소형 포장기계 위한 개방 및 보편적 제어 솔루션

포장 산업의 PC 및 EtherCAT 기반 제어 기술

포장산업에서는 모든 그램, 센티미터 및 초(Second)가 중요하다. 독일 뉘른베르크의 FachPack 2013 산업 박람회에 앞서, Beckhoff의 포장기술 경영 관리자인 프랑크 뷔르트너(Frank Wrthner)는 포장기계 제조사들을 위한 이 기본 요구사항들의 중요성에 대해 설명했다. 그는 개방적이고 보편적인 솔루션으로 PC 및 EtherCAT 기반 제어 기술의 이점에 대해 언급하고 고성능, 비용 효율적 기계를 위한 이상적 기반으로서 그 기술이 어떻게 사용되는지를 설명했다.

김 미 선 기자

Beckhoff는 포장 애플리케이션을 위해 어떤 솔루션을 제공하고 있나? 또 개방적, 보편적 기술이 포장산업에서 얼마나 중요한가?

Beckhoff의 PC 및 EtherCAT 기반 제어 기술은 전체 포장 라인뿐만 아니라, 개별 포장 기계의 전 과정을 자동화하는 데 이상적이다. 충전 및 성형에서부터 밀봉, 라벨링, 재포장 및 팔레타이징까지, 당사의 TwinCAT 자동화 소프트웨어뿐 아니라, 산업용 PC 및 I/O 터미널, 드라이브 기술의 보편적이고 모듈식으로 구성된 제품 포트폴리오를 통해, 우리는 컴퓨팅 파워, 복잡성 및 비용의 측면에서 모든 포장 기계를 위해 정밀하게 확장 가능한 제어 솔루션을 만들 수 있다.

우리의 개방적이고 보편적인 제어 기술은 높은 구현 비용 없이도 기계 제조사들이 새로운 기능을 통합하며, 기계를 다양하고 매일 변화하는 수요에 맞출 수 있도록 도와준다. 예를 들면, PLCopen 및 OMAC-PackSoft 컴포넌트, Visual Studio, Matlab/Simulink 또는 C/C++의 사용뿐만 아니라, 상황 모니터링 및 로봇공학의 통합을 포함한다.

개방성에 대한 당사의 중요한 장점은 ERP 수준에서 수직적으로든 아니면 다른 제어 시스템에서 수평적으로든, 개방형 인터페이스 및 게이트웨이를 통해 최종 사용자의 생산 환경에 포장기계를 간단하게 통합할 수 있다는 점이다.

현재 포장산업의 추세는 어떤가?

큰 그림에서 보면, 세계 인구는 10년 내에 80억명을 초과할 것이다. 포장산업은 포장 음식 및 약품을 필요로 하는 수많은 사람들뿐 아니라, 삶의 수준을 높이려는 신흥 개발도상국으로부터 이익을 얻게 될 것이다. 수송 중 제품을 보호하기 위한 방법과는 별도로, 현대 포장은 훼손, 오염, 및 부패로부터 음식과 의약품을 보호하기 위해 매우 중요하다. 이런 이유로 포장산업은 가까운 미래에 성장 산업이 될 것이며, 이를 위해서는 효율적이며 고성능인 포장기계를 필요로 할 것이다. 또한, 다양한 시장 및 소비자의 요구는 각각의 타깃이 될 것이며, 이는 포장의 다양성을 증가시킬 것이다. 이런 요구를 충족시키기 위해, 포장기계는 훨씬 더 큰 유연성을 필요로 할 것이다. 간략하게 말해, 포장기계 제조의 추세는 잦은 변화에 쉽게 적응할 수 있는 더 작고, 더 유연한 기계로 향하고 있다.

Beckhoff의 제어기술은 어떻게 이런 변화하는 수요를 만족시키고 있나?

