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지능형 모터 제어와 네트워크 통합 기능

최근의 조사 연구에 따르면 성능과 보호기능, 사용의 편리성(모터설치와 프로그래밍, 고장 수리) 이라는 3개의 속성이 모터 컨트롤 기기를 선택하는데 가장 중요한 역할을 하는 것으로 나타났다. 이러한 지능형 모터 제어는 새로운 모터 보호 기능과 유연한 산업용 네트워크와의 통합을 통해 실현된다.

전 세계 제조업체는 모터 성능을 향상시키고 전력 소비량을 줄이며, 모터 투자를 보호하기 위하여 노력해왔다. 수 년 동안, 전통적인 수동 모터 컨트롤 기기는 단락 보호와 분리, 스위칭, 부하 보호 등 단순한 기능만을 효율적으로 제공해 왔다. 그러나 차세대 모터 컨트롤 컴포넌트와 시스템은 앞선 성능과 보호, 사용의 편리성을 갖추고 있다. 네트워크 환경에서 모터 컨트롤과 보호 기능을 통합하여 내장형 지능을 갖춘 최신 컨트롤 기기는 모터 스타터와 릴레이가 정보를 교환할 수 있게 하며 내장형 고장 진단과 다운 타임 전 경고 기능, 신속한 트러블 슈팅등 다양한 혜택을 모터에 제공한다.

종래의 모터 컨트롤 기기를 한 차원 높여주는 로크웰 오토메이션의 전략을 “인텔리전트 모터 컨트롤”이라고 한다. 이 전략은 데이터 중심의 모터 컨트롤 솔루션을 단일 제어 플랫폼인 Logix와 Factory Talk 제조 소프트웨어 제품 및 서비스를 토대로 한 통합 아키텍처와 연결하여 제조업체가 다운 타임을 예측/예방하고 컨트롤과 모터 효율성을 최대화하며 용이한 시운전과 작동을 하게 하여 사용자의 요구사항을 충족시킨다.

신뢰성 있는 제어

드라이브와 소프트 스타터, 전자 부하 릴레이에 이르는 로크웰 오토메이션 모터 컨트롤 제품은 저압에서부터 최대 34,000 마력에 달하는 고압 애플리케이션에 이르는 다양한 애플리케이션에 강력한 보호 기능을 제공한다. 모터를 최대 속도로 가동하고 모터와 기타 기계적 부품상의 마모를 최소화하며 자동화 장비를 보호하는 것은 주요 모터 컨트롤 기능이다.

효율적인 모터 운영은 적절한 모터 컨트롤을 선택하는 데서 출발한다. 로크웰 오토메이션의 애플리케이션 엔지니어인 Gary Woltersdorf씨에 따르면 전전압 기동기는 모터를 켜거나 끄기 위하여 고정 속도 애플리케이션에 사용된다. 소프트 스타터는 모터를 초기 토크에서 충분한 전압까지 증가시셔 고정 속도 애플리케이션에 보다 많은 유연성을 제공한다. 가변 주파수 드라이브는 제로(0)에서 정격 속도까지 일부 애플리케이션에서 기초 모터 속도 동작 이상으로 속도 제어 기능을 제공한다. 전전압 기동기용 모터 과부하 기기는 모터가 설계 한계 이상의 수준에서 작동하지 않도록 보호한다. 이 기기는 AC 모터의 3개 위상에서 모두 모터 전류를 지속적으로 감시한다. 과부하 트립(trip) 능력에 추가하여 위상 손실과 접지 고장, 엔진 정지, 전류 불균형 등을 포함하여 여러 가지 비정상적 조건은 장비를 보호하기 위하여 검출된다. 또한 지능형 과부하 기기들이 네트워크로 연결 되기 때문에 비정상적인 조건에 대한 조치는 실시간으로 실행된다.

로크웰 오토메이션의 스마트 모터 컨트롤러(SMC)는 AC 유도 모터의 충분한 전압 시동으로 인하여 발생한 기계적 마모를 최소화하며 시스템 수명을 보다 연장시키고 유입 전류로 인한 라인 교란을 제한할 수 있다. 모터 권선 장비와 보호 수준이 향상된 자재를 통해 다운 타임이 절감된다.

