[A-note] Beckhoff, PC 기반 제어 기술로 단결정 용광로 경쟁력 강화

[인더스트리뉴스 최종윤 기자] 중국 저장성에 본사를 둔 태양광 및 반도체 장비 전문기업 Jingsheng Mechanical & Electrical(JSG)가 Beckhoff의 PC 기반 제어 플랫폼을 도입하며 단결정 용광로의 제어 효율과 유연성을 크게 향상시켰다.

기존에는 공정 제어와 온도 제어를 별도의 시스템으로 운용했으나, Beckhoff의 통합 제어 기술로 전환하면서 비용 절감과 확장성, 그리고 고객 IP 보호를 동시에 달성했다.

기존 PLC 제어의 한계를 넘어선 통합 자동화 플랫폼

JSG는 반도체 및 태양광 산업용 장비를 전 세계에 공급하는 선도기업이다. 다년간의 기술 축적을 통해 단결정 제조 장비 분야에서 입지를 강화해왔다.

그러나 내부적으로는 단결정 용광로 자동화를 위해 기존의 PLC와 온도 제어 시스템을 병행해 사용해 오면서 문제가 제기돼 왔다.

온도 제어 시스템은 기능이 제한적이었고, PLC와 함께 사용할 경우 전체 시스템의 유연성이 크게 떨어졌다.

이에 JSG는 Beckhoff의 임베디드 PC, TwinCAT 자동화 소프트웨어, EtherCAT 터미널로 구성된 통합 제어 플랫폼을 채택했다.

기존 이중구조를 하나로 통합해 실시간 데이터 처리와 공정 정밀 제어를 가능하게 했으며, 생산 효율성은 물론 유지보수 편의성도 크게 높였다.

JSG 왕(Wang) 수석매니저는 “Beckhoff의 TwinCAT 소프트웨어는 완성도가 높고 현장에서 검증된 솔루션이며, 유연한 프로그래밍 구조를 통해 대규모 데이터를 손쉽게 처리할 수 있다”며, “PC 기반 제어 아키텍처를 통해 MES 시스템과의 연동도 간단히 구현할 수 있어 생산과 경영 시스템 간 데이터 교환 효율이 향상됐다”고 평가했다.

장시간 공정에서도 안정적 성능 유지

단결정 실리콘 제조는 용융된 실리콘에 시드 크리스털(seed crystal)을 천천히 인출해 균일한 결정 기둥(ingot)을 성장시키는 과정으로, 정밀한 온도 제어와 안정적 공정 제어가 필수적이다.

수일에서 보름 이상 이어지는 공정 동안 온도 편차가 발생하면 다결정 물질이 형성돼 구조적 결함을 초래할 수 있다.

장시간 동안의 정밀한 순차 제어와 안정적인 공정 제어, 온도 제어는 필수적이다.

동시에 지속적인 용광로 운영을 위해서는 제어 시스테이 대량의 데이터도 처리할 수 있어야 한다.

이러한 공정 환경에서 Beckhoff의 CX 시리즈 임베디드 PC 컨트롤러는 탁월한 안정성을 발휘했다.

JSG는 초기 CX1030 모델을 적용한 이후, 프로젝트 요구에 따라 CX9020 또는 CX8080으로 업그레이드했다.

새로운 CPU 세대에서도 동일 컨트롤러를 지속 활용할 수 있어, 생산 효율을 유지하면서도 투자비 절감과 성능 확장성을 동시에 확보했다.

JSG는 주로 TwinCAT2 제어 소프트웨어를 사용하지만, 확장된 기능이 필요한 경우 TwinCAT3로도 쉽게 전환할 수 있다.

제어 프로젝트를 마이그레이션할 때도 코드 자체만 약간 변경해 간단히 확장 및 업그레이드할 수 있다.

EtherCAT으로 구현한 유연한 시스템 구성

JSG의 단결정 용광로는 EtherCAT 기반 실시간 데이터 통신을 통해 정밀한 공정 제어를 수행한다.

왕 수석매니저는 “EtherCAT 분산 I/O 모듈은 자유로운 토폴로지 구성과 폭넓은 설정 옵션을 제공해 프로젝트별 요구에 유연하게 대응할 수 있었다”고 말했다.

EtherCAT은 별도의 스위치나 액티브 네트워크 장비가 필요 없어 하드웨어 비용 절감과 배선 단순화가 가능하며, 시운전 과정도 간소화할 수 있다.

또한 Beckhoff의 EtherCAT 터미널은 타 제조사의 슬레이브 장치와도 호환되어, 다양한 장비 구성이 필요한 제조 환경에서도 성능 저하 없는 통합 운영을 실현했다.

TwinCAT의 모듈형 구조로 고객 IP 보호

단결정로 제어의 핵심은 고도화된 온도 제어 알고리즘이며, 이는 제조사의 중요한 지적 자산이다.

Beckhoff의 TwinCAT 모듈형 아키텍처는 제어 프로그램을 우선순위에 따라 여러 개의 하위 태스크로 분리하고, 각각을 독립적으로 실행할 수 있어 보안성과 유지보수성을 모두 확보한다.

변수 매핑을 통해 서로 다른 하위 태스크 프로그램간 데이터 교환도 가능하고, 각 개별 테스크는 TwinCAT에 의해 런타임 중 실행된다.

JSG는 멀티 PLC 태스크 처리 방식을 채택해 핵심 알고리즘을 단일 PLC 프로그램으로 통합했다.

또 핵심 알고리즘의 보안을 위해 해당 프로그램을 디컴파일이 불가능한 바이너리 코드 형태로 저장했다.

컨트롤러에 단순히 복사하는 방식으로 프로그램을 설치할 수 있어, IP 보호와 현장 배포 효율성을 모두 달성했다.

개방형 아키텍처 기반 5세대 단결정 용광로

최근 JSG는 Beckhoff의 개방형 플랫폼을 기반으로 한 5세대 단결정 용광로를 선보였다.

왕 수석매니저는 “이번 세대의 가장 큰 변화는 폐쇄형 제어 모델에서 개방형 소프트웨어 아키텍처로 전환했다는 점”이라며, “TwinCAT Automation Interface를 활용해 고급 언어 프로그래밍으로 TwinCAT XAE 구성을 자동 생성할 수 있다”고 설명했다.

이를 통해 고객은 자사 공정 노하우를 소프트웨어 모듈화하여 맞춤형 프로세스를 구현하고, 기술 자산을 보호하면서 혁신 역량을 내재화할 수 있다.

결국 Beckhoff의 PC 기반 제어 기술과 TwinCAT 소프트웨어는 JSG가 공정 효율, 품질 안정성, IP 보안을 동시에 확보하는 스마트제조 경쟁력의 핵심 인프라로 자리 잡았다.