산업용 모터 구동기의 민첩하고 간편한 커미셔닝을 통해 지속 가능성과 생산성을 향상시키는 방법

민첩한 공정은 Industry 4.0 공장 및 물류 운영의 특징입니다. 정격 0.12kW ~ 30kW(0.16hp ~ 40hp) 모터와 가변 속도 구동기(VSD)가 필요한 다양한 응용 분야가 있습니다.

이러한 응용 분야를 위한 VSD는 설치가 쉽고 -10°C ~ +60°C에서 작동할 수 있어야 합니다. 대형 구동기에는 브레이크 초퍼가 내장되어 있어야 하고, 일부 응용 분야에서는 EN 61800-3의 전자파 적합성(EMC) 종류 C1을 준수해야 합니다. VSD는 사용하기 쉽고, 넓은 주 전압 범위에서 작동하며, 불안정한 주 전압에 자동으로 적응하여 중단 없는 작동을 보장해야 합니다.

많은 응용 분야에서 간단한 동작 시퀀스를 자동화하고 프로그래밍 가능 논리 컨트롤러가 필요하지 않지만 사전 프로그래밍된 매크로 또는 간단한 장치(파라미터 로더, 기본 작업자 패널(BOP), 스마트 액세스 모듈 등)를 사용하여 커미셔닝할 수 있습니다.

마지막으로, 이러한 VSD는 경제적으로 작동하고 내장된 에너지 절약 기능(예: 미리 정해진 작동 조건에서 자동 자속 감소)을 포함하며 실시간 에너지 소비를 모니터링하고 표시할 수 있어야 합니다.

이 기사에서는 먼저 Siemens의 SINAMICS V20 VSD 제품군을 소개하고 지속 가능성과 생산성을 높일 수 있는 기능을 간략하게 설명합니다. 그런 다음 파라미터 로더, BOP, 스마트 액세스 모듈과 같은 사전 프로그래밍된 매크로 및 장치가 민첩한 커미셔닝, 효율적인 운영 및 지속적인 유지 관리를 어떻게 지원하는지를 살펴봅니다.

SINAMICS V20 구동기는 모듈이나 외부 컨트롤러를 추가하지 않고 바로 사용할 수 있습니다. 통합 BOP는 현장 커미셔닝을 지원합니다. 또한 범용 직렬 인터페이스를 통해 Siemens의 SIMATIC 프로그래밍 가능 논리 컨트롤러(PLC)와 연결하여 복잡한 작업을 수행할 수 있습니다. Modbus 인터페이스는 타사 PLC 및 기타 장치와 연결할 수 있습니다.

정격 출력이 10hp를 초과하는 장치의 경우 제동 저항기를 브레이크 초퍼에 직접 연결할 수 있으며, 일부 모델은 EN 61800-3의 EMC 종류 C1을 준수합니다. SINAMICS V20 구동기는 -10°C ~ +60°C에서 작동하도록 지정되어 있으며 0.12kW ~ 30kW의 전력 정격으로 사용할 수 있습니다. 예를 들면 다음과 같습니다(그림 1).

• 정격 0.75kW 6SL32105BB175UV1 모델은 230V_AC 단상 전력에서 작동합니다.
• 정격 3kW 6SL32105BB230UV1 모델은 230V_AC 단상 전력에서 작동합니다.
• 정격 22kW 6SL32105BE322CV0 모델은 400V_AC 3상 전력에서 작동합니다.

그림 1: SINAMICS V20 구동기 예, 0.75kW(왼쪽) 및 22kW(오른쪽)(크기 조정 불가) (이미지 출처: DigiKey)

SINAMICS 구동기에 통합된 제어 모드에는 스칼라 V/f, 프로그래밍 가능 V/f 다분기점, 에너지 절약을 위해 자동으로 플럭스를 조정하는 V²/f, 부하에 맞게 구동 출력을 자동으로 조정하는 플럭스 전류 제어(FCC) 기능이 포함되어 있습니다.

