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Profinet으로 자동화한 new Audi R8 차체 작업장

End-to-End 통신

Audi사는 신형 R8 스포츠카 시리즈의 소규모 생산을 위해 Siemens 제어 테크놀로지를 채택했다. 통합 안전(Integrated Safety) 테크놀로지와 무선통신(wireless LAN) 기능을 갖춘 Profinet을 사용함으로써, 이 자동차 제조업체는 탁월한 수준의 end-to-end 통신을 구현하고자 했다. 그 결과, 커미셔닝, 유지보수, 진단 기능, 운용 및 교체 부품 저장 비용 등의 절감이 가능하게 되었다.

글로벌 자동차 시장은 그 어느 때보다 더욱 제조업체에게 다양한 과제 해결을 요구하는 변화의 한가운데 있다. 전례 없는 모델 주기를 단축하고, 모델 다양성을 증가시킬 뿐 아니라 신규 틈새 시장을 겨냥한 모델을 개발하는 데는 생산 설비의 유연성이 무엇보다도 요구된다.

보다 빠른 “제품화 시간(time to market)”을 달성하는 방법중에서 가장 확실한 해결책은 신규 모델 본체 제작에 사용되는 생산 시스템의 커미셔닝 시간을 단축하는 것이다. 유지보수 및 수리 시간의 단축뿐 아니라, end-to-end 통신, 통합 안전 테크놀로지, 이동 장치로의 손상 없는 데이터 전송, 하드웨어 다양성의 감소 등이 바로 경쟁력 있는 생산 설비의 셋업과 운용을 위한 열쇠인 것이다.

생산성 향상을 위한 열쇠: end-to-end 통신

end-to-end 통신 솔루션을 위해, Audi사는 광범위한 개방형 산업용 이더넷 기반 Profinet 표준을 채택하여, 필드버스 레벨까지 이르는 모든 자동화 레벨에 적용했다. 하나의 동일한 전송 매체를 통한 대용량 데이터의 기본 및 안전중심 통신 능력은 Audi사의 이번 선택에 결정적인 역할을 했다. 또한, 설계자가 정한 시방서도 개방형 아키텍처뿐만 아니라 진단 기능, TCP/IP와 같은 다양한 표준 프로토콜과의 호환성, 리얼타임 동작 등을 요구했다.

Audi사가 얻은 근본적인 이점은, 복잡한 인터페이스를 줄이고, 교체 부품의 재고를 감소시키는 한편, 단일한 설치 기술을 적용함으로써 설치, 엔지니어링, 운전, 유지보수 및 서비스 등에 소요되는 비용 절감을 달성한 데 있다. 또한 이미 구현된 혁신적 IT 서비스를 사용하여 설명 및 교육을 실행함으로써 비용 절감을 실현했다.

생산적 솔루션을 위한 새로운 테스팅 플랫폼

독일의 넥카술름(Neckarsulm)에 위치한 Audi R8 슈퍼 스포츠카의 차체 작업장은 Audi 전용 신설 테크놀로지 플랫폼으로 가동되고 있으며, 미래 생산 공장을 위한 혁신적인 잠재력을 보여주고 있다. 차체의 원자재가 싱글 오버헤드 레일의 로봇 셀로 운송되는 완전 자동화 로봇 셀은 이곳에 적용된 기술의 하이라이트라 할 수 있다. 최적의 접근성을 확보하기 위해, 클램프를 써서 운송 장치에 고정된 차체가 수직 축을 중심으로 전체 360도 회전할 수 있도록 설계되었다.

이동이 자유로운 회전 장치들을 사용하면, 네트워킹된 볼팅(bolting) 로봇은 볼트 연결 작업을 위해 차체의 구석구석까지 신속하고 손쉽게 접근할 수 있다.

새로운 WLAN 접속방식의 Profinet을 통한 성능 호전

로봇의 안전 제어뿐만 아니라 비상 정지, 안전 도어 등과 같은 안전 기능을 포함함으로써, 백색 차체 단위 작업장에서의 모든 I/O 신호가 Simatic ET 200S 주변 모듈을 거쳐 Profisafe 프로파일과 Profinet을 통해 직접 연결되며, 이 때 회전 장치의 연결은 한 단계 더 진행된다. 여기서, 회전 장치 클램프들을 포함하는 모든 신호는 무선랜(WLAN)을 통해 비접촉식으로 전송된다. Scalance W788 액세스 포인트는 회전 장치의 고정부에 위치하며, Scalance W747 클라이언트는 회전부에 위치한다.

