스마트 컨트롤이 유압장치에 생명을 불어넣었다

소프트웨어 기반 컨트롤 시스템을 이용한 유압 장치가 전기 구동 시스템에 새로운 대안으로 떠올랐다. 지금까지 전기적 자동화 시스템만이 독립적 분산 지능의 영역으로 간주되었지만, Rexroth는 유압 장치도 인더스트리 4.0에 적합하다는 것을 확인해 주었다.

슈테판 하크: Bosch Rexroth AG 이사
감수: 보쉬렉스로스 코리아 최우혁 대리

인더스트리 4.0을 언급하면, 대부분의 사람들은 빅 데이터와 데이터-클라우드 그리고 IT 시스템을 떠올린다. 그러나 데이터 흐름으로부터 기계 운동, 새로운 프로세스,새로운 사업 모델을 만들어 내려면 기술적 문제를 극복해야 한다. 모든 유형의 드라이브가 네트워크로 연결된 생산 시스템에 스마트하게 결합되어야 한다는 의미이다. 지금까지 독립적 분산 지능은 전기적 자동화 시스템만의 영역으로 간주되었지만, 이제 유압 장치도 인더스트리 4.0에 적합하다는 점을 Rexroth가 보여주고 있다.

톱 기계를 예로 들 수 있다. 톱 기계 안으로 커팅할 목재가 들어가면, 목재 여러 면의 형상이 자동으로 측정되는데, 이때 가이드 시스템이 최적의 커팅을 계산한다. 커팅 형태는 직선이기 보다는 곡선인 경우가 많다.

 

스마트한 유압 축이 톱 박스를 움직인다

스마트한 유압 축은 판재 생산량을 최대 20%까지 증가하도록 톱 박스를 움직이고 톱질 프로세스의 품질도 개선된다. 이 원형 톱 장비의 경우 Rexroth사의 축 컨트롤러가 실시간 독립적으로 가이드 시스템의 규정치에 따라 유압 운동을 제어한다. 이는 미래 프로젝트가 아니라 현재 제재소에서 사용하고 있는 방법이다.네트워크로 연결된 스마트한 유압 장치가 자신의 물리적 장점 외에 인더스트리 4.0 환경에 사용할 수 있는 전제 조건도 수반한다. 이러한 유압 장치는 분산 지능을 구비하며, 개방된 인터페이스를 통해 상위 시스템과 통신하는데, 제작에 변수가 많은 경우 소프트웨어를 통해 기계 프로세스의 바뀐 요건에 유연하게 적응한다. 또한 유압 장치는 실시간 독립적으로 운동을 제어하고 모듈 방식으로 기계 컨셉트에 결합된다.

 

소프트웨어가 유압 장치의 특수성을 고려한다

IEC 61131에 따라 프로그래밍되는 드라이브 기반 모션 로직 시스템 HMC(Hydraulic Motion Control, 유압식 모션 컨트롤)의 스위치 캐비닛 솔루션
IEC 61131에 따라 프로그래밍되는 드라이브 기반 모션 로직 시스템 HMC(Hydraulic Motion Control, 유압식 모션 컨트롤)의 스위치 캐비닛 솔루션

이러한 요건들은 Bosch Rexroth 엔지니어가 차세대 유압 모션 컨트롤의 개발 시 몇 년 전부터 제품 요구사항 문서에 기록되어 있는 사항이다. 컨트롤 시스템이 최신 전자제어장치를 유압 장치의 특성에 맞추어 조정된, 사전 프로그래밍된 소프트웨어와 조합한다.Rexroth는 분산 지능 유압솔루션에 맞는 완전한 모듈을 개발하였다. 이 모듈은 스위치 캐비닛 없는 싱글축 컨트롤러와 디지털 펌프 컨트롤 시스템에서 IEC 61131에 따라 프로그래밍되는 스위치 캐비닛솔루션을 거쳐 32개의 유압축을 위한 모션 로직컨트롤까지 아우른다. 모든 모션 컨트롤시스템의 멀티 이더넷 인터페이스는 유압 장치의 네트워킹을 위한 또 하나의 본질적인 요건을 충족한다. 즉 이 인터페이스는 상위 컨트롤과 가이드 시스템에 대한 개방된 인터페이스 가운데 하나이다.소프트웨어 차원에서도 개방성은 인더스트리 4.0이 가능한 드라이브 솔루션을 위한 전제 조건들 가운데 하나이다. 유압 장치를 위한 모션컨트롤은 Rexroth의 전기 드라이브 및 컨트롤과 동일한 엔지니어링 환경을 이용한다. 따라서 유압식, 전동식, 하이브리드 축의 작동 개시와 진단은 동일한 소프트웨어 툴로 이루어진다. 소프트웨어 툴 덕분에 모든 구동 기술에서 PLC와 모션을 통일적으로 취급할 수 있고, 수직 방향 네트워킹과 수평 방향 네트워킹이 수월해진다.작동을 개시하는 데에 더 이상 유압 장치에 대한 깊은 지식이 필요하지 않다. 매개변수 마법사가 필요한 모든 시스템 데이터를 조회하고 제어를 위한 매개변수를 제안한다. 모션 컨트롤의 소프트웨어에 통합되는 소프트웨어 유압장치 컨트롤러는 자동으로 밸브 특성과 같은 유공압 기술의 특이사항을 자동으로 고려한다. 또 다른 중요한 효과는 상위 컨트롤과 가이드시스템에 대해 유압식 드라이브가 전동식 드라이브와 똑같이 거동한다는 점이다. 제조 단계에 바리에이션이 많은 경우 유압식 드라이브는 가이드 커뮤니케이션을 통해 자신에게 전송되는 새로운 규정값을 자율적으로 설정한다.

