Beckhoff, TwinCAT 3로 고급 측정 데이터 프로세싱 [FA VISION 2017년 3월]
통합 상태 모니터링을 통한 프로세스 최적화
- 트라이텍(PC Control-Beckhoff Automation)
TAR Automation은 고품질 자동화 기술을 전문으로 하고 있으며, 혁신적인 제어 솔루션 통합을 제조사들에게 지원한다. 기존 생산 기기의 현대화뿐만 아니라 새로운 시스템의 설계 및 구현 외에도 TAR은 모션 제어 및 상태 모니터링 영역의 시스템 솔루션을 개발한다. 독일, 딘스라켄에 기반을 둔 TAR은 최근 Beckhoff의 통합 자동화 솔루션을 기반으로 생산 장비를 위한 효율적인 상태 모니터링 시스템(CMS)을 개발했다.
- 트라이텍(PC Control-Beckhoff Automation)
TAR Automation은 고품질 자동화 기술을 전문으로 하고 있으며, 혁신적인 제어 솔루션 통합을 제조사들에게 지원한다. 기존 생산 기기의 현대화뿐만 아니라 새로운 시스템의 설계 및 구현 외에도 TAR은 모션 제어 및 상태 모니터링 영역의 시스템 솔루션을 개발한다. 독일, 딘스라켄에 기반을 둔 TAR은 최근 Beckhoff의 통합 자동화 솔루션을 기반으로 생산 장비를 위한 효율적인 상태 모니터링 시스템(CMS)을 개발했다.
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| TAR 9964 상태 모니터링 시스템은 제어 플랫폼으로서 TwinCAT 3 소프트웨어, TwinCAT 상태 모니터링 라이브러리 및 EtherCAT 단말기를 갖춘 CX5140 임베디드 PC를 기반으로 한다 |
고정밀 및 맞춤형: 완벽하게 통합된 상태 모니터링 시스템
“과거 자동화 기술은 전용 ‘블랙-박스 장치’를 사용해서 실현될 수 있었지만, 이제는 PC 기반 제어 솔루션으로 수많은 새로운 기능을 자동화 기술에 통합할 수 있습니다. 생산 장비를 위한 상태 모니터링이 하나의 좋은 예입니다.” 라고 Alfred Rachner는 말한다. 기존 CMS는 주로 전체 시스템 안에서 별도 하부시스템으로 설치된다. 이는 데이터 샘플링 및 평가를 위한 특별한 하드웨어로 구성되어 있으며 채널수가 고정되어 있고 기능이 한정되어 있기 때문에 독립형 솔루션을 매우 유연하지 못하게 만든다. 사용자는 변화하는 요구에 반응할 수 없으며 상태 모니터링 기능은 비용이 비쌀 뿐만 아니라 통합하기에 어렵다.
유연성 강화 및 비용 감소는 TAR 엔지니어링 팀이 제어 플랫폼으로서 TwinCAT 3 소프트웨어, TwinCAT 상태 모니터링 라이브러리 및 EtherCAT 단말기를 장착한 CX5140 임베디드 PC를 기반으로 하는 TAR 9964 상태 모니터링 시스템을 개발할 수 있도록 이끌었다. EL3632 상태 모니터링 단말기는 IEPE 가속도 센서를 연결하는데 사용된다. 이 통합된 구성은 많은 이점을 제공한다:
- 시스템은 자유로운 프로그램이 가능하고 언제든지 새로운 기능을 추가할 수 있다.
- 온도 측정 또는 디지털 I/O 이외에도 진동 및 아날로그 신호는 모듈식 EtherCAT I/O를 사용해서 언제든지 구현될 수 있다.
- 오버샘플링 기술뿐만 아니라 동기화를 위한 고정밀 클럭 및 광대역 실시간 네트워크로서 EtherCAT은 아날로그 신호에 대해 최대 100㎑ 및 가속도 값에 대해 50㎑의 샘플링률을 가능하게 한다.
- EL3632 상태 모니터링 단말기는 IEPE 센서(가속도, 마이크로폰 등등)의 연결을 제공하고 오버샘플링 기술, 파라미터화 할 수 있는 하드웨어 기반 안티에일리어싱 필터, 디지털 필터 및 오프셋 보상을 특징으로 한다.
- 기본 분석 알고리즘은 PLC 라이브러리로서 통합될 수 있으며, 언제든지 수정 또는 기능 확장이 가능하다.
- 고객의 시스템과 간단하게 통합할 수 있다. 특히PROFIBUS, PROFINET, EtherNet/IP, CANopen 및 이더넷 등을 포함한 모든 공통 인터페이스의 가용성 기능을 가진다.
