KR20190097744A - 스마트 팩토리 시스템 - Google Patents

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정원빈
김현준
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홍일영
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안진수
장효순
최종윤
정대혁
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최상근
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이종혁
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Abstract

본 발명은 교육용 스마트 팩토리 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 팩토리 시스템은, 스마트 팩토리 시스템에 대한 교육을 위한 학습도구로서, 제어장치, 서버, 영상처리 및 계측 시스템 및 유연생산시스템을 포함하는 스마트 팩토리 시스템은, 서버와 타 장치 간에는 아두이노를 통해 직접 통신이 이루어지고, 영상처리를 위한 라즈베리파이 카메라 및 오픈소스 컴퓨터비전(OpenCV)를 포함한다.

Description

스마트 팩토리 시스템{Smart factory system}
본 발명은 교육용 스마트 팩토리 시스템에 관한 것이다.
스마트 팩토리란, 제품 생산의 전 과정이 무선 통신으로 연결되어 자동으로 이루어지는 공장을 의미한다. 설계, 개발, 제조 및 유통, 물류 등 생산공정에 디지털 자동화 솔루션이 결합된 정보통신기술(ICT)을 적용하여 생산성, 품질, 고객만족도를 향상시킨다. 또한, 공장 내에 설비와 기계에 사물인터넷(IoT)이 설치되어 공정 데이터가 실시간으로 수집되고 데이터에 기반한 의사결정이 이루어짐으로써 생산성을 극대화할 수 있다.
스마트 팩토리는 4차 산업혁명 제조업 핵심 기술로 꼽힌다. 이전의 제조업은 PLC를 이용한 자동화 생산이 핵심이라면, 스마트 팩토리는 기존의 생산 기술에 ICT기술을 융합한 인공 지능화된 공정이 핵심이다. 최근 들어, 스마트 팩토리에 대해서 관심이 집중되면서 전세계 연구기관, 기업에서는 스마트 팩토리에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
산업현장 제조업은 멀지 않은 미래에 스마트 팩토리화될 것으로 예상된다. 따라서 앞으로 산업 현장에서 활동할 공학도들의 스마트 팩토리에 대한 개념의 이해는 필수적이라 할 것이다. 이에 따라 기존의 공학 교육도 이러한 변화에 걸맞는 교육으로 변화하여야 하지만, 현재 이러한 변화에 발맞춘 실습 교육장비에 대한 연구는 미비한 실정이다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 일반 공중 라이선스를 가진 소프트웨어가 적용되고, 아두이노와 서버가 직접 통신하도록 하여 서버와 기기 사이에 추가적인 장비를 필요로 하지 않는 스마트 팩토리 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 초급자들이 쉽게 접근이 가능한 PLC 프로그램 및 영상처리 프로그램을 적용한 스마트 팩토리 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 적용된 프로그램에 대해 주석이 추가되고, 교육을 위한 동영상과 매뉴얼이 포함되는 스마트 팩토리 시스템을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 팩토리 시스템은, 스마트 팩토리 시스템에 대한 교육을 위한 학습도구로서, 제어장치, 서버, 영상처리 및 계측 시스템 및 유연생산시스템을 포함하는 스마트 팩토리 시스템은, 서버와 타 장치 간에는 아두이노를 통해 직접 통신이 이루어지고, 영상처리를 위한 라즈베리파이 카메라 및 오픈소스 컴퓨터비전(OpenCV)를 포함한다.
또한, 상기 유연생산시스템은, 아두이노와 각종 모듈 간에 블루투스 통신을 하도록 마련된다.
또한, 상기 스마트 팩토리 시스템에 적용되는 소프트웨어는, 파이톤(Python) 및 C언어에 의해 프로그래밍되고, 그래픽 유저 인터페이스를 갖도록 구비된다.
또한, 그래픽 유저 인터페이스의 원격 제어장치에 의해 동작상태가 확인되고, 각 공정의 시작, 정지 동작이 제어된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 팩토리 시스템은, 스마트 팩토리 시스템에 대한 이해를 돕기 위한 학습도구로서, 라즈베리파이 카메라에 의해 이동 중인 공작물에 대한 영상이 획득되고, 획득된 영상에 대한 데이터가 아두이노를 통해 서버로 송신되는 단계, 공작물의 형태에 따라 분기시키는 단계, 공작물을 색깔에 따라 분기시키는 단계 및 상기 공작물을 형태 또는 색깔에 따라 각각 다른 위치에 적재시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 팩토리 시스템이 의하면, 필요한 장비를 줄이고 적용되는 소프트웨어를 개선하여 스마트 팩토리 시스템에 대한 비용을 절감할 수 있다.
