KR20180069402A - 모듈 조합형 현장 자동화 장비 제어 및 관제 시스템 및 방법 - Google Patents

모듈 조합형 현장 자동화 장비 제어 및 관제 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

모듈 조합형 현장 자동화 장비들을 보다 효율적으로 제어/관제하고, 상위 시스템과의 효과적인 연동을 위한 제어 및 관제 시스템이 제공된다. 본 공장 제어 방법은 제품 생산을 위해 서로 다른 공정을 수행하는 블록 장치들로부터 데이터를 수집하는 단계; 수집한 데이터를 저장하는 단계; 저장한 데이터를 상위 시스템에 전달하는 단계;를 포함하고, 블록 장치들은, 서로 결합되어 생산 라인을 구성하며, 분리가 가능하다.

Description

모듈 조합형 현장 자동화 장비 제어 및 관제 시스템 및 방법 {Module Combination Type Field Automation Equipment Control and Management System and Method}
본 발명은 스마트 공장 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유연 생산 체계를 지원하기 위한 현장 자동화 기술에 관한 것이다
미래 제조업의 트렌드가 개별 소비자 맞춤 생산까지 확대되면서 다품종 소량생산에 적합한 유연 생산 체계에 대한 관심도 급부상하고 있다.
일반적으로 생산 제품의 종류가 다양해질수록 단위 원가가 상승하기 때문에 유연 생산 체계를 적극 수용하기 어려웠으나, 최근 산업 인터넷, 다기능 로봇, 3D 프린팅, 빅데이터 등 관련 기술이 동시 다발적으로 발전하면서 스마트 유연 생산 체계에 대한 기대가 급증하고 있다.
선진 자동차, 전자 제조사들은 고객 니즈 다변화에 대응하기 위해 오랫동안 유연 생산을 확대하였으며, 최근에는 대량 생산과 고정 설비로 대변되는 화학·기계 등 전통 제조 산업에서도 생존 차원에서 도입을 검토하고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 모듈 조합형 현장 자동화 장비들을 보다 효율적으로 제어/관제하고, 상위 시스템과의 효과적인 연동을 위한 제어 및 관제 시스템을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 공장 제어 방법은 제품 생산을 위해 서로 다른 공정을 수행하는 블록 장치들로부터 데이터를 수집하는 단계; 수집한 데이터를 저장하는 단계; 저장한 데이터를 상위 시스템에 전달하는 단계;를 포함하고, 블록 장치들은, 서로 결합되어 생산 라인을 구성하며, 분리가 가능하다.
본 발명에 따른 공장 제어 방법은 상위 시스템으로부터 수신한 제어 명령을 블록 장치들에 전달하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상위 시스템은, 생산관리 시스템, 제품 수명주기 관리 시스템, 전사적 자원 관리 시스템 및 가상 공정 시스템 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
블록 장치는, 제품 생산을 위한 기구가 장착되는 기구부; 기구부에 의해 수행되는 공정을 제어하고, 공정 데이터를 수집하는 BB(Base Block);를 포함하고, 적어도 하나의 다른 블록 장치와 조합하여 생산 라인을 구성할 수 있다.
블록 장치는, 생산 라인의 구성에서, 제거 가능하고, 다른 블록 장치로 교체 가능할 수 있다.
기구부와 BB는 분리 가능한 구조일 수 있다.
기구부는, 다른 기구부로 교체 가능할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제품 생산을 위해 서로 다른 공정을 수행하는 블록 장치들로부터 데이터를 수집하는 제1 서버; 수집한 데이터를 저장하고, 저장한 데이터를 상위 시스템에 전달하는 제2 서버;를 포함하고, 블록 장치들은, 서로 결합되어 생산 라인을 구성하며, 분리가 가능한 것을 특징으로 하는 공장 제어 서버가 제공된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 모듈 조합형 현장 자동화 장비들을 보다 효율적으로 제어/관제하고, 상위 시스템과의 효과적인 연동이 가능해진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈 조합형 현장 자동화를 위한 스마트 공장 구축 아키텍처,
도 2는, 도 1에 도시된 모듈 조합형 표준 블록 장치의 외관 사시도,
도 3은, 도 1에 도시된 표준 블록 장치들을 모듈 조합하여 스마트 공장의 생산 라인 구축하는 방법의 설명에 제공되는 도면,
도 4는, 도 1에 도시된 표준 블록 장치의 전면을 상세히 나타낸 도면,
도 5는 F-TOP의 개념 설명에 제공되는 도면,
도 6은 F-TOP의 인터페이스를 나타낸 표,
도 7은 F-TOP의 주요 기능을 나타낸 표,
도 8은 F-TOP의 네트워크 구성을 나타낸 도면,
도 9는 F-TOP 서버의 하드웨어 구성을 나타낸 도면, 그리고,
도 10은 F-TOP 서버의 세부 구성을 나타낸 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈 조합형 현장 자동화를 위한 스마트 공장 구축 아키텍처이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 스마트 공장을 위한 모듈 조합형 현장 자동화 시스템은, 필드 영역, 컨트롤 영역 및 엔터프라이즈 영역으로 구성된다.