당사의 제어기술은 높은 확장성 덕분에 모든 사이즈의 기계 및 플랜트에 이상적으로 적합하다. 이는 ‘친환경(Green)’ 제조에 대한 요구가 증가하고 있다는 점에서 더욱 중요하다. Beckhoff의 eXtreme Fast Control Technology(XFC)는 매우 정밀한 공정제어를 가능하게 하며, 이로 인해 포장 애플리케이션에서 원료 사용을 최소화한다. 높은 유연성에 대한 요구를 고려하면, 소프트웨어 기반 제어 기술로 PC 제어는 하드웨어 집약적 솔루션과 비교했을 때 요구되는 제품이나 포장 변경을 아주 단순화시킨다. 게다가 당사의 eXtended Transport System(XTS)는 이 영역에서 더 특별한 이익을 제공한다. 이 기술은 복잡하고 비싼 기계를 쉽게 사용자 정의할 수 있는 소프트웨어로 대체함으로써 더 큰 유연성에 대한 요구를 충족시킨다. 현대의 병 제조 공장은 병을 기다리는 동안 아무 것도 하지 않는 수많은 그리퍼(Gripper)를 필요로 한다. 여기서 XTS는 적은 물리적 장비로 더 많은 일을 함과 동시에 증가된 유연성으로 상당한 절약 잠재성을 제공한다.

XTS로 얻을 수 있는 이점은?

병 만드는 공장을 예로 들어보자. 기존 공장에서 필러(Filler)가 결함이 있을 때, 기계는 완전히 셧다운해야 한다. 예를 들어, 한밤중에 유지보수 기술자가 없거나 예비 부품이 없다면, 전체 생산 변화는 손실될 수 있다. XTS를 사용하면 소프트웨어 조정을 통해 이러한 문제를 쉽게 해결할 수 있다. XTS는 간단하게 병을 결함 있는 필러로 운송하는 것을 중지한다. 이것은 전체 생산성을 감소시키지만, 밤에 발생한 생산 변화는 80%를 여전히 유지할 수 있다.

또 다른 큰 이익은 기계 설치에 필요한 공간이 상당히 감소한다는 것이다. 예를 들어, 초콜릿 캔디바를 포장하는 데 요구되는 가속 및 감속 컨베이어 벨트를 보면, 그 가능성이 아주 명백하다. 캔디바가 꾸러미 밀봉 기계에 이송되기 전에 캔디바 사이의 일정한 거리를 유지하기 위해서는 기계적으로 복잡하고 공간을 많이 차지하며 값비싼 벨트가 요구된다. 동기화된 무버와 XTS 덕분에 컨베이어 벨트는 필요 없으며, 따라서 비용 및 설치 공간이 상당히 감소한다. 최대 50%까지 더 작은 기계로 고객은 더 많은 기계를 배치하기 위해 새로운 생산 영역을 만들 필요가 없거나 절약된 공간을 사용할 수 있다.

XTS가 혁명을 일으킬 수 있는 다른 포장 기능들이 있나?

XTS의 새로운 애플리케이션 아이디어를 계속 발견하려는 기계 제조사의 경우 사실상 아이디어에 제한이 없다. 그 예로 시퀀스 인피드(Infeed)에서 제품을 그룹화하기 위한 ‘멀티-트레인’ 기술을 꼽을 수 있다. 2개 이상의 컨베이어 벨트 또는 트레인을 사용할 때 하나의 특별한 문제는 개별 벨트를 위한 서보모터의 배치와 관련이 있다. 인피드 벨트의 양쪽에 모터를 탑재하는 것은 상대적으로 쉽지만, 3번째는 특히 작동 중인 컨베이어 벨트 가까이 배치될 수 없는 추가 케이블 때문에 더 어렵다. 따라서 XTS는 소위 멀티 트레인 기술의 재배치처럼 비약적인 발전이라 할 수 있다. XTS는 기계 애플리케이션 주위에 적절한 개수의 무버로 쉽게 구축될 수 있으며, 시스템 길이에 따라 1~2개의 케이블로 연결될 수 있다. 기계 엔지니어링이 줄어든다는 것 외에도 점점 더 요구되는 더 높은 기계 유연성 측면에서도 큰 이점이 있다. 소프트웨어 기능을 통해 기계 기능을 대신하기 때문에, XTS는 포장 유닛 사이의 간격을 다양하게 할 수 있다. 이것은 ‘One Item for Free’를 특징으로 하는 포장제품의 홍보 업무를 비약적으로 단순화시킨다. 예를 들어, 5번째 Bag이 혼합 허브(Blended Herb)의 4Bag 포장에 추가될 때, 기존 포장기계로는 엄청난 노력이 필요하다. 그에 반해, XTS에서 요구되는 모든 것은 5개의 Bag을 포장 스테이션에 보내기 위해서 4개의 무버 대신에 5개를 선택하기 위한 마우스 클릭뿐이다.

