유연성과 사용자 편의성을 자랑하는 다축 모션 컨트롤러, MMC(Multi-Axis Motion Controller)
각종 제조장비 라인에서 고속 고정도 시스템에 대한 새로운 요구와 기능 업그레이드가 적극 추진되고 있다.
새로운 제조 라인의 구축 및 기존 설비에 대한 기능 강화를 위한 시스템 유연성과 사용자 편의성을 강조하는 PC 기반의 범용 모션 컨트롤러인 MMC(Multi-Axis Motion Controller)에 대한 요구가 한층 활발해 지고 있는 것이다.
글 / 오승모 기자 (smoh@doobee.com)
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하나의 제품에 대한 소비자들의 만족도와 요구는 매우 다양해지고 있다. 자신들이 선호하는 제품을 단순히 구매하여 사용하는데 그치지 않고, 자신에게 필요한 기능과 디자인을 직접 제조자에게 요구하는 수준까지 도달했다.
제품에 대한 요구 정도도 크게 달라졌다. 10년전에는 자동차의 색상을 검정과 백색, 회색 일변도에서 자주색과 보라색에 이르기까지 다양화시키는 것이었다면, 최근에는 단순한 색상에 대한 요구를 넘어서서 A/V 시스템, GPS, 타이어 휠 등에 이르기까지 소비자 개개인의 취향에 따라 필요한 여러 기능들에 대한 선택권을 요구한다.
핸드폰에 있어서도 일반 통화를 위한 단순 기능에서 이제는 인터넷, 문자 메시지, GPS, MP3, 온라인 뱅킹, 노래방 기능 등에 이르는 다양한 기능성 제품을 소비자들이 요구하고, 제조자는 이들의 요구대로 제품을 제조하여 공급하고 있다. 이러한 방식은 현재 전 산업 분야에 적극 도입되는 중이다.
소비자의 요구에 충실한 제품만이 시장에서 살아남을 수 있는 유일한 길이며, 소비자의 요구를 수용하고자 하는 노력이 바로 새로운 기술 발전을 위한 원동력이기 때문이다.
생산성 향상을 위한 돌파구
각양 각색인 소비자들의 요구를 최대한 충족시켜주면서, 제조 라인에서의 추가적인 설비 투자 부담을 줄일 수 있는 프로젝트가 마련된다면 제조업자는 즉시 사업 시행에 들어갈 것이다. 어떻게 하면 경쟁사보다 먼저 소비자를 중심에 둔 고객 지향적인 제품을 출시하면서도 제조 단가를 줄일 수 있을 것인가에 모든 노력을 쏟고 있기 때문이다.
기존에는 원가 절감을 위해서 공장 자동화 시스템에 대한 대규모 설비 투자로 인원을 절감시키고, 원자재 및 부품 구매에서의 합리화 정책으로 생산성 향상을 모색해 왔다. 그러나 이러한 인원절감과 합리화 방안만으로 경쟁사보다 생산성을 향상시켰다고 자부할 수 만은 없다.
이제는 가까운 곳에서 생산성 향상과 경쟁력 확보 방안을 찾아야 할 때이다. 바로 생산 현장에 가동되고 있는 제조 라인을 합리화시키고, 고속 고정도를 확보한 시스템으로 업그레이드하는 것이다. 새로운 공장 자동화 시스템에 대한 대규모 설비 투자가 아니라 기존의 생산 설비를 기반으로 하되, 모션 컨트롤러를 통해 새롭게 요청되는 신상품의 제조에서 필요한 고속 고정도 기능을 확보하는 것이다.
고속 고정밀 모션 축을 장착하게 된 자동화 시스템은 저비용으로 시스템 구성이 가능할 뿐만 아니라 유지보수는 물론 시스템 변경 및 전체 시스템의 통합화에도 유연하게 대응할 수 있기에 생산 설비에서의 생산성 향상을 위한 최고의 솔루션으로 부각되고 있다.
