성공 맛보기: 식음료 분야 OEM을 위한 효율적인 동작

자동화 동작 제어의 신뢰성은 주문자 상표 부착(OEM)에 매우 중요한 요소입니다. 기계의 전반적인 장비 효율성에 직접적인 영향을 미쳐, 장비의 신뢰성에 기여하는 세 가지 주요 변수는 서보 위치 정확도, 궤적 반복성, 전체 시스템 효율성입니다. 이러한 변수에 문제가 발생하면 새 장비의 설계 시간 연장, 시운전 리소스 초과, 최종 사용자의 생산 비용 증가 등 부정적인 결과를 초래할 수 있습니다.

OEM은 수익성 유지를 위한 설계 제약을 준수하면서 장비에 경쟁력 있는 기능의 수를 늘려야 하는 과제를 안고 있습니다. 이러한 맥락에서 자동화 동작 제어에 대한 확신을 갖는 것이 필수적입니다. 제조업체는 서보 위치 정확도, 궤적 반복성 및 시스템 효율성에서 높은 수준의 신뢰성을 보장하여 위험을 완화하고 경쟁력을 강화할 수 있습니다. 자동화 동작 제어에 대한 이러한 확신을 바탕으로 고객의 기대치를 충족하고 다운타임을 줄이며 생산 공정을 최적화하는 장비를 제공할 수 있습니다.

그림 1: 자동화된 빵 공장 (이미지 출처: Getty Images)

이 기사에서는 식품(그림 1) 및 음료(그림 2) OEM 기계의 설계부터 시운전, 생산에 이르는 수명 주기를 살펴봅니다. 또한 동작 제어 정확도, 반복성 및 효율성을 통해 장비에 대한 신뢰도를 높이는 모범 사례를 소개합니다. 각 섹션에서는 설계의 간소화를 통해 시스템 성능을 극대화하는 동시에 향후 데이터 집계 배포에 방해가 되지 않도록 하는 데 중점을 둡니다.

그림 2: 자동화된 병입 공장 (이미지 출처: Getty Images)

설계

자동화 제어 시스템을 설계할 경우 처음부터 정확성, 반복성, 효율성을 고려해야 합니다. 네트워크 프로토콜 선택은 다운스트림 기계의 복잡성과 성능을 결정하는 데 중요한 역할을 합니다. 장치 통신의 복잡성은 설계 수정 타임라인과 부품 명세서의 규모를 측정하여 평가할 수 있습니다. 제품 수명 주기가 수년 동안 지속될 수 있는 식음료 시설에서 적절한 네트워크 프로토콜을 선택하면 순정 장비의 재인증 비용을 최소화하여 기계 운영에 대한 장기 소유 비용에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.

위치 정확성 설계 - 시간 동기화를 위한 EtherCAT®. 전 세계적으로 개방된 산업용 프로토콜인 EtherCAT®은 통신 효율성을 위해 설계되었습니다. 이더넷 트래픽은 프로토콜에 관계없이 PLC와 각 현장 장치 간의 개별 대화인 반면, EtherCAT® 마스터는 각 현장 장치로 이동하는 단일 데이터 패킷을 통해 통신하며, 패킷이 각 노드를 통과하고 돌아올 때 각 장치에 대한 데이터를 주고받는 방식으로 통신합니다. EtherCAT®은 125μs의 사이클 속도로 결정론적 실시간 통신을 실현합니다. 이 고속 통신은 정확한 동작 제어를 방해할 수 있는 지터를 서보에서 제거합니다. 밀봉 응용 분야에서는 정확하게 밀봉하는 것이 매우 중요합니다. 이는 다운스트림 사용자의 재료 낭비를 최소화할 뿐만 아니라 브랜드 평판과 고객 만족도를 강화하는 데 도움이 됩니다.

