[논문]점진적 스마트 팩토리 환경 구축을 위한 CNC 절단 장비 기반 원격 제어 시스템 개발

정진화; 안동혁

doi:10.3745/ktccs.2019.8.12.297

점진적 스마트 팩토리 환경 구축을 위한 CNC 절단 장비 기반 원격 제어 시스템 개발
Development of Remote Control System based on CNC Cutting Machine for Gradual Construction of Smart Factory Environment 원문보기

정보처리학회논문지. KIPS transactions on computer and communication systems 컴퓨터 및 통신 시스템, v.8 no.12, 2019년, pp.297 - 304

정진화 (DSME 정보시스템) , 안동혁 (창원대학교 컴퓨터공학과)

초록
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통신, 센서, 인공지능 등의 기술 발전으로 인해 스마트 팩토리 구축이 진행되고 있다. 스마트 팩토리는 기존의 자동화 공정에서 생산되는 데이터를 대상으로 기계 학습과 같은 지능화 기술을 활용해 효율적인 공정 제어를 목표로 한다. 스마트 팩토리로의 구축으로 인해 생산성이 높아지지만 비용도 높아진다. 따라서 소규모 업체들은 스마트 팩토리로 단계별 전환이 효율적이다. CNC 절단기 기반의 소규모 스마트 팩토리 구축을 위해서 본 논문에서는 기존 제조 장비의 데이터를 수집, 모니터링 및 제어할 수 있는 원격 제어 시스템을 제안한다. 원격 제어 시스템의 구조 및 설계와 효율적인 센싱 데이터 전송 방법 등을 제시하였다. 실현 가능성을 검증하기 위해 CNC 절단 장비를 대상으로 시스템을 구현하였고 기능을 검증하였다. 성능 평가를 위해 모니터링 웹 페이지 접속시간을 측정하였고, 구현된 시스템이 사용 가능한 수준이라는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The technological advances such as communication, sensor, and artificial intelligence lead smart factory construction. Smart factory aims at efficient process control by utilizing data from the existing automation process and intelligence technology such as machine learning. As a result of constructing smart factory, productivity increases, but costs increase. Therefore, small companies try to make a step-by-step transition from existing process to smart factory. In this paper, we have proposed a remote control system that support data collection, monitoring, and control for manufacturing equipment to support the construction of CNC cutting machine based small-scale smart factory. We have proposed the structure and design of the proposed system and efficient sensing data transmission scheme. To check the feasibility, the system was implemented for CNC cutting machine and functionality verification was performed. For performance evaluation, the web page access time was measured. The results means that the implemented system is available level.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. The Overview of Remote Control System
그림 Fig. 2. The Structure of Remote Control System
표 Table 1. Data Transmission Algorithm from Manufacturing Equipment to Server
그림 Fig. 3. The Sequence Diagram for New Data Acquisition
그림 Fig. 4. The Sequence Diagram for Video Streaming
표 Table 2. Sensing Data Handling Algorithm in Server
그림 Fig. 5. The Sequence Diagram for Control Command Transmission
그림 Fig. 6. The Monitoring Page for CNC Cutting Machine
그림 Fig. 7. The Monitoring Application for CNC Cutting Machine
그림 Fig. 8. The Video Streaming
그림 Fig. 9. The Average Web Access Time

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서 제안하는 원격 제어 시스템은 CNC 절단 장비의 현재 상태를 모니터링하고 원격으로 제어하는 것을 목표로 한다. Fig.
본 논문에서는 CNC 절단기를 사용하는 소규모 제조업체를 대상으로 스마트 팩토리 구성을 위한 원격 제어 시스템의 구조 및 설계를 제안하였다. 제안한 시스템은 CNC 절단 장비로부터 데이터를 수집하고 장비의 모니터링 제공 및 제어 기능을 제공한다.
본 논문에서는 중소기업에서 단계별 기능 추가를 통한 스마트 팩토리 환경 구축 시 활용이 가능한 원격 제어 시스템을 제안한다. 제조 공정에서 사용하는 다양한 종류의 모든 제조 장비들에 적합한 원격 제어 시스템의 개발은 현실적으로 매우 어렵다.

