QnA: 전문가와 함께하는 공기압 모션 컨트롤 기술 현황
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| 보쉬 렉스로스 코리아 김희동 팀장 |
Q. 공기압 시스템이 왜 모션 컨트롤에서 중요한가?
A. 모션 컨트롤은 초창기 가공기기의 위치와 속도 제어에서 시작되었다. 그러나 지금은 생산 공정 전반의 제조라인을 효율적으로 제어한다는 개념으로 사용되고 있으며 이를 시현하기 위하여 다양한 에너지 및 제어방식으로 시스템을 구성하고 있다. 이중 모션을 만드는 에너지원으로는 공기압를 비롯한 유압, 수압 및 전기 등이 있고 구성 유니트로는 실제의 모션을 담당하는 실린더, 모터 등과 같은 구동기기, 그리고 감지 및 피드백을 위한 센서부, 마지막으로 이를 인식하여 효과적으로 제어하기 위한 컨트롤러 및 제어 프로그램 등으로 구분될 수 있다.
따라서 산업 전반에 걸쳐 빠르게 통합 자동화 되어 가는 모션 컨트롤 시스템에서 각각의 기능을 효율적으로 제어하기 위하여 여러가지 시스템이 사용되고 있으며, 공기압 또한 여러가지 장점들을 가지고 그 활용성이 점점 늘어나고 있다.
공기압 시스템은 다른 작동 에너지 시스템에 비해 경제적인 요소와 효율성, 작업성 및 환경성 등 여러가지 면에서 선호되고 있다. 공기압은 유압 및 전기와 비교하여 구동에 필요한 힘과 속도를 얻기 위해서는 전기보다 효율적이며, 컴팩트화 되어 가는 자동화 설비들을 구현하는데 있어 유압보다는 소형화, 경량화 그리고 작업속도 등이 월등히 뛰어남을 알 수 있다. 또한 점점 더 중요해지는 위험에 대한 안정성, 환경보전에 중심을 두는 청정성 등을 고려할 때에도 이미 공기압 시스템은 가장 일반적이고 중요하다는 것을 알 수 있다.
하지만 가장 중요한 것은 가장 효율적인 기능을 얻기 위하여, 여러가지 에너지 시스템을 목적에 맞추어 효과적으로 쓰는 것이 필요하다.
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A. 공압 서보 시스템이란 공압을 이용한 위치 제어에서 서보의 기능을 사용하여 폐루프 시스템(Closed Loop System)을 구현한 것이다. 이는 일반 공압이 센서를 이용하여 1 포지션을 제어하던 방식에서 아날로그 신호를 이용한 비례 제어 밸브(Proportional Valve) 및 포지셔너(Linear Encoder)를 사용함으로써 서보 모터를 사용하는 방식과 같이 원하는 위치에서의 제어를 가능하게 한 것이라고 볼 수 있다. 고압 서보 시스템은 구성 요소로 구분할 때 실린더, 비례 제어 밸브, 포지셔너, 컨트롤러 등으로 구분할 수 있으나 컨트롤러는 일반 공압에서도 제어에 사용되고 있으므로 가장 큰 차이는 비례 제어 밸브와 포지셔너로 볼 수 있으나, 일부 PID(Proportional-plus-Integrate-plus-Derivative) 기능이 내장되어 있는 비례 제어 밸브의 경우 포지셔너는 생략되기도 한다.
공압 서보 시스템의 기술과 활용 범위는 점점 더 다양해지고 있으며, 이는 활용성과 경제성그리고 기술발전에서 기인한다. 공압은 사용매체의 특성상 압축성이 있어 정확한 위치 제어가 힘들 뿐만 아니라 저속에서의 정밀한 제어에 한계를 가지고 있다. 하지만 일정한 허용오차(0.5mm)이내에서 일반적인 자동화기기가 필요로 하는 빠른 운동 및 이송 부분에 있어 속도와 가격면에서 뛰어날 뿐만 아니라 실린더의 로드를 중간에서 강제적으로 정지시켜 주는 브레이크 유니트(Brake Unit) 등의 기술발전에 힘입어 그 활용도를 더욱 넓혀가고 있다.
