모션 시스템의 주요 경향과 Kinetix 통합 모션 시스템

자동화 시스템은 시장의 요구에 의해 여러 시스템들이 복합적으로 통합되어 가는 경향을 보이면서 시스템의 복잡성이 가속화되고 있는 중이다. 때문에 모션 시스템이 전체 자동화 시스템에서 차지하는 중요도가 한층 높아졌다. 보다 강인한 모션 시스템 솔루션을 통해 각각의 애플리케이션 상황에서 요구되는 속도와 정밀도를 확보하는 것이 중요하기 때문이다.  

글_ 오상원 / 로크웰삼성오토메이션 

산업 자동화 현장에서 생산 시설 최적화, 가동 시간 향상, 제품 출시 시간 단축, 공인 기관의 인증에 대한 압력은 점점 더 거세어 지고 있다. 이는 장비 제조 업체들에게 시퀀스, 모션, 프로세스, 드라이브 제어 시스템 등 서로 다른 분야에서의 제어 시스템에 대한 통합을 요구할 뿐만 아니라 하부 단위의 통합 제어 시스템이 상위의 정보(Information) 시스템과 무리 없이 통합되어 운용되는 장비를 요구한다. 

상위의 정보 시스템과 하위의 제어 시스템간의 통합 요구는 계층 간의 네트워크 통합으로 귀결된다. 이는 시스템 내에서 생성된 모든 정보들이 네트워크를 통해 막힘없이 전달되고 이렇게 취합되고 가공 되어진 정보들이 엔터프라이즈(Enterprise) 레벨에서 액세스 할 수 있어야 한다는 것이다. 자동화 시스템에서의 인텔리전트(Intelligent) 레벨이 높아질 것을 끊임없이 요구 받게 된 것이다. 

결국 고객의 ROI(Return On Investment)를 향상시켜 고객의 이익을 극대화 할 수 있는 자동화 시스템이 되어야 한다는 것이 시장의 요구이며, 자동화 시스템이 진화해 나가는 주요 방향인 것이다. 

자동화에서의 모션 시스템 

자동화 시스템은 정적(Static) 제어와 동적(Dynamic) 제어로 나눌 수 있는데, 움직임이 필요한 동적 제어 시스템은 자동화 시스템을 구성하는 양대 축 중 하나를 이루고 있다. 특히 원하는 속도로 정밀하게 위치를 제어하는 모션 시스템은 하나의 독자적인 제어 분야를 형성하기에 이르렀다. 모션 제어는 명령에 추종하는 추종성과 요구되는 정밀도를 달성하는 정밀 위치 제어가 가장 큰 특성이라고 할 수 있다. 

자동화 시스템은 시장의 요구에 의해 여러 시스템들이 통합되어 가고 있으며, 시스템 전체의 복잡도 또한 점점 증가하는 추세이다. 모션 시스템은 자동화 시스템 속에서 차지하는 중요도가 점차 증가하고 있으며, 그 중요도가 커지는 만큼 모션 시스템에서 발생하는 예기치 않은 문제들에 대한 파장의 영향도 확대되고 있다. 따라서 보다 강인한 모션 시스템 솔루션을 제공하고 또한 모션 시스템을 보다 면밀히 감시하고 관찰하여 문제를 발생 시키지 않도록 하는 유지 보수 및 관리 기술이 더욱 더 중요해 지고 있다. 

모션 시스템의 구성 요소 

모션 시스템은 모션 제어기, 서보 드라이브, 서보 모터로 구성되며, 제어기와 드라이브 간의 인터페이스를 통하여 제어기로부터 드라이브로의 모션 제어 명령과 드라이브로부터 제어기로의 모션 피드백(feedback) 정보를 전달하게 된다. 

모션 제어기 

모션 제어기는 PLC 기반의 제어기와 PC 기반의 제어기 그리고 단독형(stand alone) 제어기가 사용되고 있다.

  

대단위 공정에서는 주로 PLC 기반의 모션 제어기가 사용 된다. 그리고 수십 년 이상 장기적으로 가동 하는 생산 설비에는 특히 PLC 기반의 모션 제어 시스템이 장점을 가지고 있는데 그 이유는 용이한 버전 관리를 통해 유지 보수를 효율적으로 할 수 있도록 해 주기 때문이다.

