디지털 트윈 Part. 2: S7-1200 PLC를 활용한 물리시스템과 네트워크 구축

4차 산업혁명 시대의 국내외 제조 기업들은 치열한 시장 경쟁 상황 속에서 스마트팩토리 구현을 위해 제품의 기획과 설계부터 생산·유통·판매 및 사후관리까지 모든 가치사슬에 대해 광범위한 디지털화를 추진하고 있다.
디지털 공장으로의 전환 과정에서 스마트팩토리를 도입하려는 움직임이 빠르게 확산하고 있으며, 스마트 제조 시스템의 구축 효과를 극대화하기 위한 주요 기술로서 디지털 트윈(digital twin)이 주목받고 있다.
디지털 트윈은 현실의 물리적 세계(Physical World)를 사이버 공간의 디지털 세계(Digital World)로 복제하고, 물리적 대상과 이를 모사한 디지털 대상을 실시간으로 동기화하는 것을 말한다. 이러한 가상 시스템의 과거와 현재의 정보로 다양한 목적에 따라 현실 물리 시스템의 상황을 분석하고 예측할 수 있다. 이처럼 물리적 대상을 최적화하기 위한 지능형 기술로 제조업 분야에서는 스마트팩토리의 구축을 위한 핵심 기술로 인식되고 있다.
이러한 디지털 트윈의 개념을 빔-엔진 장치라는 소형 자동화 시스템을 제작하는 프로젝트 실습 과정을 통해 학생들이 조금 더 쉽게 이해할 수 있도록 본 교재를 구성하였다. 본 교재의 실습 내용은 Part I과 Part II로 나누어 진행된다.

Part I에서는 현실 세계의 물리 시스템을 사이버 공간의 가상 시스템으로 복제하기 위한 디지털 트윈 기술을 실습하게 된다.
그리고 본 교재의 Part II에서는 제1권의 Part I에서 제작한 디지털 세계의 가상 시스템과 Part II의 실습 과정에서 제작하게 될 현실 세계의 물리 시스템 간의 네트워크 연결을 통해 데이터 수집, 제어 및 모니터링을 위한 디지털 트윈의 기술 수준 2단계까지를 실습하게 된다.

Part II에서의 실습 내용은 다음과 같다.

제1장에서는 Part I에서 언급한 "디지털 트윈 개요"를 다시 한번 더 소개함으로써 학생들이 디지털 트윈의 개념을 이해하는 데 도움이 될 수 있도록 구성한다.

제2장에서는 SIMATIC S7-1200 CPU의 지멘스 PLC와 eXP20의 LS산전 HMI 및 Part I에서 제작한 빔-엔진 장치의 시제품에 장착된 액추에이터와 센서를 전기적으로 연결하는 배선 작업을 실습한다. 그리고 이들을 네트워크로 연결하는 기술을 학습한다.
또한, 지멘스의 통합 자동화 플랫폼인 TIA Portal의 래더 프로그램 작성 방법과 LS산전의 XP-Builder의 작화 프로그램 사용법을 배우게 된다.
이처럼 디지털 트윈의 현실 물리 세계의 자동화 시스템 구축을 위한 요소 기술들을 습득하여 빔-엔진 장치의 설계 요구 조건에 합당한 물리 시스템의 제작을 완성한다.

제3장에서는 Part II의 실습 과정에서 완성된 빔-엔진 자동화 장치의 현실 물리 시스템과 Part I에서 실습한 빔-엔진 장치에 대한 사이버 공간의 가상 시스템을 OPC-UA 통신 프로토콜로 연결하는 기술 내용을 실습으로 배우게 된다.

그리고 본 교과 과정의 제1권인 Part I에서 다루는 실습 내용을 간략히 소개하면 다음과 같다.

제1장에서는 스마트팩토리 구축을 위한 핵심 기술로 주목받고 있는 "디지털 트윈 개요"를 서술한다.

제2장에서는 빔-엔진 장치에 대한 디지털 트윈의 가상 시스템을 구축하기 위한 각 구성 부품을 Siemens NX로 모델링하고, 가상공간에서 조립하여 디지털 모델을 완성하는 과정을 다룬다.

제3장에서는 가상의 디지털 공간에서 자동화 기기의 운전 상태를 검토하고, 성능을 평가하기 위한 메카트로닉스 시뮬레이션을 지멘스 NX-MCD로 수행하는 방법에 관해 학습한다.
이러한 시뮬레이션 기술에 기초하여 2장에서 완성한 빔-엔진 장치의 디지털 모델을 현실 세계의 물리 시스템과 동일하게 제어할 수 있도록 디지털 트윈의 가상 시스템을 완성한다.

