800개가 넘는 센서를 갖춘 물펌프 조립 플랜트

우리가 늘 타고 다니는 자동차 안에는 물 펌프가 있다. 하지만 1교대로 연간 45만개의 물 펌프를 제작하기 위해 얼마나 많은 노고가 들어가는지 아는 사람은 없다. 관건은 자동화 기술, 시험 기술 그리고 시스템 엔지니어링이다. 여기에 IO-Link 기술이 사용된다.

알렉산더 푈케르트(Alexander Völkert) :프리랜서 저널리스트

„주조 알루미늄은 품질 면에서 완벽해야 합니다. 그 어디에도 균열이 있어서는 안 됩니다. 자동차 부품업체에서 주물에 작은 구멍을 발견되어 전체 물량을 회수한 적이 있습니다. 따라서 부품업체는 적어도 두 개 이상의 제조사를 거래하고 있습니다. 가장 우선 순위는 100% 정상적인 부품을 납품하는 것입니다. 100% 정상 부품의 납품을 위한 전제 조건이 여기 우리에게 시작되었습니다.“ (요아힘 마르크스, MP GmbH 제조 매니저) 요하임 마르크스는 부품 13개가 부착된 3,300g짜리 알루미늄을 손에 들고 서 있었다. 이는 독일 남부 자동차 메이커에 납품하는 물 펌프인데, 처음 보기에는 특별할 것이 없어 보였지만, 자세히 들여다보면 작은 세부사항까지 철저히 준비하고 설계하는 데에 한 달이 걸리는 제품이라고 한다. MP GmbH는 이러한 까다로운 품질 기준을 준수할 수 있기 위해 조립 플랜트에서 800개가 넘는 센서를 장착하였다. 모든 것은 엄격하게 기밀 사항이다. 경쟁 업체들은 이 새로운 물 펌프의 제작 프로세스를 볼 수 없으며, 사진으로도 볼 수 없다. 그럼에도 많은 것을 유추해 볼 수 있었다.

물펌프용 전체 조립 플랜트 3D 모델

TCG Unitech GmbH는 오스트리아 크렘 인근 키르히도르프에서 오일 펌프와 냉각수 펌프, 물 펌프를 제작하는 회사이다. 이들의 최종 목적지는 독일 남부의 한 제조사가 제작하는 자동차의 엔진룸이다. 관건은 이러한 펌프를 위한 조립 플랜트를 제공할 만한 절대적으로 믿을 수 있는 제조사이다. TCG의 믿을 만한 파트너가 바로 MP GmbH이다. MP GmbH의 공장은 독일 베를린에서 동쪽으로 10km 떨어진 브란덴부르크 프레더스도르프에 위치한다. 우리는 조립 플랜트의 7번 스테이션에 서 있었다. 이 스테이션은 적어도 5년 동안 물 펌프를 제작해야 한다. „여기서 펌프에 레이저로 마킹하고 일련 번호를 새깁니다. 이 일련 번호로 몇 년이 지나도 어느 날짜 어느 근무조일 때 물 펌프가 이 조립 플랜트에서 제작되었는지 확인할 수 있습니다.“ (토비아스 쿡, 제품 매니저) 물 펌프가 선행하는 6번 스테이션을 통과할 때 완벽한 상태이고 부품 13개가 모두 장착된다. 물 펌프는 다음 마무리 시험을 거쳐서 최종적으로 „정상“이라는 판정을 받는다. 이때 19초의 택트 타임을 준수하기 위해, 6번 스테이션은 6.1과 6.2로 나뉜다. 따라서 두 개의 물 펌프를 동시에 꼼꼼하게 검사할 수 있다. 만일 펌프에 결함이 있으면 즉각 분류된다. 다음 일은 7번 스테이션에서 이루어지며, 일련 번호를 새기고 배출 갠트리인 8.1 스테이션에 도달한다.

조립 플랜트의 신경 중추는 프로세스 마스터 컴퓨터이다

스테이션 6과 7이 있지만, 프로세스(이 경우는 시스템 조립)는 스테이션 1에서 시작한다. 조립 플랜트를 밖에서 보면 길이 16.70m, 폭 5.10m이다. 컨베이어 벨트가 자동 제조 캐빈에서 그 다음 캐빈으로 구성품을 옮기는 씽크 탱크이자 움직이는 공장이다. 이 시스템의 신경 중추는 프로세스 마스터 컴퓨터로, 이 컴퓨터는 PLC로부터 수신한 데이터를 평가한다. 이 베이스를 돕는 조력자들은 800개가 넘는, 유도성 센서, 광학 센서, 용량성 센서 등과 같은 일군의 센서들이며, 이 센서들은 식별 시스템으로 드러나기도 한다. 이 센서들은 세부적으로 어떻게 기능하며, 해결해야 할 도전 과제는 무엇일까? 그러한 복잡한 시스템을 실현하려면, 수 개월을 준비해야 한다. 문제는 자동화 기술, 시험 기술 그리고 시스템 엔지니어링 분야에서 뛰어난 역량을 갖추어야 한다는 점이다.

MP GmbH는 25여 년 전부터 그러한 특수한 시스템을 구현하고, 경쟁이 치열한 자동화 기술 시장에서 그 입지를 굳혔다. MP GmbH는 무엇이 필요하고 프로젝트를 어떻게 성공적으로 이끌어가는지를 정확히 알고 있었다. 이를 위해 엔지니어들은 MP GbmH의 전체 물펌프 조립 플랜트를 기획, 설계 및 조립하고 꼼꼼히 점검한 후, 크렘 근처 키르히도르프로 발송하기 위해 선적한다. 이때 시스템 내부가 매우 중요하며, 적절한 기술이 필요하다.

