[논문]OHT 제어기 검증을 위한 가상환경 HIL 시뮬레이션

이관우; 이웅근; 박상철

doi:10.9709/jkss.2019.28.4.011

OHT 제어기 검증을 위한 가상환경 HIL 시뮬레이션
Virtual Environment Hardware-In-the-Loop Simulation for Verification of OHT Controller 원문보기

한국시뮬레이션학회논문지 = Journal of the Korea Society for Simulation, v.28 no.4, 2019년, pp.11 - 20

이관우 (아주대학교 대학원 산업공학과) , 이웅근 (아주대학교 산업공학과) , 박상철 (아주대학교 산업정보시스템 공학부)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 반도체 FAB에서의 OHT의 제어기를 검증하는 HIL(Hardware-In-the-Loop) 시뮬레이션 방법론을 제안한다. 반도체 FAB의 OHT 네트워크에는 수많은 OHT들이 동시에 운영될 수 있으므로 OHT 제어기에 대한 완벽한 검증은 물류 설비 안정성을 보장하는 데 매우 중요하다. 제어기는 정상적인 상황에 대해서 뿐 아니라 예측하기 힘든 비정상적인 상황에 대해서도 고려하여 설계되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 제어기의 검증을 위해 비정상 상황을 생성할 수 있는 레일 네트워크와 OHT를 포함한 가상 환경을 사용하는 HIL 시뮬레이션 방법론을 제안한다. 제안되는 HIL 시뮬레이션 방법은 구현되었고, 다양한 예제를 통해 테스트 되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a HILS(Hardware-In-the-Loop Simulation) approach for the verification of the OHT (Overhead Hoist Transport) controller in a semiconductor FAB. Since hundreds of OHTs can run simultaneously on the OHT network of a FAB, the full verification of the OHT controller is very essential to guarantee the stableness of the material handling system. The controller needs to fully consider not only normal situations but also abnormal situations that are difficult to predict. For the verification of the controller, we propose a HILS approach using a virtual environment including OHTs on a rail network, which can generate abnormal situations. The proposed HILS approach has been implemented and tested with various examples.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1. Real Commissioning & HILS
그림 Fig. 2. Procedure of OHT HILS Environment Build
그림 Fig. 3. Actuators of OHT
그림 Fig. 4. Collision with Dummy OHT(Black)
표 Table 1. OHT Driving Spec
그림 Fig. 5. DEVS Coupled Model of Hand Unit
그림 Fig. 6. Virtual OHT Model as a EtherCAT Slave
표 Table 2. Node Data Example
그림 Fig. 7. Virtual OHT Rail Network: (a) Sample Network, (b) Example Area
표 Table 3. Link Data Example
표 Table 4. Station Data Example
표 Table 5. Station Teach Data Example
그림 Fig. 8. Normal Test Case (a) Overview of test case, (b) Driving to P2, (c)　Transfer operation at Station 1001 (d) Detect OtherOHT and Stop
그림 Fig. 9. Abnormal Test Case 1: Verification of the Lookdown Sensor Operation (a) Lookdown Sensor Detect Obstacle, (b) 'Load' Work Cancel
그림 Fig. 10. Abnormal Test Case 2: Verification of the situation in the Hoist Belt Collision (a) Obstacle Comming In (b) Hoist Belt and Obstacle Collision