XTS는 고성능 EtherCAT 통신 없이는 생각할 수 없었을 것이다. EtherCAT이 포장 산업의 솔루션 전반에 걸쳐 얼마나 중요한가?

EtherCAT은 모션 제어 및 안전뿐 아니라, 속도 및 보편적 배치 측면에서 매우 중요한 구성요소다. 다른 한편으로 사용자들은 주파수 변환기, 밸브 터미널, 다른 제어 네트워크의 게이트웨이 및 우리의 광범위한 EtherCAT 포트폴리오 등을 폭넓게 선택할 수 있다는 사실에 매우 감사해하고 있다. 이 포트폴리오는 고성능 서보 드라이브 기술뿐만 아니라, 300개 이상의 다양한 EtherCAT 터미널 유형으로 구성돼 있다. 기계 제조사들은 어떤 특정 모듈이 요구되든, 다양한 EtherCAT 슬레이브 및 마스터 솔루션을 이용해 해결 가능하다는 것을 확신한다. 이는 거의 2,500개의 회원사들로 구성된 EtherCAT 테크놀로지 그룹이 세계의 가장 큰 필드버스 사용자 단체가 된 이유이기도 하다.

EtherCAT 기술은 기계 제조사 및 최종 사용자에게 어떤 특별한 이점을 제공하는가?

EtherCAT 및 XFC는 포장산업에서 요구되는 속도 및 정밀성의 관점에서 거대한 이점을 제공한다. XFC는 현대의 산업용 PC, EtherCAT 프로토콜, 초고속 EtherCAT 터미널 및 TwinCAT 자동화 소프트웨어로 구성된 최적화된 제어 및 통신 구조에 기반한다. 완벽히 통합되고 포괄적인 이 시스템은 100us 이하의 I/O 응답시간을 가능하게 하기 때문에 새로운 공정 최적화의 가능성을 열어 준다. EtherCAT 및 정밀 고속 제어기술은 기존 기술보다 포장이 더 정확하고 더 적은 원료로 생산되도록 한다. 게다가 포장되는 제품의 최소 필링 수준은 더 정확하고 반복적으로 충족될 수 있다. 최종 고객들에게는 큰 이점을, 그리고 기계 제조사에게는 훌륭한 매출을 제공하면서, 특히 고용량 포장제품에서 엄청난 비용을 절약할 수 있도록 한다.

순수한 데이터 전송 속도 이외에 EtherCAT의 다른 이점이 있나?

분산 클락 및 시간 스탬플링(Stampling) 기능은 중요한 이점들을 제공한다. 포장이 매우 중요한 종이 및 필름 처리 영역에서 이 기술들은 더 빠르고 더 정확한 프린트-마크(Print-mark) 인식을 가능하게 한다. 이것은 궁극적으로 더 작고 더 빠르며 더 정확한 기계의 제작을 가능하게 한다. 물론, 레이블은 포장에서 값비싼 구성요소다. 정밀하고 고품질로 이것이 적용되면, 전체 제품의 가치가 상승한다. 이 2가지 고성능 EtherCAT 기능은 종종 긴 포장 조립라인에 있어서 중요하다. 이전 이벤트, 심지어 더 긴 프로세스에 대한 아주 정밀한 반응은 타임-스탬프(Time-stamp)로 보완된 분산 클락 및 프로세스 데이터 덕분에 가능하다. 모두 동기적으로 작동해야 하는 5에서 20개의 서보 축을 가진 전형적인 포장기계에서 효율적이다. 여기서 EtherCAT의 분산 클락 및 시간-스탬프 기능은 상당한 이익을 제공한다.

포장산업의 기계 제조사들은 TwinCAT 3을 적용함으로써 어떤 이익을 얻게 되나?

TwinCAT 3은 멀티코어 기술 및 객체 지향 프로그래밍의 지원뿐 아니라, Visual Studio 소프트웨어 세트의 통합과 같은 몇 가지 주요한 이점들을 제공한다. 포장기계 제조사의 관점에서, C/C++ 및 Matlab/Simulink의 통합은 특히 중요하다. 예를 들어, Matlab/Simulink를 통해 이전에 실행한 시뮬레이션에서 XTS가 사용할 수 있는 해당 제어 코드가 쉽게 생성될 수 있다.

