[경신스] LG엔솔, 獨 지멘스 손잡고 '가상공장' 만든다

2022.07.10

헤드라인

LG엔솔, 獨 지멘스 손잡고 '가상공장' 만든다

 

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https://www.mk.co.kr/news/business/view/2022/07/605867/

 

본문

차세대 디지털 트윈 기술
국내기업서 처음으로 도입
GM 합작 미국 공장에 적용

산업설비 곳곳에 센서 심어
현장 구석구석 실시간 관리

 

 

모 철강사에서 제작한 제품에 힘을 가했을 때 얼마나 변형 없이 버티는지를 보는 테스트가 진행 중이다. 담당 직원은 실물 제품과 이것을 디지털로 똑같이 구현한 태블릿PC를 번갈아 본다. 태블릿PC는 철강제품 어느 부분이 어느 정도의 압력을 받는지를 화면으로 실시간으로 보여준다. 결과를 확인한 직원은 테스트용 로봇을 조종해 다음 단계인 인장력 측정에 나선다.

이는 세계적인 전기전자 기업인 독일의 지멘스가 차세대 '버추얼 트윈(실물을 디지털로 구현한 쌍둥이 공간)' 솔루션으로 내놓은 '라이브트윈(Live Twin)' 기술을 시연하는 모습이다.

지난해 지멘스그룹 디지털 솔루션 관련 매출 규모는 56억유로(약 7조3000억원)로 세계 10위 수준이다. 해상풍력과 헬스케어 등 제조업을 넘어 디지털 사업에 뛰어든 지 약 20년 만에 거둔 성과다. 지멘스는 연평균 디지털 비즈니스 성장률을 10%로 잡고 있다.

디지털 사업 강화를 위해 지멘스는 지난달 말 서울 삼성동에 '디지털 엔터프라이즈 체험 센터(KDEXc)'를 열고 라이브트윈을 비롯한 다양한 디지털 전환 솔루션을 공개했다. 지멘스는 서울을 포함해 미국·유럽·중국 등 전 세계 31곳에 KDEXc를 두고 있다. 최근 매일경제는 KDEXc를 직접 방문해 지멘스의 차세대 디지털 기술을 살펴봤다.

라이브트윈이 기존의 디지털트윈과 가장 차별되는 것은 가상과 현실 사이에 실시간 데이터 호환이 이뤄진다는 점이다. 현재 나와 있는 디지털트윈은 물리적 공간·시간 변화를 디지털 데이터로 변환한 뒤, 클라우드를 거쳐 디지털로 구현하는 데 몇 시간에서 며칠의 시차가 발생한다. 그러다보니 시뮬레이션 분석에는 쉬워도 현장에서 즉각적으로 다양한 실험을 하는 데에는 한계가 있었다.

라이브트윈은 현실 상황을 가상공간에 반영하는 데 걸리는 시간을 100분의 1초로 만들었다. 이는 '에지 컴퓨팅'을 활용함으로써 가능해졌다. 에지 컴퓨팅이란 분산된 소형 서버를 사용해 실시간으로 처리하는 기술이다. 지멘스는 제조업 특성에 맞춰 가상 센서, 이른바 '버추얼센서'를 산업 현장 곳곳에 심는 기술을 개발했다. 이를 통해 제철소 용광로나 석유·화학회사 위험물질 저장탱크 등 어떤 곳에도 센서를 장착할 수 있게 돼, 데이터 사각지대를 없애고 정밀도까지 높일 수 있게 됐다.

국내 기업 사업장 중에서는 LG에너지솔루션·미국 제너럴모터스(GM)가 미국 테네시 얼티움셀즈에 합작으로 세우는 제2공장에 라이브트윈 기술이 처음 적용될 가능성이 높은 것으로 전해졌다. 작년 말 LG에너지솔루션과 지멘스는 '제조 지능화 구축을 위한 업무협약'을 체결한 바 있다. 향후 지멘스는 미국의 인공지능(AI) 컴퓨팅 기업인 엔비디아와 함께 실시간 시뮬레이션이 가능한 산업용 메타버스도 내놓을 계획이다.