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 본 연구에는 HIL 시뮬레이션을 이용하여 제어기를 검증하는 방법을 제안한다. 실제 제어기의 제어를 받는 가상의 OHT가 가상의 레일 네트워크를 주행하며, 장애물과 다른 가상 OHT들, 저장 설비들과 상호 작용하며 발생하는 이상 상황에 대해서 실험될 수 있다.
이때 발생할 수 있는 예측 못 한 다양한 이상 상황을 모사하기 위해서 실제 OHT들이 주행하는 것과 흡사한 레일 네트워크 환경을 구성할 필요가 있다. 본 연구에 서는 SEMI(Semiconductor Equipment and Materials International)에서 지정한 표준에 맞게 설계된 테스트 레일의 데이터를 사용하여 가상 환경 속의 레일 네트워크를 구현하였다. 레일 네트워크의 구성요소로는 레일을 구성하는 각각의 노드(Node)와 링크(Link), OHT 위치를 보정하기 위한 바코드(Bar Code)와 아적재 작업을 수행 하는 스테이션, 합류지점에서의 충돌을 방지하기 위한CID(anti-Collision Interlock Device)가 있다.
본 연구에서는 반도체 물류 자동화 장비 중 하나인 OHT를 대상으로 제어기를 검증하기 위한 시뮬레이션을 진행하였다. OHT는 레일을 달리는 일종의 컨베이어 시스템으로서, 이는 일방향성으로 주행하며, 배터리가 필요 없다.
각각의 슬레이브들은 자신에 해당하는 주소를 읽고, 작성한다. 본 연구에서는 시뮬레이터가 OHT의 EtherCAT 마스터의 슬레이브가 되도록 하여, 제어기와 통신할 수 있도록 구현하였다.
비정상 영역에 대한 테스트는 사용자가 OHT모델에게 이상 상황(Abnormal Case)을 부여하고, 제어기를 이용 하여 OHT모델을 제어했을 때, OHT모델은 이상 상황에 대해서 감지하거나 혹은 감지하지 못하여 특정 상황을 감지하여 제어기에 알리게 되고, 제어기는 이에 대해 대응할 수 있는지 검증하는 것이다.

제안 방법

, 2001). 그 후 가상의 OHT가 주행하며 여러 가지 상황에 대해서 테스트해볼 수 있는 가상 FAB 환경 모델(Virtual FAB Environment Model)을구현한다(S5). 가상의 레일 네트워크 환경 속에는, OHT 가 주행하기 위한 레일(Rail)과 FOUP을 이적재하기 위한 공정, 저장 설비, 충돌을 방지하기 위한 장치 등이 존재한다.
또한, 사용자가 특정 센서나 유닛, 액추에이터를 작동하지 않은 상태로 만들어 놓은 상태로 제어기를 통해 제어하도록 하여 이가 물류 네트워크에 미치게 될 영향과 이에 대한 제어기의 반응도 검증할 수 있다. 다음은 본 연구에서 구현 시뮬 레이터를 이용해 앞서 설명한 장애물 모델을 개입시켜 검증을 진행한 두 가지의 비정상 영역 테스트 사례를 소개한다.
경로 정보에 따라서 조향 유닛을 조종하여 분기에서 OHT의 진행 방향을 결정하게 된다. 또한, 레일 네트워크에 중간중간 설치된 바코드 정보를 읽어 제어기에 전달하고 이를 통해서 제어기는 OHT 주행 상황에 대해서 갱신한다. 슬라이드 유닛과 호이스트 유닛은 스테이션(Station)에 도착하여 이적재 작업을 진행할 때, 각각의 스테이션에 대한 위치 정보를 토대로 제어를 받게 된다.
HIL 시뮬레이션 진행을 위해서는 실제 OHT 제어기와 시뮬레이터가 실제 OHT 제어기와 OHT 구성 하드웨 어들이 통신하는 방식과 같은 방식으로 통신할 수 있도록 하여 제어기가 실제 하드웨어와 통신하는 것처럼 인지하고 동작하게 해야 한다. 본 연구에서 검증한 OHT의제어기는 구성 요소들과의 통신 프로토콜로 EtherCAT 통신을 이용하였다. EtherCAT은 IEC 61158 규약으로 표준화되었으며, 실시간성을 보장한다(EtherCAT Technology Group).
본 연구에서 구현한 가상 레일 네트워크 안에서 사용 자는 OHT에게 이상 상황을 부여하고 이들이 정상적으로 대응하는지 검증해야 한다. 이때, 이상 상황을 부여하는 임무를 수행하기 위해서 두 가지 종류의 장애물 모델에 대해서 설계하고 모델링하였다. 첫 번째로 장애물 (Obstacle) 모델은 가상 환경 속에서 레일의 위치와 상관 없이 3차원 좌푯값을 기반으로 위치, 움직이며, OHT와 충돌하거나 이적재 작업을 방해하는 등의 상황을 모사하기 위한 모델이다.
또한, 실시간 으로 이에 대한 응답을 전기적 신호로 회신한다. 이후, 이두 가지 형식의 모델을 합쳐 가상 OHT 모델을 구현한다.
제어기 테스트는 크게 정상 영역과 비정상 영역 두 가지로 구성된다. 정상 영역의 테스트는 제어기를 이용하여 OHT모델에게 명령을 내리고, OHT모델이 명령에 대해서 정상적인 응답을 보낼 때, 제어기가 정상적으로 다음 명령에 대해서 순차적으로 내려줄 수 있는지에 대한 검증이다.
가상 OHT의 모델의 물리적 모델은 크게 충돌 모델 (Collision Model)과 OHT의 행동을 모사하는 동역학 모델(Dynamics Model)로 구현되어 있다. 충돌 모델은 3D 충돌 알고리즘을 사용하여 장애물이나 다른 OHT와 충돌 하는 상황을 만들어 낼 수 있도록 하였다. Fig.

