Beckhoff, TwinCAT 멀티 코어로 20초 내에 15,000개의 구멍을 드릴링하다 [월간CONTROL 2017/10]

경량 건설기자재 lisocore–정밀 드릴링 및 본딩

TwinCAT 멀티 코어로 20초 내에 15,000개의 구멍을 드릴링하다

lisocore􄞰 경량 건설기자재로 lightweight solutions은 완제품 및 제조 장비라는 두 가지 관점에서 선구자가 되었다. Beckhoff의 PC 기반 제어 기술은 처음부터 그 기계에 탑재되었다. C6650 산업용 PC 및 TwinCAT 3 자동화 소프트웨어를 통해 구현된 Beckhoff의 멀티-코어 기술은 lightweight solutions의 독특한 공정을 위해 필요한 유연성을 제공한다.

lisocore 패널의 구조

Michael Schäpers는 2004년 Rosenheim 공과대학의 통계학 강의에서 lisocore􄞰의 아이디어를 얻었다. 샌드위치 구조물의 중심 층으로서의 쉘 구조물은 load-bearing 재료로서 이상적이라는 것을 깨달았다.

독일, 바트 아이블링에 본사를 둔 lightweight solutions GmbH는 그 독창적인 아이디어의 결과이다. lisocore􄞰는 3차원의 코어 구조 위에 2개의 얇은 커버 층으로 구성되어 있는 매우 효율적인 경량 건설기자재이다. 커버 층을 포인트 밀링하면 고강도 접착제의 도움으로 코어 구조를 제자리에 단단히 고정시키는 홈을 만들어 낸다. 그 결과 일반적인 합판과 비교해서 독특한 하중 지지 특성을 가진 샌드위치 스타일의 구성요소가 된다. lightweight solutions의 전무이사 Michael Schäpers는 말한다. “1/2 무게와 2배의 굴곡 탄성률이 이 기자재를 특별하게 만듭니다.”

lightweight solutions의 생산 책임자 Daniel Rauh, lightweight solutions의 전무이사 Michael Schäper 및Beckhoff의 시스템 엔지니어링 프로젝트 관리자 Jens Hülsebusch는 제어 시스템을 보여주고 있다.

특별한 기계를 위한 맞춤 솔루션

완전히 새로운 제품을 만들 때 기존의 기계로는 크게 성공하지 못한다. 즉, 맞춤형 자동화 솔루션이 필요하다. Michael Schäpers는 기억한다. “우리가 2005년 Beckhoff와 함께 첫 기계를 개발할 때, 우리는 선구자적인 작업을 해야 했습니다. 우리가 필요로 하는 기계를 설계하는데 기준도 경험도 없었기 때문에 자동화의 유연성이 최우선 과제였습니다. 우리는 시스템을 구축하는 동안 실제로 정확한 생산 파라미터를 개발했습니다. 따라서 우리는 어떤 변화에도 신속하게 대응할 수 있어야 했으며, 이는 전체 시스템이 필드버스 기술로 연결되어야 한다는 것을 의미했습니다. 또한 우리는 원래 설계에 포함되지 않은 새로운 드라이브 및 안전 모듈을 쉽게 추가할 수 있는 기능이 필요했습니다. 이후 변경할 수 없는 이미 조립된 모듈이나 디바이스는 허용되지 않았습니다.”

멀티-코어 IPC가 전체 시스템을 제어하다

오늘날, lisocore􄞰는 lightweight solutions의 자회사인 lws maschinenbau GmbH이 개발한 라인에 구축되었다. 500 평방미터 면적을 덮고 있는 라인은 커버 층을 드릴하고 접착제를 바르고 스태킹 및 패키징 단계 전에 샌드위치 보드를 형성하기 위해 층과 3D 코어를 결합한다. 코어 패널은 결국 자사에서 개발된 4대의 다운 스트로크 프레스 중 하나에서 특수 부직포로 제작되는데 각 프레스는 C6920 제어 캐비닛 산업용 PC(IPC)에 의해 제어된다. 이러한 대규모 생산 라인의 주된 과제는 단일 IPC에서 완벽한 자동화 시스템을 구현하는 것이었다. 이것을 가능하게 만든 것은 Beckhoff의 PC 기반 제어이며, 개별 프로세서 코어에 특정 제어 작업을 할당할 수 있는 능력이었다.

“멀티-코어 시스템은 TwinCAT 3가 없었다면 불가능했습니다.”라고 Michael Schäpers는 말한다. “다양한 작업을 처리하기 위해 우리는 4개의 CPU 코어를 사용했습니다. 게다가 Beckhoff의 EtherCAT 기반 기술을 적용함으로써 우리는 시스템 내에서의 통신라인에 관한 걱정을 할 필요가 없었습니다. 기계에서 수집한 프로세스 데이터를 제어 시스템으로 피드백하기가 매우 쉬웠습니다. 그것은 우리가 새로운 절차와 제품을 개발하는데 유용합니다. 우리는 기계와 완벽히 상호작용하고 제어 데이터에 접근할 수 있어야 합니다. Beckhoff의 또 다른 장점은 워크 플로우를 자세히 분석하고 새 프로세스에 필요한 모든 데이터를 불러올 수 있는 TwinCAT Scope 툴, 소프트웨어 오실로스코프입니다. 이 모든 특징은 생산 및 프로세스 개발에 있어 엄청난 속도의 이점을 제공합니다.”