 

본문의 근거

 1. 세계적인 전기전자 기업인 독일의 지멘스가 차세대 '버추얼 트윈(실물을 디지털로 구현한 쌍둥이 공간)' 솔루션으로 내놓은 '라이브트윈(Live Twin)' 기술

 

 

 2. 라이브트윈이 기존의 디지털트윈과 가장 차별되는 것은 가상과 현실 사이에 실시간 데이터 호환이 이뤄진다는 점

 - 현재 나와 있는 디지털트윈은 물리적 공간·시간 변화를 디지털 데이터로 변환한 뒤, 클라우드를 거쳐 디지털로 구현하는 데 몇 시간에서 며칠의 시차가 발생한다. 그러다보니 시뮬레이션 분석에는 쉬워도 현장에서 즉각적으로 다양한 실험을 하는 데에는 한계

 - 라이브트윈은 현실 상황을 가상공간에 반영하는 데 걸리는 시간을 100분의 1초로 만들었다. 이는 '에지 컴퓨팅'을 활용함으로써 가능해졌다. 에지 컴퓨팅이란 분산된 소형 서버를 사용해 실시간으로 처리하는 기술

 - 지멘스는 제조업 특성에 맞춰 가상 센서, 이른바 '버추얼센서'를 산업 현장 곳곳에 심는 기술을 개발했다. 이를 통해 제철소 용광로나 석유·화학회사 위험물질 저장탱크 등 어떤 곳에도 센서를 장착할 수 있게 돼, 데이터 사각지대를 없애고 정밀도까지 높일 수 있게 됐다.

 

 3.  국내 기업 사업장 중에서는 LG에너지솔루션·미국 제너럴모터스(GM)가 미국 테네시 얼티움셀즈에 합작으로 세우는 제2공장에 라이브트윈 기술이 처음 적용될 가능성이 높은 것

 

 

 

추가 조사할 내용 또는 결과

 

1. 가상센서 (virtual sensor)

공장에서 온도, 유량, 압력과 같은 물리적 센서가 만들어 낸 데이터를 머신러닝 알고리즘과 결합해 제품의 품질이나 환경오염물질 농도와 같은 이차적인 성질을 예측하는 소프트웨어 센서 기술

실행 절차 : 데이터 수집 → 데이터 전처리 → 센서 고장진단 → 연소설비의 효율 계산 → 디지털 트윈 → 연소효율 최적화 → HMII 출력

 

1) 데이터 수집 : 운전 데이터를 CSV, ASSQL을 통해 읽음. 가상센서의 실행주기는 공정 변화에 따른 민감도(시상수)나 지연시간에 따라 결정

2) 데이터 전처리 : 통신결함이나 공장 가동 중지 상태에서 발생하는 비정상적 데이터 소거 후 노이즈를 제거하는 전처리 과정을 거침. 노이즈를 무디게 하는 지수가중이동평균 필터나 피크를 제거하는 대역밴드필터 등 사용

3) 센서 고장진단 : 물리센서 고장으로 인한 출력을 가상센서에서 반영함. 이러한 출력값을 머신러닝 모델의 예측값으로 보정

4) 가상센서 모델 : 제조 공장에서는 측정값의 노이즈가 가상센서의 정확성에 크게 작용 → 노이즈 전처리를 위해 선형 모델 PLS(Partial Least Square)로 구축. 공정이 갖는 시간차 동특성을 반영하기 위해 ARX(Auto-Regressive eXogenous) 개념을 병행하여 적용

5) 연소설비 효율 계산 : output/input 대신 열손실법(Heat Loss Method)을 적용하여 연소효율을 계산. 센서 오차에 직접적으로 영향을 받지 않도록 열손실법을 적용(효율 손실 요인을 선정 후 손실율 계산)

6) 디지털 트윈 : 최적화 수행을 위해 변수의 변화에 대한 연소효율의 변화를 계산할 수 있어야 함. 과거 운전 데이터를 이용해 구현한 머신러닝 모델에 실제 운전 데이터의 reference 모델 구현

7) 연소효율의 최적화 : 목적함수 = 열손실법으로 구한 손실 항목의 합, 제약조건 = 각 변수 값의 허용 범위. 손실 최소점을 찾음

8) HMII 출력 : 최적화 결과를 CSV, MS SQL 이용하여 PID 또는 MPC로 구성한 자동 제어 시스템에 전달. HMI는 운전원의 편의성을 위해 가급적 GUI 화면 수를 줄이되 가상센서 대쉬보드와 조업 가이드는 포험

 

적용할 점 (현직자에게 할 질문)

1. 가상센서의 결과 출력을 위한 PID 자동 제어 시스템 개발은 어떻게 하는 것인지?