두 가지 컴포넌트 모두 5GHz 주파수 대역에서 작동하여, 데이터 전송률이 보다 향상될 수 있었으며, 중복되는 혼선 없이 보다 많은 채널들을 사용할 수 있게 되었다. 이 주파수 대역에서는 다른 WLAN 네트워크, 모바일 전파 또는 Bluetooth 등과의 충돌을 피할 수 있다.

회전 장치에 설치된 누전 도파관은 추가로 무선 파장을 전송한다. 이런 방식으로, 전용 인터페이스를 과도하게 남용하게 함으로써 야기되는 기계적 커플링과 이로 인한 노후화를 방지될 수 있다.

Profinet 통신에 의한 failsafe Simatic 제어

통합 Profient 인터페이스와 통합 안전이 장착된 신형 failsafe Simatic S7-300 CPU 317F-2 PN/DP은 전체 제어 공정의 핵심부를 형성한다. 이는 S7-Graph에서 프로그래밍된 공정 제어를 사용하여 나사로봇(screwing robot)과 회전 장치에 대한 정확한 논리 제어를 보장한다

입/출력 링크들은 다수의 정밀한 모듈형 Simatic ET 200S 스테이션을 사용하여 분산된다. 무엇보다 이들 스테이션은 볼팅 로봇 및 회전 장치로 신호를 발신할 뿐만 아니라, 비상 정지 보호 회로, 라이트 그리드(light grid), 액세스 및 승인 등을 기록한다. 안전 및 표준형 컴포넌트 모두와의 조합된 아키텍처는 설정이 손쉬우며, 안전중심 프로그램과 일반 프로그램이 단일 제어계에 공존한다.

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각각의 표준 및 failsafe 모듈들은 Profinet IO를 통해 중앙 Simatic S7-300 CPU 317F-2 PN/DP와 통신한다. 모든 Simatic ET 200S 스테이션은 2-포트 스위치가 내장된 신형 Profinet 인터페이스 IM 151-3 PN HF이 장착되어 있으며, 이로써 Profinet 통신 네트워크가 Profibus와 유사한 필드 중심의 선형(linear) 버스 구조의 형태로 설정될 수 있다. 이는 추가 외장 네트워크 컴포넌트뿐만 아니라 케이블 자재들을 절약함으로써 설비 비용을 최적화 시킬 수 있다. 이미 검증된 Simatic ET 200S I/O 모듈은 표준형과 안전 중심형을 불문하고 모두 Profinet에 통합될 수 있다. 일반적으로 장치 구성은 Step 7의 하드웨어 구성화면에서 실행되어, Profinet으로의 도입을 용이하게 할 뿐만 아니라, Profibus 노하우를 지속적이고 생산적으로 사용할 수 있도록 한다.

Profinet에 통합안전 컨셉을 더하다

통합 안전(Safety Integrated)를 활용하면 표준형 및 안전중심 작업들이 하나의 버스 케이블을 통해 통신뿐만 아니라 하나의 제어장치, 하나의 범용 주변장치에 의해 처리될 수 있다. 이로 인해 상당한 비용을 절감할 수 있다. 다양한 CPU가 더 이상 들어갈 필요가 없으며, 표준 I/O와 안전중심 모듈을 혼합한 하나의 겸용모델이 ET 200 스테이션에 설치될 수 있는 점에서, 결과적으로 표준 및 안전 작업을 위한 공통 하드웨어는 교체 부품 재고 및 주문 관리 측면에서 막대한 이익을 가져다 준다.

보다 효율적인 시스템 아키텍처를 사용한 덕분에, 소형의 간편한 스위치 캐비닛이 활용될 수 있다. Simatic Manager에 의한 중앙 프로젝트 관리와 Step 7의 분산형 안전 옵션 패키지의 완전한 통합은 단일한 형태의 데이터 저장, 데이터 기록 및 데이터 일관성을 보장한다. Step 7이 지닌 친숙한 메커니즘이 적용된 통합 시스템 진단 기능은 추가 프로그래밍 없이도 시스템 가용성을 증가시킨다. 따라서 표준 자동화 및 안전 자동화는 전체 시스템을 일관성 있게 구축한다. 통합 자동화(Totally Integrated Automation)의 일부인 통합 안전(Safety Integrated) 컨셉은 센서 및 드라이브뿐만 아니라 주변기기 및 제어에 이르기까지 일체의 end-to-end 안전 테크놀로지 솔루션을 제공한다.

