IIoT 지원 기계를 빠르게 설계하고 배포하는 방법

산업용 사물 인터넷(IIoT)에 통합할 준비가 된 기계를 빠르게 설계하고 배포하기란 쉽지 않은 일입니다. IIoT 지원 기계는 반드시 기계 대 기계, 기계 대 공장, 기계 대 클라우드의 통신 및 조정의 빠른 커미셔닝을 지원해야 합니다.

그러려면 포괄적인 솔루션이 필요하며 일련의 완벽한 제어, 인터페이스 및 통신 모듈이 솔루션에 포함되어야 합니다. 확장성도 필수인데 간소화된 설치를 지원하여 신속하게 배포할 수 있어야 합니다. 또한 반드시 다중 벤더 환경에 쉽게 통합되어 기존 장비를 지원할 수 있어야 합니다.

그러면 조직의 모든 수준과 기계의 수명 주기 전반에서 운영 효율성을 향상할 수 있습니다.

이 기사에서는 Schneider Electric의 모터 제어 옵션이 설계자에게 어떻게 엔드 투 엔드 자동화 솔루션을 제공하는지 살펴봅니다. 그리고 Altistart 소프트 스타터, Altivar 구동기, Modicon 이더넷 스위치 및 프로그래밍 가능 논리 컨트롤러(PLC), Harmony 제어 계전기, PowerPacT 회로 차단기의 특징과 이점을 소개합니다.

그런 다음 TeSys island 시스템 요소가 포괄적인 솔루션을 지원하고 Rockwell Studio 5000 및 Siemens TIA 포털 환경과 쉽게 통합되어 기존 시스템을 지원하는 방법을 자세히 설명하고, 마지막으로 Schneider Electric의 EcoStruxure Machine Expert 소프트웨어로 IIoT 지원 시스템의 개발, 구성 및 커미셔닝 속도를 높이는 방법을 살펴봅니다.

동작은 산업용 기계의 기본 특성입니다. 펌프, 컨베이어, 크레인과 같은 시스템의 간단한 동작 프로파일부터 공정, 조립 작업과 로봇 공학의 복잡한 동작 프로파일까지, 동작은 다양한 방식으로 구현됩니다.

동작 프로파일이 간단한 기계는 Altistart 소프트 스타터 제품군과 같은 소프트 스타터에 있는 기능을 활용할 수 있습니다. Altistart 소프트 스타터는 다음을 지원합니다.

• 제어된 가속을 통해 마모와 손상의 증가를 초래하고 유지보수 필요성과 기계 다운타임을 늘릴 수 있는 기계적 충격을 감소
• 유입 전류를 제한하여 에너지 사용량 감소
• 시동 중 발생할 수 있는 전력 서지로부터 모터를 보호하여 모터 수명 향상
• 모터 차단, 과부하, 잘못된 접지와 같은 결함을 감지하고 기계 운영자에게 경고를 전송하여 신뢰성 향상

높은 시동 토크가 필요하지 않은 기본 기계에는 ATS01 계열 스타터를 사용할 수 있습니다. BOOST 논리 입력을 활성화하면 200ms 동안 공칭 모터 전압의 100%에 해당하는 전압 부스트를 적용하여 시스템의 초기 기계적 마찰을 극복할 수 있습니다. 부스트 이후 프로그래밍된 전압 램프 업이 시작됩니다.

ATS01N232RT 모델은 가속 및 감속 시간이 1초 ~ 10초인 최대 15kW(20hp)의 3상 비동기 모터를 소프트 스타트 및 정지하는 데 사용됩니다. 440V_AC ~ 480V_AC에서 작동하는 펌프, 압축기, 팬과 같은 간단한 벨트 구동 응용 분야에 최적화되어 있습니다. 전면 패널에는 설치 및 커미셔닝을 위한 시작 시간, 초기 전압, 정지 시간을 설정할 수 있는 컨트롤이 있습니다.