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| Beckhoff 영업 매니저 Rhein/Ruhr, Ralf Stachelhaus와 TAR Automation의 상무이사 Alfred Rachner(왼쪽에서부터) |
실제 사례로 TAR 9964 상태 모니터링 시스템은 PCB, 냉각장치, 세탁기, 다양한 플라스틱이나 타이어에 사용되는 성분과 같은 재생 물질을 파쇄하는 기계의 모니터링 및 프로세스 최적화를 제공한다. 과립기는 커터 샤프트(cutter shaft)를 위한 400㎾ 드라이브와 추진장치 및 고정자 조정을 위한 12㎾ 유압 장치를 가지고 있다. 커터 샤프트는 EL3632를 통해 데이터가 기록되는 가속도 센서를 갖추고 있다. 첫 번째로 TwinCAT 상태 모니터링 라이브러리의 소프트웨어 기능 블록은 매우 빠른 작업에서 데이터를 획득하고 번들링 한다. 여러 후속 작업에서 다양한 분석 Function Block은 퓨리에 분석, 제한 값 모니터링, 평균화 및 분류와 같은 추가 작업을 위해 사용된다. 상태 모니터링 라이브러리는 획득 및 분석 작업의 정확한 시간 상관관계 또한 보장한다.
통합 상태 모니터링 시스템은 파쇄 시스템 운영자에게 실질적인 혜택을 제공한다:
- 베어링 모니터링: 과거에 베어링은 온도 측정을 통해 모니터링 되었기 때문에 시급한 베어링 손상이 일반적으로 너무 늦게 감지되었다.
- 진동, 제한 값 및 트렌드 분석: 비용이 많이 드는 손상이 실제로 발생하기 전에 잠재적인 베어링 손상을 탐지한다
- 과잉 윤활 감지: 시스템 운영을 최적화시키는 윤활제의 낭비를 최소화한다: 작업 구역이 정상적으로 닫혀있지 않으면 원료가 커터 샤프트에서 날뛰며 정확하게 파쇄되지 못한다. 결과적으로 증가된 진동이 측정되고 공급 압력을 가함으로써 보정될 수 있다.
- 자동 V-벨트 장력 감지: 무뎌진 커터의 느슨한 V벨트를 자동으로 감지 및 조정한다: 과거에는 사람의 귀로 공장을 검사했다. 사람이 실제로 기계의 변화를 주의깊게 듣고 필요시 수동으로 커터를 날카롭게 만들었다. 상태 모니터링 시스템은 무뎌진 커터를 감지하기 위해 믿을 수 있는 측정 값을 제공하며 커터를 날카롭게 하는 것을 자동으로 실행한다.
- 기계 제어 시스템에 통합: 이전부터 원료 공급은 수동으로 제어되었다. 이는 분쇄해야 할 원료의 크기 및 형태가 다양하여 광학 측정 시스템으로 인피드를 제어하려는 시도가 실패했기 때문이다. 현재 상태 모니터링 시스템의 진동 분석은 신뢰성 있는 감지가 가능하다. 과립기가 비어있을 때 새로운 원료를 자동으로 공급한다. 기계의 연속적인 가동률은 최대 50%까지 생산성을 증가시킨다.
시스템 통합업체를 위한 새로운 가능성
“TAR의 경우, 상태 모니터링을 자동화 및 제어 시스템에 통합하는 것은 새로운 기회와 판매 가능성을 열어줍니다.”라고 Alfred Rachner는 말한다. “TwinCAT은 우리에게 이상적인 통합 플랫폼입니다: 간단한 제어 작업에서부터 모션 제어, CNC 애플리케이션, 상태 모니터링 및 안전 기술까지 하나의 시스템으로 모든 작업을 해결할 수 있습니다. 이를 통해 다양한 플랫폼에 대한 프로그래머의 교육 비용을 없앨 수 있으며 하나의 엔지니어링 시스템을 설치하고 유지보수 하기만 하면 됩니다. 고객의 입장에서도 유지보수 비용을 절약할 수 있습니다.”
“게다가 TwinCAT은 PROFIBUS, PROFINET, EtherNet/IP 및 CANopen과 같은 모든 공통 필드버스 인터페이스를 지원합니다. 기존 시스템의 현대화가 온다면, 고객이 사용하는 제어 환경에 우리 시스템을 쉽게 통합할 수 있습니다. 오직 새로운 시스템에서만 가능하지만 앞으로 가장 효과적인 방법은 TwinCAT을 기반으로 한 완전 통합 PLC/NC/CMS 솔루션입니다.”
Industry 4.0: 수직 및 수평 네트워킹을 위한 통신 표준 광범위한 임베디드 PC는 다양한 네트워킹 옵션을 제공하는 동시에 성능 및 I/O 구성의 측면에서 확장 가능하다. 이는 제어 아키텍처를 구현할 때 많은 자유도를 제공하기 때문에 수작업 업무를 위한 최적의 솔루션이다. “소형, 독립형 솔루션, 분산형 넨트워킹, 지능형 제어기 또는 고성능 중앙 솔루션을 다루든지 간에 상관없이 무엇이든 가능합니다”라고 TAR의 상무이사는 결론을 내린다. “수직 네트워킹을 위한 보편적 표준으로서 OPC UA의 지원과 결합하여 ERP 시스템을 작업장 내 또는 작업장 간에 통합하는 것이가능합니다.”