계속 실행 모드는 불안정한 주 전력을 보정하기 위해 자동으로 조정됩니다(그림 2). 이 모드에서는 선간 전압 변화가 내부적으로 보정되고, 예약되지 않은 전원 차단을 방지하기 위해 모터 속도가 자동으로 감소되며, 필요한 경우 오류 메시지가 전송됩니다. 이는 용수 또는 폐수 처리 공장의 펌프와 팬, 난방, 환기 및 에어컨(HVAC) 시스템과 같은 건물 자동화 응용 분야에서 특히 유용할 수 있습니다.

그림 2: SINAMICS V20 계속 작동 모드에서는 주 전력에 장애가 발생하더라도 지속적인 모터 작동을 지원합니다. (이미지 출처: Siemens)

효율 극대화

응용 분야에 따라 모터 속도를 현재 공정에 맞게 조정하여 효율성을 높일 수 있습니다. 예를 들어 펌프와 같은 터보머신의 경우 가변 속도로 작동하면 고정 속도로 작동할 때에 비해 최대 60%의 에너지를 절약할 수 있습니다.

SINAMICS V20 구동기에는 에너지 최적화 제어(ECO) 모드가 내장되어 있어 효율성이 향상됩니다. ECO 모드에서는 모터 플럭스가 최적 작동 지점에 맞춰 자동으로 조정됩니다.

이 구동기는 구동기의 현재 상태를 유지하면서 모터의 전원을 차단하는 최대 절전 모드로 설정될 수 있습니다. 최대 절전 모드에서는 에너지 소비를 크게 줄이면서 필요에 따라 즉시 다시 시작할 수 있도록 구동기를 준비 상태로 유지합니다.

아래의 통합 캐스케이딩 및 에너지 밸런싱 기능을 사용하면 에너지 효율을 더욱 높일 수 있습니다.

캐스케이딩은 여러 모터를 사용하는 고출력 펌프, 팬, 압축기 응용 제품에서 사용할 수 있습니다. 부분적으로 또는 완전히 제어되는 전력 캐스케이드를 사용하여 위상을 연결 및 분리하면 성능 손실 없이 전체 시스템 효율을 높일 수 있습니다.

결합된 구동기를 통한 에너지 밸런싱을 사용하면 공통 DC 링크를 통해 에너지를 교환할 수 있습니다. 인버터 간의 직접적인 에너지 교환을 통해 전체 시스템 전력 손실을 최소화하고 효율성을 개선할 수 있습니다.

SINAMICS 구동기의 BOP는 실시간 에너지 소비량을 표시할 수 있습니다. 에너지 절약 카운터는 기계 작동 중 에너지 소비량을 계산한 후 고정 속도 작동과 비교하여 작업자가 공정을 미세 조정하고 절약 및 지속 가능성을 더욱 개선할 수 있도록 지원합니다.

지속 가능성 향상

Siemens는 국제 표준화 기구(ISO) 14021, 환경 레이블 및 선언(자체 선언된 환경 주장) Type II 환경 레이블에 기반하는 수명 주기 영향 평가(LCIA)를 포함한 SINAMICS V20 환경 제품 선언(EPD)을 발표했습니다.

이 LCIA는 1.5kW 및 3상 380V_AC ~ 480V_AC 주 전력 정격의 6SL3210-5BE21-5UV0 모델을 기반으로 하며, SINAMICS V20 구동기의 제조, 유통, 작동, 생산 종료 해체, 폐기 및 재활용에 미치는 영향을 고려합니다. 구동기의 예상 수명인 15년 동안 작동한 경우에 가장 큰 영향을 미칩니다. 분석은 연간 5,000시간 작동과 3개 작동 지점(OP)을 기준으로 이루어졌습니다:

• OP1: 100% 속도 및 100% 토크에서 20%의 시간
• OP2: 50% 속도 및 25% 토크에서 70%의 시간
• OP3: 20% 속도 및 25% 토크에서 10%의 시간

구동기 작동에서는 15년 동안 1,059.13kg CO₂ 상당의 온실가스를 배출하는 것으로 추정되는 반면, 제조에서는 40.6kg CO₂ 상당의 온실가스를 배출하고, 해체, 폐기 및 재활용에서는 -3.6kg CO₂ 상당의 온실가스를 회수하는 것으로 인정받았습니다.

