식음료 생산라인에 적용된 업체별 모션 솔루션의 특징과 장점

코로나19로 인해 식음료 생산라인에서 위생, 안전, 연결성 및 데이터 가용성에 대한 요구사항이 증가하고 있다. 아울러 모터와 드라이브 등 생산 장비가 예기치 않게 정지되는 것을 막을 수 있는 개선안이 시급한 상황이다. 이에 식음료 시장에 제시하고 있는 업체별 모션 솔루션을 소개한다.

새로운 에너지의 효율성 모색

SEW-Eurodrive의 식품 및 음료 산업 관리자인 Chris Wood는 “최근 세계적으로 산업 인프라에서 고효율 모터 및 드라이브가 중요성해지면서 SEW-Eurodrive 등은 유도 모터 대신 영구 자석 기술을 적용하고 있다. 영구 자석 모터는 표준 유도 모터보다 25~30% 더욱 효율적일 뿐만 아니라 높은 토크와 속도 범위를 가진다.”고 말했다.

파워 드라이브 시스템이 어떻게 전체적으로 작동하여 효율성을 향상시킬 수 있는지 이해하는 것이 중요한 화두로 떠오르고 있다. SEW의 Movigear 메카트로닉 드라이브 시스템은 영구 필드 동기 모터, 기어 유닛 및 통합 드라이브 전자 장치로 구성된다. 이 시스템은 모터 자체의 효율성뿐만 아니라, 전체 시스템의 에너지 최적화를 통해 효율성을 향상시키고 최대 50% 이상 에너지를 절약한다.

CO2 배출량과 에너지 비용을 줄이는 데 초점을 맞춘 Coca-Cola HBC Austria는 Movigear 시스템을 사용하여 운송 라인 중 하나(수축 포장기로부터 팔 레타이저로)를 업그레이드하여 이전 드라이브 제어 기술에 비해 75%의 에너지를 절약했다.

모든 부품은 청결하게

Nord Drivesystems 관리자인 James Chandler는 “식음료 산업에서 고효율, 소형, 위생적인 솔루션이 중요해지고 있다.”고 말했다. Nord의 새로운 IE5+동기식 모터는 이 세 가지를 모두 결합하여 위생적인 설계에 에너지 효율적인 소형 모터를 제공한다.

모터와 드라이브가 식품과 접촉할 가능성이 높은 분야의 경우, 보다 위생적인 장치를 사용해야 한다. 표준모터는 고온 및 고압세척 방법이나 자주 사용되는 부식성의 화학 물질을 견딜 수 없다. 표준 모터 및 드라이브 설계 구조는 박테리아 및 기타 오염된 식품이 쌓이며, 팬은 이러한 오염 물질을 더욱 멀리 퍼뜨릴 수 있다.

ABB가 NEMA 모터는 모터 바닥을 독립적으로 운영할 수 있게 함으로서 보다 효과적으로 청소할 수 있도록 구현했다. ABB NEMA 모터 사업부의 Matt Rodebush는 이러한 변경이 고객이 생산라인을 효율적으로 청소하는 데 큰 도움이 되었다고 소개했다.  Rodebush는 “식품 등급 모터가 고장을 일으키는 가장 큰 원인 중 하나는 응축이나 물이 들어가는 것이다. 우리는 권선을 완전히 캡슐화했고 와인딩을 특수용액에 담궈서 물이나 오염 물질로부터 밀봉했다.”고 말했다.

Neugart는 위생적 감속기를 하나의 트랜드로 보고 있다. 영업 관리자 Daniel Weis는 “식품 안전은 고객 또는 파트너로부터 요청 받는 가장 중요한 요구 사항이다. 고객의 과제는 위생적인 구성품을 찾는 것이다. 많은 스테인리스 스틸 제품이 있지만 식품 등급에 맞지 않는다.”고 말했다.

식품 등급의 스테인리스 스틸로 제작된 Neugart의 HLAE 감속기는 식품, 제약 및 화장품 산업에서 위생적으로 사용하도록 설계됐다. IP69K 등급으로 증기 압력 세척 및 산업용 화학 세정제에 적합하다. 모서리도 없고 어떤 평평한 공간도 없다. 그리고 하우징은 전해 연마되어 표면에 달라붙지 않아 어떤 박테리아도 접근할 수 없다. 미생물이 붙어 있을 수 있는 홈이나 가공 홈도 없다.

