컨베이어 시스템을 효율적으로 설계하는 방법

AMK

고도로 자동화된 생산 시스템에서 컨베이어 시스템의 구조 그리고 흐름과 모션 제어를 엔지니어링하는 것은 어렵고 시간이 오래 걸린다. 복잡한 물리적 수송 요구 사항(수평과 대각과 수직)은 설계할 때 논의해야 한다. 자동화 버스와 센서 I/O 포인트, 그리고 전원 공급 장치를 식별하고 통합해야 한다.

궁극적으로, 제품이 있는 곳과 장애가 있는 곳 그리고 경로 변경이 필요한 곳을 미리 예측하는 시스템(또한 서브 시스템)의 효율을 파악해야 할 필요가 있다.

그것은 종종 모형 철도 열차 세트 전체를 설계하고 설치하는 것과 비교된다. 열차 세트의 각 ‘스테이션’ 기능, 처리 속도, 기타 작동 특성, 컨베이어를 동기화하면 여러 모션 제어 문제가 발생한다. 두 스테이션 사이의 각 연결은 첫 번째 기계의 출력을 수신하고 다음 기계 또는 워크스테이션(Workstation)의 타이밍과 요구 사항에 맞춰 출력을 전달하기 위해 시간을 측정해야 한다.

치약 튜브 제조와 같은 기본적인 패키징(packaging) 애플리케이션을 고려해 볼 때, 컨베이어는 빈 튜브를 채우는 기계에 빈 튜브를 공급한 다음 튜브를 밀봉한다(하단은 이미 뚜껑이 끼워져 있는 상태). 채워진 튜브는 밀봉기에서 카톤너(cartoner)로 이동된다. 그런 다음 각 상자를 케이스 포장기로 운반한 다음, 각 케이스를 팔레타이저(palletizer)로 넘겨야 한다.

각 공정 단계는 개별 작업에 따라 각기 다른 속도로 실행된다. 예를 들면, 카톤너와 케이스 포장기의 특정 단계 전후에 다른 컨베이어를 통합해 제품을 축적할 수 있다. 결과적으로 각 컨베이어는 이동되는 하중의 유형과 제품이 각 스테이션 안에서 처리되는 속도를 바탕으로 제작된 맞춤형이다.

서로 다른 모터, 센서, 서보 드라이브, 모션 제어 하드웨어, 소프트웨어가 사용되는 동일한 회사의 생산 라인에서 서로 다른 컨베이어를 만들 수 있다.
 

매우 복잡하며 분명하지 않다.

컨베이어에 대한 단편화된 접근법은 단일 운송 ‘열차 세트’가 아닌 개별 자동화 시스템으로 취급하므로 기하급수적으로 복잡한 시스템을 구축하고 통합하는 데 시간과 비용이 추가되고 여러 드라이브와 제어 시스템에 대한 전문 지식이 필요하다.

또한 PLC의 서브시스템은 공장의 목표를 달성하기 위해 다른 컨베이어 셀이 무엇을 하고 있는지 파악할 수 있는 교차 통신 기능이 필요하다.

궁극적으로 복잡성은 운영에 장기적으로 영향을 미친다. 오늘날 대부분의 시설은 유연하고 모듈화돼야 하며, 제품 혼합과 시장 변화의 변화에 대응해 생산 공정을 전환할 수 있어야 한다. 이와 같은 유연성은 많은 컨베이어 구현에 내장된 복잡성 때문에 방해를 받는다.

복잡성을 줄이고 표준화된 제조 개념을 도입하려는 노력은 ISA88이나 PackML과 같은 표준으로 시도돼 배치 제어 산업에 대해 광범위하게 수용된 개념과 모델과 정의를 만들려고 시도했다.

이런 노력에도 심각한 것은 여러 컨베이어 구성 요소를 나머지 생산 시스템과 통합하는 복잡성이 완화되지 않았다는 점이다. 데이터 수집은 여전히 ​​목표로 남아 있을 뿐, 아직 현실이 아니다.

또한 모든 관련 공장 운영 업체, 자동화 장비 OEM, 컨베이어 제조업체, 시스템 통합 업체의 근본적인 목표는 투자 수익과 가치 실현을 위해 효율성을 측정하고 관리하고 개선하는 것이다.

그렇다면 가장 효과적인 측정 방법은 무엇일까? 생산 라인의 각 ‘스테이션’(처리량과 가동 시간)이 컨베이어 데이터 포인트를 고려해 측정되는 경우가 가끔 있다. 치약 튜브 필러는 분당 500개의 튜브를 채우며 케이스 포장기는 분당 20장을 포장한다. 이러한 모든 이질적인 기능 자동화의 전체적인 라인 효과를 추출하려면, 복잡하고 까다로운 통제 조사와 분석을 실행해야 한다.

공식을 뒤집으면 어떨까? 각 개별 생산 기계(튜브 필러, 카톤너, 케이스 포장기들)의 성능을 측정하는 대신, 표준 컨베이어를 사용해 가장 단순하고 가장 관련성이 높은 생산 혹은 제어 단위로 전체 라인의 성능을 측정(또는 관리)하는 것은 어떨까.

