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테크놀로지

산업 자동화 시스템은 필드버스 설계에서부터 엄격한 절연을 보장해야

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필드버스 인터페이스 절연 기술 및 이와 관련된 상쇄점을 이해하면 설계가 작업 환경만큼이나 심각하고 어려운 문제라는 점을 잘 인식하게 된다. 아바고테크놀로지스로부터 현재 가장 많이 사용되고 있는 필드버스의 특징에 대해 알아보고, 전연 방안 및 고려사항을 알아본다. [ 편집자 주]

글. Vincent Ching(기술 마케팅 엔지니어), Foo Chwan Jye(기술 마케팅 엔지니어), 아바고테크놀로지스 절연제품사업부

 

필드버스로 연결된 산업용 및 제조용 시스템들이 작동해야 하는 혹독하고 까다로운 환경이 설계자들에게 어려운 과제를 제시한다. 이 기술기사에서는 Profibus, DeviceNet 및 CAN을 포함한 주요 필드버스 프로토콜에 대해 간략히 살펴보고 버스 연결을 위한 광학, 용량성 및 자기 절연 기법 이면의 개념에 대해 살펴볼 것이다.

이에 대한 간략한 보충 설명 후 절연 기준을 포함한 아이솔레이션, 고압 파괴 신뢰성, EMI 및 DTI(distance through insulation) 기준을 구현할 때 고려해야 할 중요한 문제들에 대해 자세히 살펴보고자 한다.

그림1 필드버스 절연

필드버스의 현장 가이드
필드버스(Fieldbus)는 실시간 분산 제어에 사용되는 네트워크 표준 및 산업용 컴퓨터 네트워크 프로토콜의 다양한 집합이다. IEC 61158 표준 하에 통합되어 잘 관리되고 있는 필드버스는 제조 플랜트 및 기타 어려운 환경에서 자동화 장비를 연결, 제어, 관리하기 위한 기술들이 잘 비축되어 있는 일종의 기술 저장소를 설계자들에게 제공한다.

자동화된 복잡한 산업용 시스템은 여러 계층 구조의 컨트롤러 시스템에 구축된다. 이 계층 구조에서는 보통 HMI(Human Machine Interface)가 맨 위에 있게 되는데 여기에서 오퍼레이터가 시스템을 모니터링하거나 조작한다.

이것은 일반적으로 이더넷과 같이 시간이 관건이 아닌 통신 시스템에 의해 PLC(programmable logic controller)의 증간 계층에 연결된다. 제어 계층 구조의 맨 아래에는 센서, 액추에이터, 전기 모터, 콘솔 조명등, 스위치, 밸브 및 컨택터와 같이 어셈블리 라인 작업을 하는 컴포넌트에 PLC를 연결하는 필드버스(Fieldbus)가 있다.

 

일반 필드버스 타입
IEC 61158 필드버스 표준은 “타입”이라고도 하는 8가지 프로토콜 세트를 정의한다. 이러한 타입은 더 많은 애플리케이션별 필드버스 표준 및 이와 관련된 물리적 계층, 데이터 링크 계층, 어플리케이션 계층 규격의 기반으로 사용된다. 산업용 자동화 애플리케이션에 가장 일반적으로 사용되는 표준으로는 Profibus, DeviceNet 및 Can Bus들이 있는데 이들에 대해서는 아래에서 간략히 설명하고자 한다.

1. Profibus
Profibus-DP(Decentralized Peripherals)는 호환 장치를 제공하는 200개 이상의 공급업체에 의해 채택되어 플랜트 자동화 및 공정 자동화에 글로벌 하게 사용된다. 이는 (EN 50170에 바탕을 둔) 개방형 표준의 디지털 통신 인터페이스, 즉, 필드버스(Fieldbus)로서 특히 산업용 어플리케이션에 사용하기 위해 제작되었다.

구리 기반(EIA/RS-485) 또는 섬유 기반의 송수신기를 사용하여 구현되는 Profibus-DP의 광학적 변형은 최대 12 MBd의 데이터 속도를 지원하므로 현재 사용 가능한 가장 빠른 필드버스이다.

Profibus-DP는 플랜트 감시 시스템과 공정 자동화 시스템 그리고 피더, 믹서, 공기 이송 시스템(pneumatic conveying system) 등과 같은 주변 장치를 연결하는데 무려 1마일(2000 m)이 넘는 통신 거리를 지원한다.

2. DeviceNet
DeviceNet은 리미트 스위치, 광전지, 밸브 매니폴드, 모터 스타터, 드라이브, 오퍼레이터 디스플레이 등과 같은 산업용 장치를 PLC 프로세서 및 PC에 연결하는 저렴한 산업용 네트워크로서 CAN 버스를 통해 CIP(Common Industrial Protoc)를 구현한다(다음 단원에서 설명). 이 네트워크 기술은 적당히 높은 데이터 속도를 제공하며 칩 레벨의 진단도 제공하는 동시에 값비싼 배선을 없애준다. DeviceNet의 데이터 속도와 통신 거리는 표 1에서 볼 수 있다.

3. CAN(Controller Area Network 버스)
CAN(Controller Area Network 버스)은 혹독한 산업용 환경을 위해 설계된 견고한 시리얼 디지털 버스이다. 그 유연성과 견실한 특성으로 인해 자동차, 트럭 및 버스뿐만 아니라 공장 자동화, 빌딩 자동화, 항공 및 우주 분야를 포함하여 많은 애플리케이션과 시장에서 널리 채택된다.

CAN의 물리적 계층은 NRZ(non-return to zero) 코딩과 함께 EIA/RS-485 표준에 기반한 차동 시리얼 버스이다. CAN의 상위 계층 오류 감지/수정 및 장애 제한(fault confinement) 기법과 결합되면 명령과 데이터를 매우 신뢰성 있게 전송할 수 있다. 다른 전기적 필드버스 변형과 마찬가지로 그 범위는 지원해야 하는 데이터 속도에 따라 다르며 1 Mbps에서 최대 40m부터 10 kbps에서 최대 6km에 이른다.

그림2 필드버스 절연

3가지 큰 과제
전기적 기반의 필드버스 인터페이스 설계자가 직면하고 있는 3가지 주요 과제는 노이즈 내성(EMI/RFI), 고전압 절연 및 버스 레이턴시(지연)이다. 다음 단원에서 알 수 있듯이, 3가지 문제 모두 버스 컨트롤러를 위해 필드버스 설계에 사용되는 절연 컴포넌트와 어느 정도 관련이 있으며 그 이면의 전자적 특성들은 EMI/RFI로 유도된 유도전류와 급격한 고전압으로부터 전기적으로 보호된다.