35년 이상 드럼 모터를 제작해온 VDG CEO인 Alex Kanaris는 “일반적 설계에는 스프로킷이 장착된 사각형 샤프트가 있고 모터 벨트가 스프로킷 상단에서 작동한다. 스프로킷 사이에 단백질 파편이 있으면 완전히 살균하는 것이 거의 불가능하다.”고 설명했다.

VDG는 스프로킷이 필요없는 연속 프로파일을 가진 드럼 모터를 설계했다. Kanaris는 “훨씬 쉽게 청소할 수 있고 이물질이 모터에 남아 있지 않다. 기존 모터에 비해 세척하는 데 1/3의 시간이 걸린다. 또한 팬을 사용하여 기존의 전기 모터처럼 냉각시키지 않는다. 특히 세균 확산에 대한 코로나19등의 우려를 고려할 때 위생은 중요한 지점이다. 드럼 모터를 사용하면 이 문제가 발생하지 않는다.”고 말했다.

안전을 유지

식음료 생산 공장에서도 안전성이 지속적으로 향상되고 있다. Rodebush는 "식품을 볼 때 가장 큰 주제 중 하나는 식품 안전 뿐만 아니라 모터 및 드라이브와 가까이 있는 사람들의 안전"이라고 말했다.   ABB의 블루투스 지원 드라이브는 유지 보수 작업자가 패널을 열지 않고도 시스템 문제를 해결할 수 있다. ABB 식음료 부문 관리자 Jim Neawedde는 “휴대폰이나 노트북에서 매개 변수를 볼 수 있으며, 아크 플래시 영역(위험지역)에서 벗어날 수 있다."고 설명했다.

이는 높은 위치 또는 접근하기 어려운 곳에 모터나 드라이브가 있어도 작업자를 위험한 지역으로부터 보호할 수 있으며, 휴대폰 화면을 보고 제품에 손을 대지 않고도 장비의 상태를 확인할 수 있다.

Siemens의 수석 제품 관리자 Craig Nelson은 “Siemens는 식품 및 음료 산업에서 동기식 서보 모터를 훨씬 많이 사용하고 있다. 그 이유는 제한 속도 및 위치 지정을 포함해 안전한 정지와 통합 기능 때문이다.” 라고 말했다.

슈퍼 서보

Nelson은 “서보는 성능 측면에서도 중요하다. 매우 빠른 속도의 고성능 기계를 찾고 있다면 10명 중 9명은 영구 자석 동기식 모터를 사용하게 될 것”이라고 말했다. Siemens의 Simotics 모터 마케팅 관리자인 Randy Summervill은 영구 자석이 매우 역동적이고 정확한 움직임을 제공할 수 있다고 강조했다. 이는 안전을 보장할 뿐만 아니라 용기에 변조 방지 밀봉을 적용하는 것과 같이 정밀도를 요구하는 애플리케이션도 가능하기 때문이다.

Yaskawa 패키징 관리자인 Paul Kling은 “서보 제어는 확실히 계속 성장하고 있다. 식품 가공은 가변 주파수 드라이브(VFD) 기술을 사용했지만, 더욱 정확하고 많은 데이터를 포함하는 서보 제어로 전환되고 있다. 모든 제조 공장은 데이터를 원한다. 서보 제어에 사용하면 모터와 드라이브의 훨씬 많은 데이터를 액세스 할 수 있다.”고 강조했다.

Yaskawa의 서보 설계는 경쟁 제품보다 권선에 거의 두 배의 구리를 사용한다. 이는 더욱 많은 토크를 의미한다. 동일한 패키지 크기에서 20% 많은 토크가 생기므로, 결과적으로 더욱 빠른 처리량과 시간당 더욱 많은 제품, 그리고 높은 정확도를 얻을 수 있다.

Kling은 “냉동 라자냐(lasagna) 포장을 팔레타이징 하는 고객들이 혜택을 볼 수 있었다. 우리의 가장 작은 크기의 모터를 사용하여 원하는 성능을 얻을 수 있었다. 성능을 최대화하기 위해 갠트리의 전체 질량을 줄였고 모터의 추가된 토크 밀도로 인해 처리량 성능을 극대화했다”고 설명했다.

서보는 공압을 대체한다

Festo는 패키징 공간에서 서보 모션 제어로 전통적인 공압 애플리케이션을 추진하고 있다. Festo 전기 자동화 관리 이사인 Tim Sharkey는 “과거에는 기계에 서보 드라이브를 도입하기 위해 높은 수준의 PLC, 많은 배선, 프로그래밍, 시운전 등으로 복잡했고 비용이 컸다. Festo의 솔루션은 기계에 쉽게 통합하면서 원하는 제어 효과를 얻을 수 있다."고 소개했다.

