Beckhoff, 산업 및 광업 용 컨베이어 벨트 모니터링 시스템을 위한 XFC [무인화기술 2016년 10월]

Continental : 고속 및 고 정밀 측정 기술이 벨트 손상의 초기 발견을 가능하게 하다

컨베이어 벨트 또는 날카로운 물체에 의해 발생하는 종단 슬롯의 개별 세그먼트 사이의 접합 불량은 대량 재료를 다루는 산업이나 광산에서 사용되는 장비에 중대한 손상을 쉽게 일으킬 수 있다. 이러한 문제점들의 초기 발견 및 관련된 엄청난 수리비용을 피하기 위해서 ContiTech와 Continental Engineering Services는 2개의 컨베이어 벨트 모니터링 시스템을 개발했다. 이 시스템들은 센서 데이터의 고속·고정밀 기록 및 처리를 요구한다. Beckhoff의 EtherCAT 및 XFC (eXtreme Fast Control)는 효율적인 솔루션을 제공한다.

보르네오에서 ContiTech 컨베이어 시스템은 노천 석탄 채굴 및 수송 선박을 선적하는 데 사용된다.

보르네오 현장: Continental Engineering Services의 산업 솔루션 사업부의 Hans Christian Enders

독일 마인 강변의 프랑크푸르트 시에 기반을 두고 있는 Continental Engineering Services (이하 CES)는 2006년부터 엔지니어링 서비스의 독립 업체로서 전세계적으로 활동하고 있다. 독일 노르트하임에 기반을 둔 ContiTech Transportbandsysteme GmbH와 함께 CES는 ContiTech에서 판매하는 통합 컨베이어 시스템을 위한 Conti Protect 시리즈로 2개의 전자 벨트 모니터링 시스템을 개발했다. 이 시스템은 자동차 산업의 까다로운 기준에 따라 설계, 제조 및 테스트 된다.

첫 번째 시스템은 Splice Elongation Measurement (이하 SEM)이라고 일컫는다. 이것은 최대 두께 10cm, 너비 4m 및 길이 10km인 컨베이어 벨트의 세그먼트 사이의 이음매에서 발생하는 심각한 결함을 탐지한다. 최근 개발한 시스템은 초기 단계에 컨베이어 벨트에 생기는 종단 방향의 틈을 감지할 수 있는 Belt Rip Detection (이하 BRD) 이다. 이 두 모니터링 시스템은 비상시에 컨베이어를 정지시키고, 필요 시 ContiTech 직원에 의한 원격 보수도 가능하다. 이런 식으로 운영비를 최적화하고 시스템 가용성을 증가시키며 사고 위험 또한 줄일 수 있다.

고속의 컨베이어에서 안정적인 테스트 신호 포착

두 시스템은 전자기 유도 작용을 기반으로 한다. BRD 시스템의 경우, 도체 루프(conductor loop)들이 컨베이어 벨트에서 경화된다. 그들은 전송기와 수신기 사이의 고주파 테스트 신호를 전송한다. 만약 루프가 손상을 입으면 수신기 측의 신호가 실패하게 되고 시스템 제어가 감지하여 자동으로 컨베이어를 정지시킨다. 이런 식으로 컨베이어 작동 동안, 심지어 전속력의 벨트 속도에서도 몇몇 모니터링 포인트에서 종단 방향의 틈을 확실하게 감지할 수 있다. SEM은 최대 40톤의 무게가 나가는 컨베이어 벨트 세그먼트 사이의 연결 부분인 이음매의 정밀 길이 측정과 관련이 있다. 이음 부분에 통합된 스틸 밴드는 유도 효과를 발생시킨다.

SEM의 경우, 측정 포인트의 개수는 컨베이어 벨트 세그먼트의 개수에 의해 정해진다. 보통 대략 50개이다. 어플리케이션에 따라 100~200미터 떨어져 있는 경우도 있지만, BRD 시스템에서는 도체 루프가 50미터마다 제공되는 것이 이상적이다. 최대 40km/h의 컨베이어 속도는 데이터 수집 및 샘플링 속도을 많이 요구한다. BRD는 대략 초당 2,000개의 값을 기록하고, SEM은 컨베이어 벨트의 불가피한 진동을 고려해 밀리미터 단위의 길이까지 고정밀 측정을 하기 위해서 초당 최대 400,000개의 값을 기록한다.

빠르고 정확하며 강력한 제어 기술

Beckhoff의 PC 기반 제어 기술 덕분에 SEM은 이미 2010년에 데이터 처리 속도에 대한 수많은 요구사항들을 충족시켰다. CES 산업 솔루션 사업부의 Hans Christian Enders는 설명한다. ”결정적으로 중요한 것은 I/O 레벨까지 실시간 이더넷 통신을 가능하게 하는 고성능의 EtherCAT 입니다. XFC의 DC (Distributed Clocks) 및 타임스탬프 기능은 아주 정확한 데이터 획득을 위한 기초를 형성합니다. SEM과의 우수한 경험을 바탕으로 우리는 BRD 시스템에 Beckhoff 기술을 사용하기로 결정했습니다.”