높은 수준의 C 언어를 사용할 수 있는 가능성은 기계 제조사에게는 또 다른 큰 장점이다. 드라이브 지향의 포장산업에서 특별한 모션 모듈은 많은 노력을 들이지 않고 직접 적용될 수 있는 C 언어로 종종 쓰인다.

갈수록 증가하는 다양성 때문에 포장기계는 단순한 작동을 필요로 하기도 한다. 현대 멀티터치 패널은 어떤 역할을 하는가?

멀티터치 기술은 포장산업에서 점점 더 많이 사용되고 있으며 요구되고 있다. Beckhoff는 광범위한 제품들 중 하나로 이 시장에서 유리한 위치를 차지하고 있다. 7인치에서 24인치까지 다양한 디스플레이의 새로운 제어 패널 및 패널 PC 시리즈 CP2xxx 및 CP3xxx는 알루미늄 하우징 채용으로 매우 견고해서 산업용으로 적합하다.

투영 정전용량 터치스크린(PCT) 기술 덕분에, 이 제품들은 심지어 얇은 작업 장갑으로도 정확하고 안전하며 부드러운 조작이 가능한 높은 터치 포인트 밀도를 가지고 있다. 스마트폰 및 터치패드에서 인기 있는 줌 기능이나 스크롤, 물체 회전과 같은 기능들이 산업 애플리케이션에서도 사용 가능하다. 풍부한 혁신 잠재성은 다섯 손가락 터치를 사용할 수 있는 능력 및 양손 조작을 특징으로 하는 자동화 솔루션에 달려 있다. 윈도(Window) 운영 시스템을 통해 한 번의 터치로 쉽게 전환되기 때문에, 새로운 패널은 높은 품질 및 최적의 가격 대비 성능으로 전통적인 운영 개념과 차별화된 장점을 제공한다.

가장 중요한 부분은 Beckhoff의 새로운 CP-Link 4 기술을 장착한 CP29xx-0010 및 CP39xx-0010 모델이다. 이것은 표준 CAT-7 케이블을 통해서 비디오 신호, USB 2.0 데이터 및 전원을 함께 전송하기 위한 One-cable 솔루션이다. 그 결과, 케이블 및 설치 비용이 상당히 줄어든다.

Beckhoff는 XTS를 통해 진정한 모션 선구자로 자리매김하고 있다. Beckhoff의 드라이브 기술 포트폴리오는 포장산업에 어떤 특별한 기능들을 제공하는가?

물론 포장산업은 드라이브 기술에 영향을 많이 받는다. 우리는 고성능 서보모터를 포함하는 광범위한 솔루션 포트폴리오로 이 시장 부문에서 유리한 위치에 있다. 두 가지 중요한 부분은 Beckhoff가 모션 제어를 얼마나 잘 이해하고 있는가를 보여준다. 이는 EL7201 서보모터 터미널 및 One Cable Technology(OCT)를 통해서 확인할 수 있다. 매우 다이내믹한 위치결정 작업을 위한 소형의 솔루션을 제공하면서, EL7201은 표준 12mm 너비의 터미널 하우징으로 200W까지 모터의 전체 서보 드라이브를 통합한다. 이 솔루션은 설치 공간 및 비용을 줄여줄 뿐 아니라, 배선 및 시운전을 단순화시킨다. 배선에 관해서 말하면, EL7201-0010 서보모터 터미널 버전은 표준 모터 케이블에 전원 및 피드백 시스템을 결합한 혁신적인 OCT를 지원한다. 모터와 컨트롤러 측의 케이블 및 커넥터가 제거될 수 있기 때문에, 재료 및 시운전 비용이 상당히 줄어든다.

AM8000 시리즈의 다이내믹한 서보모터에서도 해당 OCT 옵션을 제공하며, 네임플레이트(인코더에 모터의 모든 정보를 저장) 덕분에 더 쉬운 시운전이 가능하다. 그 외에 서보모터 터미널의 작동을 위한 보완적인 AM8100, 고관성의 애플리케이션에 적합한 AM8500 및 스테인리스 스틸 ‘위생 디자인’으로 된 AM8800이 있다.

FA Journal 김 미 선 기자 (fa@infothe.com)

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