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[적용사례] 세계기록 : 400μs로 728개 축 제어

브루크너 사(Bruckner Maschinenbau GmbH & Co. KG)에서 생산하는 LISIM® 라인은 700개가 넘는 클립들이 장비를 통해 플라스틱 필름을 당기는 동시에 기계와 상호 기계 방향으로 재료를 늘린다. 클립들은 자기 부상 열차의 철도 차량 처럼 자기장에 의해 당겨질 수 있다. 728개의 권선이 적용된 리니어 모터는 이것을 가능케하는 이동 자기장을 생성한다. 최근 모션 제어에서는 파워링크(POWERLINK)를 통해 동기화되는 B&R ACOPOS 드라이브가 적용되었다. B&R 기술의 적용을 통해 킴가우(Chiemgau)를 연고로 하는 이 장비 제조 업체는 드라이브 장비에 대한 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 사이클 타임을 상당히 단축시키고, 하드웨어 및 소프트웨어의 유지 보수를 단순화시킴으로써 어느 때는 적용할 수 있는 솔루션을 통해 독자적인 드라이브와 버스 기술을 대체할 수 있었다.


파워링크(POWERLINK)를 통해 동기화되는 B&R의 ACOPOS 드라이브가 적용된 킴가우(Chiemgau)를 연고로 하는 이 장비 제조 업체는 드라이브 장비에 대한 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 사이클 타임을 상당히 단축시켰다.

수백개의 클립들은 연속적인 스트레칭 시스템 LISIM으로 구동되는 리니어 모터를 통해 두 개의 고리 모양의 대칭되는 철도 라인 상에서 최대에서 6.6m/s까지 빠른 속도로 진행된다. 클립들은 압출기 및 주조 롤러를 통해 생산된 플라스틱 필름을 쥐고 그립의 양쪽 끝 가장자리를 따라 속도를 증가시키는 동시에 장비를 통해 당기고서 장비 방향으로 필름을 늘린다. 레일은 평행하게 있지 않는 대신 그것들 사이의 거리는 라인의 길이에 따라 증가하며 이것은 아무런 긁힘 없이 장비를 향해 수직 방향으로 연속적으로 늘어난다. 이러한 연장 과정 동안에 필름은 오븐으로 전달된다. 높은 온도는 분자 구조를 경화시키고, 수축과 같이 늘어지는 성질에 영향을 미치는 필름의 물리적 속성에 결정적인 역할을 한다. 늘리는 과정이 끝나고서 클립들은 필름을 놓고 시스템의 처음으로 돌아간다. 선반은 불필요한 가장자리를 제거한 뒤 그것을 감아 올린 시스템으로 부터 필름을 전송한다.

 

단지 몇 개의 클립들만이 실제로 구동되는데, 구동되지 않는 수백개의 클립들은 힘을 분산시켜 늘어지는 것으로 부터 필름을 보호한다. 구동되는 클립들은 리니어 모터의 보조 측면(로터)로 설계되었고 마찰 표면 상에 영구 자석을 갖추고 있다. 리니어 모터는 마찰 표면 상에 있는 영구 자석의 위,아래 대칭으로 위치한 주요 요소들을 통해 힘의 분포를 향상시키고자 분리된다. 각 영역에 오직 하나의 전원 공급된 클립이 위치하도록 권선은 서로 다른 길이의 영역에 있는 레일을 따라 분배된다.


그림 1. 최신 B&R 드라이브 기술을 장착한 브루크너 장비는 매우 빠른 사이클 타임이 특징이다.

개별적으로 제어되는 728개의 권선(windings)

 

각 지역은 인버터를 통해 개별적으로 제어된다. 브루크너 사의 새로운 LISIM® 시스템은 B&R 드라이브 기술과 관련이 있다. 65m 길이의 장비를 따라 인가되는 728개 구역을 위한 전원은 파워링크를 통해 동기화되는 B&R ACOPOS 드라이브 장치들로 부터 14개의 전원 공급 모듈과 384개의 단일 및  이중 인버터 모듈을 통해 공급된다. 구역의 길이가 길수록 더 많은 전력이 공급되어야하기 때문에, 5 kW 급 중에서도 2.6 A에서 22 A에 이르는 드라이브가 사용되어야 한다.