해결책 : 비표준 컨베이어 부품의 표준화된 제어

컨베이어 구동 방식의 생산 설비가 OEE(전반적인 장비 효율, Overall Equipment Effectiveness) 측정을 간단히 하기 위한 급진적인 접근 방법이 있다. 모델 기차 세트와 마찬가지로, 컨베이어 모듈은 표준 명령 개념을 기초로 하는 간단한 연결이 가능한 스마트 드라이브로 만들 수 있다. 이 컨베이어 모듈은 매우 표준적인 모션과 제어 요소를 갖고 있다.
 

• 모듈의 주어진 입력과 출력 : 제품이 생산 기계로 들어가고, 제품이 나온다.

• 단일 모터가 모듈을 움직임 : 매우 간단한 제어 단계(전진, 후진, 정지, 미리 정해진 속도로 이동)

• 모듈은 기능적으로 동일 : 제품을 한 생산 단계에서 다른 생산 단계로 이동시킨다. 이것은 물리적으로 똑같은 컨베이어가 직선 또는 곡선이거나 전환시키는 기능을 할 수 있다는 것을 의미하지는 않지만, 제품이 컨베이어로 들어갔다가 나오는 지점을 갖는다. 이동하는 전자 모터는 제품에 대한 기본적인 제어이다.

따라서 컨베이어는 기능이 매우 간단하기 때문에 생산 라인에서 제어되는 표준 요소이지만, 아직도 라인이나 시설에서 생산성의 가장 기본이 되는 척도이다.

각 모듈 사이에는 본질적으로 통합 복잡성과 문제의 원인이 되는 생산 장비가 있다. ‘스테이션’을 생각해 보면, 트랙의 관점에서 스테이션은 스테이션 내부의 서비스와 관계없이 입력과 출력을 갖는다.

스테이션은 승객과 기차를 다룰 수 있지만 항상 같은 일을 한다.

여러 축, 복잡한 기능, 정교한 소프트웨어 그리고 전체 라인이 아닌 개별 기계의 최대 성능을 엔지니어링 하는 데 초점을 맞춘 여러 OEM(공정 또는 애플리케이션에 따라 다름)이 있다. 각 기계의 성능을 측정해 전반적인 OEE를 측정하려면 많은 배경 작업이 필요하다.

컨베이어 모듈을 표준으로 사용하는 이러한 개념을 통해 OEE는 간단하다. 모든 벨트는 동일하게 작동하지만 그 사이의 ‘스테이션’은 기능, 빌더(builders), 소프트웨어, OEE를 측정하는 방법이 다양하다. 컨베이어 컨트롤러에 표준 프로그램이 있으면 여러 셀 컨트롤러를 함께 사용하는 작업이 쉬워지고 계층 구조가 아닌 데이터 교환에만 집중할 수 있다.

이 모듈식 접근법을 사용해 OEE는 컨베이어 모듈에서 가져온 다음 데이터 요소를 바탕으로 할 수 있다.
 

• 주행 속도 / 설계 속도

• 실행 시간 / 사용할 수 있는 시간

• 출력 제품 / 배송된 제품
 

공정 또는 기계의 입구와 출구에서 컨베이어 모듈에 있는 센서 두 개를 사용해 개별 기계 ‘스테이션’의 기계 코드를 파고들지 않고 완전한 OEE를 얻을 수 있다.

빌딩 블록 3개

컨베이어 모듈 개념을 더욱 표준화하기 위해 모듈은 빌딩 블록 세 가지로 구성한다.
 

• 기계적 - 다양한 물리적 컨베이어 요소

• 전기 모터, 드라이브, 컨트롤러 모션과 컨트롤 요소

• 소프트웨어 - 표준 스프레드시트 또는 HMI 양식 항목을 통해 구성할 수 있는 간단한 지령 세트

 

기계적 :

다양한 생산 애플리케이션과 환경에서 사용할 수 있는 광범위한 컨베이어 유형과 구성 요소가 있다. 그러나 근본적으로 핵심 기계요소는 같다.

직선형, 곡선형, 곡면형 누산기(accumulators), 전환기 또는 직각 전환기 따위의 기계요소는 모터 구동 방식으로 입력 지점과 출력 지점을 캡처해야 한다.

 

전기적 :

모터와 드라이브 구성 요소는 주행 거리, 그리고 이동 속도와 이동되는 입력/출력 중량을 포함해 필요한 부하를 처리할 수 있는 크기여야 한다.

이 모듈러 개념은 드라이브식 서보 모터뿐만 아니라 컴퓨터에 장착된 드라이브와 컨트롤의 최신 기술을 활용해 분산 모션 제어 프레임 워크를 사용하는 데 매우 적합하다. AMKASMART iDT 드라이브 일체형 서보 모터를 예로 들면, 토크 모터 혹은 서보 컨트롤러와 위상각 센서를 설치나 구성준비가 완료된 단일 소형 장치에 결합하고 최대 10kW의 출력 범위에서 사용할 수 있다.