중앙 운전, 엔지니어링 및 진단 기능

중앙 운전 컴퓨터인 신형 Panel PC 677는 다수의 조작 스크린을 통해 유지보수 및 진단 작업 동안 지원기능을 제공함과 동시에, 실시간 운용 중에 제어 패널로 작동한다. 또한 Step7, S7-Graph, Distributed Safety, WinCC flexible 및 ProAgent와 같은 Simatic 소프트웨어가 설치된 Panel PC는 개별 자동화 컴포넌트에 직접 프로그램을 다운로드 할 수 있도록 중앙 엔지니어링 스테이션으로 작동한다.

또한 사용자 프로그램 역시 Panel PC 677에서 작성된다. 사용자 프로그램의 순차 공정들이 그래픽 프로그래밍 언어 S7-Graph에 의해 개발되었다. 이는 프로세스 실행에 중점을 병렬 스텝 시퀀스 및 대체 시퀀스 등을 수반한 순차 공정들을 기술하는 데에 아주 적합하다. 이미지 및 지능형 이미지 객체들의 계층 구조는 아주 사소한 문제해결 기능도 지원한다.

스위치와 통합된 보안 서비스

다수의 통합 진단기능을 특징으로 하는 Scalance X208 산업용 이더넷 스위치는 Profinet용 중앙 인터페이스 관리자로서 작동하여, 이는 프로그래밍 장치를 접속하고 최적화된 정보의 흐름을 보장할 뿐만 아니라, Simatic ET 200S와 컴퓨터를 작동시키는 CPU와 같은 중앙제어 및 분산형 Profinet 컴포넌트들을 연결한다. 또한 Audi사의 절반을 차지하는 기존 네트워크에 자동화 네트워크를 연결시키는 계획도 마련되어 있다.

IT 환경으로의 연결은 Scalance S612 보안 모듈(Security Module)의 도움으로 달성될 수 있다. 이 모듈은 제어 레벨에서 공장 데이터에 불법으로 혹은 무단으로 접근하는 것에 대해 보호함으로써 “원치 않는” 데이터 전송(traffic)을 차단한다. 동시에 이는 통신 네트워크의 개방형 아키텍처를 보장한다.

경쟁력 유지

Siemens의 통합자동화 컨셉과 더불어, Audi는 미래로 나아가는 확실한 행보를 걷고 있다. 통합 자동화에 기반한 미래지향적 고객 맞춤형 자동화 컨셉은 투자 안전성을 제공한다. 이는 넥카술름의 Audi가 줄기차게 성공가도를 달리는 핵심 비결이기도 하다.

그림 1. 회전 장치의 안전중심 제어와 신호 전송 모두 Scalance W788과 W747 무선 랜 컴포넌트가 담당한다.

그림 2. Simatic S7-300 시리즈 중 통합 Profinet 인터페이스가 장착된 신형 failsafe CPU 317F-2PN/DP는 생산작업의 심장부에 해당한다.

그림 3. 회전 장치에 장착된 누전 도파관은 지정된 무선 전파를 보장한다.

그림 4. Audi R8 생산에 전개된 ET 200S와 아울러, 높은 IP65/67 보호등급을 준수하는 ET 200pro 분산 시스템 솔루션으로 성능이 한층 향상됨에 따라, Siemens는 Profinet 기반 end-to-end 생산 포트폴리오를 제공할 수 있게 되었다.

그림 5. 자유롭게 이동 가능한 회전 장치의 도움으로, 로봇은 차체부를 신속하고 효율적으로 볼트 연결한다.

그림 6. 안전 및 표준 컴포넌트가 결합된 조합 어셈블리가 설치 작업을 최적화한다.

그림 7. 운전, 모니터링, 중앙 엔지니어링 스테이션의 기능을 하나로 통합한 신형 Panel PC 677

그림 8. 혁신적 R8 생산 공장의 Profinet 기반 자동화 설계 컨셉의 도식적 다이어그램

아이씨엔 매거진 2007년 07월호

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