제안 방법

CNC 절단 장비의 Data collection module과 Control module 은 자바를 사용해 구현하였다. Data collection module은 장비ID, 윤활유, 톱날 윤활유, 메인 공기압, 윤활유 압력, 절단 서보 모터, 이송 서버 모터, 스핀들 모터, 안전 도어, 소재 여유량, 작업량, 배출통, 톱당 생산 수량, 갱신시간 데이터를 수집하여 서버에 전송한다. Control module은 CNC 절단 장비 에서 사용 가능한 제어 명령들을 전달하도록 구현하였다.
기존의 여러 연구에서 소규모 스마트 팩토리 구축을 위한 연구들이 진행되었다[2, 3, 7-10]. 가상현실과 시뮬레이션을 활용해 공정을 설계하고 검증하였다[2, 7]. 현실에서 생산 공정의 문제점을 개선하기 위해서 기존의 생산 공정에 다양한 종류의 센서들을 설치하고 수집된 데이터를 분석하였다[3].
제안한 시스템은 CNC 절단 장비로부터 데이터를 수집하고 장비의 모니터링 제공 및 제어 기능을 제공한다. 구현 가능성 및 제안한 기능 검증을 위해서 CNC 절단 장비를 대상으로 구현하였고 웹 접속 시간을 측정 하였다. 기능 검증을 통해 제안한 원격 제어 시스템의 사용 가능성을 보였다.
제안하는 시스템은 크게 CNC 절단 장비, 서버, 모니터링 프로그램 세 부분으로 구성된다. 기존에 사용하는 CNC 절단 장비도 스마트 팩토리 전환 대상이고 CNC 절단 장비의 PLC가 장비의 기능 제어 및 센서로부터 상태 정보 수집 등을 담당하기 때문에 제안하는 원격 제어 시스템에서는 PLC와의 연동에 중점을 두고 설계한다.
웹 기반의 모니터링 페이지의 사용 가능성을 평가하기 위해서 페이지 접속시간을 측정하였다. 네트워크 상황에 따른 접속 시간의 영향을 최소화하기 위해서 최소 10일 이상 떨어진 서로 다른 날에 10번의 접속 시간을 측정하였다. 평균 접속 시간 결과는 Fig.
제조 공정에서 사용하는 다양한 종류의 모든 제조 장비들에 적합한 원격 제어 시스템의 개발은 현실적으로 매우 어렵다. 따라서 CNC (Computerized Numerical Control) 절단 장비를 대상으로 원격 제어 시스템을 제안하며, 기존 CNC 절단 장비와의 호환성을 위해 절단 장비 내 PLC의 수정보다는 연동에 초점을 맞춘다. 제안하는 원격 제어 시스템은 크게 수집된 센싱 데이터의 서버 전송, 서버 내 저장된 데이터 기반의 모니터링과 장비의 제어 명령 전송 기능을 담당 한다.
시스템은 장비로부터 센서값을 서버로 효율적으로 전송하고, 서버에서는 모니터링 및 장비의 제어를 위한 구조를 제안한다. 또한 CNC 절단 장비를 대상으로 구현하여 제안하는 시스템의 구현 가능성과 실제 기능을 검증한다.
이현수[10]에서는 제시한 프레임워크 구조를 구현하였으나, PLC에 초점을 두고 있으며 데이터 수집 및 원격 제어 기능은 고려하지 않는다. 본 논문에서는 스마트 팩토리 환경 내 CNC 절단 장비를 위한 원격 제어 시스템을 제안한다는 점에서 기존 연구들과 차별된다. 시스템은 장비로부터 센서값을 서버로 효율적으로 전송하고, 서버에서는 모니터링 및 장비의 제어를 위한 구조를 제안한다.
소병업 등[3]은 가상 공정설계를 기반으로 생산성 저하 요소 후보들을 선택하고, 각 저하 요소들에 센서를 부착하였다. 수집된 센서 값들을 기반으로 문제 원인을 발견하여 추가 장비를 활용하여 생산성을 향상시켰다. 임황용 등[7]은 가상현실을 사용해 효율적인 공정 설계를 제시하고 있다.
본 논문에서는 스마트 팩토리 환경 내 CNC 절단 장비를 위한 원격 제어 시스템을 제안한다는 점에서 기존 연구들과 차별된다. 시스템은 장비로부터 센서값을 서버로 효율적으로 전송하고, 서버에서는 모니터링 및 장비의 제어를 위한 구조를 제안한다. 또한 CNC 절단 장비를 대상으로 구현하여 제안하는 시스템의 구현 가능성과 실제 기능을 검증한다.
웹 기반의 모니터링 페이지의 사용 가능성을 평가하기 위해서 페이지 접속시간을 측정하였다. 네트워크 상황에 따른 접속 시간의 영향을 최소화하기 위해서 최소 10일 이상 떨어진 서로 다른 날에 10번의 접속 시간을 측정하였다.
이현수[10]는 공정 내 IoT 디바이스 간 통신을 위한 프레임 워크의 구조를 설계하였다. 임베디드 장비들이 WiFi 통신망을 사용하도록 PLC를 중심으로 구현하였고 기능을 검증하였다.
2는 제안하는 시스템의 구조를 나타낸 그림 이다. 제안하는 시스템은 크게 CNC 절단 장비, 서버, 모니터링 프로그램 세 부분으로 구성된다. 기존에 사용하는 CNC 절단 장비도 스마트 팩토리 전환 대상이고 CNC 절단 장비의 PLC가 장비의 기능 제어 및 센서로부터 상태 정보 수집 등을 담당하기 때문에 제안하는 원격 제어 시스템에서는 PLC와의 연동에 중점을 두고 설계한다.
따라서 CNC (Computerized Numerical Control) 절단 장비를 대상으로 원격 제어 시스템을 제안하며, 기존 CNC 절단 장비와의 호환성을 위해 절단 장비 내 PLC의 수정보다는 연동에 초점을 맞춘다. 제안하는 원격 제어 시스템은 크게 수집된 센싱 데이터의 서버 전송, 서버 내 저장된 데이터 기반의 모니터링과 장비의 제어 명령 전송 기능을 담당 한다. Fig.
장비 제어 명령은 모니터링 프로그램에서 서버를 거쳐 CNC 절단 장비 내 Control module에게 전송되고, 해당 명령이 PLC에 전달됨으로써 CNC 절단 장비가 제어된다. 제안하는 원격 제어 시스템의 실현 가능성과 실질적인 기능 검증을 위해서 구현하였고 기능을 평가하였다.
본 논문에서는 CNC 절단기를 사용하는 소규모 제조업체를 대상으로 스마트 팩토리 구성을 위한 원격 제어 시스템의 구조 및 설계를 제안하였다. 제안한 시스템은 CNC 절단 장비로부터 데이터를 수집하고 장비의 모니터링 제공 및 제어 기능을 제공한다. 구현 가능성 및 제안한 기능 검증을 위해서 CNC 절단 장비를 대상으로 구현하였고 웹 접속 시간을 측정 하였다.
가상현실과 시뮬레이션을 활용해 공정을 설계하고 검증하였다[2, 7]. 현실에서 생산 공정의 문제점을 개선하기 위해서 기존의 생산 공정에 다양한 종류의 센서들을 설치하고 수집된 데이터를 분석하였다[3]. 또한 많은 데이터가 제조 장비로부터 서버로 전송 되는 스마트 팩토리 환경에서 서버로의 데이터 전송 또는 장비 간 데이터 전송의 효율성을 높이기 위한 알고리즘들이 개발되었다 [8, 9].

