통합 상태 모니터링을 통한 프로세스 최적화

[사진. TAR 9964 상태 모니터링 시스템은 제어 플랫폼으로서 TwinCAT 3 소프트웨어, TwinCAT 상태 모니터링 라이브러리 및 EtherCAT 단말기를 갖춘 CX5140 임베디드 PC를 기반으로 한다.]

TwinCAT 3로 고급 측정 데이터 프로세싱

TAR Automation은 고품질 자동화 기술을 전문으로 하고 있으며, 혁신적인 제어 솔루션 통합을 제조사들에게 지원한다. 기존 생산 기기의 현대화뿐만 아니라 새로운 시스템의 설계 및 구현 외에도 TAR은 모션 제어 및 상태 모니터링 영역의 시스템 솔루션을 개발한다. 독일, 딘스라켄에 기반을 둔 TAR은 최근 Beckhoff의 통합 자동화 솔루션을 기반으로 생산 장비를 위한 효율적인 상태 모니터링 시스템(CMS)을 개발했다.

“기업 초창기에 우리는 기존 PLC 및 SCADA 제품을 거의 독점적으로 사용했지만, 현재는 점점 더 Beckhoff의 PC 기반 자동화 솔루션을 사용하고 있습니다”라고 TAR Automation의 상무이사 Alfred Rachner는 설명한다. “다기능 TwinCAT 3 자동화 플랫폼은 우리의 엔지니어들이 소프트웨어 구성요소를 만들 수 있도록 효율적인 개발 환경을 제공합니다. TwinCAT 3는 모듈식의 구조이지만 통합되어 있습니다. 임베디드 PC 시리즈는 모든 테스크의 성능 요구사항을 위한 이상적인 하드웨어 플랫폼을 제공합니다.”

고정밀 및 맞춤형: 완벽하게 통합된 상태 모니터링 시스템
“과거 자동화 기술은 전용 ‘블랙-박스 장치’를 사용해서 실현될 수 있었지만, 이제는 PC 기반 제어 솔루션으로 수많은 새로운 기능을 자동화 기술에 통합할 수 있습니다. 생산 장비를 위한 상태 모니터링이 하나의 좋은 예입니다” 라고 Alfred Rachner는 말한다. 기존 CMS는 주로 전체 시스템 안에서 별도 하부시스템으로 설치된다. 이는 데이터 샘플링 및 평가를 위한 특별한 하드웨어로 구성되어 있으며 채널 수가 고정되어 있고 기능이 한정되어 있기 때문에 독립형 솔루션을 매우 유연하지 못하게 만든다. 사용자는 변화하는 요구에 반응할 수 없으며 상태 모니터링 기능은 비용이 비쌀 뿐만 아니라 통합하기에 어렵다.

유연성 강화 및 비용 감소는 TAR 엔지니어링 팀이 제어 플랫폼으로서 TwinCAT 3 소프트웨어, TwinCAT 상태 모니터링 라이브러리 및 EtherCAT 단말기를 장착한 CX5140 임베디드 PC를 기반으로 하는 TAR 9964 상태 모니터링 시스템을 개발할 수 있도록 이끌었다. EL3632 상태 모니터링 단말기는 IEPE 가속도 센서를 연결하는데 사용된다. 이 통합된 구성은 많은 이점을 제공한다:

– 시스템은 자유로운 프로그램이 가능하고 언제든지 새로운 기능을 추가할 수 있다.
– 온도 측정 또는 디지털 I/O 이외에도 진동 및 아날로그 신호는 모듈식 EtherCAT I/O를 사용해서 언제든지 구현될 수 있다.
– 오버샘플링 기술뿐만 아니라 동기화를 위한 고정밀 클럭 및 광대역 실시간 네트워크로서 EtherCAT은 아날로그 신호에 대해 최대 100 kHz 및 가속도 값에 대해 50 kHz의 샘플링률을 가능하게 한다.
– EL3632 상태 모니터링 단말기는 IEPE 센서(가속도, 마이크로폰 등등)의 연결을 제공하고 오버샘플링 기술, 파라미터화 할 수 있는 하드웨어 기반 안티에일리어싱 필터, 디지털 필터 및 오프셋 보상을 특징으로 한다.
– 기본 분석 알고리즘은 PLC 라이브러리로서 통합될 수 있으며, 언제든지 수정 또는 기능 확장이 가능하다.
– 고객의 시스템과 간단하게 통합할 수 있다. 특히PROFIBUS, PROFINET, EtherNet/IP, CANopen 및 이더넷 등을 포함한 모든 공통 인터페이스의 가용성 기능을 가진다.