필드 영역은, 생산 라인으로써, 로딩, 조립 및 검사 등과 같이 다양한 부품 제조의 핵심 공정을 수행하기 위한 다수의 모듈화된 공정 블록들인 표준 블록 장치들(100)의 상호 연결을 통해 구성되며, 다양한 종류의 제조 장비 간의 인터페이스 연계가 가능하다.
필드 영역에서 부품 제조 공정 작업 수행을 위한 모듈화된 표준 블록 장치(100)에 대해, 도 2 내지 도 4를 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는, 도 1에 도시된 표준 블록 장치(100)의 외관 사시도이다. 표준 블록 장치(100)는, 부품 제조 공정 작업 수행을 위한 모듈화된 블록으로, 상부단인 기구부(110)와 하부단인 SBB(Smart Based Block)(120)로 구분된다.
기구부(110)는 다양한 공정 장비, 예를 들어, 로봇, 부품 조립용 UNIT, 검사용 VISION 등이 장착될 수 있는 유니버셜 테이블(111), 공정 및 작동 상태를 디스플레이할 수 있는 디스플레이 패널(112), 그리고 제품 이송을 위한 컨베이어 벨트(113)을 포함한다.
이 밖에도, 기구부(110)의 유니버셜 테이블(111)에는 다양한 업종(기계, 가공, 전자, 사출성형, 제약, 화장품)의 제품 생산에 필요한 기구가 맞춤형으로 장착, 교체, 제거될 수 있다.
SBB(120)는 공정 제어 및 데이터 수집의 역할을 담당하며, 이를 위한 PLC(121), 각종 전장품(122), 다른 SBB와의 물리적 연결을 위한 유니버셜 커넥터 (123)를 포함한다.
SBB(120)의 소켓, 커넥터, 와이어링 규격은 표준 기반(IPC SMEMA)으로 일원화되어, 다른 표준 블록 장치와 연동을 위한 인터페이스 설계시 효율성이 매우 높다.
표준 블록 장치(100)는 다른 표준 블록 장치와 모듈 단위의 조합이 가능하다. 다른 표준 블록 장치와 결합을 위해, SBB(120)의 일 측면에는 도킹 핀(120a)이, 타 측면에는 도킹 홀(120b)이, 각각 마련되어 있다.
이에 의해, 도 3에 도시된 바와 같이, 다수의 표준 블록 장치들(100-1, 100-2, 100-3)을 블록 조립하듯 결합하여, 유연 생산을 위한 스마트 공장의 생산 라인 구축할 수 있다.
구체적으로, 표준 블록 장치들(100-1, 100-2, 100-3)로 생산 라인을 모듈로 구성하여 제품 생산에 필요한 모듈을 그때 그때 조립식으로 붙이고, 고객의 니즈에 맞추어 유동적으로 추가, 교체, 제거가 가능하여 맞춤형 생산이 가능한 것이다.
나아가, 주력 제품의 수요가 감소하고 다른 제품의 수요가 증가할 경우, 또는 표준 블록 장치의 일부에 고장이 발생했을 경우 표준 블록 장치를 재구성함(교체, 재배열 등)으로써 유연하게 조정할 수 있다.
나아가, 하나의 표준 블록 장치(100) 내에서도, 기구부(110)와 SBB(120)는 고정되어 있지 않고, 서로 분리가 가능한 구조이다.
따라서, 표준 블록 장치-1(100-1)의 기구부-1를 분리하여, 표준 블록 장치-2(100-2)의 SBB-2에 결합시킬 수 있고, 표준 블록 장치-1(100-1)의 기구부-1를 새로운 기구부-1이나 다른 종류의 기구부-3으로 교체할 수도 있으며, 필요에 따라 더 다양한 조합이 가능하다.
더 나아가, 하나의 표준 블록 장치(100) 내에서도, 기구부(110)와 SBB(120)의 위치를 바꿀 수도 있다. 즉, 필요에 따라 기구부(110)가 하단에 위치하고 SBB(120)가 상단에 위치하도록 결합 상태를 변경하는 것이 자유로운 구조로 표준 블록 장치(100)를 구현할 수 있다.