궤적 반복성 설계 - 명령 전달을 보장하는 EtherCAT®. EtherCAT®은 실시간 동작 제어를 보장하도록 설계되었습니다. PLC가 각 장치와 개별적으로 대화할 때 발생할 수 있는 패킷 충돌을 제거하고 올바른 패킷이 적시에 올바른 위치로 전달되도록 보장합니다. 충전 및 밀봉 기계, 병입 라인, 멸균 시스템과 같이 수많은 사이클에 걸쳐 정밀도가 요구되는 응용 분야에서 EtherCAT®은 반복 가능한 동작 정확도를 제공합니다. 중앙 처리 장치는 기본 동작 작업을 기반으로 모든 EtherCAT® 작업을 동기화합니다. 원하는 반복성 레벨에 따라 세 가지 주요 EtherCAT® 모드를 선택할 수 있습니다.

• 자유 실행 모드 - EtherCAT® 사이클이 컨트롤러 버스 사이클과 비동기화됩니다. 네트워크에서 입력과 출력이 동시에 새로 고쳐지지는 않지만 EtherCAT® 주기 동안 여러 번 새로 고침이 제거되는 경우에 사용됩니다.
• 동기 모드 - EtherCAT® 사이클이 컨트롤러 버스 사이클과 동기화됩니다. 입력의 동기식 판독과 출력의 동기식 새로 고침은 여러 EtherCAT® 장치에서 동시에 일정한 간격으로 수행됩니다.
• 타임스탬프 모드 - EtherCAT® 사이클이 컨트롤러 버스 사이클과 동기화됩니다. 항목의 동기식 판독은 EtherCAT® 분산 클럭을 기반으로 합니다. 이를 통해 마이크로초 단위까지 정밀한 타이밍을 설정할 수 있습니다.

시스템 효율성 설계 - 빠른 설계와 향후 확장성을 위한 EtherCAT®. EtherCAT®은 전 세계적으로 개방된 산업용 프로토콜이며, 서로 다른 제조업체가 공유 네트워크에서 통신할 수 있도록 지원합니다. 그 결과 지난 14년 동안 업계에서 채택률이 연평균 12%씩 꾸준히 성장했습니다. 이러한 성장은 EtherCAT®의 정확성과 정밀성뿐만 아니라 이 포괄적인 네트워크 프로토콜을 채택한 사람들에게 지속적인 경쟁 우위를 제공한다는 증거이기도 합니다. 2010년에 EtherCAT®을 구현한 프로세서와 패키징 업체는 미래 성장에 대비했을 뿐만 아니라 그 과정에서 상당한 재설계 비용을 절감할 수 있었습니다.

커미션

강력한 아키텍처 설계를 통해 1차 통과 전에 성능을 검증하면 성능이 고객의 기대치를 충족하지 못할 위험을 크게 줄일 수 있을 뿐만 아니라 배포 전에 시스템에서 비효율적인 요소를 제거할 수 있습니다. 커미셔닝 프로세스는 기계 성능을 극대화하는 동시에 다운스트림 사용자의 시설에 배포할 때 발생할 수 있는 위험을 최소화합니다. 일반적으로 커미셔닝은 장비가 완전히 조립되는 결정 단계에서 완료되지만, 하드웨어 없이 기계 제작과 병행하여 커미셔닝을 완료할 수 있으므로 강력한 OEM을 구축한 강력한 품질 표준을 훼손하지 않으면서 총 생산 시간을 단축할 수 있습니다.

위치 정확성 커미셔닝 – 하드웨어 없이 서보 선택. 서보의 적절한 크기는 비용 효율성과 기계 성능의 정확성을 모두 달성하는 데 매우 중요합니다. 서보가 너무 크면 기계의 전체 비용이 증가하고, 너무 작으면 기계의 전체 성능이 저하됩니다. 일체형 자동화 플랫폼의 통합 개발 환경을 활용하여 OEM은 프로세스를 간소화할 수 있습니다.

이 접근 방식을 사용하면 단일 프로그램으로 기계의 성능을 검증하고 모터 크기 조정 추가 기능을 통합하여 올바른 선택을 보장할 수 있습니다. 동일한 소프트웨어 패키지 내에서 모터 크기와 기계 프로그램 검증을 완료하면 추가 소프트웨어 사용의 복잡성이 제거되어 선택 과정에서 오류가 발생할 위험이 줄어듭니다. 이러한 통합 접근 방식은 프로세스를 간소화하고 서보 크기 지정 정확성을 높여 기계 성능을 향상시킵니다.

