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연구 - 2


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연구 - 2 

HILS(Hardware-in the Loop Simulation)기반 친환경 제조시스템 설계 및 운영 플랫폼 개발



  • 고도의 컴퓨터 기술을 활용한 HILS (Hardware-in-the Loop Simulation) 기반의 가상 생산 시스템을 자동차/반도체/디스플레이/2차 전지/원자력 산업을 대상으로 현장의 생산/제어시스템과 연동/적용하여 생산 설비의 설계단계 부터 개발 단계 까지 시스템의 검증 및 인적 자원의 최적화를 위해 필요한 제조 시스템을 혁신적이고 친환경적으로 사전에 연구 및 운영할 수 있는 기반을 제공.
    • 각 산업 분야에서 제조를 위해 필요한 공통 요소와 특화 요소를 연구/개발/체계 정립하여 주요 산업별 제조 전체 영역 및 산업 클러스터 간의 동시 적용 가능
    • 다양한 상용 S/W와 유연한 연동 및 가상 융합형 수직-수평적 통합 모델을 통해 실감적으로 생산 공정을 운영하고 검증/훈련 할 수 있는 기술 개발
    • 현장의 공정 설계 요소와 물류의 흐름, 작업 진행 상황 등을 3D Graphic과 Engineering 특성 데이터를 통해 HILS 기반의 다층적인 합성 모델을 개발하고 표현하여 자원, 설비, 생산 시스템의 가상 운영과 평가 그리고 최적안 도출 뿐 만 아니라 작업자의 직업 훈련 및 업무 체계 표준화 등을 가능하게 함
    • 제조 시스템의 연구 개발(R&D)과 운영 시에 동시 공학(Concurrent Eng) 개념을 바탕으로 산업별 Engineering 지식 DB를 구축하여 본 제안 품목과 현장과의 유기적 연결 관계를 지원함으로서 개발 및 운영에 따른 과잉 공수 개발 비용과 생산 안정화 관련 비용 등을 혁신적으로 감축 가능
  • 근래의 제조 산업은 글로벌 기업 간의 인수, 합병을 통한 치열한 경쟁 체제 속에서 소비자의 요구를 반영하기위해 다양한 제품을 신속하고 친환경적이며 양질의 품질로 생산 할 수 있는 새로운 생산 패러다임이 요구되고 있으며 시뮬레이션의 기술 발달과 기업의 전산 및 정보화 등으로 가상 생산 시스템이 그 대안으로 떠오르고 있음.
    • 디지털 가상 생산 시스템을 통한 공정 설계 분야와 작업 계획 및 생산에서의 절감효과를 살펴보면 공정 설계 시간 40% 절감, 공정 품질 향상에 따른 비용절감 15%, 설비/툴/워크센터 수량 절감 40%, 설비 비용 30% 절감 등의 효과가 있는 것으로 나타남 (CIMData Inc, 조사발표 : 2002년 12월, 출처 : PLM NETWORK Vol.18)
  • 현재 가상 생산 시스템을 위한 기술은 설비 설계, 공정 운영, 공법 검토 등 각각의 분야로 분화되어 사용되어 지고 있어 각 기술이 통합, 발전되지 못하고 있고, 이로 인한 노력과 시간은 가상 제조 시스템을 활용을 가로막는 저해 요소.
    • 본 제안 과제는 기업의 3D 데이터를 재활용함과 동시에 설비의 작업성 검증과 생산 시스템의 레이아웃, 공법 검토, 설비별 간섭 검토, 제어 시스템의 검증, 작업자 교육을 산업별 특성에 맞춰 포괄하는 일원화된 플랫폼으로써, 각 기업 관련 팀의 기술적인 연계와 활용 등에 있어 기존 한계를 제거 가능
  • 생산/운영을 시뮬레이션 기술의 사실화를 통한 사실적/체계적 시뮬레이션 적용 및 운영 기술의 이슈
    • 과거 도면에 기반을 둔 개략적 시뮬레이션(Abstract level simulation)의 한계로 인해 기업은 시뮬레이션 적용 효용성에 대한 의문을 가짐. 하지만, 컴퓨터 기술의 발달에 따른 사실적 시뮬레이션 적용이 제조/생산/운영 부분 확산을 유도하고 있음.
    • 산업별, 케이스별 특화 시뮬레이션 기술은 직, 간접적 문제해결 방법을 제공하기 때문에, 경험에 기반을 둔 체계적 지식 축적 체계를 마련함.
