보고서 정보
주관연구기관 |
한양대학교 HanYang University |
연구책임자 |
홍승호
|
참여연구자 |
김보현
,
반재원
,
김유철
,
정충구
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보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
|
발행년월 | 2021-12 |
주관부처 |
과학기술정보통신부 Ministry of Science and ICT |
연구관리전문기관 |
한국연구재단 National Research Foundation of Korea |
등록번호 |
TRKO202300014377 |
DB 구축일자 |
2023-10-31
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키워드 |
스마트 제조.사물인터넷.가상물리시스템.인더스트리4.0 플랫폼.상호호환성.Smart manufacturing.Industrial IoT.Cyber Physical System.Industrial 4.0 Platform.Interoperability.
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초록
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□ 연구개발 목표 및 내용
◼ 최종 목표
현재 한국과 중국의 제조업은 정보통신기술(ICT)이 제조업으로 융합되는 방향으로 새로운 진화를 겪고 있으며, 진행속도를 높이기 위해 실시간 통신, 다양한 프로토콜 간 상호연결성 또는 상호 운용성, 인더스트리 4.0 구성요소의 균일한 의미론적 표현, CPS (Cyber Physical System) 기반 결정 그리고 지능형 공장 에너지 관리를 포함하여 스마트 제조에서 IoT (Internet of Things) 및 CPS의 반영을 촉진하는 주요 기술 문제를 해결해야 함. 본 프로젝트
□ 연구개발 목표 및 내용
◼ 최종 목표
현재 한국과 중국의 제조업은 정보통신기술(ICT)이 제조업으로 융합되는 방향으로 새로운 진화를 겪고 있으며, 진행속도를 높이기 위해 실시간 통신, 다양한 프로토콜 간 상호연결성 또는 상호 운용성, 인더스트리 4.0 구성요소의 균일한 의미론적 표현, CPS (Cyber Physical System) 기반 결정 그리고 지능형 공장 에너지 관리를 포함하여 스마트 제조에서 IoT (Internet of Things) 및 CPS의 반영을 촉진하는 주요 기술 문제를 해결해야 함. 본 프로젝트의 궁극적인 목표는 스마트 제조 분야에서 IoT와 CPS의 핵심 인프라 기술을 개발하고, 대표적인 스마트 제조의 공정인 에너지 효율화(한국)와 로봇 기반 디지털 워크샵(중국)에 적용하여 개발된 기술의 타당성을 검증하는 것임. 이 프로젝트의 궁극적인 목표는 스마트 제조를 위한 핵심 산업 IoT 및 CPS 기술을 연구·개발 한 후 에너지 효율및 로봇 기반 디지털 워크숍의 대표적인 프로세스에 적용하여 개발된 기술을 검증하는 것임
◼ 전체 내용
본 연구에서는 한국과 중국에서 스마트제조 분야에 가장 뛰어난 4개의 연구 기관들(HYU, KITECH, CQUPT, CAS의 SIA)이 연구팀을 구성하고, 각각의 연구팀들의 강점을 최대한 활용하여 IoT 및 CPS기반의 스마트제조 환경 구축을 위한 공동 연구개발 프로젝트를 수행하고자 하며, 본 협력 연구팀은 7가지 세부 목표에 대하여 연구를 진행하였음
◯ 실시간 통신을 보장하기 위한 Time Sensitive Networking(TSN) 기반의 솔루션 연구(HYN)
◯ 다양한 산업 레벨에서 완전한 상호 작용을 지원하는 OPC UA Pub/Sub 서비스의 프로토콜 스택 개발 (HYN)
◯ 물리 시스템 자산(Asset)을 사이버 환경에서 가상으로 표현할 수 있도록 RAMI4.0을 참조하여 AAS (Asset Administration Shell)을 개발 (HYU)
◯ FEMS(Factory Energy Management System)를 위한 지능형 수요 반응 (Demand Response) 매커니즘 개발 (HYU)
◯ Administration Shell 기반 CPS 가상화 기술 개발 (KITECH)
◯ 공작기계 소비 에너지 기술 개발 (KITECH)
◯ 데모시스템과 어플리케이션 플랫폼을 개발하여 연구 개발된 기술의 유효성과 타당성을 다양한 측면에서 평가하고 검증 (HYN)
□ 연구개발성과
