[Beckhoff 어플리케이션] PC 기반 제어 및 EtherCAT을 통한 공정 자동화 및 데이터 투명성 제고

 디지털 혁신으로 페인트 공장의 처리량 150% 향상

온도 및 압력 제어는 배합 스테이션에 원료를 공급하는 자동화 시스템에 있어 매우 핵심적인 역할을 수행한다. © Pierre Charbonneau, 2022

Pépin(Pépin Industries Ltd.)은 1958년 창립된 이래로 캐나다에서 산업용 페인트를 생산해온 산업용 페인트 생산업체이다. Pépin이 더 큰 시설로 이전했을 때 전통적인 생산 공정을 자동화하기 위해 시스템 통합 업체인 Centris Technologies는 Beckhoff의 개방형 제어 기술을 사용했다. Beckhoff의 제어 기술은 필드 레벨에서 IT 시스템까지의 연속적인 통신을 구현하여 모든 공정에서 완벽한 투명성을 보장한다.

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산업용 페인트는 소형 에어 컴프레서부터 중장비에 이르기까지 혹독한 환경에서 사용되는 설비에 반드시 필요한 제품이다. 페인트의 품질과 품질 안정성은 표면의 보호, 브랜드 등에 직접적인 영향을 미친다. 전통적 제조 업체인 Pépin Industries는 용매 기반의 산업용 페인트를 전문으로 생산하는 업체이며, 특히 생산 공정의 속도가 매우 빠른 것으로 알려져 있다. 산업 용도 기준으로 보았을 때 배치 사이즈는 수백 갤론 (1 Canadian gallon ≈ 4,5 l)으로 상대적으로 작은 것으로 생각될 수 있다. 그러나 이러한 접근 전략을 통해 고객이 정확하게 필요로 하는 제품을 원하는 때에 발주할 수 있다.

그러나 과거에는 일부 남아 있는 수작업 공정으로 인하여 오더 추적성, 공장 인력 효율성 등에 제약이 따랐다. 그에 따라 회사의 확장에도 한계가 있었다. 퀘벡 주 Cowansville의 신규 사업장으로 이전했을 때, 가족 기업인 Pépin은 Centris Technologies의 도움을 받아 혁신 자동화 솔루션으로 기존의 생산 방식을 디지털화할 수 있었다. 몬트리올에 위치한 SI 업체인 Centris Technologies는 지난 2010년 최초로 페인트 공장 개보수 사업을 시작한 이래 해당 분야에서 명성을 쌓아 온 업체이다. Centris의 공동 대표, Eric Thibaudeau는 다음과 같이 말한다. “Centris는 수 년에 걸쳐 스마트 팩토리 서비스를 성장시켜 왔습니다. 이를 통해 자동화와 제어는 물론, SCADA, ERP 브릿지, MES, 웹 서비스 통합과 같은 산업용 소프트웨어도 아우르게 되었습니다.”

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PC 기반 제어를 통한 생산 효율성 향상

이번 기술 업데이트 작업에서는 정확성과 투명성 뿐만 아니라 생산 처리량까지 향상시키는 것을 목표로 하였다. Pépin의 생산 및 실험실 담당 이사, Hélène Daigle은 이러한 부문의 문제점들은 구축 이전부터 존재해 왔던 것이라고 말한다. “과거에는 수작업 공정의 비중이 높아, 생산 과정에서 일어나는 모든 사항을 추적하는 것이 쉽지 않았습니다. 작업 인원에게 작업 오더를 할당하고 나서도 작업 지시 사항을 얼마나 철저하게 준수하였는지, 그리고 배합 과정에서의 원료 수량은 얼마나 사용되었는지 추적하는 데에는 어려움이 있었습니다” 이로 인해 품질 검사에서 불합격하는 제품이 발생하는 경우, 또는 색상이 맞지 않는 경우나 원료 배합 불량, 오염 등으로 인해 재작업을 해야 하는 경우가 발생하였다. 디지털 기록이 존재하지 않았기 때문에 문제의 원인이 어디에 있는지 파악해 이를 시정하는 과정에도 어려움이 있었다. 이때 Centris의 기술력을 통해 이러한 문제를 해결할 수 있었다. Centris의 엔지니어링 팀은 IT 및 자동화 기술(AT) 분야 전문성을 활용하여 추적성 향상, 설비 모니터링, 예측 정비 등 첨단 개념을 도입하였다.