또한, 초보자도 쉽게 접근할 수 있는 프로그램을 적용하여 스마트 팩토리 시스템에 대한 이해를 쉽게 할 수 있도록 한다.
또한, 스마트 팩토리 시스템에 대한 동영상과 매뉴얼을 제공하여 교육 효과를 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 팩토리 시스템의 구성을 도시한 다이어그램이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 팩토리 시스템의 전체 흐름도를 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 팩토리 시스템에 관하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 팩토리 시스템의 구성을 도시한 다이어그램이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 팩토리 시스템(1)은 크게 제어장치(PLC:Programmable Logic Cntroller, 10)와 OPC UA기반의 서버(20), 영상처리 및 계측시스템(30), 유연생산시스템(40)을 포함하고, 원격감지 제어시스템(SCADA)를 기반으로 한 인터페이스를 제공해 사용자가 전체 공정을 제어할 수 있도록 마련된다.
제어장치(10)는 엑추에이터의 제어와 유저 인터페이스를 제공한다. 제어장치(10), 영상처리 및 계측 시스템(30), 유연생산시스템(40)에서의 모든 데이터는 서버(20)로 전송된다.
영상처리 및 계측 시스템(30)은 공작물의 영상 처리와 각종 계측을 실시한다. 상세히, 영상처리 시스템은 공작물의 외형과 색깔을 구별하여 데이터 처리를 한 후 서버로 그 데이터를 전송하는 역할을 한다. 계측 시스템은 각종 센서의 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변환하여 서버로 전송하는 역할을 한다.
영상처리 및 계측 시스템(30)과 서버(20) 간의 통신은 Modbus 프로토콜에 의해 지원될 수 있다. 영상처리는 소형 컴퓨터인 라즈베리파이에 의해 이루어질 수 있고, 통신 마스터로서 Atmega가 적용될 수 있다. 통신마스터인 Atmega는 실시간으로 서버에 계측 데이터 값과 영상관련 데이터 값을 송신한다. 이때, 안정적인 통신을 위해 스케줄러 알고리즘(Scheduler algorithm)이 적용되어 데이터가 송신될 수 있다.
영상처리 및 계측시스템(30)에는 라즈베리파이, 아두이노, 카메라모듈, 압력센서가 포함되고, 라즈베리파이는 아두이노, 카메라모듈과 통신하고, 아두이노와 압력센서가 서로 통신하도록 마련된다. 카메라모듈에서 획득된 영상은 라즈베리파이에서 처리되고, 원, 사각형, 색깔 등을 영상처리한 후 그 데이터를 핀(PIN) 통신을 통해 아두이노로 전송한다. 아두이노는 이러한 정보를 서버(20)로 송신한다. 압력센서에서 획득된 아날로그 전압값은 아두이노에서 변환되어 서버(20)로 송신될 수 있다.
유연생산시스템(40)의 경우, 아두이노와 각종 모듈들을 포함하고 이들 간에는 블루투스 통신이 가능하도록 마련된다.
일반적으로 기존의 스마트 팩토리는 고도화된 전문 기술이 많이 적용된 고가의 장치들을 포함한다. 예를 들어, 스마트 팩토리는 여러 사물들을 네트워크화 시키는데, 이를 위해 아두이노, 센서모듈, 컴퓨터 등이 이용되고, 이들간의 통신을 위해 사물인터넷 게이트웨이(IoT Gateway) 장비를 필요로 한다. 이러한 사물인터넷 게이트웨이 장비에 의해 전체 시스템의 크기가 커지고, 필요한 부품들의 수가 증가하여 시스템의 구현할 때 비용상승의 원인이 된다.
그러나 본 발명에 따른 스마트 팩토리 시스템의 경우, 게이트웨이의 역할을 작은 크기의 아두이노로 대체하고, 영상처리를 위한 고가의 카메라 대신에 라즈베리파이 카메라를 사용함으로써 스마트 팩토리 시스템을 구성하기 위한 비용을 낮출 수 있다. 즉, 서버와 다른 장치들 사이에는 아두이노를 통해 직접 통신이 이루어지고, 영상처리는 라즈베리파이 카메라와 오픈 소스인 공개소스 컴퓨터 비전(OpenCV: Open source Computer Vision)이 사용될 수 있다.
또한 각종 액추에이터로는 종래 사용되던 자동화실습장비가 사용될 수 있다. 이러한 스마트 팩토리 시스템의 경우에도 스마트 팩토리의 전체 구성을 포함하므로 교육용으로 사용되기 위한 목표를 달성할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 스마트 팩토리 시스템에 적용되는 구성들의 상세 사양을 소프트 웨어 장비와 하드 웨어 장비로 나누어 설명한다.
