전기 장치가 공압 장치보다 유리할까?

공압 장치는 에어의 누출과 손실 때문에 외면을 받았다. 하지만 특정 사례에서 전기 드라이브보다 유리한 장점을 가지고 있다. 이제 복합 시스템이 합리적이라 할 수 있다.

필립 크룹스(Philipp Krups): Krups Automation GmbH 대표

핵심 내용

  • 공압 장치는 일반적으로 사용자 명세서에서 성능 매체로서 제외되는 경우가 많았다.
  • 공압 요소와 전기 요소의 상호 작용이 경제적이라는 것을 보여주는 응용 사례들이 있다.
  • 소비량이 적은 경우 압축 공기 분배에 비용이 많이 들지 않고 공간도 많이 차지하지 않는다.

압축 공기는 산업 분야에서 가장 비싼 에너지로 유명하며, 최근 몇 년간 최적화와 절감 조치를 크게 강조해 왔다. 특히 대규모 컨베이어 플랜트의 사용자 요구 명세서에는 공압 애플리케이션을 배제하는 경우가 많았고, 상대적으로 전기 드라이브와 액추에이터에 대한 요구가 늘어나고 있다. 언뜻 보기에는 전기 시스템이 합리적이고 효과가 있어 보인다. 하지만 이와 같은 결정은 위험천만하다고 할 수 있다. 공압 장치가 누출과 손실이라는 단점만 있는 것은 아니며, 전기 시스템에 비해 장점도 가지고 있다. 공압 관련 부품은 상대적으로 크기가 작고 주변 환경에도 민감하지 않으며, 정비도 크게 필요하지 않다. Krups Automation은 분산 액추에이터를 구동하기 위해 조합된 개념을 추구하여 두 가지 형태의 드라이브의 장점을 결합하였다.

전통적인 컨베이어 시스템에서 사용하는 공압 애플리케이션

개별 소비 장치가 밸브에서 압축 공기를 직접 공급받는다.

전통적인 컨베이어 시스템은 스토퍼와 브랜치 그리고 관련 부품을 이동시키거나 자동 스테이션에서 공작물과 공작물 캐리어를 빼기 위해 공압 장치를 사용하고, 회전 유닛 운동이나 경로가 긴 경우에는 전기 드라이브를 사용한다.

개별 소비 장치에 에너지를 공급하는 분산형 밸브 터미널을 가진 전통적인 구조를 많이 사용한다. 압력이 일정한 원형 라인이 파워 분배를 위해 시스템을 중심으로 설치되고, 개별 소비 장치는 짧은 라인으로 이중으로 밸브로부터 에너지를 공급받는다. 밸브 터미널 자체는 대부분 분산 컨트롤 어셈블리를 통해 메인 컨트롤러와 연결되고 메인 컨트롤러에 의해 제어된다.

공압 제어 시 압축 공기를 생성하고 정화한 후 사용해야 하고, 전류는 퓨즈로 보호되는 상태로 사용해야 한다. 이에 비해 전기 액추에이터나 전기 소비 장치 역시 전기와 신호를 공급받아야 하고, 관련 부품과 적용 사례에 따라 모터 스타터나 인버터가 추가로 필요하다.

공압 구동과 전기 구동을 비교할 경우 구동과 공급 비용만 확인할 것이 아니라, 사용 가능한 파워와 비교하여 설치 크기도 고려해야 한다. 직경 32mm의 짧은 행정 실린더는 작동 압력 4bar에서 약 322N의 힘을 발생시킨다. 스트로크 길이는 선형으로 약간 늘릴 수 있다.

센서 장치와 배선을 포함하여 완전하게 장착된 공압 스토퍼

전기 장치는 다양한 구동 시스템을 필요로 한다

비슷한 출력을 전기 드라이브를 이용하기 위해, 스핀들 드라이브, 크랭크 드라이브, 선형 드라이브, 모션 링크 운동 또는 전자 마그넷 등 다양한 방법들이 있다. 모든 경우에 상당한 힘이 전달되어야 하고, 신호 케이블 외에 적절한 퓨즈와 파워 서플라이를 포함한 전력 라인도 필요하다. 공압 실린더와 동일한 힘을 생성하는 전기 드라이브는 훨씬 큰 설치 공간을 차지한다. 이는 기어비가 필요하기 때문이며, 효율에도 부정적인 영향을 미친다. 또한 전기 드라이브는 윤활도 필요하며 주변 영향에도 취약하다.

