스마트 제조를 위한 지능형 모션 제어

모션 제어는 제가 좋아하는 분야 중 하나입니다. 어느 여름 대학교 실험실에서 불안정 시스템에 대한 컨트롤러를 연구했던 기억이 떠오릅니다. 제 도구는 그 당시에 믿을 수 없을 정도로 고급이었지만 모션 제어는 그 이후로 큰 발전을 이루었습니다.

전 세계 공장들은 더 적게 투자하여 더 많은 것을 이뤄내야 한다는 압박을 받고 있습니다. 계속적인 공급망 중단, 현지 및 인근 지역, 환경 영향에 대한 우려로 인해 제조업체는 점점 더 민첩하고 탄력적인 대응력을 갖추어야 합니다.

그러려면 공장에 보다 스마트한 모션 제어가 필요합니다. 그림 1은 모션 제어가 여러 제조 공정의 중심이 되는 이유를 보여줍니다. 기본 모션 제어 시스템은 효율적이고 대응력을 갖춘 강력한 공장이 되는 데 필요한 이 동일한 기준을 충족해야 합니다.

그림 1 : 스마트 공장에는 다양한 모션 제어 응용 제품이 사용됩니다. (이미지 출처: Analog Devices)

이 블로그에서는 고정밀 모션 제어 및 기계 상태 모니터링을 통해 이러한 목표를 달성하는 방법을 중점적으로 소개합니다. 또한 이러한 기술이 진정한 지능형 공장으로 이끄는 디지털 변환 트렌드의 핵심적 요소인 이유를 설명하겠습니다.

고정밀 모션 제어

보다 스마트한 모션 제어의 여정은 더 높은 수준의 정밀도로 전류 및 위치를 측정하는 것으로 시작됩니다. 이를 통해 대응력과 처리량을 최대화하면서 폐기물을 최소화할 수 있습니다. 제어 시스템의 정밀도는 센서에 달려 있습니다.

위치 감지의 경우 여러 옵션이 있지만 자기 센서는 광학 인코더보다 저렴한 비용으로 높은 해상도를 제공하므로 특히 매력적입니다. 먼지와 진동이 심한 응용 분야에서 더욱 견고하며 무접점 특성으로 인해 마모와 손상이 최소화됩니다.

그러나 자기 센서는 외부 자기장의 간섭과 주변 재료의 영향에 민감할 수 있습니다. 이러한 센서의 정확도는 또한 온도 변동에 의해 영향을 받을 수 있으므로 해당 정확도를 유지하기 위해 보정이 필요할 수 있으며 이로 인해 비용 및 신뢰성 측면에서의 이점이 감소될 수 있습니다. 게다가 여러 자기 센서는 근거리에서 우수한 기량을 발휘하므로 응용 분야가 제한됩니다.

이러한 우려 사항의 균형을 잡는 한 가지 방법은 이방성 자기 저항(AMR) 센서를 사용하는 것입니다. 홀 효과와 달리, 거대 자기 저항(GMR), 터널 자기 저항(TMR) 센서, AMR 센서는 자기적으로 열악한 환경에서 견고성을 나타내고 넓은 공극 허용 오차로 정확도를 유지합니다. AMR 센서는 이러한 환경에서 성능 저하 및 각도 오차가 발생하지 않기 때문에 보정 및 유지 보수가 크게 줄어듭니다.

이에 대한 좋은 예로 Analog Devices의 ADA4571 제품군 각도 센서를 들 수 있습니다. 통합 신호 조절기를 갖춘 이러한 센서는 모터 구동기 및 서보 응용 제품을 위한 향상된 절대 정확도 위치 감지를 용이하게 합니다. ADA4571에는 넓은 온도 범위에서 오차를 0.5° 미만으로 유지하는 보정 엔진이 내장되어 있습니다(그림 2)

그림 2 : 그림 2는 VDD = 5.5일 때 ADA4571 센서의 통상적인 오차를 나타내며(왼쪽), 이는 내장된 이득 제어(GC) 기능을 활성화하여 향상시킬 수 있습니다(오른쪽). (이미지 출처: Analog Devices)

기계 상태 모니터링

지능형 공장에서는 성능뿐만 아니라 효율성과 회복력도 매우 중요합니다. 모터 진동 및 충격을 모니터링함으로써 공장의 기계 상태 센서(예: 진동 센서)는 계획되지 않은 가동 중지 시간을 줄이고 자산의 사용 가능 수명을 연장하는 동시에 유지 관리 비용을 줄일 수 있습니다. 다양한 센서 옵션이 있지만 MEMS(미세 전자 기계 시스템) 가속도계는 기능 간에 매력적인 균형을 유지하여 압전 시스템 가격과 전력 소비의 일부만으로 높은 대역폭과 낮은 잡음을 제공합니다(그림 3).