  • HILS 기술 기반 동시적 설비 설계/검증 환경 확산 트렌드
    • 각종 이상상황에 대한 제어프로그램을 사전 시운전을 위하여, 이상상황을 가상장비 상에서 발생시키는 방법에 의한 시운전 검증을 제품 설계 시 고려함으로 신뢰도 높은 제품설계 가능.
    • 제품설계와 동시에 장비가 실제 제작되기 전 합성모델을 이용하여 가상장비를 이용 사전에 많은 시운전과 분석으로 설계의 완성도 증대와 설계, 제작, 검증, 시운전과정에서의 수반되는 따른 시간, 노력, 인력투여를 줄여 줌.
    • 제품설계 시 가상장비에 의한 설계 후 검증, 시운전을 설계 Tool과 연계하여 동시에 진행하여 실제 운전에 필요한 약액, 재료, 다양한 환경 구축 등 실행과정에서 소모비용이 발생될 수 있는 부분을 절감할 수 있음.
  • 기대효과
연도별 목표 및 내용
경제・산업적
기대효과
  • 제품의 출시기간 단축, 비용절감, 품질향상 및 EU의 환경규제 준수강화 이슈가 부각되면서, 전통적인 제조업체들 사이에서 가상제조 기술의 접목에 의한 제품수명주기관리(PLM) 솔루션의 고도화에 대한 중요성이 강조
  • 한국제조업 경쟁력 제고를 위하여, 기존의 CAD/CAE, PDM에 의한 설계·개발부문의 디지털화 외에 제조·생산 부분의 디지털화인 디지털공장 구축이 필요
    - 디지털 공장의 프론트로딩(front loading)과 디지털협업 (digital collaboration)은 제조업의 제품개발 기간 단축 및 비용절감에 절대적
    - 아날로그적 생산방식의 혁신과 디지털 혁신방법이 동시에 요구되며, 디지털 혁신방법은 가상제조 기술에 의하여 실현 가능
  • 대기업과 중소기업 간 기술격차 해소에 의한 원활한 협력 관계 강화 및 시너지 극대화와 global outsourcing에 대비한 기술경쟁력 확보
    - 완성품 업체와 부품업체의 협업에 의한 대기업 수준의 중소기업 설계기술 능력배양으로 중소기업 경쟁력 제고
    - 지능형 설계기술의 능력 배양으로 세계적인 중견기업 육성 가능
  • 디지털 공장 구축에 의한 사전검토로 비용과 시간 단축
    - 현지 공장 설치 시에 발생하는 설비 문제 미연 방지
    - 공법/설비 검토 비용 및 기간 감소
    - 원거리 공장으로 인한 업무비 및 시간 감소
  • 국내 산업군 별 환경 맞춤형 다층적 논리적/물리적 HILS모델은 현재 외국 업체인 지멘스, 다쏘 시스템 등의 대형 PLM 솔루션 업체가 제공하고 있는 범용 가상 제조 관련 솔루션들의 약점을 보완하여 수입 대체 효과가 기대됨
  • 제품의 설계부터 양산까지의 기간 단축을 통한 경쟁력 향상 기대
    - 국내 자동차 생산라인의 경우, 싸이클타임 24개월 -> 18개월로 6개월 단축하는 효과를 기대함. (공법설계 시 2개월 단축, 설치 및 시운전 시 4개월 단축 가능)
    - 공정의 제어로직 및 3D 시뮬레이션을 적용하여 문제점을 사전에 검증함으로써 낭비요소, 문제요소, 사전대응등 부가적인 기간단축 효과.