단위 기계 또는 전용기에서는 주로 PC 기반의 모션 제어기가 주로 사용되는데, 단위 기계 또는 전용기는 복잡한 모션 보다는 고속 고정도 애플리케이션에 쓰이는 경우가 많다. 이러한 고속 고정도 애플리케이션에서는 보다 빠른 업데이트 시간(Upate Rate)이 요구 되기 때문이다. 또한 여기에는 사용되는 축 수가 8축 이하인 경우가 많으며, 대부분의 PC 기반 모션 제어기도 이에 맞춘 솔루션을 시장에 공급하고 있다. 응용 분야로는 반도체 디스플레이 전자 분야에서의 검사기 및 조립 장비에 집중 되어 있으며, 개발 언어로는 주로 컴퓨터 언어인 C/C++ 가 사용된다. 

단독형(Stand Alone) 모션 제어기도 단위 기계나 전용기에서 주로 사용된다. 제어기가 컴퓨터의 형태가 아닌 단독 제어기 형태를 띠고 있는 점이 다르고, 응용 분야는 CNC, 반도체 디스플레이 전자 분야의 검사기 및 조립 장비에 집중 되어 있다. 개발 언어로는 제어기 공급 업체의 개발 언어가 제공 되는 경우도 있지만 주로 컴퓨터 언어인 C/C++ 가 사용된다. 

서보 드라이브 

서보 드라이브는 서보 앰프라고도 불리우며, 모션 제어기에서 받은 명령을 수행하는 부분이다. 드라이브를 제어기로부터의 명령어 형태에 따라 분류해 보면, 위치 제어형, 속도 제어형, 토크 제어형으로 나눌 수 있다. 

모션 명령의 신호에 따라 분류하면 디지털 신호, 아날로그 신호, 펄스 신호 등을 명령으로 받는 드라이브가 있다. 또한 디지털 신호의 경우 모션 제어기와의 인터페이스에 따라 분류하면, SERCOS, EtherNet, SynqNet, FireWire, CAN, DeviceNet 등의 네트워크를 사용하는 드라이브로 분류 할 수 있다. 

서보 모터 

서보 모터는 명령을 추종하는 모터를 모두 서보 모터의 범주로 분류 할 수 있다. 서보 모터는 그 구성 방식에 따라 크게 동기 모터와 비동기 모터로 나눌 수 있고, 운동 형식에 따라 회전형과 선형(Linear) 모터로 구분이 가능하다. 

동기 모터는 일반적으로 보통 영구 자석 동기 모터를 말하며, 지금은 AC 서보 모터가 주종을 이루고 있다. 일반적으로 수십W ~ 수십kW까지의 용량이 시장에 공급되고 있다. 

비동기 모터는 유도 전동기를 말하며 제어 기술이 발달함에 따라 유도 전동기에 피드백 장치를 설치하여 서보 모터로 활용하고 있다. 대용량의 애플리케이션에서는(예를 들면 수십kW 급 이상) 영구 자석 동기 모터가 대응 할 수 없는 부분에서 비동기 모터가 서보 모터의 역할을 훌륭히 수행하고 있다.

  

회전형 서보 모터는 일반적인 회전 운동 애플리케이션과 선형 운동 애플리케이션에 모두 쓰여 왔었다. 선형 운동 애플리케이션을 위해서는 볼스크류, 벨트 등과 같은 기계적인 변환 기구 등을 사용하여 회전 운동을 선형 운동으로 변환 하여 왔으나, 효율이 떨어지고 마모가 생기는 등의 문제가 지적되고 있다. 이에 고속 고정밀 애플리케이션에서는 기존의 회전형 서보 모터에서 점차 리니어 모터의 적용으로 이동해 가고 있다. 리니어 모터는 회전형 모터를 평면상으로 펼쳐 놓은 형태를 하고 있는데, 비 접촉식이고 회전형 모터와 달리 변환 메커니즘이 필요없고 효율이 높아 고속 고정밀 애플리케이션에 많이 적용 되고 있다. 대표적인 응용 분야는 반도체, 디스플레이 및 실장기(SMT: Surface Mounting Technology) 분야이다. 

