최첨단 자동화 기술로 지원되는 지속 가능성 여정

커넥티드 센서, 로보틱스, 적응형 구동기 – 고급 자동화 개념은 에너지 절약 및 자원 효율적 생산에 있어 핵심입니다. 시스템 통합업체 및 공장 및 플랜트 운영자에게 있어 이는 지속 가능성 측면에서 인프라 및 프로세스를 최적화하기 위한 강력한 레벨을 제공합니다.

(이미지 출처: AzmanJaka via Getty Images)

에너지 수요, 원자재 사용, 필요한 토지 면적(특히 대도시 영역에서)은 산업 생산의 가장 중요한 요인입니다. 한편으로는 공장 및 플랜트의 경제적 효율성을 결정하고 다른 한편으로는 지속 가능한 운영에 있어 필수적입니다.

세계의 여러 지역에서 재래적인 화석 연료 사용을 제한하고 이를 재생 가능한 대체 연료로 대체하기 위해 엄청난 노력을 기울이고 있습니다. 지금까지의 성공은 정책, 산업 및 민간 분야의 헌신 덕분입니다. 예를 들어, 에너지 혁신의 프레임워크 내에서 재생 가능 에너지를 우세한 에너지원으로 발전시키는 것을 목표로 하는 독일의 경우 작년에 총 에너지 소비에서 재생 에너지가 차지하는 비중이 48%를 약간 웃돌았습니다. Federal Network Agency에 따르면 제조 산업은 에너지 소비의 1/4 이상을 차지하며, 전기 수요에서 차지하는 비중도 이와 비슷합니다. 화학 물질 및 금속의 생산 및 가공 처리는 선도적인 부문입니다.

이와 함께 여러 다양한 제조 산업(예: 전기 및 기계 공학, 식품 생산)은 공장 및 프로세스 자동화의 발전으로 구동됩니다. 생산성과 비용을 최적화하는 것 외에, 제품과 프로세스의 지속 가능성을 향상시키는 파라미터로 점점 더 초점이 이동하고 있습니다. 디지털화라는 상황과 인더스트리 4.0 개념을 통해 점점 더 에너지 효율성, 자원의 경제적 사용, 폐기물 방지, 탄소 발자국 최소화를 목표로 하고 있습니다.

지속 가능성을 위한 최적화

자동화 기술은 기계 및 플랜트 엔지니어링 분야의 시스템 통합업체와 제조 회사가 지속 가능성 측면에서 인프라, 플랜트, 프로세스를 최적화하는 데 활용할 수 있는 다양한 접근 방식을 제공합니다. 센서의 포괄적인 사용과 산업용 사물 인터넷(IIoT)으로의 통합은 에너지 소비, 환경 파라미터 또는 재고를 지속적으로 모니터링하여 다양한 가능성을 열어줍니다. 예를 들어, 제조 회사는 커넥티드 센서를 이용해 실시간으로 상품 운송을 추적하고, 충전 수준을 모니터링하거나, 생산 라인에서 기계 및 도구의 상태 데이터를 기록할 수 있습니다(그림 1).

그림 1: 기계의 상태 데이터를 캡처하고 분석하면 보다 지속 가능한 프로세스를 구축할 수 있습니다. (이미지 출처: Banner Engineering)

생산에 대한 IIoT 접근 방식을 총체적으로 지원하는 센서 제품군의 좋은 예로 미국 제조업체 Banner Engineering의 Snap Signal 포트폴리오를 들 수 있습니다. 일반적으로, 사용자의 과제는 먼저 관련 데이터를 식별한 다음 기존 장비에서 이를 추출하는 것입니다. 구동기의 진동 및 온도와 같은 추가 변수를 측정하기 위해 추가적인 센서 기술을 통합해야 하는 경우 기존 제어 아키텍처를 변경하지 않아야 합니다. 또한 통신을 표준화하고 모든 센서 및 제어 데이터를 공통 프로토콜로 변환해야 합니다. 이를 위해, Snap Signal 제품 라인(그림 2)은 스마트 센서, 신호 컨버터, 컨트롤러, 신호 어댑터, 무선 통신 모듈은 물론 자동화 엔지니어가 플러그 앤 플레이를 통해 이러한 작업을 해결할 수 있는 유선 연결 기술을 제공합니다.

