API

디지털 트윈은 다양한 소프트웨어가 데이터에 액세스하고 호출할 수 있는 인터페이스를 제공합니다.

다양한 산업용 기기의 특성과 요구사항을 고려한 ECLASS 기반 AAS모델 설계 및 개발


개념부터 시운전 단계까지의 정보로 구성된 정적 데이터(자산에 대한 명세)는 AutomationML(AML: Automation Markup Language, IEC 62714)을 사용하여 모델링 되고 운영 데이터(운영 단계에서 수집된 정보)는 OPC UA(IEC 62541) 정보 모델로 제시됩니다. 이러한 두 모델링의 상호호환적 정의를 위해 ECLASS(IEC 공통 데이터 사전 기반)를 활용하여 Automation ML과 OPC UA를 서로 매핑, 완전한 관리쉘을 정의합니다.
 
아래 이미지는 전체 개념과 각 단계에서 사용되는 표준을 보여주고 있습니다. 

 

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[이미지 1: 각 단계에서 사용되는 전체 개념]

1. 관리쉘 확장(메타) 모델의 전체 구조 및 구성

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[이미지 2: 관리쉘의 UML 메타 모델]

AAS 전체 개념은 객체지향 방식으로 구성되며, 모든 물리적 기기/요소는 AAS 언어에서 자산으로 불립니다. 자산은 AAS로부터 연결되고 관리될 있으며 자산들은 하위 모델 하위 모델 요소로 그룹화 됩니. AAS 관련된 구성요소를 액세스하는 중심부이므로 본질적으로 액세스허용규칙(AccessPermissionRules) 뷰도 포함합니다. 속성의 식별은 ECLASS(IEC61360 기반) 기반 데이터 사양으로 참조됩니다.

2. 관리쉘 메타 모델의 세부 구성 및 내용

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AAS 구조는 관리쉘 자체와 해당 하위 모델의 정보로 구성됩니다. 하위 모델에는 가지 유형의 데이터가 포함 되는데, 정적 데이터와 런타임 데이터 또는 운영 데이터입니다. 정적 데이터는 관리쉘의 메타 정보에서 나오며 여기에는 이름, 유형, 범주 관계와 같은 모든 정적 속성이 포함됩니다. 운영 데이터는 자산 운영 중에 데이터가 지속적으로 모니터링되고 저장되는 동적인 영역입니다.

다음과 같은 관련 ECLASS 분류가 AML의 일부로 사용됩니다.

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이러한 속성은 ECLASS 라이브러리의 IRDI (International Registration Data Identifier) 해당 ECLASS 라이브러리에 나와있는 동일한 정의를 참조하며 이러한 라이브러리를 활용, 아래의 예와 같이 자산에 대한 인스턴스 계층구조가 작성될 있습니다.

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각각의 이러한 정보는 시운전 이전까지 수집된 자산의 정적 또는 디지털화된 설명이며 AAS 뷰어 UI 에서도 수가 있고 관련 데이터가 추출될 있습니다.

3. 안전과 효율성이 고려된 관리쉘 모델의 세부 구성 및 내용

자산에 대응되는 디지털 트윈(AAS)에는 해당 자산과 연관된 위험성(hazard) 설명하는 위험성관련 하위 모델이 정의가 됩니. 이러한 구성은 안전평가 엔진이 해당 모델에 대해 특정위험에 대한 안전조치를 비교 평가하도록 돕습니다.

예를 들어, AGV(무인 운반차) 등의 동작 중 발생할 수 있는 절단사고 또는 끼임/눌림 사고등의 위험은 AGV 동작 시,

(1) 다음 작업구역에 사람이 있을 경우 출입구를 차단, AGV의 진입을 막거나 (작업구역 출입 차단, 이 경우 작업공정의 지연 발생)

(2) 혹은 AGV와 사람 사이의 안전한 거리를 유지하는 것으로 예방될 수 있습니다.

 두 가지 안전조치는 위험상황에 대한 대응책이 모두 맞지만 제조업 관점에서는 사람과의 안전한 거리유지가 확인되었을 경우, 다음 작업구역의 출입구를 열어서 작업공정의 지연을 줄이는 것이 효율적입니다.