대상 데이터

js와 MySQL을 활용해 구축 하였다[12, 13]. 데이터베이스는 4개의 테이블로 구성되어 있으며, 4개 중 data와 recent_data 테이블이 센싱 데이터 저장 및 모니터링 데이터를 위해서 사용된다. data 테이블은 모든 제조 장비의 모든 센싱 데이터를 저장하고 있다.
본 논문에서 제안하는 원격 제어 시스템의 구조 및 설계를 검증하기 위해서 CNC 절단 장비를 대상으로 구현하였다. CNC 절단 장비의 Data collection module과 Control module 은 자바를 사용해 구현하였다.

이론/모형

x축의 A, B, C는 서로 다른 측정일이며, y축은 접속시간을 의미한다. 측정은 NIA에서 제공하는 인터넷 속도 측정 시스템을 사용하였다 [14]. 측정 결과에서 웹 접속시간이 0.

성능/효과

구현 가능성 및 제안한 기능 검증을 위해서 CNC 절단 장비를 대상으로 구현하였고 웹 접속 시간을 측정 하였다. 기능 검증을 통해 제안한 원격 제어 시스템의 사용 가능성을 보였다. 제안하는 원격 제어 시스템은 CNC 절단기외 다른 제조 장비의 원격 제어 시스템을 개발 시 참고 자료로서 활용될 것으로도 기대된다.
7의 왼쪽은 웹의 메인 페이지와 같이 3대의 장비의 상태를 표시하고 있으며, 오른쪽은 상세 페이지를 나타내고 있다. 제안하는 원격 제어 시스템은 영상을 통한 모니터링이 가능 하도록, 영상 데이터 재생을 웹과 안드로이드 어플리케이션에서 지원한 다. Fig.
측정은 NIA에서 제공하는 인터넷 속도 측정 시스템을 사용하였다 [14]. 측정 결과에서 웹 접속시간이 0.7초에서 1.7초 이내로 측정되었고, 접속 시 평균 전송량은 약 284KB로 측정되었다. Butkiewicz 등[15]의 연구에서 3~5초 이내의 페이지 로딩은 사용자가 감내할 수 있다는 점에서 본 연구에서 구현한 모니터링 기능이 사용될 수 있다고 판단할 수 있다.

