STEP 표준을 이용한 열교환기 설계 데이터 모델링

오 해 진 , 이 범 석

경 희 대 학 교   화 학 공 학 과

Heat Exchanger Design Data Modeling Using STEP Standard

Haejin Oh , Bomsock Lee

Dept. of Chemical Engineering, Kyunghee University

서론

급격히 변화하는 현대 산업은 다양한 제품에 대한 요구, 더욱 정밀한 품질에 대한 기대, 치열해진 마케팅 등 산업간의 더욱 복잡하고 긴밀한 관계가 형성되어가고 있다. 이런 산업사회 내에서의 생산활동을 위해 각 산업간 혹은 간 기업간 심지어 기업내 각 부서간의 정보 교환 및 공유가 필수적인 과제로 대두되었다. 그러나, 현재 이들 정보들은 서로 다른 형식과 구조, 이 기종 컴퓨터 환경, 각기 다른 데이터 저장 방식 또는 운용 소프트웨어, 네트워크 구조 등의 문제로 인해 상호간의 정보 교환 및 공유를 문서 교환 형태에 의존하고 있는 실정이다. 예를 들어 엔지니어링 회사의 프로세스 엔지니어에 의해 열교환기의 기초 설계자료는 컴퓨터로써 도면과 열교환기 데이터 sheet로 만들어진다. 이 설계도면과 데이터 sheet는 종이 형태로 열교환기 제조업체에 전달되고 이를 바탕으로 열교환기의 상세 설계 도면이 역시 마찬가지로 컴퓨터에 의해 만들어진다. 이렇게 만들어진 설계도면은 종이 형태로 다시 엔지니어링 회사를 거쳐 시공업체에 전달된다. 이 과정에서 많은 종이의 낭비, 인력의 손실, 또한 자료 유실의 위험성도 매우 컸었다. 현재 세계 각국에서는 정보의 교환 및 공유의 과제를 달성하기 위해 제품의 개발에서 생산, 유지·관리, 폐기에 이르는 전반적인 정보의 호환성에 관련된 표준화 작업이 진행중이다.

본 연구에서는 석유화학 및 정유공장 등에서 가장 많이 쓰이고 있는 기기 장치인 열교환기의 설계에 필요한 모든 형상 데이터 및 설계 데이터에 대한 STEP (Standard for The Exchange of Product model data) 표준에 의거한 표준화 작업에 대해여 설명하려고 한다. 그 중에서도 1단계 연구로서 열교환기 설계에 요구되는 기본 부품에 대한 형상을 구현하려고 한다.

관련 연구

STEP은 CALS의 기본 표준으로서 ISO 에서 주관하는 공학 제품 데이터의 교환을 위한 국제 표준이다.

CALS 는 당초 미국에서 복잡한 군수지원 체제를 효율적으로 관리하기 위해 군사용으로 개발되었으며, 원래 명칭도 컴퓨터에 의한 군수 지원(Computer Aided Logistic Support)으로 출발하였으나, 점차 개념이 기업으로 확산되면서 최근에는 광속의 상거래(Commerce At Light Speed), 또는 생산·거래·운영 통합 정보시스템이라는 의미로 바뀌었다. CALS가 지향하는 글로벌 시장과 가상기업의 실현은 처음부터 표준을 전제로 한 지구촌 모든 주체와의 거래를 의미하는 것으로, CALS에 있어서 표준은 매우 중요하다. 제품의 수명주기를 연결하는 기업 내외 업무처리 과정에는 수없이 많은 기업과 정보를 관리하며, 또 많은 처리과정을 거치면서 상호 전달되는 것이 CALS의 정보체계 환경이고 보면 CALS 표준은 이와 관련된 표준의 모든 국제 표준을 수용한다고 선언하고 있다. CALS 표준은 완성된 것이 아니라 부단히 확대 발전해 나갈 과제이다. CALS의 핵심 표준(SGML, CGM, IGES, STEP 등)들을 통합하여 단일 체계로 전환하고 있다. CALS는 ISO 규격과 아주 밀접한 관계를 가진다. ISO 규격이란, UN 의 관련 단체인 국제표준화기구(ISO: International Organization for Standard)가 정한 일련의 국제 규격을 가리키며, ISO는 경제활동을 전개하는데 필요한 룰을 세계적으로 통일하는 곳이다. CALS는 세계의 모든 기업을 연결하는 네트워크이며, 표준규격을 가리키며, 표준규격으로서의 역할을 하게 될 것이다. 따라서 STEP은 바로 CALS가 채용하고 있는 제품 데이터 관한 ISO 표준이다.