즉, 안전평가 엔진은 이 두 가지 안전조치가 필요한 상황과 위험을 모두 이해할 수 있어야 하며 컴퓨터를 통해 이런 수준의 비교를 할 수 있으려면 위험성에 대한 정의를 그룹화 해야 합니다. 예를 들어 이러한 방법으로 정의된 ‘절단사고 그룹’ 또는 ‘끼임/눌림사고 그룹’의 경우, 안전조치로써 “작동 중 위험 부분과 사람이 반드시 접촉하지 않도록 해야 한다.” 는 조건을 연동할 수 있을 것입니다. 안전 평가 엔진의 상호 운용성과 안전한 작동을 보장 및 극대화하려면 기능안전의 접근법으로 각 위험성을 분류/그룹화하는 표준화 역시 고려되어야 합니다

ECLASS 기반으로 개발된 AAS의 온라인 클라우드 플랫폼 적용

현실 세계에 존재하는 자산들을 반영하는 디지털 트윈을 실행하려면 클라우드 기반 호스팅 서비스가 필요하며 이를 통해 산업용 IoT 데이터 소스에 대한 연결이 가능합니다. OT IT 기반 시스템에서 제공되는 실시간 데이터를 가져와 여기에 단순 또는 복잡한 단계의 분석을 적용 , 행동을 취하는 방향으로 디지털 트윈이 설계되곤 합니.

번째 단계에서는 AAS 모델 파일인 정적 메타 데이터 파일을 클라우드 플랫폼에서 호스팅 되는 AAS 탐색기에 등록합니다. 그러면 AAS 탐색기에 있는 AAS 분석기가 해당 AAS 모델 파일에서 메타 데이터와 정적 데이터를 분석하고 추출 , 클라우드에 연결된 데이터베이스에 정적 데이터 정보를 저장합니다.

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번째 단계에서는 AAS 모델을 기반으로 AML2OPCUA 변환기를 통해 클라우드 상에서 OPC UA 데이터 수집 서버를 생성, 사용합니다. 그러면 클라우드 서버에 접속한 AAS 뷰어는 내부적으로 OPC UA 클라이언트가 되어 OPC UA 데이터 수집 서버에 연결, AAS 운영 데이터도 읽을 있게 됩니. 이렇게 현실 세계의 공장 자산이 모두 데이터화 되어 OPC UA 통해 클라우드로 연결, 디지털로 시각화 됩니.

런타임 데이터는 클라우드에서 호스팅 되며 관련 주요정보가 데이터베이스에 저장됩니다. 이렇게 저장된 분석용 데이터로부터 추가 분석이 진행됩니다.

아래 이미지는 공장에 있는 자산의 런타임 데이터가 클라우드로 누적되어 AAS 뷰어를 통해 대시보드로 표시되고 있는 예시입니다.

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클라우드 플랫폼 상에서 공장의 AGV 제어할 수도 있는데 이것이 가능한 이유는 AGV 공장의 OPC UA 데이터 수집 서버에 연결되어 클라우드에 호스팅 되는 하나의 OPC UA 클라이언트/서버이기 문입니다. 클라우드에 접속한 사용자는 AGV 위치를 제어하거나 (AGV 로봇 스테이션으로 보내는 등의) 위치변경 요청을 보낼 있습니다.

이 작업을 진행하는 동안, 주어진 시간에 이러한 작업을 진행하는 것이 안전한지에 대한 런타임 위험성 평가가 이루어집니다.

아래 이미지는 런타임 위험평가 후 제공된 권고사항의 예시입니다.

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아래 뷰를 통해 공장에서의 자산의 런타임 운영 데이터를 볼 수 있으며 각 관리쉘은 별도의 대시보드에서 볼 수 있습니다.

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TÜV SÜD Korea는 기능안전이 적용된 (TÜV SÜD 특허) 디지털 트윈 플랫폼을 국내에 제공하고 있으며 2020년 1월 1일부터 ECLASS 공식 한국 사무소로 지정되어 한국 시장에서 관련 서비스를 제공하고 있습니다. 관련 문의사항은 문의하기를 통해 남겨주시기 바랍니다.

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