진보된 IT 기술의 접목
각종 제조장비 사용자들의 다양한 요구를 충족시키기 위해 MMC(Multi-Axis Motion Controller) 공급업자들은 보다 향상된 기능과 성능을 가진 제품 개발에 많은 노력을 기울이고 있으며, 그 결과 기존의 개념을 초월하는 다양한 기능을 탑재한 범용의 고성능 제품들이 일반화되고 있다.
반도체 기술의 발전은 고성능 DSP(Digital Signal Processor), FPGA(Field Programmable Gate Array)와 고속, 대용량 메모리의 가격을 하락시켜 값비싼 고급의 전용 컨트롤러에서만 가능했던 다양한 기능들이 범용의 MMC에서도 구현할 수 있게 됐다.
진정한 의미의 범용 MMC는 일반적으로 대다수 애플리케이션이 필요로 하는 모든 기능을 완벽히 수행할 수 있는 고급 멀티태스킹 구조를 가진다. I/O 컨트롤, 다양한 유저 인터페이스, 하위의 수많은 모터를 통합하고 컨트롤하기 위한 네트워크 통신, 서보 루프 업데이트, 모션 계획 등을 포함한 모든 모션 컨트롤에 필요한 기술을 일반적인 프로그래밍 기법을 이용하여 구현 가능하도록 하나의 하드웨어 플랫폼에 집약한 것을 범용 MMC의 범주로 본다.
논리 연산, 조건문 및 서브루틴의 처리뿐만 아니라 인터럽트 기능을 가지고 앞서 언급한 모든 기계 컨트롤 루틴들을 완벽하게 독립적으로 수행하고, 여러 호스트 시스템과도 독립적으로 통신할 수 있기 때문에 MMC는 ‘모션 컴퓨터’라고도 불린다.
실시간 네트워크의 채용
지난 90년대부터 대부분의 범용 MMC들은 다양한 버스 구조상에서 동작할 수 있도록 ISA와 VME 및 STD 버스를 사용해 왔으며, 최근 들어서는 PCI 및 CompactPCI 버스뿐만 아니라 다양한 필드버스(Fieldbus) 인터페이스 프로토콜을 지원하는 추세이다. 이러한 다양한 버스 통신의 중요한 장점은 서로 다른 디바이스간의 어드레싱 방식이 용이하다는 데 있다. Wirelink와 같은 다른 시리얼 버스처럼 전용의 통신 프로세서 소프트웨어를 개발하지 않고도 기존의 시스템에서 약간의 로직 회로만 부가하면 해결되기 때문이다.
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배선의 절감과 신뢰성 향상을 위해 다양한 필드버스들도 MMC에서 적극 채용되고 있다. 전형적인 필드버스들은 시리얼 통신방법을 사용하거나 한 개의 라인에 많은 디바이스들을 연결하기 위해 데이지 체인 방식을 이용하며, 각 장치들은 어드레싱, 프로토콜 및 조정 동작을 위한 논리 장치와 연산 장치를 포함한다.
모션 컨트롤러들은 보통 최대 4∼8개의 축을 컨트롤할 수 있지만, 일부 선두 업체들은 한 개의 단일 CPU 보드로 16∼32축의 동기 모션이 가능한 제품들을 출시중이다. 100∼300Mhz 이상을 지원하는 DSP의 출현으로 이러한 다축 컨트롤과 복잡한 모션 프로파일에 대한 빠른 실행이 가능, 지속적으로 복잡해 지는 컨트롤 시스템의 개발에 큰 기여를 하고 있다.
일반적으로 모션 프로그램 관점에서 본다면 이들 컨트롤러들은 궤적 프로그래밍을 편리하게 하기 위해 빌트인 된 몇 개의 보간 기능들을 가진다. 직선 보간, 원호 보간뿐만 아니라 일부 고기능 컨트롤러들은 스플라인(Spline) 이송 이외에도 항공기 엔진 터빈날개와 같은 복잡한 임의 궤적 프로그래밍도 가능한 PVT 이송 모드를 지원한다.