STEP 의 배경

가. 데이터 교환의 일반적인 문제점

제품 데이터를 컴퓨터가 이해할 수 있는 형태로 교환할 때에 여러 가지 경우에 문제가 발생할 수 있다. 시스템 기능성의 차이로 인해 발생하는 문제들이 가장 자주 일어나는 형태의 문제들이다. 즉, 두 개의 CAD 시스템이 기계와 전자 등 서로 다른 응용 분야나, 2차원이나 3차원 등 서로 다른 차원에 적용될 수 있다. 두 가지 시스템이 모두 3차원을 다루는 경우라도 많은 차이점이 있을 수 있다. 또 두 개의 CAD 시스템이 서로 호환성이 있더라도 매체에 따라 문제가 발생할 수 있다. 예를 들면, 마그네틱 테이프에 읽고 쓰는 유틸리티들의 차이, 네트워크 프로토콜 또는 단순히 매체가 다른 형태로 되어 있기 때문에 호환 불가능한 경우들이 생긴다. 실제로 업무상에서 규격이 다른 디스크나 카트리지를 받는 일은 흔히 발생한다. 설계실의 관례 때문에 문제가 발생될 수도 있다.

나. 데이터 교환의 전략

첫 번째 방법은 하나의 CAD 시스템(송신자)에서 생성되는 데이터를 또 다른 시스템(수신자)이 요구하는 형태로 전환하는 컴퓨터 프로그램을 작성하는 것이다. 만약 두 번째 시스템에서 첫 번째 시스템으로 데이터를 전환할 필요성이 있는 경우에는 □역□으로 작용하는 프로그램이 만들어져야 한다. 직접 번역기를 사용하는 경우에는 한 쌍의 프로그램이 두 개의 시스템에 적합하도록 최적화될 수 있다. 또 한 가지 방법으로서, 중립적인 포맷이 사용될 수 있는데, 이는 아래 그림에서와 같이 중립 파일을 출력하는 전처리기(pre-processor)와 중립 파일을 입력하는 후처리기(post- processor)를 각각의 CAD 시스템 업체들이 공급하므로 써 이루어진다.

그림1. 중립 포맷을 이용한 데이터 교환

STEP 의 구조

IGES를 위시하여 여러 가지 도면 데이터 변환을 위한 표준들이 난립하고 있을 즈음에 국제적 표준의 설정이 필요하다는데 각국의 의견이 모아져서, 1985년부터 도면 데이터뿐만 아니라 생산 데이터까지도 호환되는 STEP이라고 하는 중립형태 표준에 대한 연구작업이 한창이다. 이것은 상이한 기종의 생산 시스템간에 원래의 설계 의도를 잃지 않고 제품에 관한 데이터를 교환할 수 있는 중립적 데이터 형식의 정의를 목표로 하는 것이다. STEP은 국제표준기구(ISO) 산하 기술위원회인 TC184 의 소위원회 SC4 를 중심으로 제정 작업 중이며, SC4 에는 그 산하에 Working Group 들과 3개의 관리반들이 활동 중이다. STEP 은 ISO 10303 으로 분류되고 있으며, 세부 사항은 개별적인 파트로 구성되어 있다. 이 파트들은 그 수가 계속 늘어나고 있는 중이며, 현재 상당히 진척된 파트들이 있으며, 이중 파트 1, 11, 21, 31, 41, 42, 43, 44, 46, 101, 201, 203 의 12개 파트는 1994년 9월에 국제표준으로 확정되었다. 이 파트들은 7개 그룹으로 분류되어 번호체계를 부여받고 있다. 이 국제 표준의 파트들을 각각 7개의 class로 분류된다1. 각 파트들은 NIST에서 제공하는 SOLIS (http://elib.cme.nist.gov:70/ 또는 ftp 129 .6. 32.54)를 통해 검색할 수 있다.