SMC는 프로세스를 최적화하기 위하여 지능을 제공한다. 고장/경고 데이터가 이용 가능하기 때문에 작업자는 장비 손상을 방지하기 위한 사전 조치를 신속하게 취할 수 있다. 또한 부하 프로파일은 정상 조건을 모델화하기 위하여 개발되고 정보는 유지 보수 스케줄링을 지원하기 위하여 사용된다.

가변 속도 드라이브는 다양한 컨트롤 요구 사항을 지정한다. 가장 단순한 애플리케이션을 지원하는 volt/Hz 제어에서부터 복잡한 토크 및 포지셔닝 기능을 요하는 어려운 애플리케이션까지 모두 지원한다.

저압에서 고압에 이르는 PowerFlex 제품군은 이러한 유연성을 제공한다. PowerFlex 인버터는 통합된 공장 자동화 시스템에 연결이 가능하고 통합 아키텍처의 이점을 공유하며 절감 결과를 정확하게 감시한다.

“체인 컨베이어처럼 기계 부하를 공유하기 위하여 다수의 모터를 사용할 경우, 각 드라이브의 네트워크 연결을 통해 속도 및 토크 신호가 하나의 드라이브에서 다음 드라이브로 신속하게 전달됩니다. 각각의 드라이브는 정보를 처리하며 각 모터가 지정된 방식으로 체인을 이동하기 위하여 필요한 속도 또는 토크를 제공하도록 빠르게 조치를 취합니다.”라고 Woltersdorf씨는 설명한다.

“부하 상태는 기계 고장으로 인해 발생할 수 있는 자동화 오일 디스펜서 오작동과 같은 비정상적 조건을 감지하기 위하여 모니터 되며 임계 값이 설정되고 손상이 발생하기 전에 시정 조치를 취할 수 있습니다.”고 부연 설명한다.

“네트워크가 연결되지 않은 상태에서는 시스템을 보호하기 위하여 필요한 정보에 접속할 수 없습니다. 지능형 드라이브는 가장 유연성 있는 모터 컨트롤을 기능을 제공하며 네트워크 연결은 전체적인 프로세스 성능을 향상시키기 위하여 필요한 데이터를 제공합니다.”

투자 보호

제조업체는 생산 요구 사항을 충족시킬 수 있는 능력과 더불어 효율적으로 작동하는 모터에 의존한다. 인텔리전트 모터 컨트롤 솔루션을 실행하여 제조업체는 트러블슈팅 시간을 가속화하고 유지 보수 비용을 절감하며 자동화 관련 투자를 보다 효율적으로 보호할 수 있다.

전체 부하 보호 릴레이 등과 같은 지능형 컨트롤 기기는 고장으로 초래된 모터 가열 시 효과를 모델화하기 위하여 전압 및 전류 등의 정보를 측정하고 수집하기 때문에 모터 수명을 증가시킨다. 예측 경보는 발생하기 전에 고장 상태를 식별하고 장비 작업자에게 경보를 제공하여 모터 수명을 연장한다.

지능형 제품은 고장과 모터 상태, 실시간 프로세스 상태를 포착하여 보고한다. 이를 활용하여 제조업체는 컴퓨터 또는 PAC(Programmable Automation Controller)를 사용하여 데이터를 기록하고 동향 파악을 할 수 있기 때문에 플랜트 가동 시간을 증가시키기 위한 보다 포괄적이고 예측 가능한 유지보수 스케줄을 수립할 수 있다.

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인텔리전트 모터 컨트롤의 또 다른 이점은 유지 보수 비용 절감이다. 지능형 기기에 무슨 일이 발생했으며, 발생한 장소, 발생 원인을 작업자에게 알려줄 수 있기 때문에 제조업체는 시스템 고장 수리와 관련된 시간을 절감할 수 있다.