이론/모형

OHT의 행동을 모사하기 위해 구현한 논리적 모델로는, 앞서 설명한 센서들과, FOUP을 들어 올리기 위해 붙잡는 핸드 유닛, 레일 위 분기에서 방향을 결정하기 위한 조향 유닛, 주행 중 FOUP이 흔들리는 것과 떨어트리는 것을 방지하기 위한 셔터 유닛이 있다. 각각의 모델에 대하여, 논리적 행동 절차를 DEVS(Discrete Event System) 표현론을 이용하여 표현하였다. Fig.
본 연구에서 시뮬레이터는 C#언어로 구현하였으며 시각화 엔진으로는 NeoAxis를 사용하였다. 사용자는 OHT의 스펙을 변경하여 가상의 OHT 모델에게 반영할수 있으며 가상의 OHT 모델과 EtherCAT 통신방식을 이용하여 통신하는 실제 제어기를 통해 제어할 수 있다.

성능/효과

반도체 산업의 발전은 크게 프로세스(Process)의 미세 화와 웨이퍼(Wafer)의 대구경화로 이루어져 왔다. 200mm 구경의 웨이퍼에서 300mm 구경 웨이퍼로 발전하 면서, FAB 성능은 비약적으로 향상되었다. 한편으로는 웨이퍼들을 담아 옮기는 용기인 FOUP(Front Opening Unified Pod)의 무게도 증가하여, 작업자가 반복적으로 들어 나르는 권장 무게를 넘어서게 되었다.
따라서 OHT와 같은 자동화 물류 장비의 제어 소프트웨 어는 충분히 검증될 필요가 있다. 기존의 방법보다 시간과 비용을 아낄 수 있는 HIL 시뮬레이션은 효율적이다.본 연구에서 제안한 OHT 운영 환경에 대한 가상환경 모델링과 함께 수행되는 HIL 시뮬레이션을 통해 단일 OHT의 제어에서의 검증뿐만 아니라 대상 OHT와 주변 환경요인의 상호작용 때문에 발생하는 상황까지 검증할수 있었다.
기존의 방법보다 시간과 비용을 아낄 수 있는 HIL 시뮬레이션은 효율적이다.본 연구에서 제안한 OHT 운영 환경에 대한 가상환경 모델링과 함께 수행되는 HIL 시뮬레이션을 통해 단일 OHT의 제어에서의 검증뿐만 아니라 대상 OHT와 주변 환경요인의 상호작용 때문에 발생하는 상황까지 검증할수 있었다. 이를 통해 신형 OHT를 개발하는 과정에서 실제 하드웨어 프로토타입이 완성되기 전부터 OHT의 제어기를 검증하여 전체적인 개발 프로세스에서의 시간을 단축할 수 있었으며, 실제 하드웨어를 이용한 검증에 비하여 비용을 절약할 수 있었다.
본 연구에서 제안한 OHT 운영 환경에 대한 가상환경 모델링과 함께 수행되는 HIL 시뮬레이션을 통해 단일 OHT의 제어에서의 검증뿐만 아니라 대상 OHT와 주변 환경요인의 상호작용 때문에 발생하는 상황까지 검증할수 있었다. 이를 통해 신형 OHT를 개발하는 과정에서 실제 하드웨어 프로토타입이 완성되기 전부터 OHT의 제어기를 검증하여 전체적인 개발 프로세스에서의 시간을 단축할 수 있었으며, 실제 하드웨어를 이용한 검증에 비하여 비용을 절약할 수 있었다. 더 나아가 다수의 OHT 혹은 스토커 같은 OHT와 상호작용하는 설비들도 제어기를 연동하여 가상환경 속에 모델링하고 연동한다면 다양한 장비를 병렬적으로 검증할 수 있을 것으로 기대된다.

