산업용 사물인터넷 – 효과적인 공장 자동화 방법

생산 자동화에 관한 요구사항은 끊임없이 늘어나고 있습니다. 품질을 높이고 생산 효율을 높이려면 측정한 값을 더욱 신속하게 처리해야 합니다. 이때 중앙처리장치에 걸리는 부하를 줄이기 위해 산업용 시험 및 측정 장비 분야 등에서 사용되는 분산 지능(Decentralized Intelligence) 솔루션을 적용하고 있습니다. 과연 이 솔루션은 자동화에 큰 효과가 있을까요?

데이터 수집 장치는 우수한 성능, 높은 활용도 그리고 수월한 사용법 등이 뒷받침 되어야 합니다. 센서와 측정 시스템은 산업용 사물인터넷(IIoT)에서 빠질 수 없는 요소이며 생산성 향상의 열쇠이기도 합니다. 구성품, 생산 플랜트, 시험 시스템에서 획득한 데이터를 이용하여 역동적인 모델을 수립할 수 있고, 이 모델을 이용하여 최적화가 이루어집니다.

Old machines are being replaced and make room for new technologies...
On the road to Industrial Internet of Things, intelligent automation systems take over important tasks...
People are less involved in the production process - instead they monitor and make decisions. (All images courtesy of Darmstadt university.)

생산 자동화에 적합한 기술을 선택할 때 다음과 같은 기준이 결정적인 역할을 합니다.

Fast and accurate

다양한 요구사항을 만족시키기 위해 데이터 획득 시스템은 엄청난 속도로 진화하고 있습니다. 측정 데이터 획득, 추가 처리, 상위 컨트롤러에 대한 전송이 모두 점점 빠른 속도로 이루어지고 있습니다. 예를 들면 최대 19.2kHz 정도의 샘플링 속도는 이제 모든 채널에 대해 적용할 수 있습니다. 이 외에도 분해능이 24bit인 앰프를 이용함으로써, 정확도 등급이 0.05%인 매우 높은 수준의 측정 데이터 정밀도를 보장합니다.

Communicative

설정(configuration) 또는 가시화(visualization)에 사용되는 PC나 운영 장치와의 통신은 고속 이더넷(Fast Ethernet)을 통해 이루어집니다. 고속 이더넷을 이용하면 측정 데이터를 최대 100Mbit/s로 전송할 수 있습니다. 데이터 획득 시스템에는 USB 포트도 장착되어 있어, 설정을 USB에 저장하고 나중에 장치 백업 등을 위해 불러올 수 있습니다. 품질 데이터를 저장하기 위해 하드디스크나 바코드 리더와 같은 주변장치도 연결할 수 있으며, 이러한 데이터에 구성품 내역을 포함시킬 수도 있습니다.

Adaptable

활용도가 가장 중요합니다. 채널 개수와 인터페이스는 작업에 따라 달라집니다. 그렇기 때문에 최신형 앰프는 다양한 문제를 처리할 수 있도록 여러 플러그인 카드를 장착할 수 있는 메인 프레임으로 이루어져 있습니다. 첫 번째 슬롯은 상위 자동화 시스템과 통합시킬 수 있는 통신 카드용입니다. 나머지 슬롯에는 4채널 앰프를 끼우거나 입출력 카드를 조합할 수 있습니다.

HBM에는 스트레인 게이지(SG), 아날로그 입력 및 출력, 디지털 출력이 가능한 다양한 앰프 모듈이 있습니다. 이 앰프 모듈을 이용하여 힘, 토크, 압력, 스트레인, 온도 등 가장 중요한 물리량을 획득할 수 있습니다. 모든 모듈은 메인 프레임을 통해 전원이 공급됩니다.

 

 

Intelligent

산업용 시험 및 측정 장비는 자동화 시스템의 통신 프로토콜 안에 매끄럽게 통합되어야 합니다. 지난 몇 년 동안 데이터의 양과 속도에 관한 요구가 높아졌기 때문에 자동화 기술의 통신 프로토콜로서 산업용 이더넷이 점점 각광을 받게 되었습니다. 과거에는 CAN이나 Profibus와 같은 단순한 필드버스(fieldbus)를 사용했지만, 이제 데이터 획득 시스템은 많은 데이터를 고속으로 전송할 수 있는 실시간 이더넷 프로토콜 EtherCAT, Profinet 또는 Ethernet/IP 등을 지원해야 합니다.

앰프는 측정한 시그널을 이미 내부적으로 처리하고 실시간으로 분석할 수 있습니다. 그러므로 앰프는 평균 값 형성, 피크 값 획득, 기타 수학적 계산 등 비례적분미분(PID) 컨트롤러뿐만 아니라 상위 컨트롤러가 처리할 수도 있는 작업을 일부 처리할 수 있게 되었습니다.