구리 EMI/RFI 고려사항
저렴한 비용과 보다 간단한 설치로 인해 많은 필드버스 네트워크는 CAN과 기타 다른 필드버스 표준에 사용 가능한 섬유 기반 대체 인터페이스보다는 구리 기반 전기 인터페이스를 사용한다. 보통은 광트랜시버보다 느리고 짧은 네트워크 스팬만을 지원할 수 있지만 전기 트랜시버는 배선 비용이 더 저렴하고 많은 산업 설비에서 이미 사용되고 있는 이전의 “레거시” 시스템의 큰 설치 기반과 직접 호환된다.

그러나 불행하게도 부유 전자기 에너지는 구리 필드버스 케이블링에서 전자기 간섭(EMI)과 무선 주파수 간섭(RFI)을 일으킨다. RFI는 보통 협대역 현상이며 휴대 전화, 전선, 변압기, 의료 장¬비, 전기 기계 스위치, 일부 모터 및 산업 환경에서 발견되는 그 밖의 많은 우연한 이미터 등과 같은 광범위한 소스로부터 발생할 수 있다.

EMI는 보호되지 않은 네트워크에 두 가지 방식으로 큰 혼란을 일으킨다. Radiated EMI는 공기를 통해 이동하는데 그 이름이 의미하듯이 conducted EMI는 전도 통로를 따라 이동한다. 두 EMI 모두 장비의 정상적인 작동에 간섭을 일으킬 수 있고 인식할 수 없을 정도로 버스 신호를 오염시키고 어떤 경우에는 전자 컴포넌트를 물리적으로 손상시킬 수도 있다.

 

절연 방책 채택
EMI/RFI 완화는 일반적으로 간섭의 소스를 제거 또는 축소, EMI에 덜 민감한 장치를 선택하는 것을 포함한 좋은 설계 행위, 커플링 효과를 최소화하는 레이아웃의 최적화 그리고 적절한 실딩(shielding) 사례의 사용 등이 결합되어야 가능하다.

필드버스 표준은 EMI, RFI 또는 유기 전압(stray voltage)이 버스 케이블링에서부터 자신의 장비에까지 작용하지 못하도록(또는 자신의 장비에서 빠져 나와 버스에 이르지 못하도록) 모든 네트워크 트랜시버에 절연체를 사용하도록 요구한다. 상용화 가능한 모든 아이솔레이터 솔루션은 CMOS 또는 양극성 집적 회로(bipolar integrated circuit)를 바탕으로 하고 있으며 용량성, 유도성 또는 광학적 절연 기법을 사용한다.

광학적 아이솔레이터, 즉, 광커플러는 필드버스 애플리케이션에서 가장 일반적으로 사용되는 절연 기술이다. 이 광커플러는 산업용 어플리케이션에서 수 십 년 동안 전기적 안전을 제공해왔으며 거의 모든 어플리케이션에 맞는 속도 등급, 전압 정격 및 다양한 폼 팩터로 제공된다.

그림4 필드버스 절연

충격적 진실
EMI/RFI 효과로부터의 보호에 덧붙여, 설계자들은 고전압(48 VDC, 110 VAC 이상)과 관련하여 특히 장비와 컴포넌트의 안전을 고려해야 한다. 여기서는 필드버스의 구리 기반 UTP 케이블링이 불행하게도 산업 시스템에서 종종 발견되는 고전압의 전도체 역할을 할 수 있으므로 장비(및 장비에 연결된 모든 것)을 보호해야 한다.

산업 자동화 시스템에서 필드버스 트랜시버는 보통 모터 스타터, 서보 드라이브, PLC 및 전력 컨버터로 둘러싸여 있다. 그리고 여러 공장에서 계측기기 및 자동화 컨트롤 박스는 멀티 kV 범위에서 작동하는 제어 요소와 파워 서플라이를 포함하는 고전력의 산업용 시스템과 함께 공존한다.

이 모든 요소들로 인해 구리 필드버스에 연결된 아이솔레이터는 AC 또는 DC 전압이 정상 작동 중에 또는 장비 오작동이나 다른 재해 중에 예기치 않게 자신의 장비나 다른 사람의 장비로부터 치명적으로 나타날 수 있으므로 이들로부터 보호해야 한다.

절연 고려사항
아이솔레이터 컴포넌트는 어떤 기술을 사용하든 제품 안전 설계를 위한 두 가지 근본 원칙을 이행할 수 있는 절연 특성을 갖추어야 한다.

1. 즉, 감전사 위험을 나타내는 회로를 다른 회로와 분리시키고,

2. 사용자가 접촉될 수 있거나 다른 장비에 연결되는 장비의 특정 부품을 분리시키는 것이다.

회로는 정상 사용 중이거나 고장 조건 하에 있을 때 모두 안전해야 한다. IEC 60747-5-5 안전 표준은 두 가지 절연 레벨(Basic과 Reinforced)을 안전에 대해 명확히 구분하여 정의한다. 정의에 의한 기본(Basic) 절연은 단일 장애 조건에서 실패하거나 단락된다고 간주된다.

반면, ‘강화(Reinforced) 절연’ 등급은 전기 쇼크로부터 기본 보호를 제공하고 장비 장애 시 안전한 사용자 액세스를 가능하게 해주는 ‘Failsafe Operation’ 설계를 지원하는 “Failsafe Operation–qualified” 컴포넌트에만 승인, 적용될 수 있다.

IEC 60747-5-5는 특히 광 아이솔레이터를 위해 작성되었지만 자기 또는 용량성 절연물과 같은 다른 절연 기술을 사용하는 장치들이 이 광커플러 안전 기준에 대해 ‘’기본(Basic) 절연’ 인증을 획득했다.

지적한 바와 같이, 이 기본(basic) 절연은 ‘Failsafe Operation’ 성능을 제공하지 않을 수 있으므로 비광학식 절연 장치들은 ‘Failsafe’로 간주될 수 없으며 따라서 사용자에게 액세스 가능해서는 안 된다.

