모션 컨트롤의 최신 기술 동향

제조 산업에서 스마트 공장은 데이터와 생산(제조)을 원활하게 조화하고 통합하는 것을 의미한다. 오늘날 스마트 공장의 기술과 개념 등을 제조 산업에 완벽히 적용은 못 했지만, 관련 기반구축은 형성됐다고 볼 수 있다. 제조 산업의 스마트화에 직면하는 모든 도전과제에 대한 해답은 제품과 서비스의 완벽한 최적화와 디지털화에 있을 것이다. 액추에이터, 서보 드라이브, 엔코더(센서), 그리고 모터와 소프트웨어는 다양한 산업 애플리케이션을 위한 해결책을 제공한다. 이러한 구성 요소는 스마트 공장을 운영하는 데 필요한 기술을 주도하는 중심 역할을 한다. 제조 산업에 스마트 공장을 정착하기 위한 모션 컨트롤의 최신 동향은 다음과 같다.

유연하고 표준화된 모듈화

스마트 공장에서 서보 드라이브는 단순히 모터와 같은 하위 시스템에 연결하는 것이 아니라, 스마트 공장에 적용할 수 있는 유연한 모듈형 기계를 지원하는 소프트웨어를 제공하는 것이 바람직하다. 즉, 드라이브의 기능을 표준화된 모듈로써 이용하거나 지원 템플릿(application template)을 통해 사전 검증된 소프트웨어 모듈을 기계에 적용하고 관련 설정을 조정하는 것이다. 공급, 이송, 픽업, 배치 로봇 등 다양한 모듈이 적용되는 스마트 공장에서는 작업자에게 익숙한 방식으로 구성 요소가 작동해야 한다.

각 기능은 개별 모듈로 묶이고, 개개의 모듈은 자율적으로 활용되며 쉽게 교환되고 완전히 독립적으로 실험될 수 있어야 한다. 소프트웨어는 쉽게 활용할 수 있는 기본 아키텍처를 구비하고 포지셔닝, 캠 프로파일링, 멀티 컨베이어 조정과 기타 동기식 모션 제어 작업을 위한 표준 소프트웨어 모듈을 제공해야 한다. 이는 스마트 공장 전문가가 시스템의 특수성능개발에 더 많은 시간을 할애할 수 있게 하며, 엔지니어링 비용을 절감하는 동시에 기계설계 공정을 가속화할 수 있는 기회를 제공할 수 있다.

서보 모듈의 단순화

서보 모터를 위한 드라이브용 전력전자소자와 기계 부품 등에 대한 비용 감소, 공장 자동화 필요성 증가, 데이터 활용을 통한 자동화 시스템의 예지를 위해, 스마트 공장에서 서보 시스템을 활용하는 일이 늘고 있다. 비용 때문에 공압 시스템을 적용했던 분야에도 서보 시스템을 적용하는 일이 많아지고 있다. 서보 시스템은 개발자에게 연속으로 작동하는 자동화 기계와, 기계의 메커니즘에서 물품이 어디에 있는지 확실히 알 수 있도록 돕는다. 이젠 중앙 집중식 컨트롤러가 필요 없는 모션 시스템을 만들 수 있다. 또한 스마트 공장에서 기계의 모듈화를 손쉽게 할 수 있고, 소규모 분산제어 전기장치를 활용해 봇 셀과 컨베이어 등을 위한 서보 시스템을 통합할 수 있다.

설치 용이성

최근엔 노이즈에 민감한 엔코더 신호를 위한 전선이 직렬통신을 통해 전송할 수 있도록 적절하게 차폐됐다. 모터 전원 리드 및 브레이크 리드와 동일한 하이브리드 케이블에서 동시에 사용할 수 있다. 설치 면에서 서보 모터와 서보 시스템상의 드라이브 사이에 단 하나의 케이블만 사용하는 것이 가능해졌고, 이로써 설치 시간과 케이블 트레이를 줄이고 결과적으로 스마트 공장의 생산성과 효율성을 높였다. 이밖에도 전원 배선을 서보 드라이브의 다른 부분을 활용해서 배치할 수 있는 제품들도 선보이고 있다.