궤적 반복성 커미셔닝 - 하드웨어 없이 동작 시뮬레이션. 동작 궤적은 전체 장비 효율성에 대칭적인 영향을 미치며, 가속, 감속 및 동작 경로는 기계 설계의 다른 측면에 비해 처리 시간, 충돌 확률 및 최종 제품의 품질에 불균형적인 비율로 영향을 미칩니다. 프로그램을 만들 때와 동일한 소프트웨어 환경에서 궤적을 시뮬레이션하면 공장 현장에서 불안정한 프로세스가 발생할 위험을 제거할 수 있을 뿐만 아니라 최종 사용자에게 제품이 결정 단계와 동일한 성능을 발휘할 것이라는 확신을 줄 수 있습니다.

시스템 효율 커미셔닝 – 하드웨어 없이 3D 시뮬레이션. 물리적 하드웨어 대신 3D 시뮬레이션을 사용하여 전체 조립품을 시뮬레이션할 수 있으므로 커미셔닝 프로세스를 크게 개선할 수 있습니다. 작업 현장에서는 동작이 유일한 요소가 아니라는 점을 고려해야 합니다. 또한 안전 프로세스 및 데이터 수집과 함께 동작을 검증해야 합니다. 이는 생산 공정에 추적성과 비전이 복잡하게 얽혀 있는 경우에 흔히 발생합니다. 제조업체에서 제공하는 3D 모델을 활용하고 프로그램과 동일한 소프트웨어 환경에서 시뮬레이션함으로써 커미셔닝 중에 위험을 초래하지 않고 안전을 보장할 수 있습니다. 또한 이를 통해 최적의 운영 절차를 만들 수 있으며, 운영팀은 장비 제작을 승인하기 전에 알려진 표준에 따라 성능을 검증할 수 있습니다. 이는 물리적 구축에 투자하기 전에 기계가 다운스트림 사용자의 기대치를 초과할 가능성을 크게 높입니다.

생산

오리지널 장비를 설계하고 커미셔닝하는 것은 제조업체에게 상당한 투자가 될 수 있습니다. 하지만 단골 고객을 확보하는 열쇠는 장비의 수명 주기 중 성능 단계에 있습니다. 향후 확장성, 프로세스 가동 시간, 프로세스 데이터 수집 기능과 같은 요소는 자동화 시스템에 대한 전반적인 고객 만족도와 향후 비즈니스 잠재력에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.

위치 정확도 생산 - 향후 수요에 유연한 자동화 모듈화. 최고 성능의 일체형 자동화 플랫폼은 플러그 앤 플레이 설치가 가능한 수백 개의 기성 모듈식 IO 부품 번호뿐만 아니라 드래그 앤 드롭 프로그래밍이 가능한 단일 소프트웨어도 갖추고 있습니다. 이러한 플랫폼은 EtherCAT®을 넘어 전 세계적으로 개방된 산업용 프로토콜을 사용하여 연결되며, 이러한 개방형 네트워크의 네트워크 효과를 활용하고 Fail Safe Over EtherCAT®, EtherNET/IP™, CIP Safety ™, IO-Link, MQTT, OPC UA® 및 SQL을 각각의 의도대로 사용하여 모듈식 PLC의 연결성을 동작 이상으로 확장할 수 있습니다. 대부분의 OEM에 도움이 되는 자동화 플랫폼은 처음부터 작업 현장에 과도한 복잡성을 도입하지 않으면서 새로운 기술을 빠르게 채택할 수 있도록 설계되었습니다. 예를 들어 이더넷을 통해 통신하는 핸드헬드 추적 기능은 동작 응용 분야에서 점점 더 보편화되고 있습니다. OEM은 사전 게시된 제3자 연결 가이드 및 기능 블록을 사용하여 식품 및 상품 제조업체가 진화하는 산업 표준, 새로운 포장재, 변화하는 소비자 트렌드에 유연하게 대응하는 데 필요한 모듈성을 유지하면서 제조업체 간의 간극을 메울 수 있습니다.