Q. 공압, 유압, 전기 서보 시스템 각각의 장단점을 비교하면?
A. 공기압, 유압, 전기를 이용한 액추에이터 시스템 각각의 장단점과 특성 비교는 표1과 표2와 같이 설명할 수 있다.
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A. 공압 서보 시스템에서 정밀성을 확보하는 문제는 근본적으로 사용매체가 압축 공기인 까닭에 정밀한 제어에서는 그 한계가 있을 수 있다. 다만 그 정도를 높이기 위하여서는 그 구성요소들의 선정에 있어 좀더 신중한 접근이 요구된다. 우선 구동 액추에이터인 실린더의 경우 실린더가 이동을 하면서 움직일 때의 하중의 한계와 설치방법, 수직이냐 수평이냐에 따라 하중이 달라지기 때문에 역학적인 관계에 주의해야 하며, 미세하나마 피스톤의 주행시 마찰이 발생하므로 이 또한 고려되어야 한다. 그리고 포지셔너의 경우 실린더의 움직이는 변위를 리니어 인코더(Linear Encoder)를 통해 측정하여 컨트롤러로 신호를 보내게 되는데, 이 때 중요한 요소가 컨트롤러가 어느 정도의 오차범위를 가지고 초기의 값과 비교하여 정밀도를 충족시킬 수 있는가 하는 분해능(Resolution)이다.
그러나 구성요소 중 가장 중요한 부분을 차지하는 것은 역시 비례 제어 밸브인데 물론 실린더의 크기에 따라 올바른 유량 제어가 가능한 밸브의 선정이 우선되어야 하지만 눈여겨 볼 것은 밸브의 응답시간(Response Time)과 히스테리시스(Hysteresis)이다. 컨트롤러로부터 오는 입력 신호를 받아 출력되는 압축 공기의 양을 제어하는데 도달하는 시간이 밸브의 크기와 성능에 따라 그 차이가 뚜렷하기 때문에 필요로 하는 응답속도에 따라 적절한 선정이 필요하며, 또한 그 밸브가 가지는 히스테리시스는 일정한 사이클을 왕복했을 때 발생할 수 있는 오차범위를 나타내는 값이기 때문에 안정된 사용을 위해서는 충분히 고려되어야 한다.
마지막으로 추가되어 고려할 수 있는 요소로는 역시 공압 실린더는 압축성인 공기로 구동되기 때문에 아무리 정밀한 제어가 이루어지더라도 마지막에 미소하나마 밀리는 현상이 발생하므로 브레이크 유니트를 이용하여 정지와 동시에 강제적으로 실린더 로드를 잡아주는 방법이 고려될 수 있으나, 아직까지는 널리 사용되고 있지는 않다.
Q. 공압 시스템의 수명은 어떻게 결정되는가?
A. 일반적으로 공압기기는 작동 횟수에 따라서 수명이 결정된다. 장시간 작동이 이루어지면 마찰 부위의 마모에 의해서 수명이 점점 짧아지게 된다. 그러나 무엇보다도 먼저 올바른 공압기기 선정과 에어의 질(Quility)이 정상적으로 관리가 이루어졌다는 전제가 필수적이다.
그리고 공압 시스템을 구성하는 데에는 원하는 공정과 목적이 있다. 공정 공정마다 원하는 동작과 제품의 형태, 무게, 성질 등을 고려하여 공압 기기를 선정하여야 한다.
또한 에어의 질이 공압기기의 수명을 좌우하는 가장 중요한 부분일 수 있다. 공압기기의 에너지원인 공기의 질을 확보하지 못하면 공압기기에 한정된 어떤 한 공압 제품의 수명을 단축시키는 것이 아니라, 공압 시스템 전체의 수명을 단축시킬 수 있다.
Q. 공압 시스템에서 급유가 필수적인가?
A. 기존 공압 제품은 윤활작용에 필요한 급유를 필요로 하였다. 초기제품은 루브리케이터( Luburicator)에 윤활유를 보충하여 공압 라인으로 윤활유를 공급한 후 정기적으로 윤활유를 체크하여 보충해 주어야 하지만, 실질적으로 산업 현장에서 정기적인 관리는 불가능했다. 정기적인 관리를 통한 윤활유 보충이 이루어지지 않으면 초기 윤활유에 의해 공압기기 내부 구리스가 씻겨나가 마찰 증가로 인해 공압기기(밸브, 액추에이터) 수명에 악영향을 주게 된다. 이와 같은 문제로 인해서 현재는 공압기기에 급유를 하지 않아도 되는 무급유 타입이 표준으로 제공되고 있다.
