오늘날 지식 정보화 사회에서 모든 분야의 생산성 향상은 주요한 이슈가 되고 있다. 특히 제조업의 생산성 향상은 글로벌 경쟁이 심화됨에 따라, 보다 더 고도화되고 진보된 자동화를 요구한다.
이와 같은 제조 자동화의 고도화에서 말초 신경계에 해당하는 최하위 레벨 개방형 네트워크인 AS-Interface(AS-i) 통신은 1994년 실용화된 이후 수백만 개의 AS-i 디바이스들이 설치되어 검증을 받았고, 2000년 IEC 62026-2 표준화 이후 전세계 시장에서 거의 독점적 위치를 차지하고 있다.
특히 AS-i 시스템은 전자파 장애에 대해 높은 신뢰성과 잘 파괴되지 않는 네트워크 구성을 갖춘 견고한 시스템으로서, 상위 네트워크와는 무관하게 시스템을 간단히 구축할 수 있으며, 컨트롤 시스템과 접속이 용이하고 설치비가 절감될 뿐 아니라, 동일 네트워크 라인 상에서 전원공급과 제어 신호가 동시에 이루어지는 시스템이다.
현재 전세계의 수많은 제어기기 제조업체로 공급된 수백만의 AS-i 디바이스가 프로세스 공정 및 조립 공정, 즉 자동차•화학•제약•수자원처리•석유정제•펄프•시멘트 및 전자 산업 등에 이르기까지 사용자로부터 높은 평가를 얻는 실증된 기술이다.
이에 AS-Interface를 통한 다양한 분야에서의 솔루션 적용 사례를 알아본다. < 편집자 주>
1. 한국 롯데 칠성 공장, AS-Interface 안전 솔루션 도입
안성에 위치한 롯데 칠성 공장은 turnkey base로 AS-Interface 안전 솔루션을 도입하여 사용하고 있는 적용 사례 중 하나이다. 롯데 칠성 공장은Main PLC, AS-I 전원 공급 장치, 마스터 PLC S7-400 및 신호와 센서를 받는 모듈을 Siemens 제품으로 사용하고 있다. 여기에 AS-I 안전 솔루션 도입 후, 도입 전과 비교하여 초기 투자비 절감, 설치의 편리성, 신호처리의 편리성 등의 장점을 나타내고 있다.
기존 설비는 모든 입/출력 점마다 연결되어 있는 각각의 케이블을 통해 신호를 주고 받는 방식으로 설계되어 있었다. 케이블이 국내 제품이 아닌 수입품 이었기 때문에 초기 설비 비용이 아주 높았고 (식 음료 계통의 설비는 거의 수입을 한다고 한다) 값비싼 수입 케이블 비용뿐만 아니라 배선 공사 면에서의 인건비 역시 높았다. 하지만 AS-I 안전 솔루션 도입 후, 하나의 AS-I bus에서 최대 128개의 Module 까지 연결이 가능하므로, 128개의 케이블 대신 AS-I bus를 통신 개념으로 사용하여 전기 설비가 줄어 설비의 간편화와 인건비 절감을 할 수 있었으며, 또한 128개의 케이블 비용 역시 절감할 수 있었다.
도입 후 성과
기존 케이블 연결 방식에서는 오류가 나거나 고장 신호를 받았을 경우, 모든 포인트와 케이블을 하나하나 확인하여 원인을 찾아야 하는 불편함이 있었다. 하지만, AS-I bus에 연결된 각각의 입/출력 포인트에서 입력이 들어오면 AS-I bus를 통해 PLC로 전달되고, PLC에서 들어온 입력신호에 맞는 출력 신호를 내보내면 그에 맞게 작동되도록 설계되어 있는 프로그램으로 운영되는 AS-I 안전 솔루션 도입 후, 오류 또는 고장신호를 받을 경우 마스터 PLC에서의 프로그램을 사용하여 바로 원인을 찾아 조치가 가능한 장점이 있다.