설계 데이터 모델링 시스템 환경

올바른 스키마의 구축과 설계에 필요한 구체적인 데이터 파일을 만들고 형상에 관련된 데이터들을 STEP이 규정하는 물리적 파일형태인 파트21에 의거한 형식으로 컴파일하고 매핑하기 위해 Windows 95 운영 체계 하에서 미국의 STEPTools 사에서 개발한 ST-Developer 버전 1.5를 사용하고 있다. 또한 형상 데이터의 가시화를 위해 중앙대 기계설계학과에서 계발한 OpenGL을 이용해 웹 브라우저에 플러그인 하여 사용하고 있다.

그림 2. 형상 모델링을 위한 과정

형상 데이터 모델링을 위한 기본 개념

파트11은 EXPRESS언어 매뉴얼(The EXPRESS language reference manual)로서 일반화와 제약조건을 표현할 수 있으며 엔티티-속성-관계(entity-attribute -relationship) 모델에 기초한 정보 모델링 언어인 EXPRESS에 대해 정의하고 있다. 또한 STEP에서 개발되는 모든 공통 자원과 응용 프로토콜은 EXPRESS로 표현되어야 한다. 즉 STEP의 다양한 구현 방법들은 모두 EXPRESS를 기본으로 하고 있다. 파트 21은 교환 구조의 명백한 텍스트 암호화(Clear text encoding of the exchange structure)로서 임의의 EXPRESS 스키마의 인스턴스가 물리적 파일에서 어떻게 표현되어야 하는지를 규명하기 위해 EXPRESS와 파일 구조간의 매핑을 포함하고 있다. 파트 42는 기하학적 및 위상학적 표현(Geometric and topolo -gical representation)으로서 물체의 형상을 정의하는데 사용될 수 있고 특히 응용 프로토콜에 의해 정의된 특정 응용에 사용될 수 있는 기본적 스키마들을 제공하고 있다. 파트 203은 구성 제어 설계(Configuration controlled design)로서 기계 부품과 조립품에서 제품의 형상에 관계없이 구성, 즉 3차원 제품 설계중, 데이터와 그 데이터를 제어하는 프로세서를 제어하는 3차원 설계를 위한 응용 시스템간의 설계 정보의 교환을 가능케 한다.

앞서 언급한 형상을 구현함에 있어 필수적인 관련 파들의 내용을 기초로 하여 관계되는 엔티티들과 이에 상응하는 데이터들을 C++파일로 변환하고 이들을 컴파일하고 링크한다. 이렇게 생성된 ROSE파일들은 파트21에서 규정한 형태로 매핑되고 이 물리적 파일을 CAD시스템에서 가시화 하는 과정을 거치면 우리가 원하는 형상을 구현할 수 있다.

결과

연구의 진행과정에서 얻어진 일반적인 형태의 2차원 또는 3차원 기본 형상(예, 직선, 원, 직육면체 등) 및 구체적인 형상의 대략적인 구현 결과를 얻을 수 있었고 이를 가시화할 수 있었다.

연구의 발전 방향

지금까지의 연구 내용을 바탕으로 실질적인 형상 및 설계 데이터 모델링의 적용과 응용

을 단계적으로 이루어 나가야 할 것이며 또한 아직 일반 상용 CAD 시스템에서 STEP

그림 3. 형상에 관련한 엔티티에 대한       그림 4. STEP 물리적 파일의 예

Express 표현

데이터를 읽지 못하고 있는 시스템이 많아 이들의 개발 속도와 맞추어 형상의 구체적, 세부적 구현이 필요할 것이다.

그림 5. 육면체에 관한 STEP 물리적 파일의 인터넷을 통한 가시화

그림 6. Baffles에 관한 형상 가시화

참고문헌

1. ISO 10303-21,"Part 21: Clear Text Encoding of the Exchange Structure"

2. 이현찬외 2명 :□컴퓨터 그래픽스 및 형상 모델링□, 시그마프레스

3. Northrop Grumann, http://axon.scra.org/ap203/ap203.html

4. 오유천,□인터넷에서 3차원 STEP 형상정보의 가시화□, 한국과학기술원 석사학위논문,       1997.1