모션시스템의 주요 적용 분야 

모션 시스템의 주요 적용 분야로는 포장 산업, 반도체 디스플레이 전자 산업, 물류, 조립 장비, 컨버팅(Converting), 그리고 다른 많은 분야들이 있다. 

포장 산업에서는 포장기, 액량 토출기, 자동 보틀링(Bottling) 시스템, 픽앤플레이스(Pick and Place), 스마트 벨트 등이 있고, 철강 산업에서는 로터리 나이프(Rotary Knife), 연속 절단기 등이 있다. 반도체 디스플레이 전자 산업에서는 수많은 애플리케이션이 있는데, 반도체 세정 장비, 반도체 식각 장비, 반도체 및 디스플레이 검사 장치, 조립 장비, 실장기 등 일일이 열거하기 어려울 정도이다. 물류와 산업 일반에서 모션 시스템에 대한 애플리케이션의 예를 찾기는 어렵지 않다. 

Kinetix 통합 모션의 탄생 

모션 컨트롤 시스템은 단독으로 시스템을 구성하는 데에서 한 발 나아가 다른 제어 시스템과 통합 되어야 할 필요성을 요구받게 되었다. 이렇게 함으로써, 비용을 줄이고 고객의 이익을 극대화 할 수 있기 때문이다. 모션 컨트롤 솔루션은 가장 먼저 엔지니어링 시간을 줄여줄 수 있어야 하고, 개발 사이클을 짧게 해야 한다. 또한 구매 이후 지원의 필요성을 줄이고, 구매자의 시간, 비용 그리고 리소스 투입을 줄여야 하는 등의 복합적인 요구 사항들을 갖는다. 

이러한 고객의 요구 사항을 만족 시키기 위해 로크웰 오토메이션의 KinetixTM 통합 모션 시스템이 태어났다. 

Kinetix 통합 모션은 모션 제어기와 시퀀스 제어기가 LogixTM에 통합 되어, 하나의 제어기로 모션 제어와 시퀀스 제어가 가능하다. 그리고 RSLogix5000이라는 하나의 소프트웨어 개발 툴로 시스템을 개발 할 수 있기 때문에 시스템 단가도 저렴해 지며, 무엇보다도 엔지니어링 및 유지 보수에 투입되는 리소스를 줄일 수 있도록 하였다. 

Logix는 개발 언어로 래더(Ladder) 로직을 사용하기 때문에 개발이 쉬워 엔지니어링 비용이 상대적으로 적고, 유지 보수 팀의 교육과 보전 활동의 비용도 절감해 준다. 

강력하면서도 사용하기 쉬운 RSLogix5000의 개발 환경은 여러 축의 연동 또는 동기화가 필요한 복잡한 애플리케이션도 쉽게 개발 할 수 있도록 지원한다. 시스템 아키텍처 내에서 생성된 모터 및 드라이버의 상태 정보, 진단 정보 그리고 파라미터들은 시스템의 어느 곳에서나 액세스가 가능하도록 하여 유저가 쉽게 이들 정보를 활용 할 수 있도록 하고 있다. RSLogix5000은 래더 로직 이외에 기능 블록도(Function Block Diagram), 구조화 텍스트(Structured Text) 및 순차 기능 차트 논리(Sequential Function Chart Logic)를 위한 언어 편집기를 제공한다. 이로써 기존의 PLC 제어기 사용 경험이 많은 유저들에게 친근한 언어를 사용 할 수 있도록 하였다. 

Kinetix 6000 드라이버는 KinetixTM 통합 모션 제어 시스템의 드라이버로써, 높은 정밀도와 큰 파워용량을 필요로 하는 유저의 요구 사항을 바탕으로 빠른 애플리케이션이 가능 하도록 설계 되었다. 가능한 한 작게, 적은 비용으로, 쉽고 빠르게 생산 설비를 구축 할 수 있도록 하고 부동 시간을 줄이는 데에도 역점을 두었다. 