TwinCAT3는 광범위한 멀티-코어 지원을 제공한다

Michael Schäpers에 따르면 TwinCAT3 소프트웨어의 멀티-코어 기능은 자동화 솔루션을 사용하기로 한 결정적인 요소이다. 그 기능은 다음과 같이 사용된다. 첫 번째 코어는 윈도우에서 HMI를 실행한다. 두번째 코어는 추가 HMI 작업을 처리하며 TwinCAT NC PTP를 실행하여 NC 축을 제어한다. 세 번째 코어는 플래트 프레스의 서보-유압장치용 TwinCAT 소프트웨어를 실행하며, TwinCAT PLC는 네 번째 코어에서 실행된다.

특히 많은 NC 축을 가진 서보-유압장치의 한 가지 특징은 제어 기술로 상호작용하는 방식이다. 전기 및 유압 제어 장치는 모두 TwinCAT에서 작동하므로 매우 정밀하게 프로세스 사이클을 맵핑할 수 있다.

PC 기반 제어 기술의 이러한 기능을 활용하면 모든 기능을 단일 PC에 통합하여 구성요소 가용성과 관련하여 추가적인 안전성을 보장할 수 있다. 모든 프로그램이 단일 시스템에서 실행되기 때문에 이중화를 위한 백업용 IPC를 준비하는 것이 좋다.

모든 제어 데이터에 유연하게 접근한다

시스템이 아주 복잡해 보이지만 실제로 관리하기 쉽다. 아키텍처는 다양한 그룹으로 나뉘며 각 그룹은 자체 제어 캐비닛 및 I/O가 있다. Michael Schäpers는 말한다. “라인을 최적화하기 위해서 우리는 기능을 쉽게 추가하거나 제거할 수 있어야 합니다. 그런 대형 시스템을 전문적으로 운영하기 위해서 우리는 유연한 액세스 옵션을 갖춘 제어기를 필요로 하는데 Beckhoff 제어 시스템은 이런 요구사항을 완벽하게 충족시켜 줍니다.”

Beckhoff의 시스템 엔지니어링 프로젝트 매니저 Jens Hülsebusch는 시스템 사이즈 및 복잡성을 보여주기 위해 주요 구성요소를 언급한다. “쿼드-코어 Intel􄞰Core™i7프로세서를 갖춘 C6650 캐비닛 탑재형 IPC는 현장의 두 EtherCAT 마스터 사이에서 분리된 AX5000 서보 드라이브 뿐만 아니라 EtherCAT 터미널 및 EtherCAT 박스 I/O 모듈을 포함하여 거의 900개의 EtherCAT 슬레이브를 제어합니다. 총 130개의 NC 축은 2 ms 태스크로 계산되며 73개의 AX5000 서보 드라이브를 통해 이동합니다. 결국 그것은 AX5805 TwinSAFE 카드를 갖추고 One Cable Technology(OCT)로 AM8000 서보모터를 제어합니다. 라인은 또한 기계 작동을 쉽게하기 위해서 XFC(eXtreme Fast Control) 기술, TwinCAT ‘Flying Saw’ 기능 및 4개의 CP79xx 제어 패널을 사용합니다.”

lightweight solutions에서 수행해야 하는 가장 어려운 작업은 엄청난 수의 드릴링 및 글루잉 포인트로 이동하는 것이다. 접착제를 20초 이내에 아주 정밀하게 15,000개의 드릴 구멍에 발라야 한다. “예전엔 아무도 이렇게 하지 못했습니다.”라고 Michael Schäpers 는 기억한다. “Beckhoff의 유연한 제어 기술은 경제적으로 lisocore􄞰를 생산하는데 필요한 복잡한 공정을 처리할 수 있는 유일한 수단이었습니다.”

바트 아이블링에서 생산을 시작한 이후 lightweight solutions는 수요를 맞추기 위해 꾸준히 생산을 늘렸다. 향후에는 현재 라인의 2~3배 용량을 갖춘 시스템을 필요로 한다. “우리는 4개의 피드-인 스테이션 및 2개의 드릴 앤드 글루 스테이션을 운영할 것입니다.”라고 Michael Schäpers는 설명한다.

PC 기반 제어는 Industrie 4.0 요구사항을 수용할 수 있도록 규모를 확장할 수 있다

Beckhoff IPC는 생산 증가만이 아니라 성능을 입증했다. TwinCAT 3의 멀티 코어 기능으로 IPC가 추가 업무를 처리할 수 있기 때문에 lightweight solutions는 자사의 빌딩 제어 시스템을 PC 기반 컨트롤러에 통합하기로 결정했다.

Industrie 4.0은 미래를 위한 중요 요소이다. 이 개념을 구현하기 위한 첫 단계로 light weight solutions는 이미 전체 자동화 플랫폼을 자사의 SAP 시스템과 연결했다. “특수 기계 제조업체로서 저희는 Industrie 4.0을 향해 나아가면서 Beckhoff의 지속적인 지원을 받을 것입니다.”라고 Michael Schäpers가 결정한 이유에 대해 설명한다.