전파 고려사항
설계자들은 또한 필드버스 네트워크의 전체 시스템 전파 지연에 아이솔레이터가 어떤 역할을 하는지도 고려해야 한다. 시스템 지연은 CAN 트랜시버, CAN 컨트롤러 및 광커플러의 결합된 지연으로 구성된다.

시스템이 해당 비트율에서 최대 케이블 거리로 작동할 수 있기 위해서는 컴포넌트 전파 지연의 합이 지정된 값을 초과하지 않는 것이 중요하다. CAN 기준은 아이솔레이터에 대해 최대 40 ns의 지연 시간을 필요로 한다. 이것은 25 MBd(1/40 ns)의 속도로 간접 해석된다.

그림5 필드버스 절연

광학 및 자기 절연 기술 비교
수 년간 제조업체들은 광커플러 제품 포트폴리오에 새로운 기능 – 증가된 절연, 더 높은 절연 전압, 더 작은 패키지 등 – 을 추가해 왔다. 그럼에도 불구하고 광커플러 구조의 상대적으로 높은 복잡성과 초기 세대에서의 성능 문제로 인해 자기 및 정전 용량식 기술을 바탕으로 다른 유형의 아이솔레이터에게 시장 기회가 제공되어 왔다.

그 결과, 더 좋은 통합과 크기 및 빠른 속도의 자기적으로 결합된 아이솔레이터 제품들이 시장에 출시되었다. 제조업체들은 이러한 지능의 일부를 입증할 수는 있지만 그 신뢰성 및 견고함에 대한 근본적 문제는 여전히 해결되지 않은 채 남아 있다. 그리고 간략히 살펴보겠지만, 각 절연 기술은 고전압과 강한 전자기장 앞에서는 서로 다르게 반응한다.

신뢰성과 견고함
자기 아이솔레이터에 대한 이러한 주장 중 일부는 특정 절연 장치가 절연물의 한쪽을 반대쪽의 고전압으로부터 얼마나 오래 동안 성공적으로 절연할 수 있는지 결정하기 위한 일련의 실험에서 최근 평가되었다. 이 실험은 두 가지 매개변수 즉, 고전압 성능과 절연 무결성 측면에서 시스템의 신뢰성을 평가하도록 구성되었다.

고전압 수명 실험은 신뢰받는 제조업체의 자기 아이솔레이터 장치 및 아바고의 광커플러에 고전압이 적용된 파괴 테스트였다. 시스템의 데이터 시트에 따라 2.5kV가 자기 아이솔레이터에 계속 적용되었고 경쟁 제품인 아바고의 광커플러에도 더 높은 전압(3.75 kV)이 적용되었다.

자기 아이솔레이터가 연속 실험 8.5 ~ 10.5 시간 사이에서 파괴된 반면 아바고의 광¬커플러는 더 높은 3.75 kV의 전압에서 최소 168시간 동안 연속적으로 살아남았다.

DTI(Distance Through Insulation)
내부 공간거리, 즉, 절연 거리(DTI)는 전기 보호를 위한 또 다른 중요한 치수이다. DTI가 광커플러에 적용되면 광커플러 공동(cavity) 내에서 광 이미터와 광 탐지기 사이의 간접 거리로 정의된다. 그림 4 는 와이드 바디 및 표준 광커플러 패키지에서 DTI가 어떻게 측정되는지에 대한 예제를 제공해준다. 일부 장비 표준의 경우 강화(reinforced) 레벨에 대해 최소 0.4mm DTI를 필요로 한다. 이러한 장비 표준의 예는 IEC 60651(의료 부문)과 IEC 61010(측정 및 제어 부문)이다. 이 두 장비 표준에는 예외가 없다.

비 광학 기반의 아이솔레이터 공급업체들은 0.4 mm의 최소 DTI 규격을 충족하는 제품을 제공하지 않는다. 그들의 현재 제품 포트폴리오에는 약 0.018 mm의 일반적인 DTI 규격이 있는데, 이러한 이유만으로도 설계자들은 의료 또는 실험 측정용으로 자기 또는 정전용량식 아이솔레이터를 선택하는 것에 대해 재고하게 된다.

광커플러의 LED/광다이오드 결합은 커플링 광로(optical coupling path) 때문에 EMI에 대해 내성이 있는 것으로 간주되지만 자기 아이솔레이터는 그 미세구조와 자기 커플링 때문에 EMI와 관련하여 제약을 갖는다. 자기 커플러 장애는 다양한 주파수와 서로 다른 전계 강도에서뿐만 아니라 DC(0 Hz)에서도 발생할 수 있다.

본 연구의 결과, 광절연은 뛰어난 EMI 성능을 제공하고 시중의 다른 아이솔레이터 기술보다 훨씬 높은 전자기 장에 견딜 수 있다는 것이 입증되었다. 이것은 광커플러가 까다로운 필드버스 애플리케이션에 최상의 선택이라는 주장을 뒷받침하기도 한다.

결론
안전하고 견고한 필드버스 기반 산업용 시스템의 설계는 어려운 과제일 수 있지만 다음 4가지 핵심 쟁점에 주의를 기울이면 그 과정이 훨씬 쉬워질 수 있다.

1. 절연 장치에 대한 안전 기준(failsafe operation을 제공하는‘강화(Reinforced) 절연’의 광커플러 찾기)

2. 시스템이 고전압 서지에 노출되었을 때 컴포넌트 고장의 가능성을 최소화하는 아이솔레이터의 고전압 절연 신뢰성

3. 설계, 쉴딩 및 절연을 통한 EMI/RFI 효과의 완화

4. 트랜시버의 아이솔레이터가 필수 DTI(distance through insulation) 요건을 충족하거나 초과하도록 보장: 의료 및 실험 측정 장비에 대한 0.4 mm 이상 요건은 자기 및 용량성 아이솔레이터를 사용에서 제외

참고 자료 및 추가 정보
[1] 절연 회로에 대한 아바고테크놀로지스 규제 가이드 – 웹 링크: http://www.avagotech.com 발행 번호: AV02-2041EN

[2] 아바고테크놀로지스 고속 CMOS 디지털 광커플러 데이터시트 – 웹 링크: http://www.avagotech.com 발행 번호: AV02-0324EN – 페이지 6, IEC/EN/DIN EN 60747-5-2 Insulation Characteristic(Option 060)

[3] 아바고테크놀로지스 광커플러로 안전하고 튼튼한 산업용 시스템 구축 – 웹 링크: http://www.avagotech.com 발행 번호: AV02-0835EN

아이씨엔 매거진 2012년 12월호

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훼스토 IO-Link 기술로 Industry 4.0 연결한다

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전동 실린더 EPCO, 서보 스텝 모터 EMMS-ST, 모터 컨트롤러 CMMO-ST 및 필요한 모든 케이블이 있는 OMS(Optimised Motion Series) 패키지는 기존의 전기 위치 시스템보다 훨씬 저렴하다.