 

브루크너 사의 자동화 개발부장인 전기공학자 귄터 외들(Günter Oedl)씨는이 장비의 컨셉은 이미 15년전 개발되어 리니어 모터를 기반으로 하고 있지만, 여전히 최신식 기술이기 때문에 특수 필름을 위한 표장 및 평면 판넬 디스플레이 산업 분야의 급격한 수요 증가로 인하여 새로운 르네상스 시기를 맞이하고 있습니다. 하지만 우리가 지금까지 사용해온 드라이브 기술은 점차 노후화 되가고 있습니다.” 라고 B&R 시스템으로 전환한 이유에 대해서 말했다. “새로운 개발은 어려울 뿐만 아니라 많은 비용이 필요하기 때문에 전용 버스를 이용하여 특수하게 개발되었습니다.”

 

파워링크가 결합된 ACOPOS 모듈을 사용함으로써 기계 제조 업체는 비용면에 있어서 효율적이고 표준화된 솔루션을 통해 자체 제품들을 대체가 가능하게 되었다. 이러한 표준 솔루션의 추가 개발이 필요한 것은 물론이고 모든 사용자에 의해 축적되어져야 한다.

파워링크를 통한 정확한 동기화

 

파워링크는 수백가지 네트워크 어드레스와 높은 데이터 처리량을 동시에 제공함으로써 정확한 동기화 모션을 가능케 합니다. 또한 우리는 사이클 타임을 400μs 수준으로 상당히 줄일 수 있었습니다. 다른 한편으로는, 드라이브에서 중앙 드라이브 제어장치로 대량의 소프트웨어를 전송하는 것이 가능하게 되었습니다.” 라고 귄터 외들 씨가 설명한다. “이것을 통해 소프트웨어의 서비스 및 유지보수가 상당히 간편해졌습니다.”

 

시스템 내 398개의 모든 ACOPOS 모듈(파워서플라이 모듈 및 인버터)들은 12개의 산업용 컴퓨터인 APC810에 의해 동기화 된다. 이들은 13개 이상 모듈을 제어하기 위한 3개의 파워링크 카드를 갖추고 있다. 이 산업용 컴퓨터들은 각각 다른 파워링크 카드를 사용함으로써 서로 통신을 할 수 있고 또한 브루크너 모션 제어 소프트웨어를 구동시키는 고사양의 APC810와도 통신이 가능하다. 예를 들어 오븐을 제어하기 위한 플렌트 제어 시스템은 프로피버스(PROFIBUS) 인터페이스를 사용하여 B&R 산업용 컴퓨터와 연결된다.

 

사내 전기공학 개발 부서장의 확인을 통해 파워링크의 짧은 사이클 타임과 최소한의 지터(jitter)는 브루크너 사의 기술력을 향상켰다. “각 개별 구역들은 아주 균일하게 그룹화되어 어플리케이션에서 규정된 에러 오차 범위를 밀리 세컨 단위 이하로 상당히 줄일 수 있습니다.”

 

장비 제조사를 위한 이점은 파워링크가 사설 버스 시스템이 아니므로 개방형 소스 솔로션으로써 수많은 생산자들에 의해 지원이 가능하다. 따라서 수많은 솔루션이 폭넓게 사용 가능하며 전문적인 진단 툴 역시 포함되어 있다.


그림 2. POWERLINK로 동기화를 실현한 398개의 ACOPOS 모듈이 설치됐다.

공간 및 에너지 절감

 

귄터 외들 씨가 언급한 바와 같이 브루크너 상의 관리자들은 폭넓은 ACOPOS 시리즈 제품군 뿐만 아니라 두 개의 축을 제어하거나 하나의 인버터로 와인딩 작업을 할 수 있는 것에 큰 감명을 받았다. “728 개의 인버터 모듈로 작동하는 것이 아니라 그보다 적은 398 개로도 충분한 효율성을 보장하기 때문에 이것은 분명히 비용 뿐만 아니라 소요 공간을 줄일 수 있게 되었습니다.”

