‘캐비닛 없는 설계’가 곧 미래, 공간확보 및 단순화가 관건

최근에는 하드웨어 기능이 점점 진화함에 따라 더 작은 설치 공간 과 분산이 가능해졌다. 그러나 일부 구성 요소는 여전히 캐비닛에 설치되고 있다.

산업 혁명과 무어의 법칙(Moore’s Law)에서 인더스트리 4.0 및 로트(Lot) 크기1에 이르기까지 산업 기술은 항상 스마트하며 빠르고 콤팩트한 생산을 목표로 해왔다. 기계는 컨트롤러, 산업용 네트워킹 및 모션 제어의 혁신을 통해 계속해서 소형화되고 더 효율적이 됐다.

산업 전반의 제조업체는 새로운 자동화 기술을 의도 적으로 구현함으로써 더 많은 처리량, 더 높은 품질 그리고 더 많 은 공간을 확보하는 이점을 가지고 있다. 그러나 생산 현장에서는 여전히 상당한 공간을 차지하는 기계의 큰 부분의 하나가 바로 전기 캐비닛이다.

캐비닛이 없는 디자인에 대한 아이디어는 완전히 새로운 것은 아니며, 상당한 기반이 갖추어져 있다. 새로운 설계 및 재설계 또는 개조를 위해 이 컨셉은 열악한 생산 환경에 대해 내구성이 높은 산업용 컴포넌트를 필요로 한다. 여기에는 모션 제어 시스템 및 I/O 터 미널에서 기계 컨트롤러까지 모든 것이 포함된다. 캐비닛이 없는 기계에 대한 이면의 목적을 이해하는 것이 가장 중요하다.

캐비닛이 없는 디자인의 이점

캐비닛이 없는 디자인의 주된 이유는 공장 현장에서 사용 가능한 ‘공간 확보’라고 할 수 있다. 회사에서 전기 캐비닛에 필요한 공간 을 없앨 수 있다면 그 공간을 사용하여 더 많은 기계를 설치할 수 있다. 이는 제조업체와 기계 제조업체 OEM 또는 통합업체 모두 에게 이득이 된다. 더 많은 제품과 라인은 더 많은 기계와 시스템 을 구축하고 설치할 수 있다는 것을 의미한다.

그러나 캐비닛을 없앤다고 해서 기존 접근 방식보다 그 구현이 더 복잡하고 시간이 많이 소요되어서는 안 된다. ‘단순화’는 캐비닛이 없는 디자인의 또 다른 목표이다. 기계에 장착할 수 있는 구성 요소를 사용하여 엔지니어는 더 많은 모듈식 설계를 생성해 케이블 설치 노력을 줄일 수 있어야 한다.

이는 전기 캐비닛의 구성 사항을 없애는 것 외에도, 잠재적인 오류를 없앤다. 표준 커넥 터를 사용하여 잘못된 배선 위험을 최소화하며 문제 해결 기능을 향상하고 비용을 절감한다. 캐비닛 요구 사항을 줄이면 최종 사용자 시설에 기계를 배치할 때 운송비용도 절감할 수 있다.

또 다른 요인은 보다 기능적인 ‘분산 장치’에 대한 추진이다. 기계 및 라인 전체에 스마트한 컴포넌트를 설치함으로써 보다 빠른 의사 결정 및 데이터 수집을 가능하게 한다. 여기에는 2차 컨트롤 러, 프로그래밍 가능한 안전장치, 안전 로직 및 IoT 게이트웨이가 포함된 통합 드라이브가 있는 서보 모터 등이 포함될 수 있다.

이것의 핵심은 기능이 증가한다고 해서 기계의 크기가 커지지 않도록 하는 것이다. 다행히도 많은 새로운 컴포넌트 및 케이블 연결 옵션을 통해 이 목표를 달성할 수 있다.

작은 공간에 스마트한 컴포넌트 설치

전기 캐비닛을 축소하거나 없애기 위해 기계를 설계 및 개조하려면 대부분의 주요 컴포넌트를 다시 고려해야 한다.