블리스터에 들어 있는 물펌프 씰 공급,
Z-스트로크 그리퍼가 있는 X-Y 갠트리를 이용하여 분리, 작동 개시 중인 기계

“2015년 8월에 TCG Unitech용 물 펌프 조립 플랜트를 건설해야 한다는 점이 확실해지자, 구성품에 대한 수요를 명확히 하기 위해 대략적인 제어 컨셉트를 개발하였습니다.“ (크리스티안 볼프, MP GmbH 대표) 결정 기준은 가격, 납품 능력 및 무엇보다 적절한 기술이었다. 시스템의 공정 제어 수준, PLC 및 데이터 수집이 마찰 없이 상호 협력해야 한다. „우리는 단순히 아날로그 토대 위에 배선하고 데이터만 수집하는 것을 원하는 것이 아닙니다. 시스템에 대한 우리의 요구 사항은 지속적으로 데이터를 검사하고 평가할 수 있어야 하며, 적절히 제어할 수 있어야 한다는 점입니다.”(크리스티안 볼프) 이에 MP GmbH는 센서 기술 전문업체인 Balluff의 IO-Link 기술을 선택하였다. 이 기술은 항상 디지털 신호 변환을 사용한다. 장점은 설계 및 제조 작업 시 제어 캐비닛 크기를 고려하지 않아도 된다는 점이다. 추가적인 센서 시스템을 통합해야 한다면 설치된 IO-Link를 힘들이지 않고 필요할 때 확장할 수 있다.

모든 가공물 캐리어는 식별을 위한 칩이 두 개씩 있다

“8개 스테이션으로 거의 모든 부품이 전달되어, 수량과 품질을 계속해서 점검합니다. ‚정상‘ 소견이 아닌 캐리어는 다음 스테이션으로 넘어갈 수 없습니다.” (요아힘 마르크스). 이러한 전체적인 식별 시스템과 시험 시스템의 이면에는 수년 간의 센서기술 개발의 경험이 녹아 있다. 800개가 넘는 Balluff의 센서가 85m2의 자동화 라인에서 물 펌프가 원활하게 만들어지도록 책임진다. 자세히 보면 다음과 같다. 각각의 가공물 캐리어(WT)는 식별을 위해 두 개의 칩을 가지고 있다. 이들 칩은 각 스테이션에서 판독 기록 장치에 의해 판독되고, 해당 가공물 캐리어를 계속해서 가공할 수 있는지 검사한다. 라이트 배리어–광학 센서-도 사용한다. 구성품의 존재 유무를 점검한다. 라이트 배리어는 유도형 센서를 사용할 자리가 없을 때에 사용한다. 조립 플랜트에 카메라 센서도 사용하는데, 카메라 센서는 부품의 존재 유무와 가공물 캐리어 상에서 부품의 위치를 체크한다. 이때 목표 이미지와 실제 이미지를 비교하고, 두 이미지가 일치하면 PLC에 “계속”으로 보고되고 두 이미지가 일치하지 않으면 가공물 캐리어는 일단 분류되며, 택트 타임에 영향을 끼치지는 않는다.

마지막 부품을 납품한 후 4주 후에 시스템 테스트가 시작되었다

Balluff의 동부 지역 판매 엔지니어인 안드레아스 크놀이 MP GmbH 공장장인 요아힘 마르크스와 IO-Link 기술에 대해 이야기를 나누고 있다.

2015년 9월 MP GmbH가 Balluff와 함께 공동 작업할 것이 확실해진 이후, 조립 플랜트의 개별 기계 컨셉트가 프로젝트 관리 라인에 의해 구체화되었다. „고객인 TCG Unitech사에 항상 모든 사실을 알려주고, 고객은 어떻게 조정하기를 바라는지 의견을 나눕니다.“ (크리스티안 볼프) 설계가들은 판매 부서와 의견을 교환한다. 이어 컨셉트를 개발하고, 개별 기계를 설계한다. 몇 번 조정이 이루어지고, 모든 것이 준비되면, 기술 도면을 작성하고, 기계 및 전기 구성 요소를 구매한 후 회로도를 작성한다. 모든 부품이 준비되면, 기계적 조립을 하고 스위치 캐비닛을 설치하며, 마지막으로 컨트롤을 프로그래밍하여 시스템을 하나하나 작동 개시할 수 있을 때까지 설치가 이루어진다. 2016년 4월에 MP GmbH는 시스템을 위한 모든 부품을 주문하였고, 6월 말에 주문한 부품이 도착하였다. 부품이 도착하고 시스템은 빠르게 조립되어 4주 만에 시스템이 완성되었고, 시스템의 첫 번째 부품을 테스트할 수 있었다. 양산 전 제조품을 납품하였다. 9월 12일에 TCG Unitech GmbH가 조립 플랜트를 승인하였다. 9월 20일 모든 트럭이 TCG Unitech를 향해 출발했다. „모든 것이 순조롭게 진행되었고 큰 문제는 없었습니다.“ 토비아스 쿡, 요아힘 마르크스 그리고 크리스티안 볼프는 입을 모았다. 9월 말과 10월 초에 베를린으로부터 남쪽으로 약 700km 떨어져 있는 오스트리아의 TCG에서 조립 플랜트를 다시 만들었다. 이 플랜트의 연간 목표 생산량은 1교대 생산으로 물 펌프 450,000개이다. TCG Unitech가 3교대 시스템으로 생산한다면 단 1년 안에 1,350,000개의 물 펌프를 제작할 수 있게 되었다.