IIoT에 연결된 공압 회로의 구현, 생산효율성은 ↑ 전체비용은 ↓
공압은 거의 한 세기 동안 산업 환경과 밀접한 관련이 있어 왔다. 압축 공기를 사용하여 작업을 수행할 수 있는 간단하고 안정적인 방법을 제공하기 때문에 많은 제조업체가 오늘날까지 공압 장치에 의존하고 있다.
기본 공압 회로는 정화된 적절한 압력으로 조절되는 압축 공기를 사용하여 작동한다. 그런 다음 밸브를 사 용하여 공기가 액추에이터의 피스톤을 움직이도록 지시한다. 액추에이터는 이동, 집기 또는 들어올리기와 같이 수행해야 하는 작업을 수행한다. 공압은 포장, 식품 및 음료, 기계 등을 포함한 광범위한 산업 분야에서 사용된다.
4차 산업 혁명의 도래와 함께 공압은 이전에는 볼 수 없었던 속도로 계속 발전하고 있다. 그리고 이 혁명 을 뒷받침하는 것은 무엇보다도 자동화를 촉진하고 데이터를 실시간으로 전송하기 위해 산업용 기계와 장치를 인터넷에 연결하는 스마트 기술의 발전이다. 이를 일반적으로 IIoT(산업용 사물 인터넷)라고 한다. 실제로 일상 생활에서 연결성이 점차 보편화됨에 따라 점 점 더 많은 제조업체와 업계 리더가 기계를 IIoT의 일부로 업그레이드하고 있다.
그러나 디지털로 연결된 공압 회로를 구현하는 것은 처음에는 복잡하고 어려워 보일 수 있다. 이 프로세스를 보다 쉽게 접근할 수 있도록 이 기사는 IIoT 장비의 통신 방법, 공압 구성 요소에서 얻을 수 있는 정보 및 연결된 공압 회로의 이점에 대해 알아본다.
산업용 장치가 통신하는 방법
연결된 공압 시스템의 사용을 고려할 때 먼저 산업 환경에서 장치가 디지털 방식으로 서로 통신하는 방식을 이해하는 것이 중요하다. 이것이 바로 연결성과 자동화를 가능하게 하는 것이다. 제조 작업은 복잡하며 공장이나 조직에는 여러 계층의 자동화가 있다. 이러한 계층을 시각화 하는 일반적인 방법은 다양한 장치가 통신할 때 서로 관련되는 방식을 정의하는 데 도움이 되는 자동화 피라미드이다.
위 피라미드 그림의 밑바탕에는 센서, 액추에이터 등 실제로 일을 하는 기 술을 가리키는 필드 레벨이 있다. 다음으로 현장 수준에서 장치와 장비를 직 접 제어하는 PLC(프로그래밍 가능 논리 컨트롤러)를 포함하는 제어 수준이 있다.
그 위에는 사람이 일반적으로 수집하는 데이터와 인터페이스 및 여러 시스템을 제어할 수 있는 프로세스 관리 수준이 있다. 그 다음에는 원자재에서 완제품에 이르기까지 전체 제조 프로세스를 모니터링하고 결정하는 데 도움이 되는 계획 수준이 있다. 맨 위에는 모든 수준의 제조 및 기타 부서를 포함하여 전체 비즈니스의 운영을 감독하는 관리 수준이 있다.
연결된 회로는 주로 LAN(Local Area Network)에 연결되어 네트워크의 다른 기술과 통신할 수 있는 처음 세 가지 수준(필드, 제어 및 프로세스 관 리)과 상호 작용한다. 다양한 장치 간의 통신은 본질적으로 장치가 데이터를 공유하는 데 사용할 수 있는 공통 언어인 통신 프로토콜을 통해 이루어진다.
프로토콜은 장치 간의 메시지 구성을 위한 요구 사항과 형식을 설정한다. 장치가 통신하려면 동일한 프로토콜을 지원할 수 있어야 한다.
산업용 네트워크의 두 가지 가장 일반적인 종류는 각각 자체적으로 지원되는 통신 프로토콜이 있는 필드버스와 산업용 이더넷이다. 모든 프로토콜이 서로 호환되는 것은 아니기 때문에 정보를 성공적으로 교환할 수 있도록 동일한 프로토콜 제품군을 지원할 수 있는 PLC 및 장치를 갖추는 것이 중요하다.
▲ IO-Link는 필요한 케이블 수와 다양한 인터페이스를 줄이면서 다양한 장치 간에 교환되는 정보 를 표준화 하는데 도움이 된다.
이를 지원하는 유용한 도구 중 하나는 복잡한 배선 없이 센서와 기타 여러 구성 요소를 제어 시스템에 연결하기 위한 통신 시스템인 IO-Link이다. 거 의 모든 필드버스 또는 자동화 시스템에 통합되어 정보를 표준화하므로 장치 간에 이해하고 PLC에 연결할 수 있다. 궁극적으로 목표는 모든 장치가 통 신할 수 있도록 하는 것이다. 생성된 데이터를 사용할 수 있도록 서로 효율적으로 사용한다.