Kinetix 6000 드라이브의 주요 특징 

Kinetix 6000 드라이브는 SERCOS 인터페이스, 전력선과 신호선의 분리 배치, 파워레일(Power Rail)의 사용, 컴팩트한 디자인, 우수한 성능 등을 주요 특징으로 한다. 

SERCOS 인터페이스는 오픈 프로토콜(Open Protocol)로써, 광섬유 케이블을 사용하는 제어기와 드라이브 사이의 고속, 리얼타임, 시리얼 통신 방식의 인터페이스 방식이다. 링 방식의 광섬유 케이블은 제어기의 노이즈 내성을 높이고 배선을 절감하여 설치 시운전 시간 및 비용을 크게 줄여 준다. 

Kinetix 6000 드라이브는 설계시부터 전력선과 신호선의 분리 배치로 전력선으로부터의 스위칭 노이즈 영향을 최소화 할 수 있도록 고려 되었다. 전력 배선은 드라이브의 상부로, 신호선은 드라이브의 전면 하단부로 배치하여 제어반(Control Panel) 내부에서 전력선과 신호선의 분리가 쉽게 이루어 지도록 하였다. 

그리고 Kinetix 6000 드라이브는 최적화된 파워레일(Power Rail)을 제공하는데 여러 가지의 크기가 가능 하도록 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8축의 레일을 제공하고 공통의 DC 버스로 전원을 공유함으로써 입력 전원 배선을 줄였다. 적은 수의 볼트만 체결 하면 설치가 가능 하도록 하여 설치와 배치가 용이 하고, 패널에 접지와 접속(Bonding)을 제공하며, 각각의 모듈은 하나의 볼트로 설치가 가능하도록 설계되어 모듈 교체도 간편하게 되었다. 220VAC와 460VAC 모두 같은 파워레일을 사용하여 유지 보수 비용을 줄일 수 있게 되었다. 

통합 축 모듈은 컨버터 모듈과 축 모듈을 하나로 통합하여 파워 레일에 공통 DC 전압을 공급하게 되어 있으며 이러한 공통의 DC 전압을 사용함으로써, 드라이브 전체의 효율을 높일 수 있게 하였다. 뿐만 아니라 파워 컨버터를 공유 함으로써 각 축 모듈에 파워 컨버터를 가질 필요가 없어져 전체적으로 비용을 줄일 수 있게 되었다. 

작고 컴팩트한 디자인은 컨트롤 패널의 크기를 줄여 패널 공간을 효과적으로 사용하게 하였고, 큰 속도 루프 대역폭은 속도 레귤레이션(Regulation)을 향상 시키고, 서보 강성(Stiffness)를 높이고 큰 관성비(Inertia Ratio)의 부하를 운전 가능케 하였다. 또한 큰 대역폭과 고분해능 피드백은 위치 정밀도를 크게 향상시켰다. 

스마트 모터 기술은 장비 개발 시간 단축을 실현하고 부동 시간을 단축 시키는데 크게 기여하였으며, 제동 저항 모듈은 동적 제동(dynamic braking)을 가능케 하고 안전 회로를 단순화시켰다. 

모션 시스템 구축 방안 

모션 시스템은 제어기와 드라이버 그리고 모터로 구성되며, 산업별로 다른 형태의 제어기 다른 형태의 드라이브 그리고 다른 형태의 모터를 사용 할 수 있다. 그러나 그 구성에 있어서 제어기, 드라이브, 모터로 구성 되는 것에는 큰 차이가 없으므로 포장기의 예를 들어 시스템 구성을 살펴 보도록 한다. 

포장기는 일반 소비 상품 제조 산업에 광범위하게 응용 될 수 있다. 포장기는 소비자에게 바로 전달 될 제품들을 포장하기 때문에 날짜 인쇄기, 광고 전단지 삽입기 등과 함께 운용된다는 특성을 가지며, 수평 포장기와 수직 포장기로 나뉜다. 

