[Beckhoff 어플리케이션] 자동차 산업용 고온 PCB 테스트 핸들러의 PC 제어 및 EtherCAT

재설계를 통한 기능성 강화, 배선 간소화, 비용 절감

POV(Pensar Otra Vez)는 자동차부품 공급업체를 위해 고온 PCB 최종 테스트용 설비 개발 의뢰를 받았다. 이 회사는 과거 이미 비슷한 시스템에 대한 경험이 있었다. 그럼에도 불구하고 Beckhoff와 함께 제어 기술을 재설계한 결과, 중대한 개선점들을 발견하고 보완할 수 있었다. 게다가, PC 기반 제어 기술은 엔드유저의 에너지 관리용 데이터 획득 및 분석을 간소화하였다.

1994년, 기계 엔지니어 Mike Edwards는 애리조나주의 Tucson 지역에 Pensar Otra Vez, Inc.를 설립했다. 이 회사는 수년 간 의료, 배터리 및 자동차 제조 분야에 집중하며 여러 산업용 기계를 제작하였다. 회사 이름조차도 구성요소, 프로세스, 전략을 정기적으로 재평가하겠다는 생각을 담아서 만들었다. 이 회사의 이름은 스페인어로 “다시 한번 생각해 보세요”라는 뜻이다. 2019년, 1차 자동차부품 공급업체인 한 장기고객이 새로운 고온 PCB 테스트 핸들러 제작을 의뢰했을 때, Mike Edwards는 기존 디자인을 복제하기보다 자동적으로 제도판 사용 방식으로 다시 돌아간 것은 그닥 놀라운 일이 아니었다. 20대가 넘는 테스트 핸들러 설비가 텍사스 소재 고객사의 한 공장에서 이미 가동 중이었기 때문에, 개선점 측정에 대한 명확한 기준선이 존재했다.

차량 내부의 동작 조건을 시뮬레이션 하고자 PCB의 최종 기능 테스트를 진행하는 동안, 새로운 핸들러는 상온에서 유입되는 PCB를 받아서 PCB 온도를 약 110도까지 상승시키고 이를 ±3도 이내로 유지한다. 테스트 시간이 120초 미만이기 때문에 테스트 핸들러는 제품에 매우 빠르게 열을 전달해야만 한다. 처리량이 중요하므로 핸들러의 처리 시간 대비 테스트 시간을 극대화해야 한다. 핸들러 내부에서는 PCB 제품들이 컨베이어 위에서 예열 지점 네 곳을 통과하여 테스트 지점에 도달한다. 각각의 예열 지점에서는 적외선 온도 센서가 온도 상승을 모니터링한다. 과거에는 센서를 제어 시스템에 통합하는 방식으로 인한 배선관련 애로사항과 함께 상당한 인건비와 배선 비용이 발생했다.

단일 중앙 플랫폼을 통한 성능 및 투명성 증가

새로운 고온 PCB 테스트 핸들러는 성능 강화, 테스트 프로세스 준수, 구성요소 비용 감소를 동시에 달성을 목표로 했다. POV는 나아가 배선 요구사항을 줄이고, 설치 공간을 최소화하며 사용자 친화성을 증가시키길 원했다. 엔드유저 역시도 IIoT와 인더스트리 4.0 개념을 실현하기 위한 방향으로서 설비들의 데이터 수집 및 분석 기능이 개선되길 원했다. 해당 공급업체는 프로세스 평가 및 효율성 강화라는 목표와 계획을 가지고 있으며, 전 세계에 공장을 두고 있다. POV 프로젝트 매니저 Mike Edwards는 다음과 같이 설명한다. "이 고객의 공장의 경우, 에너지 관리가 점점 더욱 중요해지고 있습니다. 여기에는 미사용 컨베이어의 자동 전원 차단부터 정확한 모터 rpm 모니터링까지 모든 것이 포함됩니다”

이전에는 고객이 VB(Visual Basic)를 사용하여 내부적으로 기계 프로그래밍을 완료해왔다. 그러나 해당 제조업체는 시스템 전반에 걸쳐 더 높은 유연성과 성능 데이터 접근성을 원했다. 따라서 POV의 엔지니어팀은 디자인 및 프로그래밍과 관련하여, D2 Engineering LLC의 소유주 겸 수석 소프트웨어 엔지니어인 Dan Distefano와 협업하였다. Dan Distefano는 다음과 같이 말했다. “주요 목표 중 하나는 단일 개발 환경을 통해 모든 시스템 및 디바이스에 대한 액세스를 제공하는 것입니다. 20년이 넘는 시간 동안 Beckhoff의 솔루션과 함께하면서 분명해진 것이 있습니다. 서드 파티 구성요소의 간편한 통합을 구현하는 것에 있어서, TwinCAT 3 자동화 소프트웨어 및 EtherCAT 산업용 이더넷 시스템이 가장 적합했다는 점입니다” 이 팀은 Beckhoff의 지역 영업부 엔지니어 Casey Taylor와의 긴밀한 협업으로, 어플리케이션에 대한 최적의 구성요소 및 시스템을 구체화할 수 있었다.