 

브루크너 관리자들은 또한 냉각 기술에도 큰 관심을 보였다. 브루크너 기술 관리자는 기체를 냉각하는데 있어 제 시간 안에 필터를 교체하지 못하거나 제거하지 못할 경우 상당한 위험을 초래할 수 있다고 경고한다. “이것이 바로 콜드 플레이트 냉각 방식(cold plate cooling)을 사용하고자 하는 이유입니다. B&R은 사전 논의 및 뛰어난 솔루션을 통해 매우 훌륭한 기술 지원을 제공해 주었습니다.” 프로젝트가 끝난 후라도, B&R은 매우 성실히 서비스에 대한 대응을 한다. B&R은 오스트리아 에겔스버그에 있는 본사의 자체 연구소에서 전체가 똑같은 시스템을 구비하여 함께 연구 활동을 해나가고 있다.

 

이러한 B&R의 연구환경과 ACOPOS 인버터에 대한 전폭적인 지원은 B&R 드라이브 기술을 선택하는데 큰 영향을 미쳤다. 이 장비들은 열전도성 페이스트(heat-conductive paste)를 필요로하지 않는다. 귄터 외들 씨는서비스 상황 시 전에는 인버터를 교체하는데 한시간이 소요되었지만, 지금은 30분이면 교체가 가능합니다.”라고 말했다. 그러나 그것만으로는 충분치 않다. : 콜드 플레이트(cold plate)가 사용된 드라이브를 위해서는 열은 물 또는 기름의 도움으로 보다 효과적으로 캐비넷으로 부터 전달되어야 한다. 순간적으로 발생하는 높은 온도와 같이 발생하는 큰 폭의 온도 변화는 사전에 예방될 수 있고, 이는 전자부품의 수명을 연장시킨다. 만약 냉각제가 기존 냉각 시스템으로 유입된다면, 기존 냉각 방식 보다 더 높은 전체 효율성을 달성할 수 있다.


그림 3. LISIM 라인 제어 캐비넷 내부에는 총 398개의 ACOPOS 모듈이 설치되어 있다. 이들은 12대의 산업용 컴퓨터인 AOC810 를 사용하여 동기화된다.

높은 효율성과 강한 내구성을 위한 센서가 없는 폐루프 제어(Closed loop control)

 

권선에 적용되는 개루프 제어에서 부터 폐루프제어에 이르기까지, 이러한 시스템 변경은 에너지 절약에 있어 상당한 효과를 가져왔다. 이러한 목적을 위해 브루크너 사는 센서를 오븐 근처에 장착할 수 없기 때문에 센서를 사용하지 않는 방법을 추구한다. “센서 없이 제어가 가능한 시스템 덕분에, 우리는 각 시스템당 100 ~ 150 kW 씩 소모되는 전력을 줄일 수 있었습니다.” 라고 귄터 외들 씨는 말했다. 이러한 제어 시스템을 사용함으로써 얻은 또다른 긍정적인 부분은 기존의 제동력이 약한 자기장 샤프트 메스 시스템(magnetic shaft mass system)에 비해 보다 완벽하게 제동될 수 있다는 것이다. 따라서 센서가 없는 장비 제어는 생산 중에 발생하는 변동이나 필름의 구겨짐과 같은 예상치 못한 외란에도 충분히 대응할 수 있다. 브루크너의 기술 관리자는센서가 없는 폐루프 제어의 장점은 완벽합니다. 우리는 앞으로도 B&R의 이상적인 솔루션을 사용할 수 있다는 사실을 환영하는 바입니다.”라고 결론지었다.


업체명: 브루크너, 산업분야: 플라스틱, 직원수: 약 400 명, 지역: 독일 시그도르프, www.brueckner.com



pemag
파워일렉트로닉스 매거진 에디터입니다.
http://powerelectronics.co.kr

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