반복성의 제작 - 프로덕션 이벤트를 자율적으로 캡처하는 자동화 재생. 자동화 오류로 인해 다운타임이 발생하는 경우, 오류의 근본 원인을 신속하게 찾아내고 이를 검증하는 것은 프로세스 안정성에 대한 신뢰를 회복하는 데 매우 중요합니다. 재생에서 데이터, 동영상, 프로그램 구조, 래더 논리의 융합이 점점 더 일반화되고 있습니다. 모든 재생은 시간이 동기화되고 이벤트에 의해 트리거되므로 로컬 및 원격 팀 구성원이 생산을 중단하거나 고장 시 작업자의 개입 없이 문제를 빠르고 정확하게 오프라인에서 진단할 수 있습니다. 커미셔닝 상태의 시뮬레이션 성능과 결합할 경우 EtherCAT®과 같은 개방형 프로토콜을 통한 데이터 재생은 다운스트림 사용자가 기계 성능 지표를 훼손하지 않고 지속적인 개선을 실현할 수 있도록 합니다.

시스템 생산 효율성 - 전체 공정 데이터를 중앙 위치로 제공하는 OPC UA®™ 내장 서버. 현재 많은 컨트롤러에 기본으로 제공되는 OPC UA® 서버 기능을 사용하여 현장 장치와 개방형 통신이 가능합니다. 내장된 OPC UA®™ 서버를 통해 여러 클라이언트를 동시에 연결할 수 있으므로 SCADA 소프트웨어가 통신 요구 사항을 충족할 수 있습니다. OPC UA™를 선택하면 다운스트림 기계 사용자가 OPC UA®에서 제공하는 보안 이점을 즉시 활용하여 무단 클라이언트 액세스를 방지할 수 있습니다. OPC UA® 서버 기능이 점점 더 보편화됨에 따라 OEM은 사용자와 더욱 강력하게 연계할 수 있습니다. 이를 통해 기존 장비를 보다 포괄적으로 지원하고 설치 기반 내에서 잠재적인 미래 장비 기회에 대한 귀중한 통찰력을 얻을 수 있습니다.

OEM의 동작 제어에 대한 다운스트림 사용자 만족도는 동작이 미래의 운영 성공에 지장을 주지 않으면서 현재 주요 생산 지표를 충족할 수 있는 능력에 기반합니다. OEM은 장비의 경쟁력을 강화하기 위해 견고한 설계를 우선시하고, 커미셔닝 중에 신뢰를 심어주며, 효율적인 문제 해결을 지원해야 합니다. 이는 업계 표준이 더 높은 수준의 규정 준수를 요구하기 때문에 특히 중요합니다. 이러한 측면에 집중함으로써 제조업체는 장비가 제공하는 경쟁력 있는 기능의 범위를 확장하여 궁극적으로 시장 점유율을 높일 수 있습니다. 일체형 자동화 플랫폼은 EtherCAT®과 같은 글로벌 개방형 산업 프로토콜을 사용하여 설계 단계에서 간단한 아키텍처를 생성하고, 커미셔닝 단계 중에 단일 설계 환경에서 여러 시뮬레이션을 생성하며, 생산 단계에서 향후 확장을 위한 유연한 데이터 통합을 구축합니다.

결론

식음료 업계의 향후 과제가 예상됨에 따라 특정 표준이 등장할 것입니다. 여기에는 효율적이고 포용적인 네트워크, 견고성을 갖춘 새로운 장비의 신속한 개발, 비침입적이면서도 전체적인 데이터 통합에 대한 필요성이 포함됩니다. 고무적인 소식은 이러한 문제를 해결하는 데 필요한 기술이 이미 존재한다는 것입니다. OEM은 현재 이 기술을 활용하여 미래를 위한 지속 가능한 경쟁 우위를 강화할 수 있습니다. 이를 위해 Omron Automation and Safety는 성공적인 산업 운영을 보장하는 자동화 및 제어 설계에 사용할 수 있는 EtherCAT® 호환 장비를 제공합니다.