도 4는, 도 1에 도시된 표준 블록 장치(100)의 전면을 상세히 나타낸 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, SBB(120)는 모듈화된 부품들의 확장성을 용이하게 하기 위해 슬롯 타입 2단 구조로 구성한다. 즉, SBB(120)는 상부-SBB와 하부-SBB로 구성되며, 상부-SBB와 하부-SBB를 다양한 종류들로 조합하여, 다양한 사양의 SBB(120)를 구성할 수 있다.
이를 위해, SBB(120)에는 어떠한 기능의 모듈도 장착가능 하도록 Taping hole이 적용되어 있다. 또한, SBB(120)에는 결합된 다른 표준 블록 장치의 SBB와 인터페이스를 위한 유니버셜 커텍터가 마련된다.
다시, 도 1을 참조하여, 컨트롤 영역과 엔터프라이즈 영역에 대해 상세히 설명한다.
컨트롤 영역은 공장의 백본 네트워크를 통해 실시간으로 생산 공정 정보를 수집, 통합하는 F-TOP(Factory-Total Operation Package : 공장 통합 관제 패키지) 서버(200)로 구현한다.
엔터프라이즈 영역은 F-TOP 서버(200)을 통해 전달받은 데이터를 기반으로 MES(Manufacturing Execution System : 생산관리 시스템), PLM(Product Lifecycle Management : 제품 수명주기 관리 시스템) 및 ERP(Enterprise Resource Planning : 전사적 자원 관리 시스템)과 같은 상위 응용과 에너지 관리, 3D 가상화 등을 수행하기 위한 영역이다.
도 5는 F-TOP 서버(200)의 개념 설명에 제공되는 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, F-TOP 서버(200)는 전 계층에서 미들웨어 역할을 담당하며, 전술한 MES, ERP, PLM, CPS(가상공정시스템) 등과 같은 상위 시스템과의 연동을 담당한다.
구체적으로, F-TOP 서버(200)는 도 6의 표에 제시된 바와 같이, 상위 프로세스 관리 시스템, 필드 제어 디바이스, 검사장치, 가상/시뮬레이션 시스템과 연동하기 위한 인터페이스를 제공한다.
F-TOP 서버(200)의 주요 기능으로는 현장 데이터 트래킹, 표준 블록 장치(100)의 제어 관리, 데이터 DB 저장 및 관리, 산업용 표준 프로토콜 지원 기능을 통한 상/하위 시스템과의 네트워크 연결 유지가 있으며, 상세 기능별 요구사항을 도 7의 표에 나타내었고, F-TOP 서버(200)의 네트워크 구성은 도 8에 나타내었다.
도 9는 F-TOP 서버(200)의 하드웨어 구성을 나타낸 도면이고, 도 10은 F-TOP 서버(200)의 세부 구성을 나타낸 도면이다.
도 10에 도시된 바와 같이, F-TOP 서버(200)는 KVM(210), Switch(220), UPS(230), 필드 게이트웨이 서버(Field Gateway Server)(240), 데이터베이스 서버(Database Server)(250)를 포함하고, 방화벽(260) 및 NAS(270)를 옵션으로 포함할 수 있다.
KVM(Keyboard, Video, Mouse)(210)은 로컬에서 F-TOP 서버(200)의 상태를 확인하고 제어하기 위한 모니터, 키보드, 마우스 세트로 구성된다.
Switch(220)는 F-TOP 서버(200)와 표준 블록 장치(100) 및 상위 시스템을 네트워크로 연결한다.
UPS(Uninterruptible Power Supply)(230)는 전원 공급이 끊어진 경우를 대비한 비상 전원 공급 장치이다.
필드 게이트웨이 서버(240)는 표준 블록 장치(100)와 네트워크로 연결되어 현장 공정/운행 데이터를 주기적으로 수집하고, 수집한 데이터를 데이터베이스 서버(250)에 전달한다.
필드 게이트웨이 서버(240)는 표준 블록 장치(100)와는 산업용 프로토콜인 EtherNet/IP 기반 OPC 규격, ProfiNet 등으로 네트워크를 구성할 수 있으며, 생산 라인을 구성하기 위해 결합된 표준 블록 장치(100)의 개수에 따라 필드 게이트웨이 서버(240)의 개수를 2개 이상으로 확장할 수도 있다.
하부에 연결되는 표준 블록 장치(100)의 개수에 따라 확장이 필요하기 때문에, 필드 게이트웨이 서버(240)는 후술할 데이터베이스 서버(250)와 분리하여 운용한다.
데이터베이스 서버(250)는 필드 게이트웨이 서버(240)로부터 데이터를 전달 받아 데이터베이스에 저장하고 상위 프로세스 관리 시스템의 요청이 있으면 데이터를 전송한다.