종이 제작에 사용되는 수십 미터 길이의 시스템의 경우 유압식 지능 드라이브를 하나의 중앙 스위치 캐비닛에서 구동하는 것은 매우 번거로운 경우가 많다. 드라이브뿐만 아니라 주변 장치도 포함하기 때문에 배선이 매우 복잡한데,이런 경우 모션 컨트롤이 완전히 밸브에 통합된, 스위치 캐비닛이 없는 싱글축 컨트롤러가 유용하다. 싱글축 컨트롤러는 자동화를 수월하게 만든다. 제어 회로가 현장에서 축에 연결되기 때문이다. 위치 엔코더 또는 압력 센서와 같은 주변 장치는 바로 분산 전자장치에 연결된다. 이로 인해 배선의 번거로움이 훨씬 줄어든다.컨트롤 시스템은 멀티 이더넷 인터페이스를 통해 연결된다. 멀티 이더넷 인터페이스는 Sercos, Ethercat, Ethernet/IP, Profinet RT, Powerlink, Varan과 같은 통상적인 이더넷 프로토콜을 지원한다. 원하는 버스 시스템은 간단히 클릭하여 선택한다. 개방된 가이드 커뮤니케이션을 통해 상위 시스템이 매개변수를 변경하고 작동 상태를 온라인으로 조회할 수 있다.

 

컨트롤 시스템은 유압 모션과 전동 모션을 통제해야 한다

인더스트리 4.0에서는 전체 기계에 대한 모션 로직 시스템 차원보다 높은 자동화 단계를 위해, 소프트웨어가 접근하지 못하는 “화이트 스팟“이 있으면 안 된다. 컨트롤 시스템은 전동식 드라이브, 하이브리드 드라이브 그리고 유압 드라이브를 일정하게 통제하고 그들과 데이터를 교환할 수 있어야 한다.

최대 32개 유압 축을 위한 컨트롤 Indramotion MLC
최대 32개 유압 축을 위한 컨트롤 Indramotion MLC

인더스트리 4.0은 원료 가공에서 최종 완제품에 이르기까지 전체 가치 흐름을 포괄한다. 따라서 자동차 산업의 경우 수많은 성형 머신을 사용한다. 유압으로 구동되는 프레스들 사이에서 프레스 운반 장치의 전동식 드라이브가 공작물을 운반한다. 개별화가 갈수록 늘어나고 있는 추세에서, 컨트롤 시스템은 유압 모션과 전동식 모션을 유연하게 전환하고 동기화해야 한다. 이런 필요성에 대해서도 유압 컨트롤러의 기능 라이브러리를 소프트웨어로 묘사하는 폭넓은 시스템 솔루션이 있다. 유압 장치는 화이트 스팟이 아니며, 완전히 네트워킹에 통합된다.이를 위해 표준화된 가이드 커뮤니케이션 외에 IEC 61131-3에 따른 표준화된 프로그래밍과 PLC-Open이 필요하다. 사용자는 드라이브 기술과 상관없이 기계를 서로 연결할 수 있다. 또한 추후에도 일시적으로 또는 영구적으로 추가의 장비 모듈을 통합할 수 있고 생산 설비를 유연하게 새로운 요건에 맞추어 조정할 수 있다.