사용자 편의성

인텔리전트 모터 컨트롤 솔루션은 공통적인 프로그래밍 툴 및 인터페이스 사용으로 손쉽게 실행하고 사용할 수 있다. 내장된 스타트 업 루틴과 평이한 파라미터 이름, 논리적인 파라미터 배열을 통해 프로그래밍 및 고장 수리 시간을 줄이고 보다 신속한 실행을 가능하게 한다.

스타트업 마법사와 온라인 컨트롤 블록 도면은 로크웰 오토메이션 소프트웨어에 장착되어 있고 이러한 특성은 모터 컨트롤 기기의 시동과 트러블 슈팅, 감시를 용이하게 한다.

네트워크의 이점

인텔리전트 모터 컨트롤의 능력은 네트워크 통신을 이용할 수 있는 능력에 달려 있다. 네트워크가 구현된 공장은 제조업체가 운영과 관련하여 최선의 결정을 내리기 위하여 필요한 정보에 접근할 수 있게 하여 의사 결정을 신속하게 내릴 수 있다.

로크웰 오토메이션의 제품 담당자인 Kevin Retlich씨는“NetLinx 아키텍처는 다양한 수준으로 제조업계 전반에 걸쳐 개방형 연결성을 제공합니다. 단순한 시스템의 경우 DeviceNet은 제조업체가 중앙 위치에서 장비를 감시하고 진단할 수 있게 하며 I/O 기기와 전자 과부하, 회로 차단기, 출력 감시 및 컨트롤 장비 등과 같은 제품이 네트워크에 곧바로 플러그 인 될 수 있게 합니다. 모터 컨트롤을 네트워크에 연결하여 단일 기기를 감시하기보다는 다양한 프로세스 부품간의 상호 작용을 비교 관찰할 수 있습니다.”라고 말한다. 이러한 능력을 활용하여 사용자는 모터 컨트롤을 개별 컴포넌트가 아닌 하나의 시스템으로 볼 수 있다.

DeviceNet은 단순한 산업용 통신 네트워크 그 이상이다. 이는 다양한 인텔리전트 모터 컨트롤 제품에 여러 가지 기능을 장착하여 부가가치를 제공한다. 예를 들어, DeviceNet은 출력을 컨트롤하고 지능형 기기상의 상태 정보를 관리하는 기능인 DeviceLogix을 특징으로 한다. 네트워크 환경에서 이러한 지능형 기기는 PLC에 정보를 환원하기 보다는 기능 및 로직을 논리적으로 처리할 수 있다. 이를 통해 액추에이션 출력과 전반적인 네트워크 트래픽 감소, 간편해진 프로그래밍, 처리 연속성 및 다운타임에서의 로컬 네트워킹 이중화를 지원 한다.

DeviceNet의 강점은 자동 기기 교체(ADR) 애플리케이션에서 볼 수 있으며 교체된 컴포넌트는 정확하게 프로세서와 동일하게 작동하도록 자동으로 설정된다. Network DeviceNet PLC 스캐너는 기기 설정을 저장하고 원본 파라미터를 교체된 기기에 다운로드하며 다운 타임을 크게 감소시키고 작동 성능에서의 손실을 최소화한다.

시스템이 보다 복잡해짐에 따라 ControlNet과 EtherNet/IP은 대규모 솔루션을 만들기 위하여 DeviceNet과 완전하게 통합되고 필요성이 커짐에 따라 네트워크 아키텍처도 증가한다. 전통적인 컨트롤 아키텍처와는 달리 로크웰 오토메이션의 통합 아키텍처는 크고 작은 전반적인 공장 자동화 애플리케이션에 대한 단일 컨트롤 인프라를 제공한다.
통합 아키텍처를 활용하여 정보를 필요로 하는 각 애플리케이션을 통해 상주하는 곳에 관계 없이 데이터를 접속할 수 있다. 플랜트 성능과 신뢰성을 최적화하기 위하여 다양한 소프트웨어 애플리케이션을 활용하여 기업 차원에서 데이터를 공유할 수 있다.