원격 진단

원격 진단은 스마트 공장에서 중요하며 대부분의 자동화 시스템 제조 기업에서 기계 유지관리를 위한 방법으로 활용된다. 예를 들어, 자동차의 타이어 압력, 연료, 오일탱크 등에서 진단 정보를 운전자가 인식할 수 있도록 제공하고, 어디에서 정비업체와 주유소 등을 찾을 수 있는지 알려주는 것을 생각할 수 있다. 다시 말해 스마트 공장의 플랜트 기계에 문제가 발생하면 일련의 조치를 취할 수 있도록 진단 정보를 제공한다. 이를 통해 플랜트 환경과 전원입력 조건 그리고 기타 외부변수를 기초로 전체 오작동을 줄일 수 있다.

단순한 원격 유지보수를 넘어서기 위해 IIoT 기술을 더 많이 활용하는 추세다. 상호 운용성이 필수이고 그에 따른 이점이 급격하게 증가하고 있다.

엔지니어 활용의 극대화

미국이나 유럽과 같은 선진국은 템플릿 제거에 초점을 맞췄다. 수년 동안 자동화 산업은 훈련과 적응을 더 간단하게 하는 것을 목표로 했고, 기계 프로그래밍의 복잡성을 숨기는 템플릿에 중점을 뒀다. 이 전략은 템플릿을 개발하는 팀의 모든 엔지니어가 이해할 수 있는 템플릿을 만들 수 있을 때만 가능하며, 로봇처럼 반복되는 시스템을 위한 틈새시장에서 잘 작동한다. 그러나 일반 자동화는 훨씬 복잡해졌다. 컨베이어 셀에서 로봇 컨트롤러를 단순하게 사용할 수는 없다. 다만, 훈련을 통해 엔지니어는 초기학습 능력을 뛰어넘어 IEC 1131 프로그래밍 환경을 그대로 구현하고 활용할 수 있다는 사실을 바탕으로 교육과 도구를 개발할 필요가 있다.

클라우드 활용

보통 추가 비용이 거의 없거나 전혀 발생하지 않으므로, 서보 시스템과 이더넷 기반 통신 제어 그리고 클라우드 기반 분석에 대한 연결성이 바로 보장되는 것이 모션 시스템의 경향이다. 일반적으로 모션 시스템에서 내장형 산업용 이더넷 인터페이스는 거의 모든 서보 드라이브에 적용되며, Profinet 또는 EtherNet/IP와 같은 여러 산업용 이더넷 프로토콜에 대한 연결도 제공한다.

소프트웨어 해결책의 통일화

모터 모듈의 펌웨어에서 운영 컴퓨터에 이르기까지 모션 시스템의 모든 요소에 소프트웨어가 있다. 때문에 대부분의 엔지니어에게 소프트웨어 통일화에 대한 문제는 간단하지 않다. 거의 모든 자동화(모션) 시스템 제조 기업은 IEC61131을 기초로 단일 소프트웨어 해결책 구현, IEC 레벨의 단일 모션 제어 블록, 그리고 드라이브의 펌웨어의 조화를 효과적으로 구성하고 있다. 이로써 몇 가지 기능 블록과 통합도구를 활용해 스마트 공장에서 활용할 수 있는 기계 모듈을 신속히 구현할 수 있다. 기존의 프로그래밍 소프트웨어 도구에 모든 안전 기능을 통합하는 것이 주요 경향이며, 모든 프로그래밍 요구(모션, 로직, 안전 기능)에 대해 하나의 프로그래밍 도구인 PLC를 제공하는 기업이 증가하고 있다. 이를 바탕으로 자동화 시스템 개발자는 용이하게 시스템 관련 응용 프로그램뿐만 아니라 안전 부품에 대해서도 표준화된 프로그래밍을 활용할 수 있다.