최종 연구개발 성과는 (i) IEEE 표준 TSN 매커니즘 연구, (ii) TSN의 종단간 지연시간(end-to-enddelay) 및 특정 시스템에서 요구하는 최저 지연시간을 만족시키기 위한 TSN 네트워크 라우팅 및 스캐줄링 기법 제안, (iii) TSN 실시간 통신을 검증하기 위해 OMNET ++ 기반 TSN 시뮬레이션 구현 및 결과 분석, (iv) IIoT 네트워크와 제조 시스템간 상호 운영성 및 대량의 메시지 전송을 보장하기 위한 OPC UA Synergy Platform 기반 통합 아키텍처 제안, (v) 제안 된 아키텍처 및 OPC UA PubSub 통신을 검증하기 위해 두 개의 로봇과 컨베이어 벨트로 구성된 픽 앤 플레이스 다이어그램을 제안 및 구현, (vi) OPC UA Pub/Sub 모델의 성능을 검증하기 위해 각 도메인의 프로토콜 (HTTP, AMQP, BP, UADP)지연 시간을 측정 및 비교 분석, (vii) Administration Shell 기반 공작기계 CPS 가상화 모델의 정의 및 상세 Spec. 개발,
(viii) Asset Administration Shell을 이용하여 향후 Digital Factory를 구현하기 위한 기반 기술 연구, (ix) AutomationML을 이용하여 서로 다른 sementics을 가진 자산들의 상호 동작이 가능하도록 하는 Asset Administration Shell Template 개발, (x) AAS을 적용한 데모 시스템 구축, (xi) 스마트그리드와 스마트공장 간의 산업 설비 에너지 관리 모델 분석, (xii) 스마트 공장의 수요반응을 위한 인공지능 기반 프레임워크 개발, (xiii) 스마트그리드와 연계된 스마트공장에 수요 반응 기법을 적용하기 위한 알고리즘 개발, (xiv)개발된 알고리즘을 시뮬레이션에 적용하여 결과를 분석, (xv) 공작기계 수집 데이터의 CPS 가상화 모델 연계를 위한 매핑 로직 개발, (xvi) CPS 가상화 모델의 자동생성을 위한 데이터 보정 로직 개발, (xvii) 가상화 모델 생성을 지원하는 모듈 프로토타입 개발, (xviii) 공작기계 소비 에너지 예측 모델 및 분석 알고리즘 개발,(xix) 앞서 언급한 기술을 검증하기 위해 산업용 로봇을 사용하여 AAS 기반 PnP(Plug-and-Produce) 데모 시스템을 구현, (xx) 미래 산업 통신을 위해 5G 기반 스마트 제조 시스템 개발 및 5G의 핵심 기능 검증 등을 토대로 국외 SCI 논문 14편, 국내외 논문 3편, 국내외 학술대회 논문 6편, 국내 특허 등록 6건, 국내 특허 출원 7건, 국제 PCT 특허 출원 3건, 국제 세미나 미팅 개최 4건, 국제 초청 강연 1건, 기술이전 1건, 인력양성 6건등의 성과를 이룸
□ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
본 연구에서는 산업용 IoT 및 CPS 기반의 스마트 제조 생태계를 구축하기 위한 인프라 확보를 위하여 시급히 확보되어야 할 솔루션들을 개발하며, 이러한 기술적 솔루션들이 기술 이전 계약에 따라 기업에서 상용 제품으로 개발될 경우, 국내에서 스마트 제조 산업이 급속히 확산하는데 기여할 것으로 예상됨. 또한 향후 제조 산업은 본 연구를 통하여 확보된 스마트 제조 및 산업용 IoT/CPS 기술의 실험적 검증에 대한 이점을 누릴 수 있으며, 기업의 R&D에 대한 위험 요소를 줄이고 제안된 프로젝트로부터 획득한 기술을 상용화함으로써 향후 국내 스마트 제조 산업의 경쟁우위를 얻을 수 있음. 본 프로젝트를 통해 개발된 기술은 한국의 스마트 제조 혁신을 가속화 할 것이며, 프로젝트 목표 달성 시 한국 스마트 제조 분야의 생산성, 민첩성, 품질 및 지속가능성을 크게 강화할 것으로 예상됨
(출처 : 요약문 2p)
목차 Contents
- 표지 ... 1
- 요 약 문 ... 2
- 목차 ... 4
- 1. 연구개발과제의 개요 ... 5
- 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 7
- 2.1 세부 연구 목표별 착안점 ... 7
- 2.2 수행내용 및 결과 ... 7
- 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 53
- 1) 연구수행 결과 ... 53
- 2) 목표 달성 수준 ... 61
- 4. 목표 미달 시 원인분석 ... 62
- 5. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 및 분석 ... 63
- 6. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 65
- 끝페이지 ... 69
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