또한 통합 아키텍처는 기본적 전자/기계 장치를 내장하고 있는 캐비닛으로서의 레거시(legacy) 역할을 해오다가 점차 스마트 모터 컨트롤과 가변 주파수 드라이브, PLC를 포함하는 자동화의 중심 역할을 하게 된 모터 컨트롤 센터(MCC)의 배치에 중요한 역할을 한다. MCC는 인텔리전트 모터 컨트롤 제품과 플랜트 전반에 걸친 고속 네트워크, 데이터를 모니터하고 예방 보전을 위해 소프트웨어를 결합한다.

지능형 기기 파라미터는 네트워크를 통해 열람, 개정될 수 있으며 제품 교환 시 소요 시간을 절약할 수 있다. 첨단 진단 기능을 활용하여 임박한 고장 상태를 예측/예방할 수 있으며 다운타임을 최소화하고 제품 품질을 향상시켜 안전성을 향상한다.

전반적으로 데이터 중심의 모터 컨트롤은 모터 시스템 정보에 대한 접근이 용이하며 모터 성능을 향상시키고 모터 관련 투자를 보호하도록 지원한다.

제조 프로세스에 대한 보다 나은 지식과 보다 많은 컨트롤 능력은 작동 수준을 향상시키고 비용을 감소시키며 시장 출시 시간을 단축시킨다.

그림 1. 로크웰 오토메이션 인텔리전트 모터 컨트롤 전략은 단일 컨트롤 인프라를 사용하여 데이터 중심의 모터 컨트롤 솔루션과 모터 보호 기능을 연결한다.

그림 2. DeviceNet은 제조업체가 중앙 위치에서 장비를 감시하고 진단할 수 있게 하며 I/O 기기와 전자 과부하, 회로 차단기, 출력 감시 및 컨트롤 장비 등과 같은 제품이 네트워크에 곧바로 플러그 인 될 수 있게 한다.


통신 시스템과 스마트 진단 기능을 가진 프로세스 제어 애플리케이션

미국 아리조나 주 클라크데일에 기반을 두고 있는 Phoenix 시멘트 회사는 작업장의 현대화 작업에 착수했다. 1959년에 최초로 설립된 후, 플랜트는 1990년대 초까지 연간 약 650,000톤에 달하는 최대 정격 용량에 도달했다.

이 회사는 5단계 예열기와 2차 연소실, 수직 원료 혼합 실, 65% 이상 증가한 110만톤 이상의 연간 처리 용량을 가진 수직 시멘트 마감재 혼합 실을 갖춘 고급 퀼른(Kiln) 라인을 설립하기 위하여 1998년부터 본격적인 논의에 들어갔다.

“가장 중요한 문제는 높은 신뢰성과 시스템 프로그램 유연성이라는 플랜트 목표를 달성하고 가능한 한 많은 장비 운용 정보를 제공하는 자동화 컨트롤 시스템을 찾아내는 것이었습니다.”라고 담당 이사인 Gregg St. Clair씨는 말한다. 유도 송풍(ID) 팬과 메인 처리 장비, 물류 컨베이어를 운용하기 위한 자동 컨트롤 시스템 업그레이드가 필요로 했고 시간과 비용을 절감하는 스마트 진단 및 통신 시스템을 필요로 했다.

Phoenix 시멘트사는 통합 아키텍처 설계에 기반을 둔 인텔리전트 모터 컨트롤 솔루션으로 로크웰 오토메이션을 선택했다. Phoenix 시멘트 팀은 기존시스템에 적용된 Allen-Bradley PLC-5 시스템에 대해 만족을 하고 있었고 ControlLogix의 성능에 깊은 인상을 받았다. 또한 E3 Plus 전자 과부하 릴레이와 DeviceNet Starter Auxiliary(DSA)와 같은 다른 Allen Bradley 솔루션을 통해 중요한 모터 데이터에 접속하게 하는 DeviceNet을 사용한 인텔리전트 모터 컨트롤 센터(MCC)의 강점을 발견했다.