제4장에서는 빔-엔진 장치에 대한 가상 시스템의 3D CAD 모델과 3D 프린터를 활용하여 빔-엔진 장치의 구성 부품들을 출력하고, 체결용 기계요소들로 조립하여 기계 구조부의 시제품 제작을 완성한다.

이처럼 프로젝트 실습으로 구성된 본 교재를 학습한 학생들이 스마트팩토리의 핵심 기술로 주목받고 있는 디지털 트윈 기술을 이해하는 데 조금이나마 도움이 될 수 있길 바라며 이 책을 마무리한다.

Chapter 01. 디지털 트윈(Digital Twin) 개요
　1. 디지털 트윈(Digital Twin) 이란?
　　1.1 디지털 트윈 개념
　　1.2 디지털 트윈과 사이버 물리 시스템
　　1.3 디지털 트윈을 활용한 스마트팩토리 구현
　2. 디지털 트윈(Digital Twin) 요소 기술
　　2.1 시뮬레이션 기술
　　2.2 기계 구조부 제작 및 운영 기술
　　2.3 산업용 기기 간 연결 기술
　3. 실습 순서
　　3.1 Part 1 - 디지털 공간의 가상 시스템과 시제품 제작
　　3.2 Part II - 현실 세계의 물리 시스템과 OPC UA 통신

Chapter 02. PLC 제어와 HMI 모니터링
　1. 공압 시스템과 시퀀스 제어
　　1.1 공압 기초
　　1.2 공압 시스템
　　1.3 시퀀스 제어 기초
　2. PLC 개요
　　2.1 PLC 정의
　　2.2 PLC 구성
　　2.3 SIMATIC S7-1200 PLC
　　2.4 메모리와 어드레싱
　　2.5 PLC 프로그램 언어
　　2.6 PLC 입력부와 출력부
　　2.7 PLC 연산 처리
　3. TIA Portal 기본 사용
　　3.1 TIA Portal 시작하기
　　3.2 TIA Portal 실행
　　3.3 PLC 래더 프로그램 작성과 다운로드
　　3.4 통신 설정
　4. S7-PLCSIM 가상 시뮬레이터
　　4.1 PLC 시뮬레이터 시작하기
　　4.2 HMI 시뮬레이터 시작하기
　5. STEP 7 프로그램을 위한 기초 이해
　　5.1 STEP 7 프로그램 개요
　　5.2 STEP7 프로그램 편집 및 수정
　　5.3 STEP 7 프로그램 기본 명령어
　6. HMI -LS ELECTRIC 작화
　　6.1 eXP20 - TTA/DC 각부 명칭 및 기능
　　6.2 환경 설정
　　6.3 HMI 작화
　7. 전기 공압 제어 실습
　　7.1 PLC 시퀀스 제어 타이머
　　7.2 PLC 시퀀스 제어 카운터
　　7.3 MOVE 명령어를 통한 제어
　　7.4 비교 명령어를 통한 제어
　　7.5 연산 명령어를 통한 제어
　　7.6 연속 왕복 동작 제어
　　7.7 객체 지향 프로그램 작성
　　7.58. 공압 실린더 제어
　8. 빔-엔진(Beam-Engine) 장치의 제어 및 모니터링

Chapter 03. 디지털 트윈 네트워크 구축 실습
　1. OPC 통신 이해하기
　2. S7-1200 CPU - OPC UA 서버
　　2.1 OPC UA 서버 설정
　　2.2 OPC UA 서버 인터페이스 정의하기
　3. PLC와 MCD 간의 통신 연결
　　3.1 빔-엔진(Beam-Engine) 장치의 OPC UA 서버 인터페이스 설정
　　3.2 빔-엔진(Beam-Engine) 장치 MCD 모델의 통신 설정
　　3.3. 빔-엔진(Beam-Engine) 장치의 디지털 트윈 완성

김진광 경남대학교에서 공학박사 학위를 취득하였고, 현대위아와 TE Korea에서 선행해석 업무를 수행하였습니다. 다중물리 시뮬레이션과 시스템 레벨 해석 분야에 많은 관심이 있습니다. 현재는 스마트팩토리 구현을 위한 시스템설계와 제어 분야의 교육 및 연구를 수행하고 있습니다.