공장 자동화를 위한 강력한 전력, 통신, 안전 시스템을 구축하는 방법

전력, 통신, 안전 시스템은 고도로 연결된 수백만 달러에 달하는 기계의 안정적인 작동을 가능하게 하는 현대 공장의 중요한 요소입니다. 또한 이러한 중요한 요소의 배선 시스템은 열과 진동을 처리하고 입력 전원 전압, 습기, 높은 수준의 미세 먼지와 같은 문제에 대처하면서도 수년 동안 신뢰성을 유지해야 합니다.

광범위한 배선을 공장에 통합하는 것은 어렵기도 하지만 비용도 많이 듭니다. 이상적으로는 한 번 만에 통합 작업을 완료해야 합니다. 따라서 시스템을 구성하는 코드 세트, 커넥터, 분배 박스가 현재뿐만 아니라 앞으로도 표준, 프로토콜, 규정을 충족하기 위해 견고하고 안정적이며 확장 가능한지 확인하는 것이 중요합니다.

이 기사에서는 현대 공장의 요구 사항에 대한 간략한 개요를 살펴봅니다. 그런 다음 Molex의 실제 부품 예시를 통해 산업 자동화 네트워크를 구축하고 발전시키는 모듈식 접근 방식을 소개합니다. 모듈식 접근 방식이 배치를 단순화하고 핵심 환경, 운영, 안전, 신뢰성, 비용 요구 사항을 충족하면서도 공장의 성장에 따라 확장 및 적응할 수 있는 유연성을 충분히 유지하는 방법을 보여줍니다.

앞으로의 공장 배선

산업 자동화(IA)는 현대 공장을 혁신해 왔습니다. 이제는 상품을 생산하는 대형 기계의 구동과 서보 모터에 사용되는 전기 못지않게 통신이 중요하며 인간과 로봇이 가까이에서 협력하는 만큼 안전도 중요합니다. 자동화 엔지니어가 해결해야 할 과제는 한쪽 눈으로 확장성 측면에서 미래를 내다보는 동시에 현재의 기술을 활용하는 전력, 통신, 안전 케이블을 선택하고 설치하는 것입니다.

공장은 투자의 규모가 크고 견고하게 지어져야 하기 때문에 어려운 도전입니다. 공장의 수명이 다할 때까지 제조 기술은 진화할 것이고 몇 년 전만 해도 만족스러웠던 배선 시스템이 더 이상 적합하지 않을 수 있습니다. 게다가 생산 용량이 증가함에 따라 추가하는 시스템은 각각 자체적인 연결이 필요할 것이며 공장 케이블을 다시 연결하는 비용과 시간이 많이 소요될 뿐만 아니라 값비싼 기계가 유휴 상태로 있게 됨을 의미합니다.

엔지니어들은 동일한 피복으로 처리된 전력, 통신, 안전을 위한 배선 공간을 제공하면서도 예비 전선의 형태로 향후 성장을 지원하는 모듈식 시스템으로 점점 더 눈을 돌리고 있습니다. 이 접근 방식의 핵심 부분은 M23 커넥터 시스템입니다. 케이블 커플링의 나사산 지름이 23mm이기 때문에 M23으로 불립니다. 이 시스템은 조립과 테스트가 비교적 용이하며 강력하고 안정적인 전력 및 통신 인프라를 제공합니다(그림 1).

그림 1: 8극(암) 인서트가 있는 23mm 리셉터클을 보여주는 M23 코드 세트. (이미지 출처: Molex)

M23 커넥터와 케이블은 산업 자동화에 일반적인 전기 구동, 서보 모터, 인코더 서비스를 위해 설계되었습니다. M23 시스템은 데이터, 통신, 전력과 데이터 결합을 위한 다양한 인서트와 하우징이 특징이며 신호 또는 전력 전송과 관련된 응용 분야에 모두 적합합니다. M23 코드 세트는 9A, 18A, 30A의 전류에서 250V, 630V, 800V의 전압을 공급할 수 있습니다.

M23 케이블은 국제 표준을 따르지 않습니다. 그러나 제조업체는 일반적으로 상호 운용성을 고려하여 코드 세트 제작에 관한 권장 사항을 따릅니다. 따라서 M23은 사실상 표준으로 간주할 수 있습니다.

M23 시스템의 변형인, 커플링 나사산 직경이 12mm인 M12가 있습니다. M12는 전력용으로 사용하지 않기 때문에 코드 세트가 더 작아져 비용과 공간이 절약됩니다(그림 2).