컨트롤 시스템은 원료 혼합실과 예열기, 석탄실, 시멘트 혼합실 및 저장고 등 주요 영역에서 6개의 ControlLogix 프로세서를 활용한다. ControlLogix 프로그래머블 컨트롤러는 정상 작동이나 시운전시 개발 시간 및 비용을 줄이기 위하여 프로그래밍 소프트웨어와 컨트롤러, I/O 사이에서 필요한 탄탄한 통합 기능을 제공한다.

DeviceNet을 통해 ControlLogix에 부착된 정격 2000 마력 및 800 마력의 2개의 Allen-Bradley PowerFlex 7000 고압 인버터와 20 Allen-Bradley 저압 인버터, 500 E3 Plus 전자 과부하 릴레이를 부착한 152 Allen-Bradley 지능형 MCC 섹션, 중요 팬 위에 놓인 6개의 Entex 6600 진동 모니터 시스템이 공급되었다. 통합된 DeviceNet 네트워크 통신 능력을 활용하여 Phoenix 시멘트사는 지능형 센서와 액추에이터에 있는 데이터에 접속할 수 있다.

PowerFlex 7000 고압 인버터는 에너지 절감을 통한 비용 감소와 유지보수 비용 감소, 기계적 장비의 수명 증가뿐만 아니라 향상된 프로세스 컨트롤을 지원한다. 최적의 작동 지점에서 팬의 속도 제어와 소프트 스타팅은 최대 효율을 제공하며 두드러진 에너지 절감을 실현한다.

Entek 6600 진동 모니터 시스템은 기계의 높은 진동 및 파생적인 손상을 관찰하고 보호한다. 아울러 이 기기는 온도, 압력 및 유속 등의 관련 프로그램 파라미터를 모니터한다.

인텔리전트 MCC는 하나의 패키지에 다수의 컨트롤 기기를 통합한다. 다기능 마이크로프로세서 기반 전자 E3 과부하 릴레이는 유도 모터를 보호하며 주변 보상 과부하 보호 기능을 제공한다. E3 과부하 계전기는 경보 진단과 가변 주파수, 실제 RMS 전류 감지, I/O 능력 등의 첨단 기능을 포함하고 있으며 소프트웨어를 통해 원격 감시 및 진단 기능을 제공한다.

DeviceNet 성능이 추가되고 상당한 비용이 추가되는 전기 계약자 변경이 필요 없어지게 되면서 시운전 시간을 20% 절감하였다. 로크웰 오토메이션 엔지니어는 효율적인 시운전을 실시했으며 Allen-Bradley 컨트롤 시스템과 드라이브 작동에 관한 교육을 제공했다. Phoenix 시멘트의 전기 기사인 Rob Prouty씨는 “제가 지금까지 관여한 프로젝트 중 가장 원활하고 가장 순조로운 작업이었습니다.”라고 말한다.

DeviceNet에 접속된 대부분의 모터 스타터는 마셜 패널과 MCC간의 결선이 크게 감소되거나 제거되었기 때문에 약 20%의 추가적인 비용 절감 효과를 나타냈다. 인텔리전트 MCC로부터 얻게 되는 정보의 효율적인 사용은 오퍼레이션 팀과 유지보수 팀이 서로 더욱 효율적으로 일할 수 있게 만들었다. 제어실에서 발생한 모터 및 장비 문제를 수리하기 위하여 DeviceNet을 사용하여 안전성이 크게 향상되었다.

통제실 감독자는 장비 관련 문제점을 판단하여 작업을 시작하기 전에 예상되는 내용을 현장 직원에게 경고할 수 있다. “이 프로젝트에서 로크웰 오토메이션과 협력하는 것은 자사에 큰 도움이 되었습니다. 에너지에서부터 보건 의료에 이르기까지 거의 모든 영역에서 비용이 극적으로 증가하는 상황에서 당사가 이러한 현대화 작업을 통해 달성한 비용 효율성 및 능력 증가는 당사의 미래를 더욱 밝게 합니다.”라고 St. Clair씨는 말한다.

아이씨엔 매거진 2007년 07월호

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