장비 제조사는 개방된 모션 로직 시스템을 이용하여 모듈식 컨셉트로 개별적인 고객의 요건을 충족할 수 있다. 컨트롤 시스템에 영향을 끼치지 않으면서 프로그래밍, 작동 개시 그리고 진단 방법이 거의 동일한 경우, 하나의 기계군 내에서 다양한 성능 단계를 커버하기 위해 전동 드라이브를 유압 드라이브나 하이브리드 드라이브로 교체할 수 있고 그 반대로도 가능하다.

 

예견 정비를 위한 정확한 행동 지침

인더스트리 4.0에 대한 논의 초반에는 바리에이션이 많은 주문을 개별적으로 제작하는 것에 초점이 맞추어졌다. 여전히 핵심 논쟁거리이지만, 네트워킹을 통해 경제성을 높이는 것이 무엇보다 중요하다. 이는 실시간 상태 모니터링,장비 가용률 증대, 예견적 정비와 관련이 있다.클라우드 기반 서비스는 콤포넌트의 작동 상태를 지속적으로 조회하고, 마모 상태를 확인하며, 예견적 정비를 위한 적합한 행동 지침을 전달한다. 이러한 시스템에 유압 장치를 단절되지 않게 연결할 수 있어야 한다. 유압 시스템은 중요한 모든 데이터를 분산 방식으로 파악하고 평가한다. Rexroth의 표준 어플리케이션을 위한 최신 세대 어셈블리는 여기에 상태 모니터링과 예견적 정비를 위한 센서 패키지와 연동하여 자체적인 콤팩트 PLC를 사용한다.이 어셈블리는 상태 모니터링을 위해 지속적으로 유압 매체인 (유압 작동유)를 모니터링한다. (유압 작동유) 상태는 직접적으로 모든 유압 콤포넌트의 수명에 영향을 준다. 이 시스템은 필터 앞과 뒤의 압력을 측정하여 필터 매체의 오염 정도를 파악하고(유압 작동유) 노화에 영향을 주는 온도변화도 추적한다. 분산 지능은 이 모든 것을 필요 시 제공할 수 있도록 준비하며, 쉽게 이해할 수 있는 신호등 로직으로 제시한다. 또한 PLC는 추세 분석을 위한 센서값 패턴도 제공한다.

모션 컨트롤과 모션 로직 시스템
모션 컨트롤과 모션 로직 시스템

PLC는 예견적 정비를 위해 데이터를 수집한다

예견적 정비를 위해 PLC는 마모 부품에 대한 데이터를 수집한다. PLC는 유압 밸브의 부하 사이클을 카운트하고 공칭 수명과 비교한다. 이 시스템은 리스크가 없는 잔여 사용 기간을 도출하고, 콤포넌트가 고장이 나기 전에 상태에 따른 계획을 세워 교체를 유도한다. 이러한 예견적 정비는 고장 가능성을 낮추고 기계 가용률을 높인다. 장비 교체 시에는 더 사용할 수 있는 콤포넌트는 어떤 것인지 그리고 교체하는 것이 더 나은 콤포넌트는 어떤 것인지를 데이터를 통해 사용자가 알 수 있다. PLC는 경고 메시지나 필터 교체와 같은지침을 모든 통상적인 이더넷 프로토콜을 통해 컨트롤 시스템이나 다른 단말기에 전송한다. 정비 또는 서비스에 대해서는 스마트폰이나 태블릿 PC로도 전달한다. 기술자들은 앱을 이용하여 각각의 컨트롤 시스템에 통합되어 있는 웹서버 등을 통해 무선으로 서비스 정보를 판독할 수 있다. 또 기업 IT나 클라우드 기반 서비스를 통해 자동으로 모든 정보를 조회할 수 있고 기계 및 제조 라인의 데이터에 반응할 수 있다. 따라서 데이터로부터 정보를 확인할 수 있어, 이 같은 정보로부터 경제성이 높아진다.

네트워크에 연결된 지능적 유압 장치는 자동화 편의성, 네트워킹 수준 그리고 진단 가능성에서 전동식 구동 솔루션과 컨트롤 솔루션을 좇아가고 있다. 어느 것이 미래 지향적인 구동 기술인지 이에 대한 문제는 구체적인 운동 목적에 따라 다르다. 큰 힘과 성능 밀도가 중요하다면 충격을 감수해야 하고, 직선 운동을 바로 만들어야 한다면 유압 장치가 해답이다. 이는 톱기계의 경우와 같다. 이 원형 톱기계도 유연하게 실시간으로 다양한 요건에 적응하여 생산성을 높였다.