모션 제어의 신뢰성 확보를 위한 3가지 요소, 정확성·반복성·효율성

자동화 모션 제어에 대한 신뢰성은 OEM에게 중요한 요소이다. 이 신뢰성에 기여하는 세 가지 주요 변수는 서보 위치 정확도, 궤적 반복성 및 전반적인 시스템 효율성이다. 이러한 변수에 오류가 발생하면 새로운 장비의 설계 시간이 길어지고, 시운전 리소스가 초과되고, 최종 사용자의 생산 비용이 증가하는 등 부정적인 결과가 발생할 수 있다. 

OEM은 수익성 마진을 유지하기 위한 설계 제약을 준수하면서 장비의 경쟁력 있는 기능 수를 늘리는 과제에 직면한다. 이러한 맥락에서 자동화 모션 제어에 대한 확신을 갖는 것이 필수적이다. 서보 위치 정확도, 궤적 반복성 및 시스템 효율성에서 높은 수준의 신뢰성을 보장함으로써 제조업체는 위험을 완화하고 경쟁 우위를 강화할 수 있다. 자동화 모션 제어에 대한 이러한 확신을 통해 고객 기대에 부응하고 가동 중단 시간을 줄이며 생산 프로세스를 최적화하는 장비를 제공할 수 있다.

이 기사에서는 설계에서 시운전, 생산에 이르기까지 식품(그림1) 및 음료(그림2) OEM 기계 수명 주기를 살펴본다. 또한 모션 제어 정확성, 반복성 및 효율성을 통해 장비의 신뢰성을 높이는 모범 사례를 소개하기로 한다.

<그림1> 자동화된 빵 공장(이미지 출처: Getty Images)                                             <그림2> 자동화된 병입 공장(이미지 출처: Getty Images)

Design
 

자동화 제어 시스템을 설계할 때는 처음부터 정확성, 반복성, 효율성을 고려하는 것이 중요하다. 네트워크 프로토콜의 선택은 다운스트림 기계의 복잡성과 성능을 결정하는 데 중요한 역할을 한다. 장치 통신의 복잡성은 설계 개정 일정과 BOM 규모를 측정할수 있다. 제품 수명 주기가 수년간 지속될 수 있는 식음료 시설에서 적절한 네트워크 프로토콜을 선택하면 원래 장비에 대한 재인증 비용을 최소화하여 기계를 작동하는 데 드는 장기 소유 비용에큰 영향을 미칠 수 있다.

정확성 - 시간 동기화를 위한 EtherCAT
 

글로벌 오픈 산업용 프로토콜인 EtherCAT은 통신 효율성을 위해 설계됐다. EtherCAT 마스터는 각 필드 장치로 이동하는 단일 데이터 패킷을 통해 통신하여 패킷이 각 노드를 통과하고 돌아올 때각 장치에 대한 데이터를 삭제하고 수신하는 반면, 이더넷 트래픽은 프로토콜에 관계없이 PLC와 각 필드 장치 간의 개별 대화이다. EtherCAT은 사이클 속도가 125μs까지 낮아진 실시간 결정적 통신을 달성한다. 이 고속 통신은 정확한 모션 제어를 방해할 수 있는 서보의 지터를 제거한다. 밀봉 애플리케이션에서 정확하게 밀봉할 수 있는 것은 매우 중요하다. 이는 다운스트림 사용자의 재료 낭비를 최소화하는 데 도움이 될 뿐만 아니라 브랜드 평판과 고객 만족도를 강화한다.

반복성 - 명령 전달을 보장하는 EtherCAT
 

EtherCAT은 실시간 모션 제어를 보장하도록 설계됐다. PLC 가 각 장치와 개별 대화를 할 때 발생할 수 있는 패킷 충돌을 제거하고 올바른 패킷이 올바른 위치에 올바른 시간에 전달 되도록 보장한다. 충전 및 밀봉 기계, 병입 라인, 살균 시스템과 같이 여러 사이클에 걸쳐 정밀성이 필요한 애플리케이션 에서 EtherCAT은 반복 가능한 모션 정확도를 제공한다. 중앙 처리 장치는 기본 모션 작업을 기반으로 모든 EtherCAT 작업을 동기화한다. 원하는 반복성 수준에 따라 세 가지 주요 EtherCAT 모드를 선택할 수 있다.

• 자유 실행 모드: EtherCAT 사이클은 컨트롤러 버스 사이클과 비동기적이다. EtherCAT 사이클 동안 여러 개의 새로 고침이 제거되지만 입력과 출력은 네트워크 전체에서 동시에 새로 고침되지 않는다.