IO-Link 기술이 적용된 Festo 자동화 기술

표준화된 IO-Link 기술은 센서 및 액추에이터의 심플하고 경제적인 연결을 지원한다. 3 ~ 5 개의 배선을 가진 이 저비용 연결 기술은 혁신적인 개발 결과로, 복잡한 배선없이 최소한의 자재로 점대점 연결을 실현한다.
IO-Link는 새로운 형태의 버스 시스템은 아니지만 필드 버스, 이더넷 시스템을 대체하기 위한 새로운 종류의 통신 인터페이스로 추가 개발되었다.

이 기능을 사용하면 제어 시스템에서 센서 또는 액추에이터의 파라미터 데이터를 다운로드 할 수 있을 뿐만 아니라 진단 데이터를 제어 시스템에 전송할 수도 있다. 기존에는 제일 하위 레벨을 필드버스 인터페이스 통합하기 위해서 매우 많은 비용이 들었지만 이제는 디지털 또는 아날로그 값과 모든 파라미터 및 진단 데이터를 케이블의 스크리닝, 트위스트, 임피던스 또는 종단 저항 추가와 같은 특별한 작업 없이도 심플한 3선 또는 5선 케이블로 전송할 수 있다.

O-Link: 컨트롤러, 밸브 터미널, 비례 제어 밸브 및 센서를 통해 Festo는 완벽한 범위의 IO-Link 자동화 기술을 제공한다.

O-Link: 컨트롤러, 밸브 터미널, 비례 제어 밸브 및 센서를 통해 Festo는 완벽한 범위의 IO-Link 자동화 기술을 제공한다.

필드버스와 IO-Link 슬레이브 간의 게이트웨이는 일반적으로 여러 IO-Link 마스터 채널이 있는 필드버스 디바이스 형태로 제공된다. 사이즈 때문에 필드버스가 필요하지 않은 소형 머신 또는 시스템에서는 PLC가 IO-Link 마스터 역할을 한다.

보안 강화

IO-Link는 아날로그, 바이너리 및 직렬 통신 장치에 대한 보안 연결을 제공한다. 자동차 BIW 제조 및 어셈블리 현장의 작업자 보호를 위한 안전 펜스, 중장비 건설 및 머신 툴에서, 매뉴얼 워크 스테이션, 어셈블리 셀, 입/출력 스테이션 등과 같은 복잡한 센서 기술 및 터미널이 적용된 곳에서 전형적인 IO-Link 어플리케이션을 찾아볼 수 있다.

미래 연결 컨셉을 지원하는 IO-Link는 표준화된 프로토콜이기 때문에 낮은 투자 리스크를 가진다. 그 결과 장비 다운타임이 줄어들고 생산성이 향상된다. 디바이스와 마스터 시스템 간의 진단 및 운영 데이터의 포괄적인 데이터 교환은 문제 해결을 가속화시키고 상태 모니터링 시스템의 기초를 형성한다.

업무 단순화를 통한 효율성 증가

IO-Link는 설치 및 배선을 위한 균일하고 표준화 된 효율적인 기술이다. IO-Link 디바이스는 간단하고 편리하게 파라미터화할 수 있으며, 엔지니어링 소프트웨어 툴없이 교체 직후에 바로 작동 상태로 되돌릴 수 있다.

IO-Link 마스터를 통해 지능형 센서 및 액추에이터의파라미터를 쉽게 설정하고 재할당 할 수 있다. IO-Link를 통한 복잡하지 않고 표준화된 센서-액추에이터 조합의 배선은 자재 비용을 절감하고, 물류의 단순화가 가능해지며 시간을 절약할 수 있게 된다. 이로 인해 설치를 훨씬 편리하게 할 수 있다.

전동 실린더 EPCO, 서보 스텝 모터 EMMS-ST, 모터 컨트롤러 CMMO-ST 및 필요한 모든 케이블이 있는 OMS(Optimised Motion Series) 패키지는 기존의 전기 위치 시스템보다 훨씬 저렴하다.

전동 실린더 EPCO, 서보 스텝 모터 EMMS-ST, 모터 컨트롤러 CMMO-ST 및 필요한 모든 케이블이 있는 OMS(Optimised Motion Series) 패키지는 기존의 전기 위치 시스템보다 훨씬 저렴하다.

향상된 경쟁력

Festo라는 단일 공급원을 통해 다양한 마스터, 압력 및 유량 센서, 변위 엔코더/위치 센서, 5 개 밸브 터미널 시리즈, 비례 압력 제어 밸브, 스텝 모터 컨트롤러 및 연결 케이블과 같이 IO-Link를 위한 포괄적인 제품 제공이 가능하다. 또한 Festo는 공장 자동화 및 프로세스 오토메이션에 대한 풍부한 어플리케이션과 산업 종사자를 위한 기본 및 심화 교육을 제공한다.

IO-Link 마스터와 CECC/CPX-E 컨트롤러

4 개의 IO-Link 마스터 포트가 있는 소형 컨트롤러 CECC를 사용하여 경쟁력 있고 일관된 분산 설치가 가능하며, 전기 및 공압 드라이브를 제어한다. 이 소형 컨트롤러는 지능형 센서 및 밸브 터미널의 설치 및 네트워크 비용을 줄여 줄뿐만 아니라, 제어 캐비닛 내부 및 외부의 유용한 진단 옵션을 제공한다.

Festo는 크고 복잡한 어플리케이션을 위한 모듈형 모션 컨트롤러인 CPX-E를 제공한다. I/O 모듈은 모듈 당 4 개의 IO-Link 마스터를 사용할 수 있다. CPX-E는 EtherCAT® 마스터가 장착되어 있으며 독립형 CoDeSys 컨트롤러로 사용하거나 PROFINET 또는 EtherNet/IP 네트워크로 서브 시스템 및 슬레이브를 통합할 수 있다.