상태 모니터링 그 이상을 하다: 과립기의 프로세스 최적화
실제 사례로 TAR 9964 상태 모니터링 시스템은 PCB, 냉각 장치, 세탁기, 다양한 플라스틱이나 타이어에 사용되는 성분과 같은 재생 물질을 파쇄하는 기계의 모니터링 및 프로세스 최적화를 제공한다. 과립기는 커터 샤프트(cutter shaft)를 위한400 kW 드라이브와 추진장치 및 고정자 조정을 위한 12 kW 유압 장치를 가지고 있다. 커터 샤프트는 EL3632를 통해 데이터가 기록되는 가속도 센서를 갖추고 있다. 첫 번째로 TwinCAT 상태 모니터링 라이브러리의 소프트웨어 기능 블록은 매우 빠른 작업에서 데이터를 획득하고 번들링 한다. 여러 후속 작업에서 다양한 분석 Function Block은 퓨리에 분석, 제한 값 모니터링, 평균화 및 분류와 같은 추가 작업을 위해 사용된다. 상태 모니터링 라이브러리는 획득 및 분석 작업의 정확한 시간 상관관계 또한 보장한다.

[사진. Beckhoff영업 매니저Rhein/Ruhr, Ralf Stachelhaus와 TAR Automation의 상무 이사 Alfred Rachner(왼쪽에서 오른쪽으로)]

통합 상태 모니터링 시스템은 파쇄 시스템 운영자에게 실질적인 혜택을 제공한다:

– 베어링 모니터링: 과거에 베어링은 온도 측정을 통해 모니터링 되었기 때문에 시급한 베어링 손상이 일반적으로 너무 늦게 감지되었다.
– 진동, 제한 값 및 트렌드 분석: 비용이 많이 드는 손상이 실제로 발생하기 전에 잠재적인 베어링 손상을 탐지한다.
– 과잉 윤활 감지: 시스템 운영을 최적화시키는 윤활제의 낭비를 최소화한다: 작업 구역이 정상적으로 닫혀있지 않으면 원료가 커터 샤프트에서 날뛰며 정확하게 파쇄되지 못한다. 결과적으로 증가된 진동이 측정되고 공급 압력을 가함으로써 보정될 수 있다.
– 자동 V-벨트 장력 감지: 무뎌진 커터의 느슨한 V벨트를 자동으로 감지 및 조정한다: 과거에는 사람의 귀로 공장을 검사했다. 사람이 실제로 기계의 변화를 주의깊게 듣고 필요시 수동으로 커터를 날카롭게 만들었다. 상태 모니터링 시스템은 무뎌진 커터를 감지하기 위해 믿을 수 있는 측정 값을 제공하며 커터를 날카롭게 하는 것을 자동으로 실행한다.
– 기계 제어 시스템에 통합: 이전부터 원료 공급은 수동으로 제어되었다. 이는 분쇄해야 할 원료의 크기 및 형태가 다양하여 광학 측정 시스템으로 인피드를 제어하려는 시도가 실패했기 때문이다. 현재 상태 모니터링 시스템의 진동 분석은 신뢰성 있는 감지가 가능하다. 과립기가 비어있을 때 새로운 원료를 자동으로 공급한다. 기계의 연속적인 가동률은 최대 50%까지 생산성을 증가시킨다.

시스템 통합업체를 위한 새로운 가능성
“TAR의 경우, 상태 모니터링을 자동화 및 제어 시스템에 통합하는 것은 새로운 기회와 판매 가능성을 열어줍니다”라고 Alfred Rachner는 말한다. “TwinCAT은 우리에게 이상적인 통합 플랫폼입니다: 간단한 제어 작업에서부터 모션 제어, CNC 애플리케이션, 상태 모니터링 및 안전 기술까지 하나의 시스템으로 모든 작업을 해결할 수 있습니다. 이를 통해 다양한 플랫폼에 대한 프로그래머의 교육 비용을 없앨 수 있으며 하나의 엔지니어링 시스템을 설치하고 유지보수 하기만 하면 됩니다. 고객의 입장에서도 유지보수 비용을 절약할 수 있습니다.”

“게다가 TwinCAT은 PROFIBUS, PROFINET, EtherNet/IP 및 CANopen과 같은 모든 공통 필드버스 인터페이스를 지원합니다. 기존 시스템의 현대화가 온다면, 고객이 사용하는 제어 환경에 우리 시스템을 쉽게 통합할 수 있습니다. 오직 새로운 시스템에서만 가능하지만 앞으로 가장 효과적인 방법은 TwinCAT을 기반으로 한 완전 통합 PLC/NC/CMS 솔루션입니다.”

Industry 4.0: 수직 및 수평 네트워킹을 위한 통신 표준
광범위한 임베디드 PC는 다양한 네트워킹 옵션을 제공하는 동시에 성능 및 I/O 구성의 측면에서 확장 가능하다. 이는 제어 아키텍처를 구현할 때 많은 자유도를 제공하기 때문에 수작업 업무를 위한 최적의 솔루션이다. “소형, 독립형 솔루션, 분산형 네트워킹, 지능형 제어기 또는 고성능 중앙 솔루션을 다루든지 간에 상관없이 무엇이든 가능합니다”라고 TAR의 상무이사는 결론을 내린다. “수직 네트워킹을 위한 보편적 표준으로서 OPC UA의 지원과 결합하여 ERP 시스템을 작업장 내 또는 작업장 간에 통합하는 것이 가능합니다.”