케이블 하나로 조합된 전력과 통신을 지원하기 때문에 여러 컨베이어 모듈을 단일 컨트롤러에 데이지 체인(daisy chain) 방식으로 연결할 수 있다. 컨베이어 제어 캐비닛을 추가하는 데 드는 비용과 복잡성을 제거하기 위해, AMK의 iSA 분산 컨트롤러와 같은 캐비닛 기반 컨트롤러 모듈(AMKAMAC smartPanel 결합 컨트롤러와 HMI) 또는 머신 장착 옵션(AMK의 iSA 분산 컨트롤러)이 될 수 있다.

특정 컨베이어 애플리케이션에는 중앙 모터 제어 구성 요소가 캐비닛에 필요할 수 있는 더욱 강력한 모터와 드라이브가 필요할 수 있다(랩 또는 배송 선착장을 축소하기 위해 전체 팔레트를 움직인다고 생각). 이러한 애플리케이션에서도 컨베이어 모듈을 고정밀과 중앙 집중식 요소와 결합하는 하이브리드 모션 제어 프레임 워크가 가능하지만, 모든 표준화된 간단한 모션 제어 명령어에 따라 작동한다.

소프트웨어 :

단순화된 표준화 컨베이어 모듈을 구현하려면 제어 환경에 대한 새로운 접근 방식이 필요하다. 목표는 프로그래밍 환경이 없고 공장 직원과 같은 프로그래머가 HMI 또는 스프레드시트를 사용해 모듈을 구성할 수 있어야 한다.

로컬 컨트롤은 큰 라인과 통합할 때 자동으로 구성된다. 제어 장치, +24VDC 전원, 모터 전원, 표준 비상 안전 정지와 통신 프로토콜과 같은 표준 요소가 포함된다.

‘PLC 코드는 어떻게 생겼는가?’는 중요하지 않다. 코드는 발견된 모듈을 자동으로 설정해 컨베이어 모듈당 3개의 구성 요소(모터 1개와 센서 2개, 입력용 1개와 출력 1개)를 찾는다. 각 모듈에 대해 CSV 파일로 저장되고 표준화된 스프레드시트에서 앞으로, 뒤로, 일시 중지, 출력 켜기와 꺼짐 등의 표준 명령 집합을 선택해 컨트롤러에 드롭할 수 있다.
 

OEE를 단순화할 수 있는 표준 모델

이러한 방식으로 컨베이어를 표준화함으로써, 시설은 생산 라인 안에서 기계를 더 신속하고 비용 효율적으로 수정(추가, 제거, 재배치)할 수 있다.

상당량의 컨베이어가 통합된 광범위한 제조업체의 경우 이 접근법은 다음과 같은 기능을 제공해 해당 공장이 자동화 자산을 관리하는 방법을 획기적으로 단순화할 수 있다.
 

• 생산 현장의 단순하고 유용한 가시성과 실시간 생산 결과를 가져다준다.

• 컨베이어와 컨베이어 사이의 모든 생산 모듈에 대해 OEE를 쉽게 이해할 수 있다.

• 컨베이어 제어 캐비닛의 감소 또는 제거로 인한 장비 공간을 축소한다.

• 표준 모듈은 표준 구성 요소를 의미하므로 모든 분야의 재고를 줄일 수 있다.

• 컨베이어 모듈 모션 제어는 공장 직원이 완벽하게 관리하고 업데이트할 수 있다.

설비 또는 운영에 이미 성숙하고 효과적인 OEE 시스템이 마련돼 있다면 컨베이어 셀 개념을 중심으로 한 이 방법은 효율적인 백업 공정을 제공할 수 있다.

예를 들어 결과를 비교하고 자동화 성능 측정과 분석의 잠재적 차이를 식별하는 것이 유용할 수 있다.

결론 : 자동화 성능을 향상하는 표준 제어

컨베이어 셀에 대한 표준화된 접근법은 급진적인 개념처럼 보이지만 현재의 컨베이어 기술을 근본적으로 바꾸지는 않는다. 대신 우리의 자동화된 프로덕션 환경을 근본적으로 단순한 방식으로 생각하고 배울 것을 요구한다.

표준화는 컨베이어 셀 수준에 중점을 두고 OEM에게 통합 제어 아키텍처를 바탕으로 한 기계 모듈을 만들 것을 요청한다.
 

• 기계 모듈이 동일한 모듈에 응답할 때 명령이나 기술 공급 업체와 상관없이 제어가 매끄럽게 이뤄질 수 있다.

• 제어 시스템이 모듈을 표준으로 프로그래밍한다고 가정할 수 있을 때 전체 제어 시스템 자체도 가능하다.
 

새로운 접근 방식을 구현하려면 모션 제어 기술을 사용해 자동화 성능을 혁신적으로 변화시키는 방법에 대한 깊은 통찰력을 가진 회사와 협력하는 것이 중요하다. AMK Automation은 50년의 모션 컨트롤 경험을 통해 새로운 것을 시도하고 있다.

자료 제공 : AMK(www.amk-group.com)