CPX 터미널

리모트 I/O로 사용하거나 밸브 터미널 MPA 또는 VTSA와 함께 사용하면 IO-Link 디바이스에 하나 이상의 마스터 인터페이스를 통합 할 수 있다. 기능 통합 덕분에 공압 및 전기 드라이브를 제어하는 것이 CPX 터미널에서 매우 용이하다. PROFINET 또는 Sercos 지원 CPX 터미널은 2 채널 IO-Link의 I-Port 인터페이스를 갖추고 있다. 따라서 개별 IO-Link 타사 디바이스를 밸브 터미널의 근접한 곳에 바로 연결할 수 있다.

밸브 터미널

MPA-L, VTUG, VTUB, VTOC 또는 기존 CPV와 같은 밸브 터미널과 비교하여 경제적이며 효율적인 설치가 가능하다. 밸브 터미널용 멀티 핀 연결 케이블은 표준 M12 케이블과 IO-Link로 대체된다. 이렇게 하면 자재 비용이 절감되고 특히 유연하고 쉬운 설치, 특히 까다로운 작업 조건에 대한 적응과 같은 기술적 장점을 제공한다.

4 개의 IO-Link 마스터 포트가 있는 소형 컨트롤러 CECC를 사용하여 경쟁력 있고 일관된 분산 설치가 가능하다.

4 개의 IO-Link 마스터 포트가 있는 소형 컨트롤러 CECC를 사용하여 경쟁력 있고 일관된 분산 설치가 가능하다.

전기 자동화

구성 및 진단을 위한 통합 웹 서버가 있는 모터 컨트롤러 CMMO-ST도 IO-Link 인터페이스를 지원한다. CMMO-ST는 스텝 모터를 위한 폐 루프 서보 컨트롤러이며 Festo의 OMS (Optimized Motion Series)의 중요한 부분이다. OMS 시스템은 포지셔닝을 매우 쉽게 만든다. 전기 실린더 EPCO, 서보 기능이 있는 스텝 모터 EMMS-ST, 모터 컨트롤러 CMMO-ST 및 필요한 모든 케이블은 기존의 전기 위치 제어 시스템보다 훨씬 저렴하다.

EPCO가 있는 Festo의 OMS는 두 가지 방법으로 구성할 수 있다. 웹 구성 및 서버의 파라미터 클라우드를 사용하여 매우 간단하고 빠른 구성을 할 수 있다. 컨트롤러는 자체 IP 주소를 가지며 사전 정의 및 테스트 된 조합에 필요한 모든 데이터가 포함된 카탈로그가 제공된다. 즉, 사용자가 많은 시간을 절약 할 수 있다.

비례 압력 제어 밸브 VPPM

IO-Link에 연결된 비례 제어 밸브 VPPM은 차폐된 아날로그 케이블이 필요하지 않아 신호 레벨이 간섭을 받을 확률이 감소된다. 파라미터는 IO-Link 마스터에서 설정되고 데이터가 저장된다. 이는 실용적이며 부품을 교체한 후 바로 재시작 할 수 있다. IO-Link는 점대점 연결 덕분에 짧은 사이클 시간이 가능하다. 압력 제어, 테스트, 미터링, 프레스 및 피팅 어플리케이션은 주로 특수 기계, 식품 및 음료, 인쇄 및 종이, 자동차 및 전자 산업에서 적용된다.

위치 센서 SDAT

IO-Link의 균일한 인터페이스는 개별 센서 연결을 대체하므로 복잡한 센서를 쉽게 통합할 수 있다. 즉, 위치 센서 SDAT 및 파라미터화 가능한 압력 및 유량 센서를 통합하여 저렴한 비용으로 설치할 수 있다. 예를 들어, 위치 센서 SDAT는 스크루 드라이빙, 리벳팅, 초음파 용접, 가압 및 클램핑을 위한 프로세스 모니터링에서부터 물체 감지에 이르기 까지 높은 반복 정밀도로 피스톤 위치를 감지한다. [제공. 훼스토]

더 자세한 내용보기 http://www.festo.com/cms/en-gb_gb/15646.htm

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칼럼

엣지 노드와 센서 설계의 더 높은 수준을 요구하는 디지털 트위닝

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포뮬러 1 경주 (이미지. 마우저 일렉트로닉스)

디지털 트윈 모델은 센서 설치와 관련하여 꽤 까다로운 요건들을 수반한다. 레거시 애플리케이션들은 특히 그렇다. 이에 따라 디지털 트윈 시스템 설계자는 최적의 솔루션을 구할 때까지 센서 성능과 대역폭 제한에 각별한 주의를 기울일 필요가 있다.

디지털 트윈(digital twins, DT) 모델이 제조를 비롯한 산업 분야로 빠르게 도입되고 있다. 사물인터넷(IoT)의 연결성과 저렴한 가격대의 센서를 사용할 수 있게 된 덕분이다. 하지만 디지털 트윈을 구현하려면 신호 체인의 모든 측면에서 더 높은 성능이 요구된다. 디지털 트윈을 적용하고자 하는 해당 장비 또는 그 가까이에 설치되는 엣지 노드의 경우는 특히 더 하다. 이 글에서는 센서와 엣지 노드 아키텍처에 대한 개요를 비롯하여, 엣지 노드의 중요성과 엣지 노드 통신에 대해서 설명한다.

 

센서와 엣지 노드 아키텍처
디지털 트윈 아키텍처는 3가지 차원의 IoT 아키텍처와 매우 비슷하게 닮았다(그림 1):

• 엣지 노드 – 엣지 노드 상의 센서들은 기능 유닛(산업용 로봇, 항공기 엔진, 풍력 터빈 등)의 동작에 대한 실시간 정보를 수집하고, 이 정보를 유선 또는 근거리 무선 통신망(LAN)을 통해서 전송한다.
• 게이트웨이 노드 – 게이트웨이 노드는 다양한 프로토콜을 사용하는 여러 개의 엣지 노드와 통신하고 이 정보를 취합해서 광역 통신망(WAN)으로 전송한다.
• 엔터프라이즈 노드 – 엔터프라이즈 노드는 게이트웨이 데이터를 수신하고, 디지털 모델을 적용하고, 그 결과를 통신한다.

정확한 모델과 고품질 데이터를 활용한다면 DT 모델을 통해 결함을 예측하고 효율을 높일 수 있을 뿐 아니라, 심지어는 가상이 아닌 실제 세계에서의 동작까지도 변경할 수 있다.

