식품 산업에서 사용되는 디지털 중량 측정 기술

스트레인 게이지 기반의 디지털 로드셀은 기존 일반 로드셀에 비해 견고하고, 내구성이 높으며 가격이 저렴하여 식품 산업에서 널리 사용되고 있습니다.

산업용 사물인터넷(the Industrial Internet of Things, IIoT)을 통해 제조 공정을 디지털화함으로써 식품 및 포장 산업의 효율과 생산성을 높일 수 있습니다. 특히 디지털 중량측정 기술을 통해 신속하고 정확하게 충진량을 확인하여 비용적으로 큰 이득을 얻을 수 있습니다. 상하이의 한 코코넛 우유 제조공장에서 확인된 바에 따르면 절감액이 연간 수백 만 유로에 달합니다. 센서 전자기기를 적용하고 단일한 플랫폼에 통합시킴으로써 기존의 아날로그식 중량측정 기술도 쉽고 확실하게 디지털화할 수 있습니다.

식품 및 포장 산업에 종사하는 기업은 EU의 사전포장 지침인 76/211/EEC를 준수해야 합니다. 독일의 사전포장 규정(§ 22 FPackV)에는 그러한 요구사항이 분명히 제시되어 있습니다. 즉 평균 충진량이 명목 사전포장 용량보다 적어서는 안됩니다. 그러므로 실제로 생산자는 항상 원하는 대로 채울 수는 있지만, 충진량이 표시된 양보다 적을 경우에는 심각한 문제가 발생합니다. 예를 들어, 초콜릿 바의 무게가 100g이라면 95.5g 미만인 초콜릿 바는 2% 미만이어야 하며, 91g 미만인 초콜릿 바는 없어야 합니다. 규정이 이렇게 엄격하기 때문에 대부분의 식품 생산자는 비용을 들여 더 많이 채우고 있습니다. 이럴 경우에는 많은 추가 비용이 발생하며, 특히 올리브유, 아이스크림, 화장품과 같이 고급 제품의 경우에는 그 비용이 막대합니다. 충진량이 미달인 제품은 반품되며, 이 경우에는 더 많은 비용과 절차, 부대 비용이 발생합니다. 더욱 정밀하고 신뢰성 있는 중량측정 기술을 충진·계량 단계와 같은 초기 단계 및 생산라인의 마지막 검량 단계 이전에 실시하여 문제를 방지할 수 있습니다.

디지털 중량 측정 기술이 필요한 산업용 사물인터넷

IIOT 분야는 특히 디지털 중량측정 기술을 적용하여 식품 및 포장 산업의 효율과 생산성을 크게 높일 수 있습니다. 그 이유는 정밀한 중량측정 기술을 적용하면 충진 공정의 생산성이 높아지고 과다 충진이 줄어들기 때문입니다. 강력한 포장 기계에서 로드 셀은 가장 중요한 구성품이며, 동적 중량측정과 포장 공정의 핵심이기도 합니다.

지금까지 검량기(checkweigher) 제조업체들은 전자기 힘 보상(EFC) 원리로 작동하는 로드 셀에 의존해 왔습니다. 이는 고정밀 스트레인 게이지(SG) 기술을 이용한 다른 로드 셀보다 압도적으로 많았습니다. 그러나 기존의 로드 셀은 가격이 높고 문제가 많았으며 사용법이 매우 복잡했습니다. HBM이 FIT7A와 같이 SG를 적용한 로드 셀을 지속적으로 개발해 온 이유가 바로 여기에 있습니다. HBM이 새로 개발한 로드 셀은 EFC 로드 셀에 비해 정밀하며, 측정 데이터를 빠르게 처리할 수 있을 뿐만 아니라 작동이 쉽고, 많은 비용을 절약할 수 있습니다.

FIT7A 로드 셀은 검량을 위해 최적화된 로드 셀입니다. FIT7A 로드 셀은 고유 공명 주파수가 매우 높기 때문에 설정 시간이 대단히 빠릅니다. 전원을 켠 후 작동하기까지 거의 시간이 걸리지 않으며, 24비트 아날로그 대 디지털 컨버터(analog-to-digital converter)와 캐리어 주파수(carrier frequency)를 활용하여, 노이즈가 낮고 분해능이 높은 측정 값을 제공합니다. 동적 측정 값을 확인하기 위한 내장 필터와 프로세스 등, 로드 셀에는 동적 중량측정에 필요한 모든 기능이 탑재되어 있으며 별도의 PLC와 중량측정 기기가 필요하지 않습니다. 따라서 FIT7A 로드 셀이 장착된 검량기의 표준편차는 명목 무게 10kg당 0.1g에 불과합니다. 검량기의 디자인과 명목 무게에 따라, 1분당 100~400회 측정할 수 있습니다.