그림 2: 생산에 대한 IIoT 접근 방식 지원: Snap Signal의 스마트 센서, 컨버터, 컨트롤러. (이미지 출처: Banner Engineering)

이러한 센서 데이터의 처리 및 분석은 클라우드에서 중앙 집중식으로 수행되거나 현장에서 직접 수행되므로 프로세스의 오류 및 최적화 가능성 또는 유지보수의 필요성에 대한 결론을 도출할 수 있습니다. 이러한 방법으로 에너지 손실을 줄이고 자원 사용을 최소화할 수 있습니다. 반면에 예측 유지보수를 사용하면 서비스 작업을 미리 계획할 수 있으므로 다운타임을 줄일 수 있으므로, 결과적으로 에너지 및 자재에 대한 추가 지출을 방지합니다.

에너지 절약형 구동 기술

예를 들어 생산 공장의 에너지 수요와 관련하여 구동기 기술은 중요한 역할을 합니다. 예를 들어 고급 가변 주파수 구동기(VFD)가 장착된 효율적인 구동 시스템은 모터 속도를 시스템의 실제 수요에 정확하게 일치시킬 수 있어 특히 가변 부하 응용 제품에서 전력 소비를 크게 줄일 수 있습니다. 재생 구동기는 제동 에너지를 캡처 및 재사용하여 소비를 더욱 줄일 수 있습니다. 이는 인더스트리 4.0의 핵심 구성요소 중 하나로 간주되는 생산 플랜트의 모듈화 및 유연화 과정에서 그 중요성이 점점 더 커지고 있습니다. 모듈식 공장의 개념에서 무인 운반 차량(AGV)과 모바일 지원 로봇은 취급 및 조립과 같은 지원 기능을 수행합니다. 가벼운 무게와 회복은 경제적인 에너지 사용과 작은 에코-풋프린트뿐만 아니라 AGV 및 코봇의 긴 가동 거리를 보장하기 때문에 필수적인 특징입니다.

프랑스 제조업체 Schneider Electric은 이 고효율 구동 기술 시장 부문에 콤팩트한 VFD Altivar ATV320으로 대응하고 있습니다. 이는 가변 속도에서 0.18kW ~ 15kW의 전력 세그먼트에서 3상 동기 및 비동기 모터를 제어하는 데 적합합니다. 제조업체에 따르면 이 제품은 응용 효율성을 지원하도록 설계된 즉시 사용 가능한 여러 기능과 통합 안전을 결합합니다. 여기에는 저속 토크 및 속도 정확도, 센서 없이도 플럭스 벡터 제어가 가능한 높은 동적 응답, 고속 모터를 위한 확장된 주파수 범위 등이 포함됩니다. ATV320(그림 3)은 특히 많은 산업 프로세스에서 일반적인 오염된 대기에 대한 향상된 내성으로 알려져 있으며 IP20은 물론 IP6x 보호 등급 사양을 충족합니다. VFD는 다양한 시스템 아키텍처에 완벽하게 통합되도록 설계되었습니다. 여기에는 통합 Modbus 및 CANopen 연결을 위한 RJ45 커넥터가 장착되어 있습니다. 기타 통신 옵션에는 이더넷 IP 및 Modbus TCP, Profinet, EtherCAT, DeviceNet, PowerLink 등이 있습니다.

그림 3: 가변 속도에서 3상 동기 및 비동기 모터를 제어하기 위한 Altivar ATV 320 VFD. (이미지 출처: Schneider Electric)

더욱 스마트한 제어

에너지와 산업 자원의 보다 지속 가능한 사용을 추구하는 과정에서 제어 기술을 최적화하는 것은 필연적인 부분입니다. 자동화 플랜트에서 생산 데이터를 수집, 처리, 분석하는 데 있어 오늘날 최첨단 에지 컨트롤러는 핵심적인 역할을 수행합니다. 콤팩트하고 확장 가능하며 산업용 이더넷을 통해 연결된 이러한 장치는 클라우드 기반 및 로컬 솔루션을 모두 구현하는 데 사용할 수 있습니다. 진단 및 에너지 관리를 위한 전용 기능을 통해 자동화 엔지니어는 Simatic S7-1200과 같은 산업용 컨트롤러를 기반으로 제조 공정을 분석하고 병목 현상을 식별하며 최적화 조치를 시작할 수 있습니다. 고급 제어 알고리즘과 통합 통신 및 안전 기능은 정밀한 프로세스 실행에 결정적인 기여를 합니다.