먼저, 본 발명의 스마트 팩토리 시스템에 적용되는 소프트웨어로는 파이톤(Python)과 C 언어가 사용될 수 있다. 상세히, 영상처리 소프트웨어로는 파이톤(Python)이 사용될 수 있다. 파이톤(Python)은 초보자도 비교적 이해하기가 쉬운 프로그램으로서 교육용으로 사용되는 스마트 팩토리 시스템에 적합하다. 계측시스템 소프트웨어, 통신 소프트웨어, 유연생산 모듈제어 소프트웨어에는 C 언어가 사용될 수 있다. OPC UA 서버로는 타케비시(Takebishi) 사의 OPC UA DXP 서버가 적용될 수 있다. 통신용 소프트웨어로는 미쯔비시(Mitsubishi) 사의 GX works 2가 사용될 수 있다. 또한 원격 감지 제어 시스템(SCADA)에 대해서는 Wemx가 적용될 수 있다.
하드웨어 장비로서, 제어장치(PLC)로는 미쯔비시(Mitsubishi) 사의 FX3u가 사용될 수 있다. 영상처리 컨트롤러로는 라즈베리파이3의 모델 B가 적용되고, 영상처리 카메라로는 라즈베리파이 카메라 vl.2가 사용될 수 있다, 서버의 컴퓨터는 일반적인 데스크탑 컴퓨터가 사용되고, 그래픽 유저 인터페이스의 하드웨어로는 태블릿이 사용될 수 있다. 계측시스템 컨트롤러, 통신컨트롤러로는 아두이노인 ATmega 2560이 사용된다. 또한 Modbus 모듈에는 위즈넷(Wiznet) 사의 W5500이 사용되고, 압력센서로는 오토닉스(Autonics) 사의 PSA-1가 사용될 수 있다. 각종 액추에이터로는 종래의 자동화실습장비가 사용될 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 팩토리 시스템의 동작에 관하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 팩토리 시스템의 전체 흐름도를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 스마트 팩토리 시스템은 복수의 공작물을 형태와 색깔에 따라 별도로 분리한다. 즉, 먼저 원형이 아닌 형태의 불량품을 별도로 적재하고, 그 다음 단계로는 은색과 빨간색을 각각 별도로 적재하는 과정을 거친다. 이러한 스마트 팩토리 시스템은 총 5 레이어(layer)로 이루어질 수 있다.
스마트 팩토리 시스템(1), 우선 시작 신호가 있는지 여부를 확인하는 시작단계(100)부터 시작한다. 시작신호가 있으면, 제1레이어(101)에 공작물이 있는지 여부가 판단된다. 공작물이 있는 것으로 판단되면, 제2레이어(102)로 넘어가게 된다. 제2레이어(102)에서는 제1컨베이어가 동작되고 공작물의 형태가 원형이 아닌, 예를 들어 직사각형 형태인 경우 불량품으로 판단하고 이러한 불량품을 분기시켜 불량품 적재장소에 적재시킨다.
원형의 양품으로 판단되는 공작물은 제3레이어(103)로 넘어간다. 제3레이어(103)에서는 제1스토퍼가 동작된 후, 제1실린더 및 제2컨베이어가 동작된다. 제1실린더는 공작물을 흡착 실린더가 있는 컨베이어로 밀어낸 후 원래 위치로 복귀할 수 있다. 제1실린더 및 제2컨베이어가 동작되면 제1스토퍼가 복귀하고 제2스토퍼가 동작될 수 있다. 제2스토퍼가 동작된 후 흡착 실린더가 하강할 수 있다.
제4레이어(104) 및 제5레이어(105)에서는 공작물이 색깔에 따라 분류될 수 있다. 제4레이어(104)에서는 은색의 공작물을 A적재 장소에 적재되고, 빨간색 공작물은 제5레이어(105)로 보내져서 B적재 장소에 적재될 수 있다. 이들은 각각 흡착 실린더에 의해 들어올려져서 각각의 적재 장소에 위치될 수 있다. 흡착 실린더는 공작물을 흡착하여 위로 들어올려 측방으로 이동한 후 각각의 적재 장소에 공작물을 떨어뜨린 후 원래 위치로 복귀할 수 있다.
이때, 공작물이 이동하는 도중에 영상처리가 이루어진다. 카메라가 공작물에 대한 영상을 획득하면 라즈베리파이에서 영상을 분석하여 불량품, 은색 원형 공작물, 빨간색 원형 공작물을 판별한 후 이러한 데이터를 서버(20)로 송신한다. 서버(20)로 송신된 제품에 대한 데이터는 제어장치(10)로 송신되며 래더 프로그램에 의해 순서를 제어할 수 있다. 유연생산시스템(40)은 서버의 명령에 따라 각 모듈들이 움직여 다른 조합의 동작을 할 수 있다.