믹서, 분쇄기, 컨베이어와 같은 까다로운 공정 및 인프라 기계의 설계자는 Altivar ATS480 계열 소프트 스타터를 사용할 수 있습니다. 간단한 소프트 스타터에서는 전압 램프를 사용하지만, ATS480 소프트 스타터에서는 소프터 토크 램프를 사용하며 제동 기능을 구현할 수 있습니다.

ATS480C11Y 모델은 208V_AC ~ 690V_AC 전압으로 작동합니다(그림 1). 모터 전압에 따라 22kW ~ 90kW(25hp ~ 100hp) 모터와 함께 사용할 수 있습니다. RJ45 커넥터가 부착된 Modbus 직렬 통신 포트가 있습니다. 옵션으로 제공되는 Profibus, PROFINET, Modbus TCP/EtherNet/IP 및 CANopen에 사용할 수 있습니다.

그림 1: 이 Altivar 소프트 스타터는 22kW ~ 90kW 비동기 모터용으로 설계되었습니다. (이미지 출처: DigiKey)

첨단 기계 구동

자재 관리, 포장, 섬유, 리프팅, 기계식 액추에이터, 자재 작업 등과 같은 응용 분야에서 0.18kW ~ 15kW(0.25hp ~ 20hp) 정격의 Altivar 320 제품군과 같은 가변 주파수 구동기(VFD)를 사용하여 첨단 기계의 복잡한 동작 프로파일을 지원할 수 있습니다. ATV320U75M3C는 정격 전압이 7.5kW이며 200V_AC ~ 240V_AC 공급 전압에서 작동합니다.

구성 및 커미셔닝을 가속하기 위해 이 구동기는 150가지 기능을 제공하며 표준 구성과 맞춤형 구성이 가능합니다. 자재 관리, 섬유, 리프팅, 기계식 액추에이터와 같은 응용 분야를 위한 전용 기능이 있습니다.

Altivar 320 VFD는 매우 낮은 속도에서 토크 및 속도 정확도, 센서 없는 플럭스 벡터 제어를 통한 동적 동작 등 비동기식 영구 자석 모터에 대한 고성능 제어를 제공할 수 있습니다. 3상 동기 및 비동기 모터와 함께 사용하면 VFD는 다음과 같은 기능을 제공합니다.

• 고속 모터 지원
• 개방 루프 동기식 모터를 위한 정적 속도 정확도
• Ethernet, CANopen, Profibus, EtherCAT, DeviceNet 등을 포함한 유연한 시스템 통합 옵션
• 기능 안전 표준을 준수하는 통합 안전 기능
• 보호 등급이 IP20 ~ IP66인 콤팩트 및 북 구동기 같은 형식은 다양한 유형의 캐비닛에 통합할 수 있도록 지원합니다(그림 2).

그림 2: Altivar 320 VFD는 다양한 폼 팩터로 제공되므로 설치를 간소화하고 장비 캐비닛의 공간 사용률을 극대화할 수 있습니다. (이미지 출처: DigiKey)

고성능 다축 기계

Modicon 이더넷 스위치와 프로그래밍 가능 컨트롤러(PLC)는 단일 독립 축부터 로봇 공학처럼 고속의 정밀한 포지셔닝과 움직임이 필요한 고성능 동기화 다축 시스템까지 고성능 설계를 지원할 수 있습니다.

이러한 IIoT 네이티브 에지 컨트롤러는 MQTT(Message Queuing Telemetry Transport), OPC UA(Open Platform Communications Unified Architecture) 서버 및 클라이언트, TLS(Transport Layer Security) 암호화를 사용하여 클라우드에 직접 연결할 수 있으며, 안전 및 사이버 보안 기능이 내장되어 있습니다. 이중 이더넷 포트는 이더넷/IP 및 Modbus TCP 프로토콜을 지원할 수 있습니다. RS232 및 RS485 포트, USB 포트, SD 카드용 슬롯도 있습니다.

TM262L 컨트롤러는 고속 디지털 입력 4개와 고속 디지털 출력 4개를 포함한 여러 입/출력 배열의 논리 제어에 사용됩니다. TM262L10MESE8T 모델의 실행 속도는 명령어당 5ns입니다. 이중 코어 프로세서는 병렬 응용 제품과 통신을 효율적으로 관리합니다(그림 3).