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| 상태 모니터링 시스템은 소형 단자 박스에 설치되어 작동 준비가 된 상태로 공급된다 |
TwinCAT 및 EtherCAT에 의한 상태모니터링
서브시스템이 필요하지 않은 EtherCAT
과거 100㎑의 샘플링률은 필드버스 시스템으로 불가능했다. 하지만 EtherCAT으로 인해 기능적 원칙은 전이중 고속 이더넷 및 마이크로초의 버스 사이클 타임으로 90%를 훨씬 넘는 이용 가능 데이터율을 보장한다. 측정 데이터를 EtherCAT 슬레이브에 직접 버퍼링하는 오버샘플링 기술은 실제 버스 사이클 이상으로 샘플링률을 증가시킬 수 있다. EtherCAT 슬레이브의 분산 클럭은 시간 동기화 데이터 샘플링을 네트워크를 통해 보장한다. 지터(jitter)는 1 마이크로초, 보통 100 나노초보다 훨씬 더 적다. 과거에는 속도 문제를 해결하기 위해 분산 지능형 서브시스템이 실현되었지만, 이제 제어 시스템에 다양한 기능을 통합하는 것이 가능해졌다. 현재 EtherCAT은 측정된 데이터가 제어 시스템에 여유있게 도착할 수 있도록 충분한 속도를 제공한다.
EtherCAT 단말기를 통한 고정밀 측정 기술
Beckhoff는 새로운 측정 기술 I/O의 지속적 개발을 위해 EtherCAT을 사용한다. 단말기는 이미 온도 측정, 로드 셀 분석, 전류와 전압 로깅, 진동 모니터링 및 ±10V 또는 0…20㎃와 같은 다양한 아날로그 신호에 사용된다.
제어 시스템에 완벽히 통합된 상태 모니터링
EtherCAT 및 고정밀 측정 단말기 이외에 PC 기반 제어 기술에 의한 지속적인 성능 향상은 상태 모니터링 시스템을 서브 시스템이 아니라 직접 조작할 수 있는 능력의 핵심 요소이다.
2.1㎓의 Intel Core i7 쿼드코어 CPU는 CX2040 임베디드 PC와 같은 고성능 장치에 사용된다. 복잡한 제어 작업을 위해 충분한 성능 보유가 측정된 데이터의 분석에 사용될 수 있음을 의미한다.
TwinCAT 3가 데이터 프로세싱을 최적화하다
TwinCAT 3 자동화 소프트웨어는 사용자에게 개별 프로그램 작업을 별도의 CPU 코어로 분배할 수 있는 능력을 제공한다. 예를 들어, 측정된 데이터의 분석을 위한 계산 집약적 알고리즘을 사용하기 위해서 전용 분석 작업은 별도의 CPU 코어에 지정되고 실행될 수 있다. 게다가 TwinCAT 3는 PLC 프로그래머에게 측정 데이터 프로세싱을 위한 상태 모니터링 라이브러리를 제공한다. 이는 사용자가 애플리케이션 및 지식 수준에 따라서 기본 수학적 알고리즘 또는 사용자 맞춤형 모듈 사이에서 선택할 수 있도록 소프트웨어 키트로서 설계되었다. 예를 들어 분석, 통계 및 분류 분야의 기본 알고리즘은 고속 퓨리에 변환을 위한 블록, Envelope, Kurtosis, Crest Factor, RMS 및 제한 값 모니터링을 포함한다. 사용자는 자신의 분석 루틴을 개발하는데 이용할 수 있는 폭넓은 기본 알고리즘을 가지게 된다.
사용자 모듈은 애플리케이션을 향한 또 다른 단계로서 사용된다. 이 모듈은 기본 알고리즘으로 구성되어 있고 예를 들어 롤러 베어링 모니터링에서 필요하다면 알고리즘을 캡슐화 한다. 이런 식으로 사용자는 내부적으로 실행되는 계산에 관한 상세한 지식이 없이도 개별적 베어링 기하 데이터 및 티치-인(teach-in) 제한 값으로 모듈을 구성할 수 있다.
IMI 센서의 압전 센서
TAR Automation이 사용하는 진동 센서는 ICP 기술을 기반으로 하며 측정신호가 간섭에 영향을 받지 않는 낮은 소스 임피던스의 전압 값처럼 전송된다는 큰 장점을 가지고 있다. 이것은 인접 장치의 전기 및 자기장으로 인한 장애를 최소화한다. 사용 가능한 센서의 다양한 버전 및 유형은 고온 애플리케이션 또는 Ex영역을 포함해서 거의 모든 상황에서의 사용을 용이하게 한다.
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