그 기술은 뛰어난 성능을 제공할 뿐만 아니라 아주 강력하다고 Hans Christian Enders는 계속해서 말한다. “수년 동안 높은 EMC, 먼지 및 진동 하중, 큰 온도 변동과 높은 습도를 포함한 아주 어려운 조건에서 Beckhoff 기술을 사용해 왔습니다. 우리는 기술적인 문제를 경험해 본 적이 없습니다. 예를 들어, 3,000미터 고도에 있는 칠레의 구리광산에서, 그 제어 기술은 극한 기온 조건 및 미립자 물질에 노출되어 있습니다. 심지어, 시스템은 IP 67 등급의 제어 캐비닛 내에서 뿐만 아니라 캐비닛 문이 몇 주 동안 계속 열여 있어 외부에 노출되었을 때에도 내구성 시험에 통과했습니다. BRD 시스템은 또한 보르네오 섬의 노천 석탄 광산처럼 극한 기온 및 높은 습도에도 정상 동작합니다. IP 65 등급의 CP6202 패널 PC 앞면은 세정 및 멀티-메가와트 드라이브에서 발생하는 EMC 하중에도 전혀 문제를 일으키지 않습니다.”

BRD 시스템은 회전 카운터를 통해 벨트 속도뿐만 아니라 송신기 유닛에 의해 유도된 신호를 기록한다.

고속의 데이터 통신 및 엔지니어링

15인치 터치스크린이 포함된 CP6202 패널 PC는 시각화를 위하여 TwinCAT 자동화 소프트웨어 및 TwinCAT PLC HMI이 설치된 제어 시스템에 사용된다. 모듈식의 I/O 레벨은 오버샘플링으로 아날로그 입력 신호를 받는 XFC 제품인 EL3702 를 포함하여 EtherCAT 터미널을 특징으로 한다. 특수 유형의 오버샘플링 데이터는 통신 사이클 내에서 프로세스 값의 다양한 스캔 및 배열에 있는 모든 데이터의 전송을 가능하게 한다. 소위 오버샘플링 인자는 통신 사이클의 샘플 수를 의미한다.

컨베이어 벨트 모니터링 시스템에서 오버샘플링 값은 100으로 즉, 1ms 사이클 타임 당 얻은 100개의 샘플을 의미한다. 이것은 많은 양의 데이터 – BRD 및 SEM 시스템을 위한 초당 2,000개 및 400,000개의 신호 – 를 엄청난 처리속도로 산업용 PC에 전송할 수 있다. Hans Christian Enders는 또 다른 이점에 대해 언급한다. “EatherCAT 통신은 아주 강력할 뿐만 아니라 광케이블을 통해 통신을 지원합니다. 설비 중 일부 측정 포인트가 제어 캐비닛으로부터 수백 미터 떨어져 있는 경우, 이것은 우리에게 아주 중요합니다.”

SEM 개발 속도 또한 중요한 역할을 했다. 회사는 센서 개발을 포함한 첫 번째 시스템을 위해 반년의 시간이 있었다. Hans Christian Enders는 계속 말한다. “TwinCAT은 아주 유용했습니다. 효율적인 프로그래밍 인터페이스, 기존의 소프트웨어 구성요소 또는 Function Block의 사용 덕분에 개발 시간을 극적으로 단축시킬 수 있었습니다. 추가 이점은 TwinCAT Scope 기능을 이용하여 트러블 슈팅의 간소화를 포함한 단일 단계 디버깅, 사용자 친화적인 곡선 디스플레이 및 신호 분석이 가능하다는 것입니다. 이러한 방법으로 올바른 하드웨어 설치를 신속하게 검증할 수 있으며, 특히 시운전 시 중요한 요소입니다.”

송신기 유닛 및 BRD을 장착한 컨베이어 벨트의 도체 루프

송신기 유닛 및 SEM을 장착한 두 벨트 세그먼트의 접합부

제어 시스템의 확장성 및 개방성

Hans Christian Enders가 설명한 바와 같이 PC 기반 제어 기술의 속도 및 실시간 기능 이외에도 CES는 시스템의 확장성 및 개방성으로부터 이익을 얻었다. “제어 기술은 개별 고객의 요구사항을 쉽게 충족시킬 수 있습니다. 예를 들어, 실제 데이터 처리에 필요한 EtherCAT 통신 측면에서 제한 없이 적절한 I/O 터미널을 통해 PROFIBUS 및 CAN 기반으로 클라이언트 데이터 구조를 통합하는 것은 매우 간단합니다.”

본래 PC 기반 제어 기술은 IT 기술을 통한 개방성을 보여준다. 예를 들어, 전세계에 설치된 컨베이어 시스템에 대한 원격 유지보수는 TeamViewer와 같은 상용 툴을 기반으로 큰 노력 없이 구현될 수 있다. 이것은 시간과 경비를 절약한다. TwinCAT SMTP 서버를 통해 측정 포인트를 영상 모니터링하는 웹캠을 통합할 수 있다. Hans Christian Enders는 미래에 대한 또 다른 가능성을 보고 있다. “TwinCAT 3로의 전환을 통해 Visual Studio®의 통합 혜택을 누리게 될 것입니다. 우리가 TwinCAT 3를 사용하기 전에 이 개발 도구로 작성된 첫 번째 어플리케이션이 이미 존재합니다. 이것을 우리의 산업용 레이더 센서의 맥락에서 사용하고 있으며, TwinCAT 3의 사용 확대로 이 솔루션은 훨씬 더 효율적이고 가치 있는 것으로 만들게 될 것입니다.”