제어기는 ControlLogix를 사용하고 드라이버는 Kinetix 6000을, 모터는 MPL과 유도 전동기를 사용한다. 제어기와 드라이버 간의 인터페이스는 SERCOS 광섬유 케이블을 사용하였다. 제품의 위치를 센서로 입력을 받아서 기준 신호로 사용한다. 포장 박스 안으로 적재될 제품이 포장기로 들어 오면, 정해진 포장 과정을 따르게 된다. 먼저 포장 박스가 펼쳐지게 되고 정해진 위치에 자리 잡은 다음, 이동하는 포장 박스의 속도에 맞추어 적재될 제품을 정렬시키고 정확한 타이밍과 속도를 계산해서 제품을 박스 안으로 적재하고 박스의 뚜껑을 닫은 다음 풀칠하고 마무리 작업을 하게 된다. 

특별히 요구되는 점은 없으나, 빠르고 안정적이며 여러 가지 다른 제품들에 대응 할 수 있어야 한다. 제어적인 관점에서 보면 포장기는 몇 가지 어려운 과제를 안고 있다. 그 첫 번째는 축들 간의 동기화인데, 센서에서 검출된 정보가 네크워크를 통해서 빠르게 제어기로 전송되고 제어기는 이를 바탕으로 계산된 명령을 드라이브로 하달하는 등의 작업이 실시간으로 이루어져야 한다. 다른 하나는 여러 가지 다른 모양 다른 재질의 제품들을 포장 할 수 있어야 한다는 것인데 다른 종류의 제품들에 대응하기 위한 엔지니어링 비용이 많이 들지 않아야 함은 당연시되고 있다. 

이 외에도 여러 가지 제품의 속성을 시프트 레지스터(Shift Register)에 기록, 추적해야 하고, 대량의 데이터 관리 및 위치 정보를 기반으로 I/O를 제어 해야 하고, 장비의 서로 다른 여러 부분을 통합 제어 해야 한다. 또한, 확장이 용이해야 하고, 소량 다품종 추세에 유연하게 대응하고 수율을 높이며, 제품의 끼임 등에 의한 부동 시간을 줄이는 것도 고려되어야 한다. 

Kinetix 6000 드라이브는 위치 정밀도를 높이고 모션 사이클 타임을 줄이는데 기여하는 여러 장점을 제공한다. 예를 들면, 절대 위치 인코더를 제공하여 귀중한 시간을 원점 복귀에 허비하지 않도록 하고, 전자기어(Electronic Gearing)는 포장 작업을 최적화 하여 주며, 드라이브와 모터의 상태 정보가 Logix로 취합되고 RSLogix5000에서 그래픽으로 표현되어 중요한 파라미터들을 유저가 쉽게 볼 수 있도록 한다. 캠(Camming) 기능을 제공하여 위치 정보에 기반한 I/O 제어가 가능하게 하고, 또한 다축 동기 운전을 손쉽게 구현 할 수 있도록 지원한다. Logix의 가상 축 기능은 이러한 동기 운전을 더욱 쉽게 해 준다. Kinetix 6000 드라이브는 유도 전동기도 제어 가능하므로 유도 전동기용 인버터를 따로 구매 할 필요가 없이 단일한 컴포넌트로 시스템을 구성할 수 있도록 해 준다. 이는 유지 보수 측면에서 여분의 부품을 비축하는데 비용 절감 효과를 제공한다. 

이처럼 Knietix 6000 드라이브를 사용하여 복잡한 작업의 포장기를 적은 엔지니어링 비용으로 손쉽게 구성 할 수 있다. 

향후 전망 

날이 갈수록 거세어지는 통합화의 요구 속에서 완전한 통합 아키텍처의 KinetixTM 통합 모션 시스템의 미래는 밝다고 하겠다. 특히 복잡한 설비, 대단위의 공정 설비, 다축 동기 운전 시스템에서는 통합 모션 시스템이 그 자리를 차지하게 될 것이다. 

모션 네트워크는 더욱 빠르게 진화 할 것이고, 제어 시스템과 정보(Information) 시스템 간의 통합은 산업 설비들을 더욱 지능적으로 진화 하도록 할 것이다. 

Kinetix 통합 모션 시스템은 장비 개발 시간의 단축과 엔지니어링 비용의 절감으로 OEM에게 이익을 줄 것이라고 확신하며, 특히 부동 시간의 단축과 유지 보수 비용의 감소로 고객에게 이익을 줄 것이다.

2005년 기사 작성