    - R&D 인력업무시간 단축에 의한 30% 이상 비용절감 기대
    - 개발비용, 설비투자 비용 30% 절감효과
    - 자동차 산업의 경우 연간 10만대 기준 3만대 증산 효과
  • 국내에 가상 공정 검증 적용하여 비용절감 및 기간 단축 실현한 사례가 있음
    - G사 M200 차체조립라인 적용 성과 12.5개월 ->4.5개월 단축
    - H사 8t 상용트럭 개발비용 3년간 800억 투자계획, DMS도입 후, 6개월 감소, 133억원의 개발비용 절감
    - H사 중형 SUV(프로젝트명HM) 설비투자비용 240억원일 경우 개발 완료 후, 적용 시 60억의 비용절감 효과
  • 국외의 경우 Mazda, BMW, 다임러 크라이슬러에 공정 검증을 적용하여 제품 개발 기간, 업무시간, 개발비용, 설비 투자 비용을 단축하였음
    - Mazda Motor의 경우 설계고정부터 생산까지의 기간을 18개월로 단축, R&D 인력 업무시간을 30% 단축, 개발 비용을 20% 단축, 설비 투자 비용을 40% 단축하였음
    ※ 출처: Siemens PLM Tecnomatix 분석
    - BMW의 경우 전반적인 IT 환경과 Tecnomatix solution의 도움으로 최근 3년간의 Process 개혁으로 첫 번째 효과가 나타나기 시작하여 제품 개발 기간을 36개월에서 18개월로 단축하였음
    ※ 출처: Siemens PLM Tecnomatix 분석
    - 미국 다임러 크라이슬러의 경우 2000년 중반부터 2005년까지 매뉴팩 쳐링을 수행 생산 계획 기간의 40% 절감, 금형설계 시간 3차원 설계 도입으로 35~40% 감소, 레이아웃 설계/검증 6~8달 소요되던 것이 4~8주로 감소, 각종 control code 작성 및 준비시간을 2~4달 단축, 비용 2천만불 절약
    ※ 출처: 디지털매뉴팩쳐링 사례 (서울대, (주)지노스)
  • 제조 분야 기술 개발로 산업의 솔루션 수입 대체 및 개발 기간, 비용 단축에 기여
  • 가상 제조 도입으로 국내 부품업체의 무역수지 개선 효과 기대
    - 2006년 기준 세계 상위 부품업체(보쉬 28조, 델파이 24조, 덴소 23조)에 비하여 국내 100대 부품업체의 전체 매출액은 40조 규모로 미약함
  • 제조 공정 시뮬레이터를 통한 교육으로 우수인력양성 및 직무 숙련 시간 단축 효과
기술적
기대효과
  • 조립 등의 전 공정을 시뮬레이션 및 디지털화하여 제품개발 기간 및 비용을 효과적으로 절감하기 위한 핵심 요소 기술 확보
  • 현재의 연구 중심 가상현실 기술에서 탈피, 산업현장에 적용할 수 있는 킬러 애플리케이션을 발굴하고 기술을 보급 확산하여 산업계, 학계의 기술력 선진화에 기여
  • 생산 공정에서의 문제점을 사전에 예측하여 수정
    - 신규 공정 설계 및 도입 시 사전 검토를 통한 오류 수정 가능
    - 시운전 등 시행착오의 최소화로 산업 폐기물 감소
    - 자원 및 업무의 최적 배분 및 애로 공정 해소
  • 로봇, OLP, PLC 등의 제어 Logic 의 사전 검토와 빠른 생산 안정화로 인해 양산까지의 리드타임 감소 및 빠른 시장 선점 가능
  • 주요 공정의 Testbed 및 가상 공정의 구현을 통한 작업자 교육 효과 극대화
  • 제조업 관련 솔루션의 국제 표준화 주도를 통한 국제 경쟁력 확보
    - 가상 공정을 활용한 고객의 기업 이해도 향상 및 마케팅 효과
  • 산업 별 특화 된 가상 생산 공정 검증 플랫폼은 현업에 설비 설치 전에 가상 공장 모델로 제조 공정 시스템 효율 및 신뢰도를 향상하는 것으로 건설의 시공 공법, 빌딩 콘트롤 시스템, 원격 모니터링 시스템에 확장/적용할 수 있음
사회・문화적
기대효과
  • 제조업 강국으로서의 위상 증대
    - 일본, 중국 등 경쟁국과의 차별화를 통한 민족적 자긍심 고취
    - 기술 강국 이미지 홍보를 통한 국가 브랜드 가치 제고
    - 국가 브랜드 가치 제고에 따른 국내 기업 제품의 신뢰도 상승
  • HILS 기반 가상 기술을 이용한 교육 및 홍보
    - 가상 기술을 이용한 체험 학습관을 설립하여 학생 등 관람객 유치
    - 고객의 제품 및 기업에 대한 바른 이해를 통해 기업 친밀도 향상
    - 산업 분야별 기술 박랍회 개최를 통한 홍보 효과
    - 저소득층을 위한 행사 마련으로 기업의 사회적 책임 이행
  • 국민 생활의 질적 향상 도모
    - 3D업종에 대한 환경 개선으로 작업자 안전 도모
    - 친환경 생산 시스템 구현을 통한 작업 조건 개선
    - 제조업의 미래 성장 동력 발굴에 따른 고용 창출 유발
  • 기타
    - 관련 기업 간 기술 교류로 인한 산업 기반 강화
    - 선진국의 친환경 정책 기류에 맞는 성장 로드맵 제공
    - 국가 간 유대관계 강화 및 민간 및 정부 차원의 교류협력 증대
    - 기술 이전 및 수출로 국제적인 위상 강화


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