데이터 획득 시스템이 제공하는 채널 이외에도, 사용자는 스스로 다룰 수 있는 소위 가상 계산 채널(virtual computed channel)도 갖고 있습니다. 강력한 시그널 프로세서의 도움을 받으면, 모든 측정 값과 가상 계산 채널에서 유도된 값을 실시간으로 최대 10kHz의 속도로 기계와 시스템 컨트롤러에 전송할 수 있습니다. 시험 및 측정 장비의 이러한 분산 지능은 고장 빈도와 컨트롤러에 가해지는 시스템 부하를 낮추고 높은 수준의 자동화를 달성하는 데 있어 매우 중요합니다.

 

 


분산형 측정 시스템이 특히 적합한 분야는?

HBM의 PMX와 같은 분산형 측정 시스템이 주로 적용되는 분야는 생산 분야, 즉 프레스 모니터링 등입니다. 타블렛 프레스와 파우더 프레스, 자동차 업계에서 사용하는 금속 판 프레스 등이 있습니다. 이 시스템은 조립과 결합 공정에 대한 모니터링에도 안성맞춤입니다.

크고 복잡한 기계와 플랜트는 특히 중요한 기계 파라미터를 자주 모니터링해야 합니다. 흔히 상태 모니터링(condition monitoring)이라고 부르는데, 이러한 모니터링을 하면 다운타임(downtime)이 최소화되어 생산 중단으로 인한 비용이 줄어듭니다. 분산형 측정 시스템은 보통 복잡한 구성품을 시험하여 최대 부하 수용 능력과 일일 사용 적합성을 확인하는 산업용 테스트 벤치에도 활용합니다. 여기에도 최근에 산업용 이더넷이 진가를 발휘했습니다. 생산 라인의 끝 부분에서 최종 제품의 품질을 검사하는 품질시험 벤치에도 적용됩니다. 여기에서 획득한 품질 데이터를 데이터베이스에 저장할 때에는 시험 및 측정 장비의 통신 아키텍처에 관련된 어려운 요구사항이 수반됩니다.

PMX
PMX Software

편리한 운용

시스템 운영자도 스마트 기기의 편리함을 알며 매일 사용하고 있습니다. 이제 현대의 앰프는 직관적인 소프트웨어와 기존에 스마트폰이나 태블릿에서만 가능했던 운영자 기술을 도입함으로써, 시험 및 측정 장비 분야에도 편리성을 더하고 있습니다. 표준화된 인터페이스를 이용하여, 인터넷에 연결되는 단말기를 통해 설정, 운영, 분석을 위한 모든 기기 파라미터에 편리하게 접근할 수 있습니다. 덕분에 사용자는 최대한 안전하게 투자하여 미래의 활용 가치를 확보할 수 있으며, 모바일 단말기나 클라우드를 통해 적용 내용을 감독할 수 있게 됩니다.

산업용 사물인터넷으로 가는 길

측정기기에서 나온 데이터를 스마트폰이나 태블릿을 이용하여 손쉽게 확인하고 회사 네트워크에서 스마트 테스트 벤치를 확인하거나 인터넷을 통해 원거리 풍력 발전기를 모니터링하는 등에 응용할 수 있습니다. 데이터를 단순히 보여주는 것뿐만 아니라, 공정을 정지시키거나 시작하는 등 사용자가 원거리에서 생산에 직접 개입할 수 있도록 제어 요소를 활용할 수 있습니다. 사용자는 이러한 기술을 이용하여 스마트 생산이 가진 장점을 최대한 활용할 수 있습니다.

 

• 생산 시스템이 자체적으로 조절하고 최적화하여 탈집중화 구현
• 개별 제품을 더욱 유연하게 생산함으로써, 한 배치 사이즈가 계열 생산에 비해 더 작아짐
• 집중적으로 모니터링하고 적용시킬 수 있는 스마트 생산 공정
• 생산에 활용하는 기계와 로봇에 대한 예측 정비
• 서비스 지향형 사업 모델 창조

결론

기업은 IIoT 기술을 활용함으로써 역동적인 시장의 변화와 한층 까다로워진 고객의 요구, 전 세계적인 경쟁을 이겨낼 수 있습니다. 스마트 네트워크에서 제품과 공정을 연결시키고 실시간으로 데이터를 확인하고 이용함으로써 분산된 생산 제어의 토대를 구축합니다. 결과적으로 생산의 유연성이 높아지고 경쟁력이 향상될 것입니다. 현대의 산업 환경에서 사용되는 시험 및 측정 기기에는 상위 자동화 솔루션에 가해지는 스트레스를 줄이기 위한 높은 샘플링 속도, 빠른 데이터 전송, 통합 지능(디지털 시그널 프로세서 DSP와 CPU) 등이 요구되고 있습니다.

실시간으로 운용할 수 있는 산업용 이더넷 프로토콜을 통한 통신과 많은 데이터 전송량도 점점 그 역할이 중요해지고 있습니다. PMX을 이용하면 이러한 요구에 전적으로 부합하는 데이터 획득 시스템을 구축할 수 있으며, 제품 개발과 시험에 사용되는 산업용 시험 및 측정 장비가 수행하는 많은 업무에 활용할 수 있습니다. PMX의 모든 측정 카드에는 기록을 위한 DAkks(독일 연방 국가 인증기관) 교정(calibration) 절차도 제공됩니다.