Beckhoff의 고성능 PC 제어기와 고속 EtherCAT
  • 월간 FA저널
  • 승인 2014.10.17 08:57
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제어 및 프로세스 엔지니어링에 활기를 불어넣다

엑시콘파워시스템즈(Aixcon Power Systems)는 설립 초기부터 Beckhoff의 자동화 기술을 사용하고 있다. 초창기 DOS 기반의 IP65 패널 PC와 Beckhoff의 S2000 제어 소프트웨어, Lightbus 필드버스 시스템을 시작으로, 현재 최신 산업용 컨트롤 캐비닛 PC C69xx 시리즈, 오퍼레이터 인터페이스 CP-Link 3, PLC와 모션 제어 플랫폼 TwinCAT 소프트웨어, I/O, 서보 드라이브, 모든 자동화 컴포넌트를 통합할 수 있는 EtherCAT 필드버스 등을 사용해 성능 향상 및 에너지 효율 등 다양한 이점을 누릴 수 있게 됐다.


편집자 주


엑시콘파워시스템즈는 파워 일렉트로닉스의 제어 기술로 유명한 회사다. 1994년에 설립된 이후 엑시콘 엔지니어들은 금속가공 분야의 용접 작업장과 반도체 산업의 마이크로웨이브 장비에 고성능 전력공급장치를 개발해 왔다. 또한 엑시콘은 복합 재료 파이프의 세로 심 용접기 같은 파워 일렉트로닉스 제품을 개발 및 생산한다.


독일 스톨베르크(Stolberg)에 위치한 이 회사는 설립 초기부터 Beckhoff의 자동화 기술을 사용해 왔다. 초창기 DOS 기반의 IP65 패널 PC와 Beckhoff의 S2000 제어 소프트웨어, Lightbus 필드버스 시스템 사용을 시작으로 혁신을 반복해, 현재 최신 산업용 컨트롤 캐비닛 PC C69xx 시리즈, 오퍼레이터 인터페이스 CP-Link 3, PLC와 모션 제어 플랫폼 TwinCAT 소프트웨어, I/O, 서보 드라이브, 모든 자동화 컴포넌트를 통합할 수 있는 EtherCAT 필드버스 등으로 대체하고 있다.


티타늄 단면의 히팅 제어를 위한 전력 공급

엑시콘은 현재 ‘Hot Stretcher’를 위한 전력공급 시스템 개발 및 생산에 애쓰고 있는데, 이것은 모든 면에서 도전이 되고 있다.


Hot Stretcher는 티타늄 부품이 재질 특성을 손상시키지 않고 기구와 열에 의해 형성되도록 하는 설비의 한 유형이다. Hot Stretcher에서는 부품이 고정돼 정확하게 정해진 온도곡선을 기반으로 가열 및 형성되며 냉각된다. 이 경우 명확한 사양이 지켜져야 하는데, 만약 그렇지 않으면 강도, 두께, 연성 같은 티타늄의 성질에 손상이 간다.


전기는 Hot Stretcher에 정해진 온도 프로파일에 맞게 가열하는데 사용된다. 약 4m의 길이와 약 50cm 단면을 가진 티타늄 부품에 60초 동안 620℃를 가하기 위해서는 약 1만7,320A 전류가 필요하다. 엑시콘은 이런 강력한 전류공급장치의 개발과 생산을 도맡아 하고 있다. 이 전력공급장치는 크기가 매우 인상적이다. 3개의 제어 캐비닛은 총 3,000A의 엄청난 전류 공급을 가능하게 한다. 각 캐비닛은 10개의 전력장치를 가지며, 각 장치들은 제어기와 333A를 가진 3개의 파워 트랜지스터 정류기를 가지고 있다. 이 시스템은 3상 480V/400A 전원을 사용한다.


혁신적인 자동화와 운영 개념

설비 자동화와 운영은 아래와 같이 많은 사양을 요구한다.

·개발, 파라미터화, 데이터베이스에 레시피(전류 곡선) 데이터 저장

·실제 프로세스 데이터 저장(품질 검증)

·전류 공급 제어기 설정값 제너레이터

·PLC에서 제어기로 설정값 실시간 전송

·프로세스 데이터의 빠른 온라인 HMI

·iPad와 iPhone 등을 위한 프로세스와 생산 데이터의 독립적인 HMI 플랫폼

이러한 요구사항들은 아래 컴포넌트를 이용해 혁신적인 자동화와 운영 개념을 구현할 수 있다.