특히 고속 광통신의 발달로 125Mbps 이상의 성능을 가지며 최대 256개의 노드를 가지는 서보 컨트롤 프로토콜은 대형 자동화 라인과 노이즈가 심한 현장 적용에 이상적인 솔루션으로 각광받고 있다. 미국과 유럽을 중심으로 개발되고 있는 이러한 광 프로토콜을 내장한 서보 앰프는 일반 전선의 사용을 공장 환경에서 완전히 제거할 수 있는 기술로 여러 업체에서 개발을 서두르는 중이다.
신뢰성과 개발 용이성 확보
소비시장에서 증가하고 있는 제품의 다양화 및 짧은 라이프 사이클에 대한 요구는 컨트롤러 업체로 하여금 보다 편리하고 구축이 용이한 시스템의 개발을 요구한다. 이러한 요구에 따른 대표적인 움직임은 컨트롤러 공급자들이 원가적인 측면과 개방화 요구에 대응하기 위해 IT 플랫폼을 채택하는 전략을 추구하게 되었으며, 치열해지는 경쟁과 원가에 대한 압력으로 컨트롤러 시장은 점점 개방화되고 세계화를 추구하게 되었다. 현재 범용 MMC 시장은 세계적으로 40억달러를 초과하였으며, 향후 6%대의 지속적인 고성장이 전망된다.
비교적 규모가 큰 장비 제조업체들은 MMC 공급자들에게 신뢰성 높은 제품의 공급을 요구한다. 공급가격 측면에서 이들 장비업체들은 고객들이 장비의 제조가격보다는 제품의 신뢰성을 보다 우선시하고 있기 때문에 가격 경쟁은 부차적인 문제이다.
개발의 용이성은 컨트롤러 선정에 있어서 신뢰성 다음으로 중요한 요소가 될 것이다. 일반적으로 장비업체들은 제한된 엔지니어링 자원을 최대한 활용해야 하기 때문에 증가하는 시스템 복잡성에 대응하기 위해 보다 편리하고 표준화된 프로그래밍 기능을 필요로 한다.
이러한 요구는 자동화 분야에서 PC 기반 시스템의 도입을 더욱 활성화시키고 있으며, 복잡한 주변 배선 및 타 기능의 자동화 디바이스들과 효율적인 통신을 위한 다양하고 표준화된 네트워크의 채택을 적극 추진하고 있다. 이미 대부분의 유명한 컨트롤러 메이커들은 이들 네트워크와의 통신 기능이 구현된 제품을 출시중이다. 특히 서보 드라이브를 인터페이스 하는 기술에 실시간 네트워크의 사용이 일반화 될 전망이다.
SERCOS(SErial Real Time COmmunication System)는 오래 전부터 가장 폭 넓은 사용자층을 확보하고 있는 모션 컨트롤러와 서보 드라이브를 위한 네트워크이지만 속도 등의 문제로 인해 고성능 시스템에서는 사용상 제약이 많았다. 그러나 2003년부터는 SERCOS가 이더넷을 기본 플랫폼으로 채택하여 완전 개방형의 실시간 모션 네트워크가 가능해 졌으며, 현장 적용을 위한 연구가 활발하게 추진중이다.
또한 기존에는 2Mbps의 속도에 그쳤으나 지금은 8~16Mbps까지 발전하였으며, 광케이블을 통한 링 프로토콜을 통해서 획기적인 배선 절감이 가능해 졌다. 이에 2005년에는 국내외의 다양한 산업 분야에서 SERCOS를 기반으로 하는 완전 개방형의 실시간 모션 네트워크 구축이 가시화될 전망이다.
국내 시장 현황
국내외에서 가장 많은 현장 적용 축을 가지고 있는 MMC 제품은 MEI의 싱크넷(SynqNet) 컨트롤러와 델타타우시스템의 PMAC을 들 수 있다.