 

이러한 데이터 수집을 위해서는 엣지 노드가 핵심적인 역할을 한다. 실제 세계로부터 동작과 환경에 관한 데이터를 수집하는 센서와, 이렇게 센서들이 수집한 정보를 상위 레벨로 전송하는 통신 링크들이 엣지 노드에 포함되어 있기 때문이다.

 

엣지 노드의 중요성
DT는 물리적 기계를 가상으로 모델링하기 위해 실제 세계로부터 지속적으로 수집한 고품질 데이터를 필요로 한다. 그렇지 않다면 실제 세계와 가상 세계의 차이가 점점 더 벌어져, DT를 적용한 계산이나 예측이 쓸모 없어질 것이다.

그림 1: 디지털 트윈(DT) 아키텍처는 IoT 아키텍처와 마찬가지로 엣지 노드 상의 센서, 게이트웨이 노드, 엔터프라이즈 노드로 이루어진다.

그림 1: 디지털 트윈(DT) 아키텍처는 IoT 아키텍처와 마찬가지로 엣지 노드 상의 센서, 게이트웨이 노드, 엔터프라이즈 노드로 이루어진다. (이미지. 마우저 일렉트로닉스)

 

이러한 데이터 수집을 위해서는 엣지 노드가 핵심적인 역할을 한다. 실제 세계로부터 동작과 환경에 관한 데이터를 수집하는 센서와, 이렇게 센서들이 수집한 정보를 상위 레벨로 전송하는 통신 링크들이 엣지 노드에 포함되어 있기 때문이다. 또한 물리적인 프로세스까지 변경할 수 있는 DT 모델이라면 액추에이터도 엣지 노드에 포함된다.

센서 측정은 두 가지 범주로 구분할 수 있다:
• 동작 측정(기계 또는 장비의 물리적 동작): 장력, 속도, 유량, 변위, 토크, 동작 온도, 진동 등
• 환경 데이터(물리적 동작에 영향을 미침): 주변 온도, 기압, 습도 등

엣지 노드에는 다양한 형태의 센서들이 사용될 수 있다. 온도 센서, 압력 센서, 로드 셀, 가속도계 같은 다양한 센서들이 실제 세계의 특성을 측정하고 수치적 정보를 제공한다. 센서 퓨전 시스템은 여러 센서 측정 결과를 조합해서 단일 센서로는 할 수 없는 통찰을 제공할 수 있다. 카메라와 마이크로폰은 복잡하고 구조화되지 않은 정보를 사용해서 비디오 및 오디오 스트림을 발생시키므로 이를 해석하려면 별도의 프로세싱이 필요하다.

 

기존 장비를 개조할 때의 어려움

 

DT 설계는 실제 설치물을 위한 모델 역할을 하는 디지털 설계에서 시작한다. 따라서 실시간 데이터를 제공하는 센서들이 이 모델에 포함되어 최종 버전까지 계속해서 기능을 수행할 수도 있다. DT는 석유 및 가스, 핵 에너지, 항공우주, 자동차 같은 하이테크 애플리케이션에 주로 사용된다. 여기에 사용되는 기계들은 가상 모델이 도입되기 훨씬 전에 설치되었을 수 있다. 그러므로 디지털 트윈이 가능하도록 엣지 노드를 업그레이드하기에는 많은 어려움이 따른다.

기존 산업 분야에 DT를 도입하기 위해서 DT에 대한 현실 세계 버전을 완전히 처음부터 설계하는 경우는 거의 없다. 수 년 또는 수십 년 동안 잘 작동해온 기존 설비를 가지고 어떻게든 해보아야 한다. 다시 말해서 기존 시스템을 DT가 가능하도록 개조해야 하는 것이다. 디지털 트윈 시스템을 아무리 잘 설계한다 하더라도, 기존 장비의 성능을 모니터링하기 위한 센서가 부족하거나 아예 설치되어 있지 않다면 통합 과정은 엄청나게 복잡해질 것이다. 이러한 기술을 수용할 수 있도록 전혀 설계되지 않은 기계에 수십 혹은 수백 개의 센서들을 설치해야 하기 때문이다.

이미 센서들이 설치되어 있는 경우라도, 센서의 정확도가 디지털 모델에 유용한 데이터를 제공하기에 미흡할 수 있다. 예컨대 온도 센서가 설치되어 있기는 하지만 과열 결함만 감지할 수 있을 뿐, 결함을 조기에 예측하는데 필요한 온도 스트레스 패턴까지는 식별하지 못할 수 있다.

통신 네트워크의 용량 또한 문제가 될 수 있다. 기존에 설치된 IoT는 다양한 유선 및 무선 표준을 사용해서 엣지 노드를 해당 게이트웨이로 연결한다. 이러한 통신 기술에는 다음과 같은 표준 기술들이 포함된다:
• 지그비 – 저전력 메시 애플리케이션용
• 서브 1GHz – 저전력 및 장거리용
• 와이파이 – 고속의 직접 인터넷 연결
• 블루투스 – 가장 낮은 전력
• 기타

설계자는 각 표준들이 디지털 트윈 데이터로 인해서 가중되는 부담을 처리할 수 있는지 면밀히 검토해야 한다.

 

수십 배 증가해야 하는 센서 수

 

디지털 트윈은 많은 산업 분야에서 아직은 초기 단계에 있지만, 많은 제품들이 첫번째 시제품을 세상에 선보이기 위해 가상 세계에서 설계, 테스트, 검증 과정을 거치고 있다. 이러한 제품들 역시 특수한 실시간 센서들에 의해 엄청난 양의 데이터가 수집되고 있다. 항공기 엔진과 포뮬러 1 경주용 차는 대표적인 두 가지 사례이다.

항공기 엔진
항공기 엔진은 이미 고도로 계장화 되어 있다. 전통적인 터보팬 엔진(그림 2)은 압력, 온도, 유속, 진동, 속도를 측정하기 위한 센서들을 포함한다. 또한 각 범주별로 여러 특수 센서들이 사용되어 보다 세분화된 기능들을 담당한다. 압력 측정을 예로 들면 터빈 압력, 오일 압력, 오일 또는 연료-필터 차동 압력, 스톨 감지(stall detect) 압력, 엔진 제어 압력, 베어링실 압력 등을 측정하기 위해 각각의 센서들을 사용할 수 있다.

그림 2: 항공기 터보팬 같은 엣지 노드는 이미 수백 개의 센서들을 포함한다. 여기에 DT를 도입하려면 센서 수가 지금보다 수십 배 늘어나야 한다.