롯데 칠성은 AS-I 안전 솔루션 도입 전에도 Siemens PLC를 사용하고 있었으며, AS-I 안전 솔루션 도입 후에도 PLC내의 간단한 프로그램 설정을 통해 사용하고 있다. Siemens PLC는 설정방법과 조작/운용 방법이 간편하여 한번 교육을 받으면 쉽게 사용할 수 있는 장점을 가지고 있다.
2. 독일 Lemforder, 자동차 조립라인의 안전시스템 구축
독일 자동차 제조업체인 ZF Lemforder Fahrwerktechnik AG & Co. KG는 엑슬의 조립을 위해 여러 개의 조립 라인을 만들고 있다. 이 라인들은 독일 북부 개발 센터의 특수 장비 개발부에서 설계되고 제조도 거의 그 곳에서 이루어진다. 수년 동안 AS-Interface를 성공적으로 사용해 오고 있었기 때문에 버스에도 안전 관련 컴포넌트를 구현하는 것은 당연한 순서였다. 이전에 제조된 시스템에서는 안전 기술은 전통적인 방식으로 배선되었고 안전 릴레이에 의해 실행되었다.
새로운 시스템은 다양한 개별 스테이션들과, 전체적인 생산 과정에서 특정 공정이나 하부 공정의 조립을 담당하는 수동 워크스테이션들로 구성되어 있다. 스테이션들은 컨베이어 벨트에 의해 서로 연결된다. 시스템의 일부분만이 벽으로 둘러싸이며, 안전 게이트와 문은 기계나 공정이 위험을 초래할 수 있는 부분에만 설치된다. 각 스테이션은 신호를 처리하기 위한 각자의 버스 세그먼트를 갖는다.
기존의 AS-Interface 제품과 더불어 E-STOP 스위치, 인터로크 기능을 갖춘 안전문 제동장치가 사용된다. 이중 채널 AS-Interface 안전 모니터는 안전 버스 스테이션 및 안전 릴레이의 기능을 모니터링하기 위해 사용된다. AS-Interface 안전 컨소시엄 참여 회사들에 의해 판매되는 장치들은 매우 폭넓은 기능을 갖고 있다. 안전과 관련하여 가장 중요한 측면 중의 하나는 연결된 안전 버스 슬레이브들의 모니터링 기능이다. 이 안전 버스 슬레이브들은 차례로 코드 시퀀스를 전송하고 이 시퀀스는 모니터에 의해 평가된다.
만약 버스에 셧다운 신호나 심지어 오류가 발생한 경우, 모니터는 즉시 그 출력을 재설정하고 관련된 기계 컴포넌트를 안전하게 정지시킨다. 또한 모니터는 그 진단 기능을 PLC에서도 사용할 수 있다. 오류 발생 시 그 오류가 컴포넌트의 고장이든 실수에 의한 ESTOP 스위치 작동이든, 이 정보는 시스템을 정상 동작 상태로 복구시키기 위해 조치가 필요한 부분을 즉시 파악하는 데에 사용된다. 대량 생산 설비에서 시스템 정지와 그로 인한 생산량 감소가 고비용의 문제임을 고려할 때 이 기능은 필수적이다. 그러나 모니터가 없더라도 PLC에 진단 기능을 구현하는 것은 가능하다. 다만 그런 경우에는 너무 복잡해지고, 모니터가 어차피 수행할 연결 작업을 컨트롤러가 수행해야 하는 단점이 있다.
AS-I 안전 스위치
시스템에 사용되는 EUCHNER TZ. AS 안전 스위치는 AS-Interface 주소를 가지고 있어, 하나의 입력점으로서 안전문의 안전 상태를 표시하는 데에 사용된다. 출력점으로는 인터로크와 2개의 LED가 사용될 수 있다. 스위치의 경우, 진단 기능은 PLC 내의 기능 모듈에 의해 구현된다. 그 이유는 Safety at Work 프로토콜에서 2개의 다른 상태는 PLC 내에서만 분리될 수 있는 부호로 인코딩되기 때문이다.