Industry 4.0 운영에서는 빠르고 유연한 커미셔닝이 에너지 절감과 지속 가능성을 극대화하는 데 중요한 요소가 될 수 있습니다. 사용자는 신속한 전환을 지원하기 위해 SINAMICS V20 구동기의 커미셔닝을 가속화할 수 있는 몇 가지 옵션을 선택할 수 있습니다.

매크로를 통한 민첩한 커미셔닝

빠른 커미셔닝 기능은 모터 데이터, 연결 매크로, 응용 매크로, 중요 파라미터 등 4개의 파라미터 세트를 동시에 변경합니다. 모터 데이터는 유럽 또는 북미 파라미터(예: kW 및 hp), 정격 전압, 전류, 전력, 주파수, 효율 등을 선택하는 것으로 시작됩니다.

연결 및 응용 매크로는 민첩한 커미셔닝의 특히 중요한 측면입니다.

• 연결 매크로에는 BOP를 유일한 제어 소스로 식별하거나 PNP/NPN 단자, 고정 속도, 아날로그 입력, 고정 주파수, 외부 푸시 버튼 제어, 아날로그 설정값이 있는 외부 푸시 버튼, 아날로그 입력 레퍼런스가 있는 PID 제어, 고정 값 레퍼런스가 있는 PID 제어, USS 제어 및 MODBUS RTU 제어를 활성화하는 것이 포함됩니다.
• 응용 매크로 선택에는 간단한 펌프, 팬, 압축기, 컨베이어 등이 포함됩니다. 예를 들어 간단한 펌프 매크로에는 최소 주파수, 제어 모드, 주파수 설정값 억제, 자동 재시작 및 램프 업 시간이 파라미터로 포함됩니다.

주파수 설정값, 최소 및 최대 주파수, 램프 업 및 램프 다운 시간과 같은 개별 파라미터는 빠른 커미셔닝 중에 맞춤 설정할 수 있습니다. 통합된 빠른 커미셔닝 기능을 사용하면 커미셔닝 속도를 높일 뿐만 아니라 잘못된 파라미터 설정으로 인한 오류를 제거하여 배포 시간을 더욱 단축할 수 있습니다.

여러 구동기에 파라미터 복제

파라미터 세트를 완료한 후 파라미터 로더를 통해 V20과 SD 카드 간에 파라미터 세트를 업로드 및 다운로드할 수 있습니다. 파라미터 로더와 SD 카드는 여러 구동기에서 파라미터 세트를 복제하는 데 사용할 수 있습니다. 구동기가 공장 현장에 배송되기 이전에도 파라미터를 구동기에 다운로드할 수 있으므로 전체 커미셔닝 공정을 가속화하고 기술 지원의 필요성을 줄일 수 있습니다.

V20 파라미터 로더에는 SD 카드 슬롯 외에도 파라미터를 다운로드하는 동안 주 전원에 연결하지 않고도 구동기에 전력을 공급할 수 있는 AA 규격 기본 배터리 두 개를 넣을 수 있는 공간이 있습니다. 또한 V20 파라미터 로더에는 외부 5V_DC 전원 공급 장치에 연결할 수 있는 Micro USB 인터페이스가 있으므로 기본 배터리가 필요하지 않습니다(그림 3).