TwinCAT 3는 Microsoft Visual Studio^®에 통합됨으로써 객체지향 확장 프로그램을 갖춘 모든 IEC 61131-3 언어 및 컴퓨터 공학 규격의 프로그래밍을 지원한다. Dan Distefano는 소프트웨어 제품군 내의 몇 가지 솔루션을 최대한 사용했다. Dan Distefanos는 다음과 같이 설명한다. “우리는 오퍼레이터 GUI용 TwinCAT HMI, 기계 제어를 위한 TwinCAT PLC 및 Motion, 통합형 기능 안전 시스템용 TwinSAFE를 실행했습니다. 동일한 Visual Studio^®프론트 엔드를 확보함으로써 단일 개발 시스템을 통한 간편한 엑세스 구현이라는 주요 목표를 달성할 수 있었습니다” 이러한 기능들로 인해 현장 및 원격 작업 모두에서 지원의 용이성이 향상됐다.

TwinCAT 런타임은 Intel^® Core™ i3 프로세서를 탑재한 Beckhoff의 공간 절약형 초소형 산업용 PC, C6030에 로딩된다. 더 강력하고 사용자 친화적인 오퍼레이터 인터페이스를 위해서 푸시 버튼 방식의 확장프로그램과 21.5인치 디스플레이를 갖춘 핸들러, CP3921 멀티터치 컨트롤 패널을 제공하는 것이 특징이다.

향상된 통신 및 모션 제어

개방성, 종합 빌트인 진단, 고성능 실시간 통신을 통하여 EtherCAT이 모든 주요 기계 구성요소들을 단일 생태계로 연결하여 기계 설계 및 동작을 개선한다. EtherCAT은 네트워크 장치용 IP 어드레스를 사용하지 않는 대신에 네트워크 상에서 각 장치를 자동으로 파악하고 설정한다. Dan Distefano는 다음과 같이 덧붙였다. “결과적으로 각 디바이스를 추가적인 소프트웨어 없이 액세스, 사용 및 디버깅할 수 있습니다”

이 핸들러는 보호등급 IP20 EtherCAT I/O 터미널, 보호등급 IP67 EtherCAT Box 모듈과 단일 케이블 내의 필드 디바이스들을 위한 통신과 전원을 제공하는 원 케이블 솔루션을 결합하여 제공한다. Mike Edwards는 다음과 같이 말했다. "EtherCAT P 및 기계 장착형 I/O 구성요소들 덕에 메인 컨트롤 캐비닛까지 돌려보내는 작업이 단 하나의 케이블로 가능하게 되었습니다”

고온 테스트에서 핸들러 설비가 PCB를 로딩하기 위해 기어박스 AG2250와 짝을 이루는 Beckhoff의 스텝모터, AS2022의 동력으로 컨베이어를 작동시킨다. EtherCAT 터미널 EL7047에 의해 작동되는 보호등급 IP54 스텝모터, AS2022는 비틀림 방지 통합형 엔코더를 제공한다는 특징이 있다. Casey Taylor는 다음과 같이 설명했다. “이전 설계에서는 엣지 벨트 컨베이어의 각 면에 모터와 기어박스를 사용하곤 했습니다. 모터 속도 출력 값은 모터 rpm 또는 벨트 fpm으로 해석되지 않는 아날로그 수치였습니다. Beckhoff의 드라이브 기술은 쉽게 실제 모터 rpm을 표시할 수 있어서 컨베이어 양면이 정확하게 모니터링되고 조정될 수 있었습니다”

재설계를 통해 중요한 개선점 발견 및 보완

Mike Edwards는 다음과 같이 말했다. “자동화 세계에서 과거의 방식과 새로운 기술을 직접적으로 비교하는 것은 상대적으로 드문 일입니다. 당사의 자동차 산업 고객을 위해 고온 PCB 테스트 핸들러를 재설계함으로써 동등한 비교가 가능한 완벽한 기회를 얻을 수 있었습니다” EtherCAT I/O 모듈 사용은 비용 9% 절감, 배선효율 개선을 통한 현장 배선인력 11% 감소, 전기 캐비닛 크기 12.8% 감소로 이어졌다. 또한 POV 팀에게는 디버깅 시간의 현저한 감소도 매우 중요한 점이었다. 완전 통합형 EtherCAT 네트워크상에서는 적외선 센서 등과 같은 서드 파티 장치를 쉽게 통합하는 것과 함께 이 모든 것이 가능했다.

Mike Edwards에 따르면 설계 및 구축이 완료된 후, Beckhoff는 프로젝트에서 제어 설계 시간의 약 36시간 감소라는 이점을 제공했다. 그는 다음과 같이 덧붙였다. “프로그래밍은 단일 지점으로 통합됐고 온도 제어 및 측정, 에너지 사용량 및 스피드의 모니터링과 같은 이전 구성요소에서는 불가능했던 추가적인 기능들이 더 높은 유연성을 제공했습니다” 다음은 Beckhoff 플랫폼이 가진 강점의 일부이다. Dan Distefano는 다음과 같이 말했다. “EtherCAT에서 모든 디바이스를 연결했을 때, 최소의 소프트웨어 개발과 추가적인 하드웨어 없이 기계 프로세스 및 진단 지원을 위한 정보를 더 많이 수집할 수 있었습니다” 재설계된 핸들러는 현장에서 문제없이 잘 작동하고 있으며, Pensar Otra Vez 팀은 나머지 분야에도 이 새로운 Beckhoff 아키텍쳐를 적용하길 바란다.