공압 회로에서 데이터 수집
▲ 제조업체는 전자 압력 센서가 통합된 Norgren의 Excelon Plus를 사용하여 2차 압력 및 기타 애플리케이션 데이터를 모니터링할 수 있다.
IIoT 기술 영역 내에서 공압 장치가 정확히 어떤 종류의 데이터를 생성할 수 있으며 어떻게 사용할 수 있을까? 기존의 공압 시스템은 연결 없이 완벽하게 작동할 수 있다. 그러나 그들은 엔지니어에게 그들의 활동에 대한 자세한 통찰력을 제공하지 않는다.
반면 현대의 연결된 시스템은 공압 회로의 다양한 측면과 작동 방식에 대한 유용한 데이터를 제공할 수 있다. 수집할 수 있는 데이터에는 여러 종류가 있다. 예를 들어, IO-Link 연결의 경우 다음과 같은 네 가지 기본 데이터 유형을 사용할 수 있다.
(1) 연결된 장치의 최신 상태를 나타내는 프로세스 데이터
(2) 프로세스 데이 터의 유효성을 나타내는 값 상태
(3) 장치 매개변수 및 진단 정보를 포함하는 장치 데이터
(4) 오류 메시지, 경고 및 유지보수 데이터와 같은 정보인 이벤트 데이터 등이다.
또한 공압 회로의 다른 요소를 연결하면 다른 정보를 제공할 수 있다. 연결된 회로의 일부로 데이터를 수집하려면 부품이 스마트 디지털 연결을 지원할 수 있 어야 한다. 회로의 각 구성 요소는 스마트 기술과 호환되는 한 배울 가치가 있는 것을 제공한다.
• FRL(filter regulator lubricator): 회로의 시작 부분에는 공기 준비 또는 FRL(filter regulator lubricator) 이 있다. 센서는 FRL이 출력으로 생성하는 압축 공기 의 압력인 2차 압력에 대한 정보를 수집할 수 있다. 압력이 정상보다 낮으면 FRL에 문제가 있다는 표시일 수 있다. 예를 들어 필터가 막혀서 교체해야 함을 의미한다.
• 벨브 제어: 이 구성 요소는 밸브 작동 제어 외에도 다양한 데이터를 수집할 수 있다. 예를 들어 사이클 카 운트, 전압 및 단락 진단, 온도 경고 및 통신 오류 등 이다. 이러한 각 데이터 포인트를 사용하여 밸브의 상태를 진단할 수 있다.
• 액추에이터 스위치: 회로의 비즈니스 끝에서 액추에 이터 스위치는 정확한 사이클 수를 유지하기 위해 피스톤의 위치를 감지할 수 있다. 이 주기 수를 사용하여 생산성을 모니터링하고 구성 요소의 예상 수명을 결정할 수 있으므로 제조업체는 액추에이터를 수리하거나 교체해야 하는 시기를 예측할 수 있다. 액추 에이터의 로컬 온도를 모니터링 하는 것도 가능하다. 이를 통해 액추에이터가 너무 많은 열을 생성하고 조기에 고장 날 수 있는지 또는 인접 영역의 온도가 애 플리케이션에서 품질 문제를 일으킬 수 있는지 여부 를 알 수 있다.
• 센서: 또한 공압 회로에 내장된 센서는 시스템의 작 동 압력을 모니터링하여 누출을 식별하거나 최적의 생산성을 보장하는 데 중요한 온도 수준을 모니터링 할 수 있다.
• 입력/출력 블록 및 IO-Link 마스터: 아날로그 장치를 디지털 네트워크에 연결하여 정보를 제공할 수도 있다. 입/출력(I/O) 블록은 아날로그 장치의 입력과 출력을 데이터로 변환할 수 있다. 이들은 게이트웨이 역할을 하는 IO- Link 마스터에 연결될 수 있으므로 센서, 밸브, 아날로그 장치용으로 변환되는 I/O 블록과 같은 지원 장치를 이더넷 시스템에 연결할 수 있다.
▲ IO-Link 마스터는 IO-Link 지원 장치와 상위 통신 시스템 간의 게 이트웨이 역할을 하며, 즉각적인 조치 또는 장기 분석을 위해 액세스할 수 있도록 다양한 네트워크를 통해 데이터를 전송할 수 있다.
공압 회로 연결의 이점
분명히 공압 회로의 다양한 구성 요소에 대한 연결을 활성화하여 얻을 수 있는 풍부한 지식이 있다. 그리고 이 정보를 수집하면 제조 작업 전체에 광범위 한 이점을 얻을 수 있다.
• 효율성 향상: 제조업체는 상대적으로 적은 노력으로 공압 시스템의 기능을 보다 효율적으로 자동화하고 모니터링 할 수 있다. 예를 들어 연결성은 압축 공기 소비량을 모니터링하고, 총 공기 소비량의 약 20%를 차지하는 누출과 같은 잠재적인 비효율성을 식별하고, 에너지 비용과 탄소 발자국을 모두 줄이는 데 도움이 될 수 있다.