모니터는 이 2개의 상태를 인식할 필요도, 인식할 수 있는 기능도 없다. “문폐쇄 잠금”이라는 정보만이 모니터에게 정보 단위로서 의미를 갖는다. 그러나 컨트롤러는 인터로크에 오류가 있는지 혹은 문이 열려 있는지를 인식할 필요가 있다. 이 기능은 다양한 PLC에서 사용 가능한 특수 기능 모듈을 통해 수행된다.
진단 결과는 안전 스위치의 2개의 LED 상에 직접 표시될 수 있다. 이 결과는, 작은 진단 기능이 필수적으로 안전문 스위치에 통합되어 있기 때문에, 다시 AS Interface 출력점을 사용해 확인될 수 있다. 이 점에서 AS-Interface 버스는 하나의 신호만이 표시될 수 있는 기존의 배선을 사용하는 표준 스위치에 비하여 현저히 더 많은 가능성을 제공한다. 그러나 컨트롤러에서는 다양한 블링크 시퀀스 및 그와 유사한 표시 방식이 사용될 수 있다.
E-STOP 스위치의 평가는 버스 상에서도 수행될 수 있으므로, PLC에서 안전 시스템의 전체적인 상태를 검출할 수 있다.
성공사례
AS Interface 도입을 통해 배선 비용이 거의 70%까지 감소되었다. 다른 중요한 혜택으로는, 제어 캐비닛이 현저히 소형화되고 간소화되었다는 점이다. 일관적으로 버스를 사용하기 때문에 배선이 훨씬 더 단순해졌다. 이것은 또한 오류와 에러의 가능성을 상당히 낮추고 따라서 시스템의 높은 가용성을 보장하는 결과를 가져왔다.
3. Lake Constance, 자동화된 생물학적 폐수처리 설비 구축
Lake Constance, Wasserburg의 새로운 생물학적 폐수 처리 설비는 1998년 11월 ifm flexpo gmbh의 폐수 처리를 위해 설치되었다. 이 처리 설비는 ifm 센서의 포일 생산에서 발생한 폐수에서 구리를 비롯한 중금속과 기타 위험 물질을 제거하기 위한 것으로서 Bio-Substrate 공정을 사용한다. 시스템의 제어는 전적으로 AS-Interface를 이용하여 구현되었다.
Bio-Substrate 공정
Bio-substrate 공정은 산업 폐수로부터 중금속 및 탄화수소나 AOX와 같은 기타 오염 물질을 제거하기 위한 흡착식 생물학적 공정이다. 금속 성분의 제거는 흡착식, 생물학적, 생화학적 메커니즘과 그에 따른 반응에 의해 이루어진다. 따라서 비용이 높지 않고 생태학적으로 의심스러운 화학물질도 사용되지 않는다.
단지 중화 과정 및 영양소 첨가 과정만이 요구된다. Bio-Substrate 반응기는 직립 원통형의 용기로서, 그 안의 물은 아래에서 위로 흐른다. 이 반응기에는 특수한 기질이 들어 있는데, 그 위에 특정한 혐기성 바이오매스가 침착되어, 하나의 반응 영역을 이루어 성장한다. 중금속이 수성 단계에서 바이오매스로 변화되는 과정은 기질 및 적절한 혼합 과정에 의해 촉진된다. 반응기에서 나오는 물에 어쩔 수 없이 금속 성분이 포함된 미세한 고체가 넓게 분포되어 있기 때문에, Biosubstrate 반응기 다음 단계로 횡류식 미세 여과 유닛이 사용된다.
그 결과 여과된 물은 중금속을 거의 함유하지 않으므로 하수구로 배출되거나 재활용(예: 역삼투 과정에 의해) 될 수 있다. 고체를 함유한 농축물은 다시 Bio-substrate 반응기로 되돌려 보내진다.