▪ 분산 I/O 터미널: IP67 및 IP69K의 필드 장착 EtherCAT I/O 박스는 기계에서 직접 통신 및 진단을 향상시킨다. 이는 프로그래밍 가능한 소형 모션 제어 및 상태 모니터링과 같은 단순한 데이터 입력/출력 이상 의 기능을 제공한다. 예를 들어 가속도계가 내장된 터미널은 기계 진동을 측정하여 기계 상태를 진단하고 유지 관리를 예약할 수 있다. 소형 박스 모듈은 특정 애플리케이션 요구 사항에 맞는 다양한 케이블링 및 커넥터 옵션과 함께 산업용 강화 플라스틱, 스테인리스 스틸 및 아연 다이캐스트 폼팩터로 제공된다.

▪ OCA(One Cable Automation): 단일 케이블에 전원과 통신을 결합하면 기계에 필요한 공간과 컨트롤러에 다시 연결되는 케이블 수가 크게 줄어든다. 예를 들어 개방형 EtherCAT P(EtherCAT + Power) 표준은 다양한 필 드 장치 및 모션 제어 구성 요소에 이러한 기능을 제공한다. 또한 EtherCAT 산업용 이더넷 시스템과 동일한 강력한 진단 및 기능 원리를 제공한다. 이 경우 토폴로지를 자유롭게 선택하고 혼합하면 기존 방식과는 달리 고도로 모듈화된 배선에 또 다른 중요한 이점을 제공한다.

▪ 모터 및 드라이브: 전통적으로 모터는 현장에서 사용할 수 있도록 견고하게 제작된 반면, 금속 캐비닛은 보다 민감한 드라이브를 보호하며 분리된 상태로 유지된다. 캐비닛이 없는 개념을 위한 솔루션은 다양한 크기로 제공되고 기계 전체에 분산될 수 있는 통합 드라이브가 있는 서보 모터이다.

Beckhoff의 ‘AMP8000’과 같은 분산 서보 시스템은 모터와 드라이브가 모두 열악한 생산 환경을 위해 강화되도록 보장하고 공간 요구 사항을 줄이고 온보드 안전 로직(SS1, STO 등)과 같은 기능들을 전체에 확산시킨다. AMP8000을 포함한 특정 제품군에서는 여러 통합 모터 증폭기 구성 요소가 EtherCAT P를 통해 기본 IP65 공급 모듈에 연결되고 해당 모듈은 단일 케이블로 단일 서 보 드라이브 또는 기계 컨트롤러로 다시 통신한다.

▪ 기계 제어: PLC(Programmable Logic Controller), PAC(Programmable Automation Controller) 및 IPC(산업용 PC)는 엔지니어가 보호 인클로저 외부에 설치하는 것을 상상할 수 있는 마지막 구성 요소 중 일부다. 충돌 가능성이 없는 안전한 환경이 필요하며 팬, 버튼, 인터페이스 및 물, 먼지 등의 오염 물질이 들어갈 수 있는 여러 형태의 공간이 있을 수 있다. 

Beckhoff의 차세대 기계 컨트롤러(IPC 및 패널 PC 모두)는 이러한 문제 영역을 정면으로 해결하고 있다. 패시브 냉각, 새로운 커넥터 유형 및 견고한 하우징은 충격, 극한 온도를 견디고 기계 전체에 분산된 I/O 및 모션 시스템에 쉽게 연결할 수 있는 IP65/67 등급 IPC를 가능하게 한다.

▪ 전원 공급 장치

 전기 캐비닛을 통해 전기를 공급받는 일부 제조업체는 이제 현장에 장착할 수 있는 전원 공급 장치를 제공한다. 컨트롤러에서 모터에 이르기까지 여러 요구사항에 필요한 전원을 공급 할 수 있다. 그러나 상대적으로 새로운 개발로서 현장 실장 전원 공급 장치는 아직 다른 구성 요소에 비해 입증된 실적이 없기 때문에 엔지니어링 커뮤니티에서 이와 같은 혁신을 채택하는 속도가 느릴 수 있다.

또한 안전한 전력 공급은 캐비닛이 없는 설계에서 가장 문제가 되는 측면 중 하나이며 이러한 문제는 곧 논의될 것이다. 물론 이 목록이 완전한 것은 아니다. 구성 요소가 더 기능적이 고 확장됨에 따라 다소 달라질 수 있다. 예를 들어 공간 절약형 설계에 서보모터, 출력단 및 다중 필드버스 연결을 결합한 최근 Beckhoff AMI812x 제품군의 소형 드라이브 구성요소를 생각해 보자.