협동에 대한 안전 강화

기계 안전은 스마트 공장의 제조 공정에서 중요한 요소이다. 각 자동화 시스템의 위험 분석을 완료하지 않으면 시스템을 최종으로 활용하기 어렵다. 이는 자동화 시스템 제조 기업에게 자동화 시스템의 가장 좋은 상태에서 위험상태를 제거할 수 있는 안전 관련 사항을 요구한다는 뜻이다. 스마트 공장에서 사람은 기계나 로봇과 더 많이 상호작용을 해야 한다. 그러므로 기계 안전은 훨씬 더 우선순위가 됐다. 그리고 서보와 제어 시스템의 안전 기능은 공장 현장에서 급격한 변화를 겪고 있다. 로봇, 자동화 시스템, 자율주행차량(AGV)이 표준이 되면서 기술이 빠르게 변화하고 있다.

이를 고려해 서보 인버터/모터, 제어와 엔지니어링 툴 등 자동화 시스템에 대한 포트폴리오의 여러 부분에서 안전 기능을 통합하려는 경향이 있고, 이런 추세가 꾸준히 진화하고 있으므로 컨트롤러나 드라이브 기반의 안전 해결책을 제공하는 기업이 증가하고 있다. 또한, 전기 제어장치 중 안전 릴레이 등은 안전한 통합 드라이브의 적응과 함께 산업용 이더넷을 활용한 안전 프로토콜을 통해 대체되고 있으며, 모션 제어를 위한 새로운 안전 기능이 나타나고 있다.

IoT 적용과 유연성

자동화나 모션 제어와 관련된 산업은 IoT 따위에 활용되는 스마트 공장의 소비자시장에 비해 크게 뒤떨어졌다. 따라서 가까운 장래에 자동화 산업에 IoT 등에 활용되는 기술들이 모션 관련 포트폴리오에 꾸준히 유입될 것으로 기대된다. 모바일 장치와 자동차에서 발견되는 개념(Wi-Fi, 다중 카메라 등)은 점점 저렴해지고 자동화 엔지니어가 사용하기 시작할 정도로 충분히 개발될 것이다. 인터넷을 활용한 소비자의 개별 주문형 제품이 증가하며, 이를 생산하기 위해 생산 시스템에 대한 유연성의 필요가 늘고 있다. 그리고 값싸고 높은 CPU 성능과 작고 저렴한 메모리와 같은 디지털 제어 기술의 발전은, 유연하고 자율적이며 효율이 높은 생산 시스템을 기술면에서 가능하게 하고 있다.

디지털화와 시뮬레이션 활용

이다음 5년 동안 모션 시스템의 경향은 디지털화가 될 것이다. 새로운 기술과 개발에 대한 완성도를 향상하고, 개발 시간과 비용을 줄이기 위한 많은 활동이 디지털 공정의 활용을 통해 진행될 것이다. IoT와 Industry 4.0의 끊임없는 개발 덕분에 기계가 더 많이 연결되고, 자동화 시스템의 개발자는 개발하는 제조 기계 시스템에 쉽게 적용할 수 있으므로 각 단일 기계의 최적화는 필수가 될 것이다. 또, 앞으로는 디지털 트윈(digital twin)을 통해 개발 시간과 관련 비용을 줄이고 가상현실환경을 바탕으로 새로운 기계를 개발하며 완성도를 향상할 수 있을 것이다. 앞서 설명한 경향과 모션 컨트롤에 대한 새로운 개념은, 스마트 공장과 자동화 시스템을 활용하고자 하는 고객과 소통하는 것에서 시작되고 발전된다.

특히 최신 제품과 기술을 사용하는 방법과 그 효과는 향후 개발을 위한 행동을 결정한다. 컨트롤러와 서보 드라이브, 서보 모터, 선형 액추에이터 그리고 소프트웨어를 포함한 모션 제어 시스템은 소비자, 자동화 시스템 개발자, 엔지니어와 제품 전문가 사이의 상호소통을 통해 더 빠르고 효율적으로 계속 발전할 것이다.