그림 2: 항공기 터보팬 같은 엣지 노드는 이미 수백 개의 센서들을 포함한다. 여기에 DT를 도입하려면 센서 수가 지금보다 수십 배 늘어나야 한다. (이미지. 마우저 일렉트로닉스)

 

DT는 기존의 모니터링 애플리케이션보다 훨씬 더 많은 데이터를 필요로 하기 때문에 그만큼 훨씬 더 많은 수의 센서들을 필요로 한다. 오늘날 사용되는 대부분의 항공기 엔진은 약 250개의 센서를 포함하지만, 요즘 나오고 있는 차세대 DT 가능 제품은 5천 개 이상의 센서를 포함한다. 연료 유량, 연료 및 오일 압력, 고도, 대기 속도, 전기 부하, 외부 공기 온도 등을 모니터링하는 센서들로부터 추가적인 데이터가 제공된다. 롤스로이스(Rolls-Royce), GE, 프랫 앤 휘트니(Pratt & Whitney) 같은 회사들은 이미 DT를 사용해서 신뢰성과 효율을 끌어올리고, 제조 비용은 낮추고 있다.

포뮬러 1 경주

그림 3: 포뮬러 1 경주 (이미지. 마우저 일렉트로닉스)

 

DT 기술은 치열한 경쟁이 펼쳐지는 포뮬러 1 경주에서 운전자와 자동차의 성능을 향상시키는 데에도 사용될 수 있다. 맥클라렌-혼다(McLaren-Honda) 팀은 200개 이상의 센서를 사용해서 엔진, 기어박스, 브레이크, 타이어, 서스펜션, 공기역학에 관한 실시간 데이터를 전송한다. 경기가 진행되는 동안, 이 센서들은 영국 워킹(Woking)에 있는 맥클라렌 기술 센터(McLaren Technology Centre)로 100GB에 이르는 데이터를 전송한다. 분석가들은 이 데이터를 분석하고 DT를 적용해서 운전자에게 최적의 경주 전략을 전달한다. 가상의 세계에서 DT가 실제 자동차와 동일한 도로 조건, 날씨, 온도로 동일한 경기를 펼친다.

 

DT 엣지 노드 아키텍처의 미래

 

DT 모델의 잠재력을 최대한 실현하기 위해서는 기존의 엣지 노드 아키텍처에서 다음과 같은 몇 가지 과제들을 해결해야 한다:

스마트 센서와 엣지 노드 프로세싱
센서들이 점점 더 많은 데이터를 수집함에 따라서, 디지털 모델로 데이터를 어떻게 사용할지, 또 데이터를 어디에서 처리해야 할지(노드, 게이트웨이, 클라우드 등) 결정해야 한다. 노드에서 처리하면 네트워크 대역폭은 줄일 수 있으나 정보를 잃을 우려가 있고, 그러면 DT 성능이 떨어질 수 있다.

이 결정에는 사용하는 센서가 어떤 유형인지가 영향을 미친다. 많은 센서들은 예컨대 압력을 나타내는 디지털 전송처럼, 사용하기 편리한 구조화된 포맷으로 정보를 전송한다. 하지만 마이크로폰이나 이미지 센서 같은 것들은 구조화되지 않은 대량의 원시 데이터를 발생하므로 대대적인 프로세싱을 하지 않으면 쓸모가 없다.

향상된 통신 인터페이스
엣지 노드 프로세싱을 늘린다 하더라도, 어마어마하게 늘어나는 데이터 양 때문에 시스템 설계자는 어떻게든 네트워크 대역폭을 늘려야 할 것이다. 예를 들어 항공기 엔진은 엔진 한 대마다 초당 5GB의 데이터를 발생하며, 상업용으로 사용되는 트윈 엔진 항공기는 하루에 최대 844TB의 데이터를 발생한다.
전통적인 산업들은 또 다른 복잡함을 안고 있는 엄청난 양의 데이터를 발생한다. 전통적인 산업용 IoT 애플리케이션에 이용되는 많은 원격지 엣지 노드들은 저전력 소비 특성을 최적화하기 위해 배터리 전원과 저성능 무선 프로토콜을 사용한다. 따라서 이러한 기존 설계에 DT를 사용하려면 통신 병목지점이 어디인지부터 파악할 필요가 있다.

견고한 엣지 노드 보안
기존에 설치된 IoT 네트워크는 엣지 노드 디바이스에서 보안성이 문제가 될 수 있다. 이에 따라 암호화, 보안 하드웨어, 애플리케이션 키, 장치 인증서 같은 보안 조치들이 점점 더 일반화되고 있다. DT 프로그램의 도입이 늘어날수록 이러한 보안 기술들의 중요성은 더욱 강조될 것이다. 특히 인터넷 프로토콜(IP) 연결이 가능한 노드들은 해커들의 공격 대상이 되기 쉽다.

 

맺음말

 

디지털 트윈 프로그램을 구현하려면 신호 체인의 모든 측면에서 더 높은 성능이 필요하다. 디지털 트윈을 적용하고자 하는 해당 장비 또는 그 가까이에 설치되는 엣지 노드의 경우는 특히 더 하다. 엣지 노드는 디지털 트윈을 구현하는 데 있어서 핵심적인 역할을 한다. 실제 세계로부터 동작과 환경에 관한 데이터를 수집하는 센서와, 이렇게 센서들이 수집한 정보를 상위 레벨로 전송하는 통신 링크들이 엣지 노드에 포함되어 있기 때문이다. 현재 디지털 트윈은 주로 항공기와 자동차 같은 분야에 사용되고 있다. 이들 분야에는 이미 많은 수의 센서들이 사용되고 있는데, 여기에서 디지털 트윈이 가능하도록 기존 장비를 개조하려면 지금보다 수십 배 더 많은 센서들을 설치해야 한다. 그 밖에도 엣지 노드 프로세싱, 통신 프로세싱, 엣지 노드 보안 같은 것들을 향상시켜야 한다.