후속연구

이를 통해 신형 OHT를 개발하는 과정에서 실제 하드웨어 프로토타입이 완성되기 전부터 OHT의 제어기를 검증하여 전체적인 개발 프로세스에서의 시간을 단축할 수 있었으며, 실제 하드웨어를 이용한 검증에 비하여 비용을 절약할 수 있었다. 더 나아가 다수의 OHT 혹은 스토커 같은 OHT와 상호작용하는 설비들도 제어기를 연동하여 가상환경 속에 모델링하고 연동한다면 다양한 장비를 병렬적으로 검증할 수 있을 것으로 기대된다.
본 연구에서 구현한 가상 레일 네트워크 안에서 사용 자는 OHT에게 이상 상황을 부여하고 이들이 정상적으로 대응하는지 검증해야 한다. 이때, 이상 상황을 부여하는 임무를 수행하기 위해서 두 가지 종류의 장애물 모델에 대해서 설계하고 모델링하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	FAB의 물류의 특징은 무엇인가?	FAB의 물류는 높은 설비 집적도, 층간, 동 간 이동하는 물류 등이 특징으로 가장 복잡한 제조 공정 물류 중하나이다. 이러한 FAB의 물류를 담당하는 자동화 물류 설비 중 큰 비중을 차지하고 있는 OHT(Overhead Hoist Transport) 시스템은, FAB에서 천장에 설치된 레일 위를 주행하며 FOUP, FOSB(Front Opening Shipping Box) 들을 이송하는 설비이다.
	HIL 시뮬레이션의 특징은 무엇인가?	HIL 시뮬레이션은 실시간 시뮬레이션의 한 종류로서, 시스템을 구성하는 하나 또는 여러 개의 실제 컴포넌트 (Component)가 시뮬레이터 안에 모사된 컴포넌트들과 실시간으로 상호작용하며 시뮬레이션하는 방식이다. 이는 제어기를 검증하기 위해서 실제 제어기와 실제 대상 시스템을 이용하여 검증을 진행하는 실제 커미셔닝(Real Commissioning)방법과는 달리 실제 제어기와 가상의 시스템을 이용하므로 가상 커미셔닝(Virtual Commissioning) 이라고도 한다(Lee, CG and Park SC., 2014).
	HIL 시뮬레이션은 무엇인가?	HIL 시뮬레이션은 실시간 시뮬레이션의 한 종류로서, 시스템을 구성하는 하나 또는 여러 개의 실제 컴포넌트 (Component)가 시뮬레이터 안에 모사된 컴포넌트들과 실시간으로 상호작용하며 시뮬레이션하는 방식이다. 이는 제어기를 검증하기 위해서 실제 제어기와 실제 대상 시스템을 이용하여 검증을 진행하는 실제 커미셔닝(Real Commissioning)방법과는 달리 실제 제어기와 가상의 시스템을 이용하므로 가상 커미셔닝(Virtual Commissioning) 이라고도 한다(Lee, CG and Park SC.

참고문헌 (16)

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Zeigler B.P. (1984) "Multifaceted modeling and discrete event simulation", New York(NY): Academic Press Inc., pp.372.

저자의 다른 논문 :

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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