제어 컨셉
제어 컨셉은 AS-Interface 필드버스 시스템을 기반으로 하며, 이 시스템은 PROFIBUS-DP를 통해 빌딩 서비스 관리 시스템에 연결된다. 모든 시스템 신호는 AS-Interface의 2-도체 케이블을 통해 수집된 후 AS-Interface 컨트롤러(중앙 제어 유닛)에 의해 처리된다. 센서 전원 또한 AS-Interface를 통해 공급된다. ASInterface 케이블은 시스템을 빠르고, 극성 방향 보호 배선에 맞는 형태로 되어 있다.
단순화된 제어반
AS-Interface는 컨트롤러와 전원 공급 장치, 그리고 지시등, 스위치, 전선 안전을 위한 I/O 모듈을 모두 포함하고 있으므로 제어 캐비닛의 복잡성을 감소시킨다. 기타 모든 I/O 모듈과 접촉기는 필드에서 분산형 AS-Interface 모듈에 의해 대체된다.
이진 입출력 신호
유량 모니터, 압력 스위치 및 디지털 레벨 검출을 위한 용량성 근접 스위치는 가까이에 있는 AS-Interface 모듈로 출력 신호를 전송하고, 이 AS-Interface 모듈은 다시 그 신호를 컨트롤러로 전송한다. 인버터, 모터, 공압 밸브는 상응하는 ASInterface 모듈을 통해 모두 통합된다. AS-Interface의 PowerSwitch가 400VAC 펌프를 직접 현장에서 개폐하는 데에 사용된다. AS-Interface PowerBox는 230VAC 디바이스 제어에 사용된다. 이 AS-Interface 콘센트는 230V 장치를 분권적으로 제어하기 쉽게 한다. 공압식 드라이브는 AS-Interface Airbox를 통해 구동되며, 이 Airbox는 기존의 밸브 단자를 대체하고 마찬가지로 시스템 내에 분산적으로 설치될 수 있다. 이로 인해 거추장스럽고 비싼 병렬 배선이 필요 없어지게 된다.
아날로그 입출력 신호
시스템 프린터, 연속 레벨 측정값 및 ph 측정값과 같은 아날로그 입력 신호는 아날로그 입력 모듈을 통해 국지적으로 얻어지고, 후속 처리를 위해 2-도체 케이블을 통해 컨트롤러로 전송된다. 차트 기록기와 인버터는 아날로그 출력 모듈을 통해 제어된다.
시각화
ecolog asi 소프트웨어 패키지에 포함된 시각화 기능은 레벨과 같은 아날로그 값이 표시되도록 하고 시스템 내에서 정확한 오류 진단 기능을 수행할 수 있도록 한다. 모든 공정 데이터는 보기 쉬운 방식으로 전 설비에 걸쳐 생생하게 표시될 수 있다. 설비 사진과 같은 비트 맵은 시각화의 배경으로 삽입될 수 있다.
요약
Bio-substrate 공정은 기존의 물리 화학적 설비와 비교해 폐수 처리 비용이 약 10~20% 정도 더 낮다. 설비 운전 및 유지보수를 위한 인력 투여 시간도 하루 평균 20분 정도이다.
AS-Interface 컨트롤러는 빌딩 서비스 관리 시스템 (예: Kieback & Peter DDC3000)과 같은 호스트 시스템에 쉽게 연결될 수 있다. 사용자에게 이것은 “투명한 공장”을 향한 진일보된 빌딩 서비스 관리를 의미한다. 원격 유지보수와 구성 또한 가능하다.
비용을 절감시키는 다른 요소로는 다운타임을 단축시키는 시스템의 우수한 진단 기능을 들 수 있다. 또한 AS-Interface 기술의 단순한 구조로 인해 제어 캐비닛을 늘리거나 추가하지 않고서도 추가적인 컴포넌트를 갖춘 시스템을 용이하게 확장할 수 있다. 따라서 모듈 방식 시스템 컨셉이 용이하게 구현된다.