Q. 공기압기기 소재 및 부품의 변화 및 발전 방향은?
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| 비례 제어 밸브의 구조 |
둘째는 크린 사양이다. 작업 공간과 제조 설비를 비롯하여 생산 제품에 대한 크린 요구는 지속적으로 증가하고 있다. 셋째는 양액용 공압기기에 대한 수요의 확산이다.
또한 기계식 및 공압식 제어에서 전기식으로 발전하고 있으며, 단독적인 공압부품에서 리니어 및 서보 모터 또는 PID 기능이 첨가된 멀티 모듈 형태의 기기로 발전되고 있다.
Q. 공압 시스템에서 필드버스가 부각되는 이유는?
A. 과거에는 대부분 제어 대상 시스템이 규모가 크지 않고 단순하여 간단한 제어 이론을 응용한 단일 제어기로 제어가 가능하였다. 그러나 근래에 와서는 발전, 정유, 화학, 비료, 제지, 자동차 등 중대형 플랜트가 건설되고, 그 안에 투입되는 계기 및 구동기기(Actuator) 등이 정밀해지고 성능이 향상되었으며 그 수가 중가하는 추세에 있다. 따라서 플랜트를 제어할 때 고려해야 하는 대상의 수가 증가하며, 처리해야 하는 정보의 양도 늘어나게 되어 과거와 같은 단일 제어기를 이용한 방식에는 한계가 나타나고 있다.
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| 공압 필드버스 시스템 구성 방안 |
중앙의 주 제어장치와 현장의 센서, 구동기기 등과의 신호전송을 종래의 병렬 전송 방식에서 직렬 전송으로의 치환을 통한 데이터 통신은 물론 현장에 설치되는 지능형 장치(Smart Device)에서 직접 프로세스 상태를 검출하여 구동기기를 동작시킬 수 있는 형태의 조직적이고 표준화된 통신 프로토콜(Protocol)이 이미 기초단계의 개발이 종료된 상태이며, 보다 광범위한 적용을 위해 지속적으로 통신기술의 표준화를 발전시키고 있는 상태이다.
필드버스 기술을 이용한 센서나 구동기기 등의 인터페이스 장치를 계측 및 제어에 적용할 경우 이에 따른 효과는 다양하다. 배선의 절감을 통한 초기 비용 감소와 유지 비용 감소, 시스템 성능 개선 비용의 감소라는 장점을 제공하며, 특히 투자 비용의 절감을 가져올 수 있다.
보쉬렉스로스는 필드버스 시스템에 사용되는 전범위의 밸브 시스템을 연결하는데 모든 산업분야와 고객의 요구에 대응할 수 있도록 다양한 가능성을 가지고 개발되고 있으며, 각각의 프로그램에 맞추어 제품도 개발되어 있다.
Q. 공압 시스템 구축시 가장 고려해야 할 사항은?
A. 먼저 공압기기의 올바른 선정이 필요하다. 구동 액추에이터인 실린더에서의 운동시 하중의 한계와 설치방법, 수직 및 수평의 역할적인 관계, 주행시 피스톤의 마찰 등 시스템을 구축하고자 하는 공정에 필요한 동작에 따른 적합한 공압기기의 선정이 요구되는 것이다. 특히 대다수의 장비 업체들이 필요한 스펙을 휠씬 넘어서는 공압기기를 선호하는 추세가 이어지고 있다. 이러한 오버 스펙은 오히려 공압시스템 장비의 코스트를 비롯하여 에너지 낭비 등을 초래할 수 있다. 때문에 장비 시스템 설계 단계로부터 공압기기 전문업체와의 긴밀한 협조가 필요하다. 또한 공압기기의 최적 활용과 시스템 안정성을 위해서는 에어 라인에서의 청정한 공기의 관리가 무엇보다도 중요하다.
<웹 사이트>
보쉬 렉스로스 코리아 http://www.boschrexroth.co.kr