상위 시스템과의 네트워크 연결이 끊어지는 경우를 대비하여, 데이터베이스 서버(250)는 데이터를 로컬 저장소에 보존하여 데이터의 유실을 방지하고, 정상상태로 전환되면 상위 시스템과 데이터를 동기화한다.
방화벽(260)은 트래픽의 신뢰 수준에 따라 접속을 허용/차단하기 위한 보안 수단이고, NAS(270)는 네트워크에 연결된 파일 수준의 컴퓨터 기억 장치로 서로 다른 네트워크 클라이언트에 데이터 접근 권한을 제공한다.
지금까지, 모듈 조합형 현장 자동화 장비 제어 및 관제 시스템 및 방법에 대해 바람직한 실시예를 들어 상세히 설명하였다.
본 발명의 실시예에 따른 F-TOP 서버(200)는, 모듈 조합형 현장자동화 장비인 표준 블록 장치(100)의 SBB(120)에 마련된 PLC 등과 같은 하부 IoT 디바이스로부터 주기적으로 현장 공정/운행 데이터를 수집하고, 이 데이터를 데이터베이스에 저장하며, 요청이 있는 경우 상위 시스템에 전달한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 F-TOP 서버(200)는, 상위 관리 시스템으로부터 표준 블록 장치(100)에 대한 제어 신호를 수신하여 표준 블록 장치(100)에 전달하고, 산업용 이더넷, 필드버스 프로토콜 지원을 통해 상/하위 시스템과의 연동을 지원한다.
한편, 본 실시예에 따른 장치와 방법의 기능을 수행하게 하는 컴퓨터 프로그램을 수록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에도 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있음은 물론이다. 또한, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 기술적 사상은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 기록된 컴퓨터로 읽을 수 있는 코드 형태로 구현될 수도 있다. 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터에 의해 읽을 수 있고 데이터를 저장할 수 있는 어떤 데이터 저장 장치이더라도 가능하다. 예를 들어, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광디스크, 하드 디스크 드라이브, 등이 될 수 있음은 물론이다. 또한, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 저장된 컴퓨터로 읽을 수 있는 코드 또는 프로그램은 컴퓨터간에 연결된 네트워크를 통해 전송될 수도 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
100 : 표준 블록 장치
110 : 기구부 120 : SBB(Smart Based Block)
200 : F-TOP(Factory-Total Operation Package) 서버
210 : KVM(Keyboard, Video, Mouse) 220 : Switch
230 : UPS 240 : 필드 게이트웨이 서버
250 : 데이터베이스 서버 260 : 방화벽
270 : NAS

Claims (8)

  1. 제품 생산을 위해 서로 다른 공정을 수행하는 블록 장치들로부터 데이터를 수집하는 단계;
    수집한 데이터를 저장하는 단계;
    저장한 데이터를 상위 시스템에 전달하는 단계;를 포함하고,
    블록 장치들은,
    서로 결합되어 생산 라인을 구성하며, 분리가 가능한 것을 특징으로 하는 공장 제어 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상위 시스템으로부터 수신한 제어 명령을 블록 장치들에 전달하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공장 제어 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상위 시스템은,
    생산관리 시스템, 제품 수명주기 관리 시스템, 전사적 자원 관리 시스템 및 가상 공정 시스템 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 공장 제어 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    블록 장치는,
    제품 생산을 위한 기구가 장착되는 기구부;
    기구부에 의해 수행되는 공정을 제어하고, 공정 데이터를 수집하는 BB(Base Block);를 포함하고,
    적어도 하나의 다른 블록 장치와 조합하여 생산 라인을 구성하는 것을 특징으로 하는 공장 제어 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    블록 장치는,
    생산 라인의 구성에서, 제거 가능하고, 다른 블록 장치로 교체 가능한 것을 특징으로 하는 공장 제어 방법.
  6. 청구항 4에 있어서,
    기구부와 BB는 분리 가능한 구조인 것을 특징으로 하는 공장 제어 방법.
  7. 청구항 4에 있어서,
    기구부는,
    다른 기구부로 교체 가능한 것을 특징으로 하는 공장 제어 방법.
  8. 제품 생산을 위해 서로 다른 공정을 수행하는 블록 장치들로부터 데이터를 수집하는 제1 서버;
    수집한 데이터를 저장하고, 저장한 데이터를 상위 시스템에 전달하는 제2 서버;를 포함하고,
    블록 장치들은,
    서로 결합되어 생산 라인을 구성하며, 분리가 가능한 것을 특징으로 하는 공장 제어 서버.
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