기존의 EFC 로드셀 대비한 디지털 로드셀의 장점 :

  • EFC 로드 셀 사용시 고정밀 계측분야에 적용하면, 산출량을 높이고 과다 충진을 낮추어 비용 절감이 가능합니다.
  • 내부 필터 및 입출력이 있기 때문에 추가로 PLC를 사용할 필요가 없습니다.
  • 견고한 설계로 고장이 줄어듭니다.
  • 플러그가 있어 빠르고 쉽게 교체할 수 있습니다.
  • 물리적 힘에 의해 로드 셀이 손상되지 않도록 방지할 수 있는 과부하 보호장치가 내장되어 있습니다.
  • 능동적으로 온도를 조정하기 때문에 온도 변화가 적고, 전원을 켠 후에 즉시 작동합니다.

충진 원리의 장점

디지털 로드 셀을 사용하면 식품 생산자도 중량측정 충진 원리를 적용할 수 있습니다. 부피를 이용한 방식(유동 측정) 또는 충진 높이를 이용한 방식에 비해 충진 결과가 훨씬 정확합니다. 중량측정 충진 원리는 특히 높은 정확도를 요구하거나 미생물에 민감한 제품을 충진할 경우에 매우 우수한 결과를 얻을 수 있습니다. 용기 부피의 공차와 제품의 다양한 물성(입자 비율, 점성도, 전도도, 가스 방울 수)이 충진 결과에 영향을 미치지 않기 때문입니다. 중량을 통해 충진 공정을 제어하면, 센서가 충진 제품에 접촉되지 않으므로 최상의 위생 조건을 갖출 수 있고, 외래 입자도 줄어들게 됩니다.

모든 로드 셀을 위한 단일 디지털 플랫폼

HBM은 중량측정 충진 원리를 적용한 아날로그 로드 셀과 디지털 로드 셀을 사용자 친화적인 최적의 방식으로 기계와 프로세스에 통합되기 위한 디지털 플랫폼으로서 PanelX 소프트웨어를 개발하였습니다. 사용자는 작동 중인 검량기(checkweigher), 분배기(dosing system), 멀티헤드 컴비네이션 저울(multi-head combination weigher) 등의 중량측정 시스템을 PanelX에 신속히 연결할 수 있습니다. 통일된 명령 세트를 이용하여 쉽게 다양한 SG 적용 로드 셀을 설정할 수 있어, 비용과 수고, 오차 가능성을 크게 줄일 수 있습니다. 또한 로드 셀과 중량측정 기기에 디지털 입출력(I/O) 기능이 있어 PLC가 더 이상 필요하지 않습니다. 만약 그래도 제어기를 사용해야 한다면, PanelX의 명령 세트를 PLC로 전송할 수도 있습니다.  

PanelX의 또 다른 장점은 주파수 분석과 같은 폭넓은 분석 기능뿐만 아니라 측정치와 제어 신호를 시각적으로 보여준다는 점입니다. 분석 기능은 유지보수와 정비에 유용하며, 로드 셀 자체에 의해 유발되지는 않지만 측정에서 확인할 수 있는 고장이 발생한 경우에 오류를 확인할 때에도 유용합니다. 기능, 인터페이스, 명령 세트에 관한 많은 온라인 도움말이 웹 브라우저를 통해 소프트웨어에 내장되어 있습니다. PanelX의 사용자 인터페이스는 직관적으로 되어 있어서 시간과 비용을 절약할 수 있습니다. 또한 소프트웨어를 통해 중량측정 기술을 최적화할 수 있기 때문에 전반적인 작업 효율이 높아지게 됩니다.

아날로그 로드 셀의 디지털화

PanelX를 이용하여 많은 로드 셀을 설정하고 감시할 수 있습니다. 거의 모든 응용분야에서 적절한 디지털 및 아날로그 SG 적용 로드 셀을 설정하고 감시할 수 있습니다. 유럽식품위생표준(EHEDG) 인증 제품인 아날로그 로드 셀 PW27도 여기에 해당됩니다. 음료, 식품, 제약, 바이오 산업에 맞게 특별히 제작된 중량측정 시스템입니다. 식품에 사용할 수 있는 스테인리스 스틸로 제작된 밀봉형(hermetically sealed) 로드 셀(IP68/IP69K)은 식품 산업의 다양한 세척 방식에 대응 가능하며, 로드 셀 표면이나 측정체(measuring body)에 세제 잔류물이 남지 않도록 설계되어 있습니다.