그림 3: 이 Modicon M262 PLC는 IIoT 지원 기계 클라우드 간 이더넷 연결과 기계 공장 간 이더넷 연결을 제공합니다. (이미지 출처: DigiKey)

Modicon M262 제품군의 TM4 버스는 최대 3개의 통신 확장 모듈을 지원합니다. Profibus DP(TM4PDPS1) 및 이더넷(TM4ES4) 확장 모듈은 최대 3개의 모듈까지 다양한 조합으로 사용할 수 있습니다.

비정상 제거

IIoT 지원 기계를 포함하여, 기계를 비정상적인 조건으로부터 보호해야 하는 경우가 있습니다. Harmony 제어 계전기가 바로 그러한 역할을 합니다. 전기 상태와 기계 상태를 모두 모니터링하고 전류, 전압, 위상, 주파수, 속도, 온도, 펌프 제어, 액위와 관련된 비정상을 식별할 수 있습니다.

비정상을 빠르고 정확하게 파악하면 펌핑, 수처리, 호이스트 및 리프트, 포장 시스템, 섬유 기계와 같은 응용 분야에서 가동 시간을 늘리고 예약되지 않은 유지보수의 필요성을 줄일 수 있습니다. Harmony 제어 계전기는 특정 응용 분야의 요구 사항에 맞게 다양한 기능을 제공할 수 있습니다.

RMNF22TB30 모델은 근거리 무선 통신(NFC)이 통합된 3상 계전기입니다. 위상 손실, 위상 시퀀스, 비대칭, 저전압, 과전압, 저주파, 과주파 등 7가지 파라미터를 모니터링할 수 있습니다. 설계자는 NFC 앱에서 AND, OR, NOT 논리를 사용하여 개별적으로 구성 가능한 두 계전기 출력에 대한 맞춤형 모니터링 조합을 구성할 수 있습니다.

과전압 모니터링만 필요한 간단한 기계의 경우 설계자는 RM22UA21MR을 사용할 수 있습니다(그림 4). 이 단상 제어 계전기에는 선택 가능한 메모리 기능과 제어 상태를 표시하는 통합 LED가 포함되어 있습니다. 나사 트리머를 사용하면 임계값을 간단하고 정확하게 설정할 수 있으며, 빠른 오류 식별 및 문제 해결을 위해 자동 종료 관리 및 오류 정보를 제공합니다.

그림 4: 스위칭 용량이 2kVA인 단상 과전압 제어 계전기 (이미지 출처: DigiKey)

기본 보호

더 기본적인 보호 기능을 활용할 수 있는 응용 분야에서는 15A ~ 125A 정격의 1극, 2극, 3극 및 4극 PowerPacT 회로 차단기를 사용할 수 있습니다. 이 열 자기 회로 차단기는 포지티브 접점 표시가 있으며 '저전압 개폐기 및 제어 장비'에 대한 IEC/EN60947-1 및 IEC/EN60947-2 표준에 따라 분리를 제공합니다.

BDF16020 모델은 UL 489에 따라 정격 작동 전압이 240V_AC 50/60Hz인 20A 단극 장치입니다. 지속 전류 정격은 최대 정격의 80%이며 IEC 60947-2에 따라 '서비스 차단' 등급입니다(그림 5). VisiTrip LED 판독값을 이용하여 인클로저 또는 패널에서 트립된 회로 차단기를 쉽게 확인할 수 있습니다. 또한 QR 코드를 사용하여 지침 설명서, 부품 번호, CAD 도면 등과 같은 정보에 액세스할 수 있습니다.

그림 5: 이와 같은 회로 차단기는 포지티브 접점 표시를 제공하며 IEC/EN60947의 분리 요구 사항을 충족합니다. (이미지 출처: DigiKey)

통합 필드 버스 노드

TeSys는 필드 버스 네트워크에서 통합 노드 역할을 하는 디지털화된 IIoT 연결 부하 관리 솔루션으로, IIoT 지원 기계를 구현하는 데 필요한 모듈이 포함되어 있습니다. 최대 부하가 80A인 산업 응용 분야용 다기능 장치 및 아바타를 기반으로 하며 설계, 배선, 커미셔닝 시간을 단축할 수 있습니다.