·데이터베이스 서버

·C6920 산업용 PC와 TwinCAT PLC 소프트웨어

·EtherCAT 통신과 EtherCAT IO을 이용한 빠른 설정값, 실제 값 전송

·CP6202 패널 PC와 CP Link 3을 이용한 장비의 온라인 처리데이터 HMI 구현

·TwinCAT PLC Server와 데이터베이스 서버를 위한 웹 서버 구축

·Java Script로 만들어진 웹 기반의 독립적인 HMI 플랫폼


고성능 PC 제어와 혁신적인 HMI

TwinCAT PLC는 데이터베이스 서버에 저장된 레시피 데이터를 이용해 설정값을 제너레이팅한다. 엑시콘 제어기 보드에 데이터 전송, 온도, 상태, 시스템 제어 및 모니터링과 관련된 신호를 로그하기 위해 EtherCAT이 사용됐으며, 각 캐비닛에는 EtherCAT IO가 적용돼 있다. CP-Link 3 클라이언트를 통해 설비 내 CP6202가 설치된 모든 공간에서 온라인 HMI가 구현됐다. 이 기술은 과거 이미지 전달 방식인 DVI를 사용하지 않아 간섭이 없고, 설치가 쉬우며, Ethernet 케이블을 사용하므로 비용 효율적이다. 또한 몇 가지 옵션 기능을 추가적으로 사용할 수도 있다. 예를 들면, 서로 다른 해상도, 화면 크기 및 내용을 최대 9대의 PC 클라이언트에 연결할 수 있다. Hot Stretcher에 CP-Link 3 기술이 사용됨으로써 대형 설비 다른 한쪽 끝에 설치된 추가 CP 패널이 전류와 온도 제어 커브의 레시피, 단면 타입 등 특별한 상태진단을 목적으로 쓰이고 데이터베이스 서버에 관리된다. 또한 데이터베이스 서버는 관련된 프로세스와 생산 데이터의 보관 및 처리를 다룬다. 전체 설비 운영은 웹을 기반으로 두는데, 이것은 플랫폼이 독립되도록 구성돼 Windows PC, Linux, Apple의 iPad 또는 iPhone으로 설비 구동이 가능함을 의미한다.


데이터베이스와 TwinCAT PLC 소프트웨어 제어 시스템

HMI와 같이 화면 처리에 관한 통신은 자바 스크립트를 기반으로 한다. 이러한 시스템 구현을 위해서는 개별 웹 서버와 스크립트 DLL이 필요하며, TwinCAT PLC 변수에 접근할 수 있는 ADS 스크립트 DLL과 윈도우 인포메이션 서버(IIS)를 이용해 TwinCAT 소프트웨어 데이터를 처리한다.


메인 오퍼레이터 패널은 윈도우 운영체제 사용이 가능한 CP6202 패널 PC로 설비에 직접 설치돼 있다. 오늘날 모든 브라우저들은 자바를 지원하는데, 이것은 추가적인 소프트웨어가 필요없음을 의미하며, 이 브라우저들은 운영체제에 통합돼 HMI 프레임워크에서 사용될 수 있다. 이 오퍼레이터 단말기는 CP-Link 3과 Ethernet을 통해 TwinCAT PLC에 직접적으로 연결돼 프로세스 데이터의 빠른 온라인 HMI 표시를 위해 주로 사용된다. 게다가 권한을 가진 사용자들은 데이터베이스와 레시피에 접근이 가능하다. 품질 관련 데이터는 파일 보관을 할 수 있고, 진단 데이터는 데이터베이스 서버를 통해 접근이 가능하다.


iPad, iPhone과 같은 모바일 기기 또는 원거리 클라이언트 PC는 VPN을 통해 인터넷으로 라우트된다. 이 기기들은 자바 스크립트로 데이터베이스 컴퓨터의 웹 서버에 접근해 디스플레이에 필요한 데이터를 가져올 수 있다. 시스템 제어가 데이터베이스에 접근하는 것과 같은 방식으로, 역방향 라우트도 가능하다. 예를 들면, 생산 관리자는 데이터베이스에 저장된 생산 데이터를 볼 수 있을 뿐만 아니라, iPad와 같은 기기에서 전류, 온도 또는 설비 진단 데이터와 같은 현재 프로세스 값의 HMI 표시도 가능하다.


증가된 효율성은 향상된 절감 가능성의 결과

“우리가 개발한 전류공급장치는 성능, 제어 가능성과 에너지 효율에 새로운 기준을 세웠다.”


엑시콘의 경영진은 “과거에 사용된 단상 AC 공급장치의 효율은 약 60%였지만, 우리는 효율성을 98%까지 증가시킬 수 있었다”면서, “이는 환경을 위해 더 나을 뿐만 아니라, 실질적인 절감 가능성도 제시한다”고 말했다. 그는 “수년간 Beckhoff의 PC 기반 제어 기술은 서로 다른 수많은 요구사항을 가진 프로젝트 구현에 도움이 됐다”면서, “고성능 제어기와 고속 EtherCAT은 최적의 제어기술과 프로세스 엔지니어링 개발이 구현 가능하도록 했을 뿐 아니라, 개방적인 다양한 IO 인터페이스들은 독립적인 제어 플랫폼 개발을 가능하게 함으로써 우리 고객의 만족도를 한층 향상시켰다”고 덧붙였다.

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