또한 HBM은 아날로그 로드 셀을 이용한 디지털화의 장점을 활용하기 위해 PAD 디지털 센서 전자기기를 개발하였습니다. 기능은 FIT5A와 FIT7A 디지털 로드 셀의 기능과 거의 동일합니다. PAD를 모든 아날로그 로드 셀에 연결할 수 있습니다. 예를 들면, 위생 로드 셀 PW25 또는 밀봉형 중대형(heavy duty) 로드 셀 PW29와 PAD를 디지털화하고 PanelX를 이용하여 설정할 수 있습니다. 작고 견고한 스테인리스 스틸제 인클로저가 PAD를 액체와 악조건으로부터 보호하며, 장비보호수준은 IP68/IP69K에 달합니다. PAD는 측정된 값의 분해능이 2mV/V에 대해 5,120,000자리 수에 이르고, 선택형 또는 자동형 필터를 이용해 완벽한 측정 신호를 조절함으로써, 강한 진동이 있어도 정확하게 작동합니다. 센서 전자기기는 RS485와 CANopen 인터페이스를 이용하여 다양한 시스템 환경에 손쉽게 통합할 수 있습니다.

PAD를 사용하여 제공된 PanelX 플랫폼에 통합함으로써 아날로그 로드 셀은 디지털화의 모든 장점을 갖출 수 있습니다. 동적 충진과 열악한 조건에서 이루어지는 분배를 육안으로 확인하고 분석할 수 있으며, 필요한 경우에는 공정 중에도 즉시 재조절할 수 있습니다. PAD는 IIOT에서 아날로그 힘 센서와 로드 셀을 위한 ‘플러그 앤 플레이’식 연결을 제공합니다.

디지털 중량측정 기술의 실제 적용

다음 프랑스와 중국의 2가지 예에서 디지털 무게측정 기술을 어떻게 효율적이고 생산적으로 운영하고 상당한 비용을 절약하는지 알 수 있습니다.

중국의 기계 제조업체인 베스트 크라운(Best Crown)사는 고객사인 상하이 데어리 밀크(Shanghai Dairy Milk)사에 납품할 코코넛 우유 제조용 로터리 필러(rotary filler)에 FIT5A 디지털 로드 셀을 장착하였습니다. 중량측정 충진 공정의 매우 높은 정밀성을 통해 이 업체는 안전 과다 충진(safety overfilling)을 병당 몇 그램으로 줄일 수 있었습니다. 일일 생산량이 약 100,000병인데, 코코넛 우유 제조업체인 상하이 데어리 밀크사는 이를 통해 매년 수백 만 유로를 절약할 수 있게 되었습니다.

프랑스의 분배기 전문업체인 MCPI와 식품기계 전문업체인 장 마르크 뒤몽(Jean Marc Dumont)사는 매우 강력한 검량기를 개발하기 위해 공동으로 파인 스펙트(Fine-Spect)사를 설립하였습니다. SG를 적용한 로드 셀 FIT7A를 장착한 이 검량기는 완전히 거품으로 덮여 있거나 강한 물 줄기로 세척하는 등 식품 산업의 특수한 요구조건을 충족하고 있습니다. FIT7A는 장비보호수준이 IP86이고 방수 위생 플러그를 갖추고 있어, 이러한 요구조건을 충족하기 위한 최적의 환경을 제공하고 있습니다.

디지털 중량측정 기술은 생산성 향상의 열쇠

실제 사례에 확인한 바와 같이 식품과 포장 산업은 IIOT와 그에 따른 중량측정 기술의 디지털화를 통해 많은 이득을 얻을 수 있습니다. 디지털 SG 적용 로드 셀은 이제 정밀도 면에서 EFC 로드 셀과 비슷한 수준이며, 가격이 저렴하고 견고하며 설치가 쉽다는 등의 장점이 있습니다. 균일하며 직관적으로 작동할 수 있는 디지털 플랫폼을 이용하여 디지털 로드 셀을 손쉽게 설정할 수 있을 뿐만 아니라 센서 전자기기를 통해 아날로그 로드 셀도 디지털화할 수 있습니다(위생 요건이 높은 구역에 필요). 따라서 디지털 중량측정 기술을 식품 산업의 충진 공정 중이나 공정 말기에 거의 모두 사용할 수 있게 되었고, 필요한 경우에는 공정을 다시 조정할 수 있게 되었습니다. SG 적용 중량측정 기술은 EFC 기술에 비해 상당히 적은 비용으로 매우 높은 효율과 생산성을 얻을 수 있습니다.

“시간과 수고, 비용을 절약합니다”

견고함, 정밀성, 높은 위생 능력을 갖춘 디지털 SG 적용 중량측정 기술은 EFC 로드 셀의 대안일 뿐만 아니라 이미 많은 응용분야에서 두각을 나타내고 있습니다. 다음 한 가지만은 분명합니다. 디지털 SG 적용 중량측정 기술을 이용하면 회사의 시간과 수고, 비용이 절약된다는 점입니다.  

HBM 중량측정 기술 및 OEM 센서 분야 국제 제품 매니저