학습자는 본 발명의 스마트 팩토리 시스템(1)에 의해서 특정 상황을 가정하여 스마트 팩토리가 어떤 것인지에 대한 이해를 하도록 하고 해당 핵심 기술들을 학습하도록 한다. 여기서 특정 상황이란, 스마트 팩토리 시스템을 사용하는 사람은 생산 현장에 있지 않고, 대신 태블릿과 같은 휴대용 기기를 이용하여 생산 현장 밖에서 스마트 팩토리 시스템을 제어하고자 하는 상황을 의미한다. 사용자는 유저 인터페이스를 통해 스마트 팩토리 시스템의 현재 상황을 확인할 수 있고, 스마트 팩토리 시스템의 시작, 정지, 각 공정에 대한 시작, 정지 등을 명령할 수 있다.
사용자가 내린 명령은 네트워크를 통해 서버(20)로 송신되고, 서버(20)는 즉각 명령을 수행하기 위해 각 컨트롤러에 명령을 전송할 수 있다. 이때, 사용자의 명령에 따라 생산라인을 새로 조합해야 하는 경우가 발생할 수 있다. 사용자가 명령을 내리면 해당 명령을 수신받은 서버는 유연생산시스템(40)에 그 내용을 전송하고, 유연생산시스템(40)은 그 명령에 따라 새로운 생산라인을 조합할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 팩토리 시스템(1)의 경우, 학습자가 쉽게 그 내용에 접근할 수 있도록 그래픽 유저 인터페이스(GUI)의 원격 감지 제어시스템을 제공한다. 또한 대부분의 소프트웨어가 그래픽 유저 인터페이스를 갖도록 구비된다. 프로그래밍 소스들은 객체화, 암호화가 진행되지 않고, 프로그래밍된 내용에 대해 주석을 달아 학습자의 이해를 돕는다. 또한 교육을 위한 동영상과 매뉴얼을 제공하여 학습자들이 교육매체에 쉽게 접근할 수 있게 한다. 동영상은 시연 영상과 교육 매체 전반에 대한 개요를 제공할 수 있고, 매뉴얼은 각 시스템의 동작 방법과 프로그래밍 소스에 대한 설명을 제공할 수 있다.
이와 같은 스마트 팩토리 시스템에 의해 교육을 실시할 경우, 제4차 산업혁명 및 스마트 팩토리에 대한 이해를 물론, ICT 기술에 대한 이해, C언어, 파이톤(Python) 등과 같은 다양한 프로그래밍 언어, PLC 프로그래밍 응용 능력의 발달에 대한 효과를 기대할 수 있다.
1: 스마트 팩토리 시스템 10: 제어장치
20: 서버 30: 영상처리 및 계측 시스템
40: 유연생산시스템
100: 시작단계 101: 제1레이어
102: 제2레이어 103: 제3레이어
104: 제4레이어 105: 제5레이어

Claims (4)

  1. 스마트 팩토리 시스템에 대한 교육을 위한 학습도구로서, 제어장치, 서버, 영상처리 및 계측 시스템 및 유연생산시스템을 포함하는 스마트 팩토리 시스템은, 서버와 타 장치 간에는 아두이노를 통해 직접 통신이 이루어지고, 영상처리를 위한 라즈베리파이 카메라 및 오픈소스 컴퓨터비전(OpenCV)를 포함하는 스마트 팩토리 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 유연생산시스템은, 아두이노와 각종 모듈 간에 블루투스 통신을 하도록 구성되고,
    그래픽 유저 인터페이스의 원격 제어장치에 의해 동작상태가 확인되고, 각 공정의 시작, 정지 동작이 제어되도록 구성되는 스마트 팩토리 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 스마트 팩토리 시스템에 적용되는 소프트웨어는, 파이톤(Python) 및 C언어에 의해 프로그래밍되고, 그래픽 유저 인터페이스를 갖도록 구비되는 스마트 팩토리 시스템.
  4. 스마트 팩토리 시스템에 대한 이해를 돕기 위한 학습도구로서,
    라즈베리파이 카메라에 의해 이동 중인 공작물에 대한 영상이 획득되고, 획득된 영상에 대한 데이터가 아두이노를 통해 서버로 송신되는 단계;
    공작물의 형태에 따라 분기시키는 단계;
    공작물을 색깔에 따라 분기시키는 단계; 및
    상기 공작물을 형태 또는 색깔에 따라 각각 다른 위치에 적재시키는 단계; 를 포함하는 스마트 팩토리 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20220078267A1 (en) * 2020-09-10 2022-03-10 Fisher-Rosemount Systems, Inc. Highly-versatile field devices and communication networks for use in control and automation systems
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