작동 압력을 모니터링 하기 위해 에어라인 센서를 추가하는 것과 같은 작은 변화도 작동에 긍정적인 영향을 미칠 수 있다. 압력이 특정 값 아래로 떨어지면 알림을 제공하도록 설정함으로써 엔지니어는 시스템이 효율적으로 작동하지 않는 시점을 정확히 알 수 있다.
연결 설정도 어렵지 않다. 일부 방법을 사용하면 연결된 구성 요소를 설 치하거나 시작하고 센서 매개변수를 수동으로 설정하는 데 시간이 많이 걸릴 수 있다. 그러나 모든 센서와 연결된 장치에 해당되는 것은 아니다.
예를 들어, IO-Link와 같은 기술은 연결만 하면 바로 사용할 수 있으며, 사용자 는 제어를 통해 IO 장치 설명 파일에서 장치 매개변수를 읽고 변경하여 연 결된 장비를 신속하게 구성하고 시운전할 수 있다. IO-Link의 경우 기존의 모든 필드버스/이더넷 시스템과 원활하게 통합할 수 있는 제조업체 독립 적인 ‘점대점’ 연결 덕분에 기계 설정도 훨씬 더 빠르다.
• 최적화된 생산성: 연결성은 또한 회로의 성능을 의미 있게 향상시킬 수 있 다. 센서 및 기타 연결된 장치가 실시간으로 데이터를 전송하므로 운영 및 성능 지표를 원격으로 모니터링 할 수 있다. 이 데이터는 전체 시스템이 개별 부품 및 전체로서 어떻게 작동하는지에 대한 통찰력을 제공한다.
이 정보를 통해 사용자는 원하는 생산성을 위해 에너지 사용을 최적화하는 공기압을 유지하는 등 전체 시스템이 더 잘 작동하도록 조정할 수 있다. 현장 수준에서 운영과 관련된 데이터를 보유하면 생산성을 극대화하는 최선의 방법과 관련하여 운영 수준에서 더 나은 결정을 내릴 수 있다.
• 가동 중지 시간 감소: 센서의 데이터는 예측 및 계획된 유지 관리를 용이하 게 하여 문제가 긴급해지거나 생산이 중단되기 전에 유지 관리 관리자에게 필요한 수리 또는 유지를 알릴 수 있다.
예를 들어, 시간 경과에 따른 주기 수와 생산 수준을 모니터링 하여 액추에이터의 수명과 수명 종료를 예측하여 고장이 나기 전에 교체할 수 있다. 실시간 데이터 전송 및 지속적인 진단으로 각 장치의 상태를 사용자가 더 잘 볼 수 있다. 단선 또는 단락과 같은 오류가 즉시 감지되어 훨씬 더 신속하게 해결할 수 있고 관련 다운타임을 줄일 수 있다.
이 진단 데이터는 작동 중에도 액세스할 수 있다. 구성 요소에 오류가 발생하면 센서는 문제의 진단 및 수리를 보다 용이 하게 하기 위해 오류의 원인을 정확히 찾아내는 데 도움이 될 수 있다. 따라 서 유지보수를 위해 시스템이 다운될 때 시간이 거의 걸리지 않으므로 제조업체는 시간뿐만 아니라 비용도 절약할 수 있다. 또한 단일 데이터 포인트가 아닌 전체 공압 회로에 대한 데이터 액세스는 회로가 어떻게 작동하는지 보다 포괄적인 보기를 제공한다.
결과적으로 엔지니어는 보다 응집력 있는 기술 지원을 제공할 수 있다. 그리고 IO-Link와 같은 시스템을 사용하면 장애 발생 시 센서 교체도 간단해진다. 자동 매개변수 화는 사용자가 매개변수 설정을 가져오기 위해 새 장 치를 연결하기만 하면 모든 것이 정상 작동되고 더 빠르게 실행한다.
▲M/50 솔리드 스테이트 스위치는 액추에이터와 함께 사용하여 로컬 온도를 모니터링하고 작동 주기 수를 제공할 수 있는 IO-Link 지원 장치의 한 예이다.
Norgren 통해 스마트 공압으로의 전환
공압 회로에 연결성을 추가하는 것이 어려워 보일 수 있지만 그렇게 하면 생산 효율성과 생산성을 제공하 는 동시에 가동 중지 시간과 전체 비용을 줄이는 이점이 있어 노력할 가치가 있다. 전문가와 함께 솔루션을 개발하면 프로세스를 최대한 활용하는 데 도움이 될 수 있다.
모션 제어 및 유체 기술의 오랜 역사를 통해 Norgren은 기본 공압 회로에서 IO-Link 지원 공압 시스템에 이르기까지 모든 것을 완성하는 제품 포트폴리 오를 제공하여 스마트 공압으로의 전환을 안내할 수 있다. 단일 센서이든 완전히 연결된 회로이든 상관없이 공압 시스템을 업데이트하는 것은 앞으로 몇 년 동 안 제조 문제를 처리할 수 있는 좋은 위치에 있는지 확 인하는 매우 중요한 방법이 될 것이다.
자료제공: Norgren(www.norgren.com)