정지 토크가 0.5~1.1Nm인 이 구성 요소 제품군은 다양한 모 션 제어 요구 사항을 충족하고 필요한 표준 I/O 모듈 수를 줄이며 모터 매개변수(예: 과전압, 저전압, 과전류 또는 모터 부하) 모니 터링을 제공한다. 이러한 작은 변경이 제어 캐비닛을 축소하거나 제거할 수 있는 큰 기회를 만들 수 있다. 캐비닛이 없는 개념은 거의 모든 산업에 영향을 미친다. 무엇보다 내부물류 및 패키징 라인이 즉시 혜택을 누릴 수 있다.

내부 물류에서의 캐비닛리스 디자인

DC(distribution centers; 물류 센터)의 물류 처리 자동화는 COVID-19 전염병 이전에 꾸준히 성장했으며 그 결과 가속화되 었다. AGV(Automated Guided Vehicles) 및 자율 셔틀 시스템 은 이미 IPC, I/O 및 모션 제어를 기계에 직접 통합한다.

그러나 보다 전통적인 DC 기술은 이러한 기능을 빠르게 채택하지 않았다. 창고 바닥을 가로질러 뻗어 있는 긴 컨베이어와 분류기는 라인 토폴로지를 사용할 수 없고 진단 기능이 부족하고 물리적 거리에 제한이 있는 등 필드버스의 단점을 안고 있다. 이는 고속 병합 및 분류 시스템 중단에 영향을 미치며 경쟁이 치열한 전자 상거래 시장에서 심각한 주문 취소로 이어진다.

캐비닛이 없는 개념과 EtherCAT은 내부 물류 장비 공급업체인 ‘EuroSort’의 이러한 문제를 해결했다. Gap Inc. 유통센터(ishkill, New York)에 대형 분할 트레이 분류 시스템 및 기타 솔루션을 설치할 때 EuroSort는 현장 장착형 EtherCAT I/O 및 단일 케이블 기술을 구현했다. 더 짧은 스캔 시간과 함께 EuroSort는 배선 및 패널 요구 사항을 줄이고 시운전을 단순화하고 DC 전체에 기능 안전을 포함한 기능을 분산시켰다.

장비 설치 공간 감소와 더 높은 시스템 성능을 고려할 때 새로운 EuroSort 분할 트레이 분류기의 실질적인 혜택을 Gap Inc. 및 기타 고객들은 이미 누리고 있다.

EuroSort의 영업 및 마케팅 부사장인 Greg Meyer는 “100% 더 빠른 스캔 시간을 달성하고 PC 및 EtherCAT 기반 분류기의 전 반적인 정확도를 높이는 것은 큰 이점이었다. Gap Inc.가 새로운 주문 처리 센터에서 새로운 EuroSort 분할 트레이 분류기를 사용 하기 시작하자 주문 처리 정확도가 교체된 기술에 비해 2% 증가했다. 이러한 개선으로 소매업체는 수천 건의 값비싼 반품을 피할 수 있었다” 라고 설명했다.

포장라인에서의 캐비닛리스 디자인

포장 산업은 처리량을 최대화하고 전환을 위한 가동 중지 시간을 최소화하는 새로운 방법을 계속해서 만들고 있다. 그러나 기계 설치 공간은 CPG(consumer packaged goods; 소비자 포장 제품) 제조업체와 계약 포장업체에게 여전히 중요한 장벽으로 남아 있다. 이러한 기업은 lot 크기 1에 이르기까지 다양한 수량과 더 많 은 사용자 정의로 더 많은 제품을 생산해야 한다. 캐비닛이 없는 설계가 이를 가능하게 한다.

이를 위해 Syntegon(구 Bosch Packaging)은 애플리케이션의 약 40%에서 기둥 장착형 IP65 패널 PC를 사용하고 나머지 40% 는 기둥 장착형 제어 패널을, 마지막 20%는 내장형 캐비닛 장착 형 제어 패널을 사용한다.

포장 기계 회사가 HMI 4.0 이라고 부르는 이 시각화 프로그램은 맞춤형 푸시 버튼 확장을 통해 멀티터치 작업자 인터페이스에 직접 기계 제어를 제공한다. 패널 PC는 또 한 Syntegon의 표준화 결정에서 또 다른 주요 요소인 더 큰 IIoT 기능을 가능하게 한다.