• 동기 모드: EtherCAT 사이클은 컨트롤러 버스 사이클과 동기화된다. 입력의 동기 읽기와 출력의 동기 새로 고침은 여러 EtherCAT 장치에서 동시에 고정된 간격으로 수행된다.

• 타임 스탬프 모드: EtherCAT 사이클은 컨트롤러 버스 사이 클과 동기화된다. 항목의 동기 판독은 EtherCAT 분산 클록을 기반으로 한다. 이를 통해 마이크로초 단위의 정확한 타이밍이 가능하다.

효율성 - 빠른 설계를 위한 EtherCAT
 

EtherCAT은 글로벌하게 개방된 산업용 프로토콜로, 다양한 제조업체가 공유 네트워크에서 통신할 수 있도록 한다. 이로 인해 업계에서 지난 14년 동안 12%의 연평균 성장률을 기록하며 지속적으로 채택률이 증가했다. 이러한 성장은 EtherCAT의 정확성과 정밀성뿐만 아니라 이 포괄적인 네트 워크 프로토콜을 채택한 업체에 지속적인 경쟁 우위를 제공 한다는 증거이기도 한다. 2010년에 EtherCAT을 구현한 프로 세서와 패키저는 미래 성장을 위한 입지를 굳건히 했을 뿐만 아니라 그 과정에서 상당한 재설계 비용을 피했다.

Commission
 

견고한 아키텍처 설계를 통해, 첫 번째 통과 전에 성능을 검증하면 성능이 고객 기대에 부응하지 못할 위험을 크게 줄일 수 있을 뿐만 아니라 팀이 배포 전에 시스템에서 비효율성을 제거할 수 있다. 시운전 프로세스는 기계 성능을 극대화하는 동시에 다운스트림 사용자 시설에서 배포와 관련된 위험을 최소화한다. 시운전은 일반적으로 장비가 완전히 조립되는 런오프 단계에서 완료되지만, 하드웨어 없이도 기계 빌드와 병행하여 시운전을 완료할 수 있어 강력한 OEM을 확립한 견고한 품질 표준을 침식하지 않고 총 생산 시간을 줄일 수 있다.

정확성 - 하드웨어 없는 서보 선택
 

서보의 적절한 크기는 기계 성능의 비용 효율성과 정확성을 모두 달성하는 데 중요하다. 서보의 크기를 너무 크게 하면 기계의 전체 비용이 증가하고, 너무 작게 하면 기계의 전체 성능이 저하된다. 올인원 자동화 플랫폼에서 통합 개발 환경을 활용함으로써 OEM은 프로세스를 간소화할 수 있다.

이 접근 방식을 사용하면 단일 프로그램을 사용하여 기계 성능을 검증하고 모터 크기 추가 기능을 통합하여 올바른 선택을 보장할 수 있다. 동일한 소프트웨어 패키지 내에서 모터 크기와 기계 프로그램 검증을 완료함으로써 추가 소프트웨어를 사용하는 복잡성이 제거되어 선택 프로세스 중에 오류가 발생할 위험이 줄어든다. 이 통합된 접근 방식은 프로세스를 간소화하고 서보 크기 조정의 정확성을 높여 기계 성능을 개선한다.

반복성 - 하드웨어 없는 모션 시뮬레이션
 

모션 궤적은 전반적인 장비 효율성에 대칭적인 효과를 미친다. 가속, 감속 및 모션 경로는 기계 설계의 다른 측면과 비교할 때 처리량 시간, 충돌 가능성 및 최종 제품의 품질에 비례하지 않는 비율로 영향을 미치는 것이다. 프로그램이 생성될 때와 동일한 소프트웨어 환경에서 궤적을 시뮬레이션하면 공장 현장에서 불안정한 프로세스를 만드는 위험을 제거할 뿐만 아니라 최종 사용자에게 제품이 런오프 동안과 동일한 성능을 생산에서 발휘할 것이라는 확신을 제공한다.

효율성 - 하드웨어 없는 3D 시뮬레이션
 

3D 시뮬레이션은 물리적 하드웨어 대신 전체 조립품을 시뮬레이션하는 데 사용할 수 있으며, 이를 통해 시운전 프로세스를 크게 개선할 수있다. 모션이 공장 현장에서 유일한 요소가 아니라는 점을 고려하는 것이 중요하다. 안전 프로세스 및 데이터 수집과 함께 모션을 검증하는 것도 필요하다. 이는 추적 가능성과 비전이 생산 프로세스에 복잡할 때 일반적이다. 제조업체에서 제공하는 3D 모델을 활용하고 프로그램과 동일한 소프트웨어 환경에서 시뮬레이션함으로써 팀은 시운전 중에 위험을 초래하지 않고도 안전을 보장할 수 있다. 또한 이를 통해 팀은 최적의 운영 절차를 만들고, 런오프 팀은 장비의 건설을 승인하기 전에 알려진 표준에 대해 성능을 검증할 수 있다. 이를 통해 물리적 건설에 투자하기 전에 기계가 하류 사용자의 기대치를 초과할 가능성이 크게 높아진다.