Figure 2: M12 코드 세트는 통신과 안전용으로만 사용합니다. M23보다 더 작은 폼 팩터가 특징입니다. (이미지 출처: Molex)

M23/M12의 성공 비결은 유연성입니다. 첫째, 설계자는 케이블, 커플링, 리셉터클, 인서트, 커넥터 하우징과 심지어 결합 핀의 직경까지 지정하여 고유한 맞춤형 시스템을 구성할 수 있습니다. 커플링은 직선 디자인과 각진 디자인으로 제공되며 인서트는 여러 가지 핀 수와 패턴을 적용하여 만들어 낼 수 있습니다. 그 결과 거의 모든 응용 분야에 대해 폭넓은 맞춤형 변형이 가능합니다.

그렇지 않으면 설계자가 공장에서 제공되는 다양한 케이블/커플링 또는 케이블/리셉터블 조립품 중에서 선택할 수 있습니다. 사전 제작된 제품을 선택하면 조립 시간을 절약하고 케이블과 커넥터의 무결성을 이미 공장에서 테스트했다는 장점이 있습니다. 단점은 처음부터 구축하는 것에 비해 솔루션의 범위가 상대적으로 제한적이라는 것입니다. 그러나 사전에 제작되었어도 여전히 넓은 범위를 가지며 회전 기계, 용접 로봇, 자동 조립 장비를 포함한 대부분의 공장 자동화 옵션에 대한 커넥터 선택과 케이블 길이를 다룹니다.

오염, 진동, EMC로부터 보호

식품, 의약품, 첨단 전자 제품의 제조와 같은 일부를 제외하고 일반적인 공장 환경은 전기 시스템의 적인 습기, 먼지, 그리스, 기타 오염물로 가득 차 있습니다. 다른 응용 분야에서는 케이블과 커넥터 솔루션이 생산 및 세척 중에 사용되는 산성이나 알카리성 용액에 내성이 있어야 하므로 모든 액체, 입자, 기타 물질의 침투에 저항하는 것이 매우 중요합니다.

필요한 오염 물질에 대한 특정 내성은 공장 요구 사항에 따라 달라집니다. 제조업체는 IP 분류 시스템에 따라 제품을 쉽게 분류합니다. IP 등급은 제품이 갖추고 있는 보호 수준을 나타내며 국제 표준 EN 60529에 의해 정의됩니다.

이러한 체계는 두 자리 숫자로 구성되며 첫 번째 숫자는 전기 전도체를 만나면 위함할 수 있는 도구나 손가락부터 회로를 손상시킬 수 있는 공기 중의 오염 물질과 먼지에 이르기까지 고체 물체로부터의 보호 수준을 나타냅니다. 두 번째 숫자는 여러 가지 물방울이나 스프레이 또는 침수로부터의 보호를 정의합니다. 범위는 IP00(먼지 또는 물로부터 보호되지 않음)부터 IP69(먼지와 고온의 강력한 물줄기로부터 완전한 보호)까지입니다.

잘못 설계된 공장 전기 시스템에 문제를 일으킬 수 있는 것은 오염 물질만이 아닙니다. 케이블 조립품은 또한 잠재적으로 열응력, 진동, 기계적 굽힘(특히 케이블이 일정한 움직임을 유지하는 로봇 응용 분야에서 사용되는 경우)의 영향을 받을 수 있습니다. 게다가 공장에는 일반적으로 높은 시동 전류를 끌어오는 대형 전기 모터가 자리 잡고 있으며 섬세한 통신 시스템을 혼란에 빠뜨릴 수 있는 전력 및 전압 서지, 전자파 장해(EMI)를 발생시킵니다.

M23과 M12 케이블 조립품은 공장 환경을 감당할 수 있도록 특별히 설계되었으며 나사 결합 커플링은 진동과 기계적 부하에 견딜 수 있습니다. EMI 문제가 있는 환경의 경우 케이블 세트 제조업체는 일반적으로 통합 차폐를 적용한 옵션을 제공합니다.

예를 들어, Molex는 Brad^® 120480 M23 전력 오버몰딩 코드 세트를 사용한 특히 강력한 전력 케이블을 다양하게 제공합니다. 이러한 케이블 조립품은 케이블/커넥터 결합부와 옵션인 EMI 차폐를 보호하기 위한 플라스틱 오버몰딩 피복과 같은 특징이 있으며 까다로운 환경을 위해 제작되었습니다. 1m에서 최대 20m까지의 개별 길이로 제공되며 가시성을 높이기 위해 주황색으로 표시됩니다(그림 3).