여기에 적절한 예는 제어 및 작업자 인터페이스에 패널 PC를 사용하는 새로운 트레이 및 상자 제조기이다. 기계에 장착된 EtherCAT Box I/O 모듈은 데이터 수집 및 기타 기능을 기계 전체에 확산시킨다. 가장 중요한 것은 분산 서보 시스템이 통합 드 라이브가 있는 여러 서보 모터에 전원을 공급하는 단일 분배 모듈 로 조정된 다축 모션을 제공한다는 것이다. 이 기계는 여러 상자 유형에서 분당 최대 240개의 상자를 처리할 수 있는 성능을 제공 하며, 이를 위해 매우 작은 캐비닛만을 필요로 한다.

전력 및 플랜트 환경

캐비닛이 없는 기계 개념에 대한 주요 장벽은 전력이다. 먼지, 습기 및 기타 위험 요소로 인해 IPC, I/O, 재생 기능이 필요한 모터 및 기타 구성 요소를 현장에 설치하는 것이 어려울 수 있지만 이 것은 가까운 미래에 해결될 것이다. 전기 공급 및 결합 부품에 대한 전망은 그리 밝지만은 않다.

첫째, 이러한 제품은 일반적으로 야외 설치를 위해 고려되지는 않았다. 또한 표준 제품을 만들고자 하는 기계 제조업체의 경우 전기 구성 요소가 별도의 캐비닛에 있는 경우 다른 글로벌 및 지역 표준과 함께 NEC(National Electric Code)를 충족하는 것이 훨씬 쉽다.

종종 절연 변압기와 20A 이상의 전력을 끌어오는 기계에 대한 추가 안전 회로 분기가 필요하다. 이러한 구성 요소는 기계에 직접 결합될 수 있다. 그러나 일부는 상당히 크고 높은 열을 발생하므로 통합하는 것이 불가능하고 잠재적으로 안전하지 않다. 예를 들어 제조 과정에서 대형 CNC 플라즈마, 레이저 및 워터젯 절단기는 상당한 전력을 필요로 한다. 공급 범위는 일반 파이버 레이저 절단기의 경우 8kW에서 많은 플라즈마 절단기의 경우 60kW 및 300A까지 다양하다. 이 장치는 자체적으로 크고 대형 퓨즈도 필요하다.

일부 구성 요소는 여전히 캐비닛 외부로 이동할 수 있으므로 설치 공간을 줄이고 구현을 단순화하여 기능들을 배포할 수 있다. 그러나 제조 응용 분야에는 종종 워터 제트에 사용되는 연마 재료, 금속 부스러기, 크게 움직이는 물체 등을 보호해야 하는 것과 같은 다른 어려움이 있다.

이러한 이유에서 전기 캐비닛이 완전히 사라지지는 않겠지만 이 분야의 엔지니어는 제조 작업 현장의 공간을 줄이기 위한 자동 로딩 또는 기타 시스템을 설계할 것이다. 그러나 이러한 어려움들이 캐비닛이 없는 설계의 이점을 무효화 하지는 못한다.

캐비닛의 최소화

일부 기계 및 산업 분야의 어려움에도 불구하고 캐비닛이 없는 설계가 곧 미래다. 자동화가 계속 확산됨에 따라 기업은 더 작은 공 간에서 더 많은 작업을 수행하기 위해 더 많은 기계를 설치해야 한다. 전기 캐비닛을 없앰으로 확보된 공간을 통해 새로운 제품 라인에 투자할 수 있다.

IIoT 및 Industry 4.0 개념과 마찬가지로 캐비닛이 없는 기술의 응용이 시작됐다. 더 많은 엔지니어가 기계 설계에서 이 새로운 패러다임을 수용함에 따라 공급업체는 해당 비전을 지원하기 위해 더 많은 구성 요소를 생산할 것이다.

컨트롤러 및 제어 패널에서 I/O 및 모션 시스템에 이르기까지 다양한 자동화 장치는 전기 캐비닛을 크게 축소하는 데 필요한 보호 등급과 기능을 이미 갖추고 있다.

자료제공: Beckhoff(www.beckhoff.com)