그림 4: Siemens 기본 컨트롤러를 사용하면 제조 데이터 분석을 기반으로 한 효율적인 프로세스를 구현할 수 있습니다(클라우드 및 로컬 솔루션). (이미지 출처: Siemens)

정밀도를 통한 효율성 지원

작고 민첩한 다목적 로봇은 콤팩트하고 가벼운 디자인과 지능형 제어 기술을 통해 생산 자원의 지속 가능한 사용에 큰 영향을 미칩니다. 독일 제조업체 KUKA의 Agilus 제품군에 포함된 견고하고 적응력이 뛰어난 장치가 그 대표적인 예입니다(그림 5). 이 장치는 통합 에너지 공급 장치와 함께 다양한 변형으로 제공됩니다. 어떤 장치는 클린룸 로봇으로, 다른 장치는 위생이 중요한 응용 제품이나 폭발 가능성이 있는 환경을 위한 로봇으로 제공됩니다. 인간과 로봇의 협업을 위해 설계된 이 로봇은 매우 정밀하고 반복적인 정확한 모션 제어 덕분에 고효율적 프로세스를 구현합니다. 예를 들어, 이는 기계 가공 프로세스에서 재작업의 필요성과 불량품 수준을 최소화하는 데 이상적입니다.

그림 5: 독일 Reutlingen 대학교의 프로젝트에 참여한 KR Agilus. 여기에서 학생들은 산업 파트너와 함께 일회용 플라스틱 식기에 대한 지속 가능한 대안 개발을 위해 연구합니다. (이미지 출처: KUKA Deutschland)

이러한 콤팩트하고 가변적인 어시스턴트 사용은 제조업체가 다양한 성공 사례에서 문서화하는 것처럼 중소기업에도 의미가 있습니다 [4]. 여기에는 독일 Reutlingen 대학교 학생들이 일회용 플라스틱 식기에 대한 재사용 가능 대안을 연구하는 대학 프로젝트가 포함됩니다. 이는 독일 사출 성형 전문업체 Gindele와, KUKA 및 그들의 시스템 파트너인 Robomotion의 지원을 받고 있습니다. 사출 성형과 관련된 모든 작업은 유연성이 뛰어난 로봇 셀이 담당하며, 그 핵심에는 3D 프린팅 그리퍼가 장착된 Agilus 콤팩트 로봇이 있습니다.

규격서에에 따르면 KUKA Agilus KR6 R900-2 6축 로봇은 최대 도달 거리가 901mm이고 탑재 하중이 6.7kg이며, ISO 9283에 따라 ±0.02mm의 포즈 반복성을 달성합니다. 가능한 용도에는 다른 기계와 함께 사용부터 테스트 및 측정 기술, 접착제 또는 실런트 도포, 조립, 픽 앤 플레이스, 포장 및 시운전 등이 포함됩니다. 이 로봇은 208mm x 208mm의 면적을 차지하고, 무게는 약 54kg이며, IP56/67 및 ESD(정전기 방전) 보호 등급을 받았습니다. 바닥, 천장, 벽, 앵글 실장에 적합합니다.

디지털 모델, 재료 등

여기에 소개된 접근 방식 외에도 엔지니어는 지속 가능한 재료, 순환 경제 기술 및 디지털화 분야의 최신 개발 기술을 적용하여 추가적인 최적화 잠재력을 활용할 수 있습니다. 순환 경제의 목표는 폐기물 및 잔여 물질을 방지하고 가능한 한 많은 원자재, 부품, 포장재를 재활용하고 재사용하는 것입니다. 이러한 원칙은 자동화된 플랜트를 더욱 지속 가능하게 운영하는 데 결정적인 기여를 할 수 있습니다.

디지털 트윈 및 디지털 섀도우의 개념은 자원을 많이 소비하는 실제 기계나 플랜트에서 테스트하지 않고도 최적화 가능성을 식별할 수 있는 유망한 접근 방식입니다. 실제 제품, 플랜트 또는 프로세스와 해당 수명 주기를 포괄적으로 디지털로 표현하여 유지보수 조치를 시작하거나 개발, 생산 및 기타 가치 체인의 모든 단계 간에 상관관계를 설정할 수 있습니다. 따라서 엔지니어는 실제 객체 또는 프로세스의 동작, 기능, 품질을 상세하게 시뮬레이션할 수 있으며, 물리적 시제품에 대한 필요성을 제거하여 지속 가능성을 개선할 수 있습니다.

요약

자동화는 생산성 및 비용 측면에서 프로세스 및 생산 엔지니어링에 큰 이점을 제공합니다. 따라서 이는 매우 결정적인 경제적 요인입니다. 그러나 이 외에도 고급 자동화 개념 및 제품은 산업 공정의 지속 가능성을 개선하는 데 핵심적인 역할을 합니다. 예측 유지보수부터 모듈식 공장 및 인간과 로봇의 협업에 이르기까지 이 기사에서는 엄선된 사례와 함께 다양한 가능성에 대해 소개합니다.