그림 3: 120480 M23 코드 세트는 추가 보호 및 다양한 인서트를 위한 오버몰딩이 특징입니다. 6극과 8극 변형을 볼 수 있습니다. (이미지 출처: Molex)

이 케이블은 6극과 8극(전선) 버전으로 제공됩니다. 최대 전압은 800V, 최대 전류는 16A이며 접점 저항은 3Ω, 절연 저항은 100MΩ입니다. 코드 세트는 25°C ~ 85°C의 온도 범위에서 작동할 수 있으며 결합 시 IP67의 방진 방수 등급을 제공합니다.

M23과 같은 모듈식 시스템의 장점은 공장의 성장에 따라 공장 배선을 구축하고 신속하게 적응할 수 있다는 것입니다. 이 시스템을 통해 엔지니어는 배선 네트워크를 쉽게 결합하고 케이블 끝을 M23 소켓이 장착된 기계에 직접 연결할 수 있습니다. 배선은 공장 자동화에 필요한 고전압과 고전류를 공급할 뿐만 아니라 이더넷, EtherCAT, Modbus, PROFINET과 같은 공장 통신 시스템도 지원할 수 있습니다.

그림 4: M23 케이블을 사용하면 새로운 제조 셀이 추가될 때 공장 유선 네트워크를 더 쉽게 확장할 수 있습니다. (이미지 출처: Molex)

공장 안전 보장

연결성은 현대 공장에서 중요한 역할을 합니다. 장비를 제어하고 업데이트하는 것은 네트워크 업무에서 큰 부분을 차지하지만 특히 사람과 로봇이 근접해 있는 곳에서는 공장 자동화 안전도 중요합니다. 로봇은 일반적으로 작업자가 작업 엔벨로프를 침입할 경우 움직임을 멈추도록 여러 개의 센서를 갖추고 있으며 연동된 게이트와 액세스 패널로 안전 셀이 완성됩니다. 이러한 모든 시스템은 연결이 필요하며 각 센서가 주 공장 네트워크의 분기별로 작동하는 경우 유선 네트워크가 빠르게 복잡해지고 다루기 어려워질 수 있습니다(그림 5).

그림 5: 로봇 작업 셀은 공장 자동화 환경에서 인간 작업자를 보호하기 위한 안전 시스템이 필수입니다. (이미지 출처: Molex)

그 대신에 엔지니어는 주 공장 네트워크에 연결된 다중점 상호 연결 시스템(MPIS) 분배 박스를 사용하여 작업을 단순화합니다. 분배 박스의 출력에 M12 제어 케이블을 연결하여 제조 셀의 안전 시스템과 연결합니다. 예를 들어 Molex의 견고한 IP67 등급 1202480510 안전 MPIS 분배 박스는 기계 주변에 설치된 안전장치의 관리를 지원합니다(그림 6).

그림 6: 안전 MPIS 분배 박스는 안전 배선을 단순화하는 동시에 공간과 비용을 절감합니다. (이미지 출처: Molex)

1202480510의 특징은 주 공장 네트워크에 연결하기 위한 5m 길이의 통합 케이블과 4개의 M12 8핀 포트, 4개의 M12 4핀 및 5핀 포트가 하나의 하우징에 들어 있습니다. 분배 박스를 통해 제한된 공간에 표준 I/O 배선 시스템을 설치할 수 있으며 안전 설계 유연성을 극대화할 수 있습니다. 각 포트는 최대 4A(분배 박스의 총 전류는 12A)의 전류로 최대 30V 직류 전압을 처리할 수 있습니다. 분배 박스는 Molex의 1m, M12, 8극 1200652383 Micro-Change 계열이나 1m, M12, 4극 1200652378 버전과 같은 코드 세트용으로 설계되었습니다.

결론

공장 자동화에는 강력하고 안정적이며 확장 가능한 전력, 통신, 안전 배선 네트워크가 필요합니다. 사실상 표준인 M23 및 M12를 기반으로 하는 모듈식 시스템은 초기 설치를 단순화하고 공장 자동화 요구 사항을 충족합니다. 함께 사용하는 코드 세트와 분배 박스는 혹독한 공장 환경을 염두에 두고 제작되어 먼지와 습기에 강하고 극한의 온도, 진동, 기계적 응력에 대처할 수 있습니다.