Production
 

원래 장비를 설계하고 시운전하는 것은 제조업체에 상당한 투자가 될 수 있다. 그러나 반복 고객을 확보하는 핵심은 장비 수명 주기의 성능 단계에 있다. 미래 확장성, 프로세스 가동 시간, 프로세스 데이터 수집 능력과 같은 요소는 자동화 시스템에 대한 전반적인 고객 만족도와 미래 사업에 대한 잠재력에 큰 영향을 미칠 수 있다.

정확성 - 미래 수요에 유연한 자동화 모듈성
 

최고 성능의 올인원 자동화 플랫폼은 플러그 앤 플레이 설치를 위한 수백 개의 기성품 모듈형 IO 부품 번호뿐만 아니라 드래그 앤 드롭 프로그래밍이 가능한 단일 소프트웨어도 갖추고 있다. 이러한 플랫폼은 EtherCAT을 넘어 글로벌 오픈 산업 프로토콜을 사용하여 연결하여 이러한 오픈 네트워 크의 네트워크 효과를 활용하고 Fail Safe Over EtherCAT, EtherNET/IP, CIP Safety, IO-Link, MQTT, OPC UA 및 SQL 을 모두 원래 의도한 대로 사용하여 모션을 넘어 모듈형 PLC 의 연결성을 확장한다.

가장 OEM에 유리한 자동화 플랫폼은 처음부터 새로운 기술을 빠르게 도입하도록 설계되었으며 공장 현장에 과도한 복잡성을 도입하지 않았다. 예를 들어, 이더넷을 통해 통신하는 핸드헬드 추적성은 모션 애플리케이션에서 점점 더 일반화되고 있다. OEM은 사전 게시된 타사 연결 가이드와 기능 블록을 사용하여 제조업체 간의 격차를 메우는 동시에 식품 및 상품 제조업체가 진화하는 산업 표준, 새로운 포장재, 변화하는 소비자 트렌드에 유연하게 대처하는 데 필요한 모듈성을 유 지할 수 있다.

반복성 - 생산 이벤트를 자율적으로 캡처
 

자동화의 오류로 인해 가동 중단을 유발하는 이벤트가 발생하면 오류의 근본 원인을 신속하게 찾고 발견 사항을 검증하는 것이 프로세스 안정성에 대한 확신을 회복하는 데 중요하다. 재생에서 데이터, 비디 오, 프로그램 구조 및 래더 로직의 융합이 점점 더 표준이 되고 있다.

모든 재생은 시간 동기화되고 이벤트 트리거되어 로컬 및 원격 팀원이 생산을 중단하거나 오류 중에 운영자가 있을 필요 없이 빠르고 정확하게 문제를 진단할 수 있다. 시운전 상태에서 시뮬레이션된 성능과 함께 사용할 경우 EtherCAT과 같은 개방형 프로토콜을 통한 데이터 재생은 다운스트림 사용자에게 기계 성능 지표를 손상시키지 않고 지속적인 개선을 실현할 수 있는 기능을 제공한다.

효율성 – OPC UA 서버는 프로세스 데이터를 중앙 위치에 공급
 

현재 많은 컨트롤러에서 표준 기능인 OPC UA 서버 기능은 현장 장치 와의 개방형 통신을 가능하게 한다. 이를 통해 SCADA 소프트웨어는 내장된 OPC UA 서버가 여러 클라이언트의 동시 연결을 허용하기 때문에 통신 요구 사항을 충족할 수 있다. OPC UA를 선택하면 다운스 트림 머신 사용자는 OPC UA가 제공하는 보안 이점을 즉시 활용하여 무단 클라이언트 액세스를 방지할 수 있다. OPC UA 서버 기능이 점점 더 보편화됨에 따라 OEM은 사용자와 더욱 강력한 연결을 구축할수 있다. 이를 통해 기존 장비에 대한 보다 포괄적인 지원을 제공하고 설치 기반 내에서 잠재적인 미래 장비 기회에 대한 귀중한 통찰력을 얻을 수 있다.

자료제공: Digikey(www.digikey.com)