후속연구

Butkiewicz 등[15]의 연구에서 3~5초 이내의 페이지 로딩은 사용자가 감내할 수 있다는 점에서 본 연구에서 구현한 모니터링 기능이 사용될 수 있다고 판단할 수 있다. 다만, 측정 결과는 구현 및 운영 환경에 따라 성능이 변경될 수 있기 때문에 원격 제어 시스템의 환경 구성시 참고 기준으로 활용될 것으로 기대된다.
기능 검증을 통해 제안한 원격 제어 시스템의 사용 가능성을 보였다. 제안하는 원격 제어 시스템은 CNC 절단기외 다른 제조 장비의 원격 제어 시스템을 개발 시 참고 자료로서 활용될 것으로도 기대된다. 향후 연구로는 스마트 팩토 리의 완전한 구축을 위해서 수집된 데이터를 대상으로 머신 러닝 기반의 자동화된 제어 시스템으로 확장하고자 한다.
제안하는 원격 제어 시스템은 CNC 절단기외 다른 제조 장비의 원격 제어 시스템을 개발 시 참고 자료로서 활용될 것으로도 기대된다. 향후 연구로는 스마트 팩토 리의 완전한 구축을 위해서 수집된 데이터를 대상으로 머신 러닝 기반의 자동화된 제어 시스템으로 확장하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	스마트 팩토리는 무엇인가?	유무선 네트워크 및 센서 등의 기술과 빅데이터 기반의 기계 학습으로 대표되는 지능화 기술이 발전함에 따라 기계설비, 사람, 데이터를 서로 연결시켜 설비운영의 효율화, 비용절감, 새로운 제품과 서비스 제공이 가능하게 됨으로써 스마트 팩토리 전환이 진행 중이다[1]. 스마트 팩토리는 기존의 자동화를 기반으로 공장 내 제조 장비를 포함하는 구성 요소들을 수직적 /수평적으로 통합하고 효율적인 운영을 위해서 협업하는 새로운 형태의 공장시스템이다[2]. 따라서 스마트 팩토리에서는 빅데이터 및 기계 학습 기반의 지능화를 통해 공정을 효율적으로 운영하기 위해서 자동적인 공정 제어를 목표로 한다.
	스마트 팩토리 구축 시 서버에서는 수집된 데이터를 어떻게 활용해야 하는가?	스마트 팩토리를 구축하기 위해서는 기존의 공정 설비 및제조 장비 내에 다양한 센서들의 설치가 필요하며, 설치된 센서들로부터 수집된 데이터들을 서버로 전송해야 한다. 서버 에서는 수집된 데이터들의 분석을 통해 적절한 제어 명령을 도출하고, 해당 제조 장비는 명령에 맞추어 제어되어야 한다. 따라서 스마트 팩토리 환경을 구축하기 위해서, 지능화 외에도 기존의 공정 설비 또는 제조 장비들을 커스터마이징하거나 새로운 설비 및 장비의 개발이 선행되어야 한다.
	스마트 팩토리의 목표는 무엇인가?	통신, 센서, 인공지능 등의 기술 발전으로 인해 스마트 팩토리 구축이 진행되고 있다. 스마트 팩토리는 기존의 자동화 공정에서 생산되는 데이터를 대상으로 기계 학습과 같은 지능화 기술을 활용해 효율적인 공정 제어를 목표로 한다. 스마트 팩토리로의 구축으로 인해 생산성이 높아지지만 비용도 높아진다.

참고문헌 (15)

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상세보기
Google, Firebase Cloud Messaging [Internet], https://firebase.google.com/docs/cloud-messaging/?hlko
Node.js [Internet], https://nodejs.org/ko
MySQL [Internet], https://www.mysql.com
NIA [Internet], http://speed.nia.or.kr/qmspeed/webtest.asp
Michael Butkiewicz, Daimeng Wang, Zhe Wu, Harsha V. Madhyatha, and Vyas Sekar, "KLOTSKI: Reprioritizing Web Content to Improve User Experience on Mobile Devices," in Proceedings of the 12th USENIX Symposium on Networked Systems Design and Implementation (NSDI 15), Oakland, CA, USA, pp.439-452, 2015.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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