그림 3: 기계 상태 모니터링에 사용 가능한 센서는 비용, 성능, 전력 간에 상호 절충 관계가 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

MEMS에 대한 좋은 예로 ADXL1001/ADXL1002 제품군 센서를 들 수 있습니다. ADXL1002에 초점을 맞출 경우 ±50g 범위에서 루트 헤르츠당 25마이크로g(μg/√Hz)에 불과한 잡음과 최대 10,000g의 외부 충격에 대한 회복력과 같은 특징에 주목할 수 있습니다. DC ~ 11kHz의 선형 주파수 응답 덕분에 이 부품은 천천히 회전하는 장비에 적합하며, 전력 소비가 낮아 무선 감지 설계가 용이합니다. 3축을 따른 측정값이 필요한 응용 제품의 경우 ADXL371이 적합할 수 있습니다.

디지털 변환을 위한 실시간 연결

지금까지 논의된 감지 솔루션의 진정한 파워는 공장 운영에 대한 심층적인 통찰력을 제공하는 능력에서 비롯됩니다. 전압, 전류, 위치, 온도 등의 데이터가 다양한 모션 제어 시스템에서 수집되면 자동화 시스템이 이 데이터를 분석하여 실시간 제조 흐름을 최적화할 수 있습니다.

그림 4에서 볼 수 있듯이 현재 결정론적 데이터 수집에는 EtherCAT 및 PROFINET과 같은 다양한 필드버스 프로토콜이 포함됩니다. 그러나 업계에서는 TSN(Time Sensitive Networking)을 차세대 네트워크의 표준으로 빠르게 채택하고 있습니다. 이러한 추세는 기업 및 공장 현장 시스템을 단일 네트워크에 통합하는 융합된 정보 기술/운영 기술(IT/OT) 인프라의 출현에 핵심적인 부분입니다.

그림 4: 제조 부문은 독립형 필드버스 네트워크에서 기가비트 이더넷(GbE)을 통한 TSN 기반의 통합 IT/OT 인프라로 전환하고 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

이러한 네트워크는 결정성을 보장하기 위해 밀리초 미만의 네트워크 주기 시간이 필요하고 비전 시스템의 비디오 피드와 같은 새로운 고속 트래픽 소스를 수용하기 위해 최대 기가비트 대역폭이 필요합니다. 최신 모션 제어 시스템에는 이러한 요구 사항을 충족하기 위해 ADIN1200/1300°제품군과 같은 이더넷 물리 계층(PHY)이 필요합니다. 이 견고한 저전력, 저지연 PHY는 산업 환경에서 GbE를 지원합니다. 이는 최대 105°C의 주변 온도에서 작동할 수 있고 전자파 적합성(EMC)에 대해 광범위한 테스트를 거쳤으며 브라운아웃 보호와 같은 견고한 기능을 제공합니다.

결론

발전하는 스마트 제조 환경에서 지능형 모션 제어는 기공장의 민첩성과 회복력을 향상시키는 중추적인 요소입니다. 이러한 최적화의 핵심은 모션 제어 시스템의 정확성과 효율성입니다. 새롭게 확장된 센서 옵션을 통해 엔지니어는 위치 추적부터 기계 상태 모니터링에 이르는 모든 것을 향상시킬 수 있는 기회를 갖게 됩니다. 점점 더 방대해지고 정밀해지는 이 데이터를 점점 더 역량이 강화되는 공장 네트워크에 공급함으로써 디지털 변환의 약속이 빠르게 실현되고 있습니다. 디지털 시대가 도래하면서 지능형 모션 제어와 고급 네트워킹의 흥미로운 융합은 진정한 스마트 제조의 미래를 약속합니다.