 

글_ 폴 피커링(Paul Pickering) / 마우저 일렉트로닉스

 

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[이슈] 인공지능을 통한 인간-로봇 콜라보레이션

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바이오닉 워크플레이스 (BionicWorkplace): 훼스토는 서로 연결되어 서로 통신하는 수많은 지원 시스템 및 주변 장치와 함께 인간이 생체 로봇 팔과 함께 작동하는 바이오닉 워크플레이스를 통해 인상적인 시연을 보여준다.(사진. 훼스토)

바이오닉 워크플레이스(BionicWorkplace)로 미래 공장을 보다

훼스토(Festo)는 지난 하노버 산업 박람회에서 인간의 팔에서 모티브를 얻은 생체 로봇 팔인 바이오닉 코봇(BionicCobot)과 함께 작동하는 바이오닉 워크플레이스를 통해 수많은 지원 시스템 및 주변 장치와 서로 연결되어 통신하는 인상적인 시연을 선보였다. 작업자는 이러한 바이오닉 코봇의 지원을 받아 작업에서 과중한 업무 강도나 위험한 작업으로부터 벗어날 수 있게 된다.

산업 환경의 변화로 인해 짧은 제품 수명 주기와 다품종 소량 생산의 다양한 사양에 대한 요구가 증가되고 있다. 동시에 직원들이 신속하고 직관적으로 새로운 작업에 적응할 수 있도록 하는 것이 점차 중요해지고 있으며 사람, 기계 및 소프트웨어 간의 새로운 형태의 협력이 요구된다. 여기서 중요한 역할은 로봇 기반의 자동화 솔루션이며 획기적인 작업 환경인 바이오닉 워크플레이스를 통해 인공 지능을 갖춘 자가 학습 시스템과 사람 작업자가 함께 작업하며 서로 네트워크를 형성할 수 있게 된다.

바이오닉 워크플레이스 (BionicWorkplace): 훼스토는 서로 연결되어 서로 통신하는 수많은 지원 시스템 및 주변 장치와 함께 인간이 생체 로봇 팔과 함께 작동하는 바이오닉 워크플레이스를 통해 인상적인 시연을 보여준다.(사진. 훼스토)

바이오닉 워크플레이스 (BionicWorkplace): 훼스토는 서로 연결되어 서로 통신하는 수많은 지원 시스템 및 주변 장치와 함께 인간이 생체 로봇 팔과 함께 작동하는 바이오닉 워크플레이스를 통해 인상적인 시연을 보여준다.(사진. 훼스토)

 

미래 공장을 위한 배치 사이즈 1까지의 유연한 생산
미래 생산은 제품 생산뿐만 아니라 작업장 및 작업 환경의 설계면에서도 유연해야 한다. 인공 지능 및 머신 러닝은 작업장을 지속적으로 개발시키고 요구 사항에 걸맞게 최적의 상태로 자체 적응시키는 최적화 러닝 시스템으로 전환시킨다. 훼스토(Festo)는 지난 하노버 산업 박람회에서 인간의 팔에서 모티브를 얻은 생체 로봇 팔인 바이오닉 코봇(BionicCobot)과 함께 작동하는 바이오닉 워크플레이스를 통해 수많은 지원 시스템 및 주변 장치와 서로 연결되어 통신하는 인상적인 시연을 선보였다. 작업자는 이러한 바이오닉 코봇의 지원을 받아 작업에서 과중한 업무 강도나 위험한 작업으로부터 벗어날 수 있게 된다.

인체 공학적으로 설계된 전체 작업장은 조명에 이르기까지 작업자 맞춤형으로 적용할 수 있다. 센서 및 카메라 시스템은 작업자, 컴포넌트 및 도구의 위치를 등록하여 작업자가 제스처, 터치 또는 스피치를 통해 직관적으로 바이오닉 코봇을 제어 가능하다. 동시에 소프트웨어 시스템은 모든 카메라 이미지를 처리하고 다양한 주변 장치에서 입력하며, 이 정보를 사용하여 최적의 프로그램 순서로 이끌어낸다. 시스템은 각 동작을 인식하고 지속적으로 최적화하고 제어, 프로그래밍 및 시퀀스 설정은 점차 더 자유로운 작업 방법으로 점진적으로 발전시키고 있다.

일단 학습 및 최적화 작업을 거치면, 바이오닉 워크플레이스의 프로세스와 기술은 실시간으로 동일한 유형의 다른 시스템으로 쉽게 이전되고 전 세계적으로 공유 가능하다. 예를 들어, 미래에는 작업 공간의 지식 모듈을 공유하는 글로벌 네트워크를 통합하는 것이 가능하게 될 것이다. 생산은 더욱 유연해질뿐만 아니라 분산화 될 것이다. 작업자는 인터넷 플랫폼을 통해 생산 주문을 하고 개별 고객의 요구 사항에 따라 기계와 협력하여 자율적으로 수행할 수 있으며 작업장의 원격 조작도 가능하게 된다.

핵심 구성 요소로서의 바이오닉 코봇
핵심 구성 요소는 경량의 공압으로 구성된 “바이오닉 코봇” 이다. 이 로봇은 인간의 팔을 모델로 하며 압축 공기의 유연한 움직임으로 사람들과 직접적이고 안전하게 상호 작용할 수 있다. 이것은 디지털화된 공압인 훼스토 모션 터미널(Festo Motion Terminal)으로 가능하다. 바이오닉 코봇과 함께 사용되는 훼스토 모션 터미널은 안전한 인간-로봇 협업을 위한 완전히 새로운 솔루션을 제안하며, 빠르고 강력하고 부드럽고 섬세한 움직임을 수행 가능하다.

지난 하노버 산업박람회에서 훼스토는 바이오닉 워크플레이스의 제품 제조 프로세스를 시연했다. 예를 들어, 개별 모델의 헤드를 만들기 위해 먼저 레이저 커터로 아크릴 유리를 조각 낸다. 스마트 폰을 사용하여 스캔, 저장된 사람의 얼굴 특징을 소프트웨어 프로그램을 통해 CAD 모델로 변환한 다음 별도의 조각으로 나눈다. 그 다음, 레이저 커터는 이 3D 템플릿을 기반으로 아크릴 유리에서 조각을 잘라낸다. 바이오닉 코봇은 레이저 커터에서 직접 조각을 가져와서 올바른 순서로 작업자에게 제공한 다음 조립하여 모델을 만든다.

이 시나리오에서 로보티노®(Robotino®)의 레이저 스캐너를 사용하여 스테이션간에 자율적으로 이동하고, 안전하게 길을 찾게 되며 지속적인 재료 자동 공급이 가능하게 된다. 공압으로 동작되는 부드러운 로봇 구조의 바이오닉 코봇으로 로딩된다.

박은주 기자 news@icnweb.co.kr

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