아울러 “서보 기술은 향상된 성능을 제공하면서 공압 기능을 모방할 수 있게 됐다. Festo의 서보 드라이브와 모션 제어 솔루션을 적용하면 훨씬 큰 반복성, 개선된 소음 및 높은 유연성을 얻을 수 있다.”고 덧붙였다. Festo의 Simplified Motion 시리즈는 이동 및 위치 지정 작업을 위한 전기적 대안을 제공하는 통합 드라이브로, 공압 시장의 빈 곳을 채워주고 있다.

많은 지능과 데이터 통합

Parrott 관계자는 “코로나 인한 제조업계의 중요한 이슈 중 하나는 디지털화 프로세스의 중요성이다”며 유지 관리 알림 및 예측 기능을 강조했다. Parrott는 모터 및 드라이브 시스템을 평가하는 데 도움이 되는 디지털 트윈을 도입했다. 예를 들어, 시뮬레이션을 실행하여 모터 크기를 확인하거나 기계 설계를 실제로 전기적 또는 기계적으로 변경해야 하는지 여부를 확인하는 것이다.

한 예로 모터 및 드라이브 구성을 변경할 시, 제조업체가 기계 구성을 평가하기 위해 디지털 트윈을 사용한다. Parrott는 제품이 나올 때마다 공장 생산 라인에서 시뮬레이션을 실행하고 있다.  Parrott의 디지털 트윈은 처리량과 성능을 높이는 방법을 평가해 매개 변수를 최대화할 수 있는 최적의 상태를 제공한다. 전체 장비 효율성(OEE)의 대시 보드를 뛰어 넘는 결과로 언제 모터가 고장 났는지 알고 싶거나 '골든 런'을 조정해야 할 때 유용하다.

스마트 센서는 예측 유지 보수에 필요한 데이터를 제공하는 데 중요한 역할을 한다. 문제가 발생할 때 보다 훨씬 앞서 진동과 문제를 포착할 수 있다. Nord의 상태 모니터링 솔루션은 예측 유지 보수를 위한 중요한 정보를 제공한다. Nord의 관계자 Chandler는 “이전에는 예방 유지 보수를 통해 사용자가 돌아다니면서 감속기의 오일 수준을 확인하거나 베어링 소음을 확인했다. 이러한 정보는 검색을 자동화하고 전자적으로 예측 피드백을 제공해야 한다."고 말했다. 드라이브 데이터는 장비의 안전과 효율성을 최적화하기 위해 주기적으로 지속적으로 기록된다.

식음료 제조업체는 기계가동 시간이 매우 중요하다. Yaskawa 저전압 드라이브 관리자 Edward Tom은 “기계의 모든 구성 요소에 오류가 발생하면 비용이 많이 드는 다운 타임이 발생하여 회사는 시간당 수천 달러를 지불해야한다. 신뢰할 수 있는 드라이브를 갖는 것뿐만 아니라 정보에 입각한 결정을 내리는 데 도움이 될 수 있는 데이터를 제공하는 드라이브를 갖는 것이 중요하다.”고 강조했다.

단일 소스에 대한 논쟁

다양한 공급업체의 구성요소와 시스템을 선택할 수 있지만, 최적화된 모션 시스템을 만들기 위해서는 때론 단일 시스템의 모터와 드라이브를 선택하는 것이 효과적일 수 있다. Neawedde의 파워 트레인 솔루션은 식음료 시장에 최적화한 특정 애플리케이션에 특화된 모터와 드라이브 조합을 제공한다.

TruTech Specialty Motors는 모터를 드라이브 및 제어 장치와 결합하는 시스템을 사용자 맞춤형으로 제공한다. 감속기를 불필요하게 하는 높은 토크 및 저속 장치를 관찰하고 전체적인 안정성을 높이기 위해 시스템의 일부를 제거하는 방식이다.

Yaskawa의 Singular Control은 서보, VFD 및 로봇 메커니즘 제어를 통합하는 솔루션을 개발했다. 식음료 산업이 점점 많은 로봇을 사용하기 때문이다. Singular Control은 단일 컨트롤러 및 프로그래밍 환경으로, 수십 개의 자동화된 모션 축과 함께 여러 로봇을 구동할 수 있다.