TPRBCEIP와 같은 버스 커플러는 리본 케이블을 통해 TeSys island 모듈과 내부 통신을 제공하는 핵심 모듈입니다. 또한 EtherNet/IP 또는 모드 버스 TCP 통신을 사용하는 TeSys island와 외부 자동화 시스템 간의 연결 지점이기도 합니다. 내장형 웹 서버에서는 진단 및 유지보수를 지원합니다. 여기에는 이더넷을 통한 RJ45 서비스 포트 1개, 마이크로 SD 카드 포트 1개, island의 모듈을 상호 연결하는 내부 버스용 포트 1개가 포함되어 있습니다. 일반적인 구성은 다음과 같습니다(그림 6).

1. Bus coupler
2. 아날로그 입력/출력 모듈
3. 디지털 입력/출력 모듈
4. 전압 인터페이스 모듈
5. 표준 스타터
6. 안전 무결성 수준(SIL) 스타터
7. SIL 인터페이스 모듈
8. 전원 인터페이스 모듈

그림 6: TeSys island의 결합된 유닛은 필드 버스 네트워크에서 단일 노드처럼 작동합니다. (이미지 출처: Schneider Electric)

TeSys island 모듈의 예는 다음과 같습니다.

• LC1DT406BL 40A, 4극, 상시 개방, 산업 및 HVAC 시스템용 IEC60335-1을 준수하는 TeSys Deca 접촉기
• LC1G115EHEN 150A(440V_AC에서 75kW), 3극, 상시 개방, TeSys Giga 접촉기, 시간당 최대 600주기의 작동 속도와 최대 +60°C의 작동 온도를 지원하는 까다로운 응용 분야에서 사용하도록 설계되었습니다.
• 디지털 입력 4개와 디지털 출력 2개를 지원하는 TPRDG4X2 디지털 I/O 모듈은 모터 및 기타 전기 부하를 최대 65A(37kW, 40hp)까지 관리할 수 있습니다. 모든 조정과 설정이 디지털화되어 있으며 기계식 다이얼이나 딥 스위치가 없습니다.
• TeSys island 통신 모터 스타터는 최대 40hp(480V에서 80A) 등급입니다. 이러한 SIL 스타터는 IEC 61508, IEC 62061 및 ISO 13849-1의 요구 사항을 충족하며 PL d 및 SIL 2를 지원합니다.

또한 TeSys island는 포괄적인 솔루션을 지원하며 Rockwell Studio 5000 및 Siemens TIA 포털 환경과 쉽게 통합되어 기존 시스템을 지원합니다.

요약

완전한 기계를 제작할 시점이라면 설계자는 EcoStruxure Machine Expert를 사용할 수 있습니다. 이 소프트웨어 솔루션은 IIoT 지원 기계의 개발, 구성, 커미셔닝, 운영 및 유지보수를 지원합니다.

EcoStruxure Machine Expert는 Modicon M262 PLC, TeSys Island 디지털 부하 관리 시스템을 비롯한 모든 최신 IIoT 기계 구성 요소를 처리할 수 있습니다. 안전, 신뢰성, 효율성, 연결성, 지속 가능성에 최적화된 기계를 제공하도록 설계되었습니다. 이동성, 감지, 클라우드, 분석 및 사이버 보안 솔루션과 함께 IIoT를 활용하여 이러한 복잡한 작업을 수행합니다.

결론

IIoT 지원 기계는 Industry 4.0 운영의 중요한 측면입니다. 이러한 기계를 설계, 커미셔닝 및 통합하는 것은 복잡한 작업입니다. Schneider Electric은 기계 설계자에게 조직의 모든 수준과 기계의 수명 주기 전반에서 향상된 운영 효율성을 제공하는 IIoT 지원 기계를 위한 포괄적인 장치 및 소프트웨어 도구 제품군을 제공합니다.