그림 3: 선택적 파라미터 로더를 사용하여 V20 구동기 파라미터를 SD 카드에 업로드하거나 다운로드할 수 있으며, 여러 구동기에 파라미터를 빠르게 복제할 수 있습니다. (이미지 출처: Siemens)

외부 BOP

선택적 외부 BOP를 사용하여 V20 인버터를 원격으로 제어할 수 있습니다. 외부 BOP는 장비 캐비닛의 외부에 실장하고 구동기에 부착된 인터페이스 모듈에 연결하도록 설계되어 있습니다. 외부 BOP 및 인터페이스 모듈은 RS232 연결을 지원하며 최대 3m 길이의 케이블을 사용하여 연결할 수 있습니다.

적절하게 실장된 외부 BOP는 IP54 및 UL/cUL Type 1 인클로저 등급을 제공하여 직원이 위험한 전압에 대한 접근하지 못하도록 보호하고 먼지나 오물과 같은 고체 이물질로부터 V20 구동기를 보호할 수 있습니다. 외부 BOP는 V20의 통합 BOP 인터페이스를 복제합니다(그림 4).

그림 4: 외부 BOP는 제어 캐비닛 외부에서 최대 3m 떨어진 곳에 있는 V20 구동기를 제어할 수 있습니다. (이미지 출처: Siemens)

무선 제어

커미셔닝의 유연성을 극대화하기 위해 사용자는 SINAMICS V20 Smart Access 모듈을 사용할 수 있습니다(그림 5). Smart Access 모듈은 V20의 전면에 직접 연결되며 Wi-Fi 연결이 내장된 웹 서버 모듈입니다. 이 모듈은 무선 네트워크 어댑터가 있는 랩톱 컴퓨터, 태블릿 또는 스마트폰과 같은 사용자 장치에서 V20 구동기의 웹 기반 커미셔닝 및 모니터링을 지원합니다. HTML5를 지원하는 모든 웹 브라우저(Chrome, Internet Explorer(IE), Safari 등)와 모든 운영 체제에서 사용할 수 있습니다.

그림 5: 이 Smart Access 모듈은 V20 구동기의 커미셔닝, 제어, 모니터링 및 진단을 위한 Wi-Fi 연결을 제공합니다. (이미지 출처: DigiKey)

SINAMICS V20 Smart Access를 사용하면 접근하기 어려운 곳에서도 구동기에 쉽게 접근할 수 있습니다. 직관적인 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)와 커미셔닝 마법사를 통해 쉽게 사용할 수 있습니다. Smart Access는 BOP와 동일한 빠른 설정 마법사를 지원하여 빠르고 쉽게 커미셔닝할 수 있습니다.

• 모터 데이터 입력
• 연결 매크로 활성화 가능
• 응용 매크로 선택 및 활성화 가능
• 일반적으로 사용되는 파라미터 설정 가능

Smart Access는 원격 모니터링을 위해 이메일을 통해 오류 코드를 직접 전달하도록 구성할 수 있으며, 데이터 및 제어 기능에 대한 액세스를 제어하는 다양한 보안 기능이 포함되어 있습니다. Smart Access는 다음과 같은 포괄적인 무선 웹 기반 기능을 제공합니다.

• 빠른 커미셔닝
• 컨버터 파라미터화
• JOG/HAND 모드에서 모터 작동
• V20 상태 모니터링
• 장애 및 경보 진단
• 데이터 백업 및 복원

결론

Siemens의 SINAMICS V20 구동기는 지속 가능성과 유연성에 중점을 두고 있습니다. 다양한 작동 모드와 에너지 절약 기능을 갖춘 이 구동기는 0.12kW ~ 30kW의 광범위한 단순 동작 응용 분야에서 효율성을 극대화할 수 있습니다. 계속 실행 모드에서는 폐수 및 용수 처리, 빌딩 자동화 시스템의 HVAC와 같은 중요 인프라의 지속적인 작동을 보장합니다. 통합 BOP, 원격 위치 BOP, Smart Access 모듈을 통한 무선 연결, 사전 프로그래밍된 응용 매크로 및 기타 도구를 사용하여 빠른 커미셔닝을 구현하는 다양한 방식으로 유연성을 지원합니다.