4. GreCon Dimter, 다양한 핑거 조인팅 라인의 설치시간 감소
하노버 부근 알펠드의 GreCon Dimter Holzoptimierung은 핑거 조인팅 라인 분야에서 선두를 달리는 회사이다. 이 Weinig Group 회사는 반자동화 기반 시스템에서부터 완전 자동화 밀링 시스템까지 폭넓은 제품 라인을 보유하고 있다. AS-Interface를 사용한, 다양한 센서와 액추에이터의 지능형 네트워킹을 통해 기계의 설치 시간이 거의 60% 가량 단축되었다.
GreCon Dimter 회사는 매년 약 100개의 핑거 조인팅 라인을 전 세계에 판매한다. 새롭게 개발된 Combipact에서 목판들은 하나의 패키지 단위로, 포지셔닝 유닛에 의해 형삭 테이블에 올려져서 고정된 후 절삭된다. Combipact는 이중 형삭 유닛으로 구성되어 있기 때문에 패키지는 종료 지점에서 풀려지고 반대편 절삭측으로 이송된다. 그 후 배열과 진동을 거치고 고정된 다음 절삭되고 부착된다. 그 후 목판 패키지는 수동으로 혹은 완전 자동식으로 분리된다. 분리된 개별 목판들은 길이에 맞춰 절단되고 합판으로 압축된다.
완전 자동화된 이 목재 가공 공정에는 수많은 센서와 액추에이터 신호가 수반된다. GreCon은 기존의 신호 네트워킹 식의 중앙 시스템 구조로는 이러한 공정을 수행할 수 없다고 판단했다. 현재 신호는 입출력 필드 모듈을 통해 AS Interface 버스 시스템에서 국지적으로 수집되고 상호 네트워크화된다.
이 구조는 예를 들어 프레스 가공에서 엄청난 절감 효과를 가져왔다. 소요 시간이 14시간에서 6시간으로 무려 약 60% 감소했기 때문이다. 그러나 GreCon에서 자동화 기술의 분산화는 입출력 주변 장치로 끝나지 않는다. AS-Interface에 사용된 Siemens의 분산형 모터 스타터가 컨베이어 벨트 위의 여러 대의 1kW 모터를 구동한다. 모든 스타터들은 파워 버스를 통해 중단 없이 전원을 공급 받으므로, 모터 스타터에 연결되던 많은 전선이 필요 없어지고 그에 따라 설치 시간도 감소된다.
간단한 설치
고객에 의한 최종 점검을 위해 시스템은 Alfeld의 설비에서 조립되고, 형삭과 프레스 각 섹션은 개별적으로 점검된다. AS-Interface 시스템의 전형적인 특징인 간단한 구조와 오류 없는 설치로 인해, 시스템은 설비에서 단 시간에 조립 해체될 수 있으며, 그 후 고객의 설비에서 재조립되고 시운전될 수 있다.
미래 유망주: 통합 안전 시스템
현재 밀링과 프레싱 운전에서 사람과 기계의 안전을 보장하기 위해 전통적으로 배선된 보호 릴레이, 안전 게이트, light curtain이 사용되고 있다. 이것은 버스 방식의 신호 획득이 시스템 전체에서 일관적으로 유지될 수 없다는 것을 의미한다. 그러나 한편 표준 데이터와 안전 데이터 모두가 동일한 AS-Interface 라인 상에서 최고 안전 분류 4까지 전송될 수 있으므로, 미래에는 안전 스위치로부터의 신호가 안전한 AS-Interface 모듈 상의 안전 입력점을 통해 획득되고, ASInterface를 거쳐 전송되며 안전 모니터에 의해 모니터링될 것으로 예측된다. 그 결과 별도의 인터페이스가 필요 없고 통일된 엔지니어링이 가능하므로 시스템은 더 경제적으로 설계될 수 있을 것이다.
아이씨엔 매거진 2007년 03월호