특히 페인트 공장의 경우, 기계 설비 제어 및 데이터 확보는 특정 화학 약품이 지닌 폭발 위험으로 인하여 더욱 복잡한 양상을 띄게 된다. Centris 팀은 오랜 기간 산업용 PC 기술에 의존해 왔으나, 기존 벤더사의 제어기 노후화, 성능 신뢰도 저하, 그리고 호환성 부재로 인해 어려움을 겪고 있었다. Beckhoff Canada와 이전에 수행한 프로젝트의 성공에 힘입어, Centris는 Beckhoff의 PC 기반 제어 기술을 도입하기 시작했다. Pépin 어플리케이션 역시 예외가 아니었다. Beckhoff Canada 지역 영업 관리자 Ted Sarazin은 다음과 같이 말한다. “Centris는 전통적인 시스템 통합과 IT 솔루션을 접목하고 있습니다. 따라서 Beckhoff와의 협력을 통해 엄청난 시너지를 창출할 수 있었던 것입니다.”

디지털 혁신이 이루어진 후에는, C6030 초소형 산업용 PC를 사용하여 페인트 생산 시스템을 제어하는 것이 가능해졌다. © Pierre Charbonneau, 2022

자동화를 통한 배합 공정 최적화

Pépin의 신규 생산 시설은 가장 일반적인 페인트 재료를 수용하는 6개의 벌크 탱크, 그리고 수지, 첨가제, 모래 등 기타 다양한 재료를 저장하는 추가 소형 탱크로 구성되어 있다. 자동화 시스템을 통해 벌크 탱크 및 소형 탱크의 원료를 정확한 배합 스테이션으로 이송하게 되며, 이후 입고되는 재료로 탱크를 보충한다. 온도와 압력이 시스템에 의해 제어되며, 원료량 및 다른 요인도 시스템에 의해 모니터링된다. 따라서 항상 충분한 양의 원료가 확보되고, 이송 중에도 적절한 점도를 유지하도록 보장한다. 과거에는 작업 인원이 커다란 통을 밀고 다니며 원료량을 손으로 측정해 배합 작업을 수행해야 했다. 그러나 이제는 각 믹서기에서 바로 배합 지시를 내리고 작업을 관리할 수 있다. 휴대용 태블릿, 또는 각 워크 스테이션에 설치되어 있는 태블릿을 사용하여 간단하게 제어가 가능하며, 작업 과정을 한눈에 살피고 경보 발생 여부를 파악할 수도 있다.

여기서, Beckhoff의 C6030 초소형 산업용 PC가 중앙 제어기의 역할을 한다. Centris의 산업용 소프트웨어 개발자 Marc-André Duguay는 다음과 같이 말한다. “Beckhoff 산업용 PC는 매우 강력하며, 사이클 시간을 단축시켜 줍니다. TwinCAT 소프트웨어를 사용하면 데이터에 쉽게 액세스가 가능하고, 프로그래밍 및 장애 해결도 간편하게 처리할 수 있습니다. 특히 Structured Text가 큰 도움이 됩니다.”

Beckhoff의 PC 기반 제어 기술의 우수한 개방성과 연결성을 통해 Centris가 OPC UA를 통해 개발한 SCADA와의 원활한 통신도 가능하다. 또한 TCP/IP를 통해 제어기와 태블릿 간의 통신을 구현하여 공장의 LAN에도 간편하게 통합이 가능하다. 또한 해당 기술의 AI-IT 융합을 통해 ERP의 지속적인 업그레이드 기능을 구현하여 이점을 얻을 수 있다.

공장 내 EtherCAT 통신 네트워크는 사진의 컴프레서를 포함해 다양한 디바이스를 연결할 수 있다. © Pierre Charbonneau, 2022

EtherCAT을 통해 유해 구역에서도 효율적인 네트워크 기능 제공

EtherCAT은 현장에서 지속적인 통신 기능을 구현한다. Beckhoff의 ELX 시리즈 EtherCAT 터미널은 표준 I/O를 통해 동일 구간 내에 설치가 가능하며, Zone 0 위험 구역을 통과하는 현장 디바이스와 직접 연결이 가능하다. 이러한 접근 전략을 통해 기존의 방폭 개념에 필요한 추가 방폭 외함 및 세이프티 차단벽을 설치하는 데에 소요되는 비용 및 노동력을 절감할 수 있다.