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특히 범용성과 개방성에 중점을 두고 개발되었기 때문에 복잡한 장비를 구축하기에 앞서 엔지니어들은 자신들의 환경에 정확하게 부합할 수 있도록 다양한 요구에 맞는 서보 모터 등의 시스템 구성품을 선택할 수 있다는 장점이 있다.
전 세계적으로 100만축 이상의 구축 실적을 자랑하는 PMAC은 펌웨어의 차이에 따라 일반 PMAC과 터보 PMAC으로 구분된다. 터보 PMAC은 1999년부터 국내에 도입되기 시작했으며, 다양한 애플리케이션에 적합한 여러 가지 고급 기능을 지원한다. 특히 UMAC, QMAC 등과 같은 터보 펌웨어를 보유한 여러 형식의 제품 구성으로 국내에서 많은 사용자층을 확보하고 있다.
또한 모든 PMAC 제품들이 독립적인 단위기기로도 동작이 가능하기 때문에 사용자 인터페이스가 요구되지 않는 애플리케이션에서는 별도의 PC를 사용할 필요가 없다. 프로그램은 간단한 베이직 타입의 스크립트 언어를 사용하여 모션 시스템 개발 엔지니어를 위한 특별한 전문 교육 없이도 효율적인 I/O 컨트롤이 가능하다.
요즈음 국내에서 활발한 활동을 보이고 있는 모션 네트워크 프로토콜로 야스카와전기의 메카트로링크II를 꼽을 수 있다. 메카트로링크는 산업용 로봇이나 기계 도구와 같은 다양하고 정확성을 요구하는 고속의 모션 컨트롤에 사용되며, 특히 동기식 모션 컨트롤에 적합하다. LG산전이 최근 개발한 모션 컨트롤러는 메카트로링크를 기반으로 하며, 야스카와전기와의 적극적인 협력체제 구축을 통해서 LG의 PLC와 야스카와의 서보 시스템을 통합하는 방식으로 마케팅을 펼칠 전망이다.
본격적인 시장 형성
국내 PC 기반 MMC는 삼성전자 생산기술센터로부터 시작되었다고 볼 수 있다. 삼성 MMC는 국내 최초의 자체 개발 모션 컨트롤러로서 국내 시장에서 상당한 지명도를 확보하고는 있으나, 가시적인 매출로까지 이어지는 데는 한계가 많았다. 그러나 로크웰삼성오토메이션(RSA)으로의 합병 이후 모션 시스템에 대한 시장 성장과 맞물리면서 활발한 마케팅에 들어가 가시적인 성과를 보이고 있어 주목된다. 최근에는 개방형 네트워크인 SERCOS를 채용한 SERCOS MMC 개발을 완료하고, 시장 출시 시점을 조율하는 중이다.
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최근 들어서는 아진엑스텍, 커미조아 등이 자체 모션 칩을 통한 MMC 개발로 해외 메이커와의 본격적인 경쟁에 돌입했으며, e-모션텍, 파스텍, 어드밴텍테크놀로지스, 오토닉스, 아경, NS시스템 등이 다양한 PC 기반의 MMC 개발에 나섰다.
또한 다스씨스템, MMT, 콘트론, 내쇼날인스트루먼트, 대곤코퍼레이숀, 삼정오토메이션 등이 해외 MMC를 통해 안정된 모션 컨트롤 시스템 구축에 적극 나서고 있다.■
<웹사이트>
순환엔지니어링 www.soonhan.co.kr
로크웰삼성오토메이션 www.samsungautomation.co.kr
델타타우코리아 www.deltatau.co.kr
파스텍 www.fastech.co.kr
아진엑스텍 www.ajinextek.com
오토닉스 www.autonics.com
한국야스카와전기 www.yaskawa.co.kr
어드밴텍테크놀로지스www.advantech.co.kr
LG산전 www.lgis.co.kr