여기에 최대 250kg 무게일 경우, 짧은 행정을 위한 실린더나 스토퍼 같은 소형 액추에이터의 실제 공기 소비량은 미미하다. 즉 압축 공기와 같은 비싼 형태의 에너지를 사용한다고 하더라도 가동 비용은 매우 적게 들고 전기 액추에이터와 비슷하게 든다. 또한 대부분의 조립 및 테스트 시스템의 개별 워크스테이션에는 여전히 압축 공기가 공급된다. 이는 그리퍼나 클램핑 유닛이 계속해서 공기압으로 활성화되기 때문이다. 따라서 압축공기 인프라가 이미 존재하고 있어 스테이션에서 분산적으로 사용할 수 있다. 이에 Krups Automation는 몇 년 전부터 자사 제품에 분산 제어 컨셉트와 구동 장치를 제공하고 있으며, 컨베이어 시스템에서 스트로크가 작은 소형 실린더와 액추에이터에 적용하는 이러한 다양한 접근 방식은 다음과 같은 컨셉트로 발전하였다.

• 힘은 공압 장치에서 나온다.

• 신호를 전기적으로 연결하여 탭핑할 수 있다.

압축 공기 분배에 드는 비용이 저렴하다

저전력 소비에 최적화된 중앙 공압 라인은 링 라인으로 컨베이어 시스템에 배치된다. 특정 스터브를 스테이션에서 컨베이어 시스템으로 설치하여, 모든 지점에서 출력을 분리할 수 있다. 따라서 추후에 어느 위치에서든 출력에 접근할 수 있으며 시스템이 유연해진다. 라인 길이와 최대 연결 개수에 따라 직경 12 ~ 14mm의 라인 하나로 충분하다. 이런 분배 구조는 안전장치로 보호되는 전력 분배 방식에 비해 제조 및 설치가 저렴하다.

모든 분산 구성 요소들은 일반적으로 중앙 라인이 연결되어 있는 공기 연결부가 있다. 각 구성 요소에는 통합 밸브가 있고, 이 밸브들은 내부에 짧은 호스가 장착되어 있다. 이로 인해 밸브 터미널이 필요하지 않고 밸브를 직접 구성 요소에 할당할 수 있다. 문제가 발생하면 구성 요소를 확인하면 된다.

구성 요소 제어에 필요한 모든 신호는 중앙 연결을 통해 사전 배선되어, 이러한 신호가 표준화된 연결 케이블 및 기존의 분산 I/O 모듈을 통해 컨트롤러와 통신할 수 있다. 모터 연결부가 있는 복잡한 어셈블리의 경우, 공급 전압도 정의된 연결부를 통해 구성 요소에 공급된다.

스토퍼가 프레임에 장착되어 있다.

어셈블리를 빠르게 교체할 수 있다

어셈블리는 인터페이스가 명확하게 정의되어 있고, 공급 라인을 교체해서 끼우면 되기 때문에 빠르게 교체할 수 있다. 또한 사전 조립이나 테스트한 케이블을 사용하여 시운전 시 발생하는 어려움도 줄어든다. 분산형 지능은 광범위한 기능을 가진 복잡한 구성 요소에 필요하지만, 이러한 컨셉트에는 분산형 지능을 쉽게 통합하고 결합할 수 있다. 이는 구체적으로 회전 모듈, 크로스 셔틀 또는 리프트-턴 스테이션과 같은 구성 요소로, 각각 내부적으로 프로세스를 매핑하여 메인 컨트롤을 간소화할 수 있다. 시스템의 분산화 개념은 새로운 것이 아니지만 올바른 매체와 잘 설계된 단순한 유형의 분산화 간의 합리적인 상호 작용이 컨베이어 기술을 최적화한다.

전기 드라이브 구조에서 분산에 필요한 힘과 성능을 제공하려면 더 많은 공간이 필요하다.

혼합 컨셉트와 항상 비교해야 한다

완전히 전기화된 시스템을 제공하고 장착할 수 있지만 이 개념은 혼합 컨셉트와 비교해야 한다. 혼합된 시스템이 훨씬 많은 비용을 절감할 수 있다.