Marc-André Duguay는 다음과 같이 말을 덧붙인다. “EtherCAT은 구성도 매우 간편합니다. I/O를 연결하고 ‘Scan’을 클릭하면, TwinCAT이 모든 노드를 알아서 찾아 줍니다.” ELX 터미널 외에도, Centris는 Beckhoff의 다양한 IP20 등급 EtherCAT 터미널을 활용한다. 이는 통합 기능 세이프티를 제공하는 TwinSAFE 터미널을 포함한다. EK1100 EtherCAT 커플러를 통해 연결된 원격 세그먼트는 공압 밸브, 대형 컴프레서, 가변 주파수 드라이브 등 페인트 배합 및 기타 디바이스와의 통신이 가능하다. EtherCAT은 라인, 스타, 트리 등 다양한 형태의 토폴로지 구성을 무료로 지원한다. 소프트웨어 개발자의 말에 따르면 특히 고리형 토폴로지를 사용할 경우, 필요한 케이블 예비 여력을 확보할 수 있다.

추가적으로 개방형 이더넷 필드버스를 통해 다양한 벤더사의 아키텍쳐 간 통신도 간소화할 수 있다. Beckhoff는 이러한 목적을 위해 30종이 넘는 다양한 주요 통신 프로토콜을 지원하는 게이트웨이 및 버스 커플러를 제공한다. 예를 들어, Beckhoff CU2016 16포트 이더넷 스위치를 사용하면 EtherNet/IP를 통해 원료 측정용 저울을 간편하게 통합시킬 수 있다. 뿐만 아니라 TwinCAT은 BACnet을 통해 가스 감지 및 환기 시스템과의 통신도 지원한다. 또한, 건물 자동화 및 산업 자동화 시스템과의 간편한 통합을 통해 고객은 SCADA 상에서 모든 환기 정보를 조회할 수 있다. Marc-André Duguay는 다음과 같이 설명한다. “화학 약품의 연기는 일정 농도에 도달할 시 매우 위험해집니다. 공장에는 작업 인원을 보호하기 위한 경보 장치가 설치되어 있으나, 시각화를 통해 추가적으로 중요한 정보를 제공합니다.”

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ELX 블루터미널을 사용하면 유해 구역 내의 현장 디바이스와의 통신을 간소화할 수 있다. 이를 통해 특수 외함이나 세이프티 차단벽 설치에 들어가던 많은 비용도 크게 절감할 수 있게 되었다. © Pierre Charbonneau, 2022

자동화 및 IT 기술의 융합을 통해 놀라운 성과 달성

Pépin은 디지털 혁신을 통해 생산량을 150% 이상 확대하는 데 성공했다. Pépin 운영 담당 이사 Francis Pépin은 다음과 같이 설명한다. “새로운 시스템을 통해 생산량을 하루 8배치에서 12배치로 확대할 수 있었습니다. 심지어 어떤 날은 15 배치까지 가능한 경우도 있습니다. 평균 배치 크기 역시 180 갤론에서 300 갤론으로 커졌습니다”

산업용 페인트 생산 업체인 Pépin은 생산 일정의 최적화, 그리고 확보한 실용적 데이터 인사이트를 기반으로 공정을 분석하고 개선하는 능력을 활용해 투명성을 보다 개선하였으며, 정확도의 개선을 통해 생산 후 조정 작업 및 관련 자재의 낭비 역시 크게 줄일 수 있었다. Hélène Daigle은 다음과 같이 설명한다. “생산 공정에 대한 제어 기능이 향상됨에 따라, 재작업이 필요한 배치의 수를 한 달 2~3회에서 분기당 1회 수준으로 줄일 수 있었습니다. 배치에 필요한 대부분의 재료가 미리 칭량되어 있거나 자동화 시스템을 통해 주입되므로, 직원들이 창고에서 재료를 찾는 데에 필요한 시간을 줄일 수 있었습니다.”

Centris는 PC 기반 및 EtherCAT 기반의 자동화 기술을 통해 다양한 프로젝트에서 팀의 효율성을 지속적으로 향상시키고 있다. 아무리 복잡한 시스템이라도 Beckhoff 시스템을 도입한 후에는 커미셔닝에 소요되는 시간도 줄일 수 있었다. Centris 창립자인 Michel Kakos는 다음과 같이 설명한다. “Beckhoff를 주력 제어 플랫폼 파트너로 채택한 후로는 전혀 걱정해본 적이 없습니다. 첨단 자동화 기술의 선도 기업일 뿐만 아니라 항상 제품의 기술력을 더욱 향상시키는 업체이기 때문입니다.”

프로젝트 전문가(좌측부터): Francis Pépin, 운영담당 이사, Pépin Industries; Ted Sarazin, 지역 영업 관리자, Beckhoff Canada; Martin Legris, 프로젝트 관리자/개발자, Centris Technologies © Pierre Charbonneau, 2022

[원본] 월간컨트롤 23년도 6월호