[Beckhoff 어플리케이션] 리튬 이온 배터리 모듈의 정밀하고 효율적인 생산을 위한 자동화

 e-모빌리티용 레이저 용접 시스템의 PC 기반 제어 및 OPC UA 통신

Manz의 레이저 용접 시스템 BLS 500은 유연한 모듈식 설계를 통해 수동 공급 배터리 모듈을 비롯한 다양한 어플리케이션에 적용할 수 있다. © Beckhoff

급속하게 성장하는 e-모빌리티 시장에 부응하려면 리튬 이온 배터리 시스템의 생산에서 효율적인 제조 공정이 필요하다. Manz의 BLS 500 레이저 용접 시스템은 개별 배터리 셀을 정밀하게 접촉하여 배터리 모듈을 형성한다. Manz의 그래픽 프로그래밍 툴과 가상 시운전 툴은 물론, Beckhoff가 제공하는 고속 PC 기반 제어 기술과 이를 통해 달성할 수 있는 연속적인 OPC UA 통신을 통해 높은 효율성을 보장할 수 있다.

독일 Reutlingen 지역에 본사를 둔 Manz AG는 e-모빌리티, 배터리 생산, 전자, 에너지, 의료 기술을 위한 생산 솔루션에 주력하는 글로벌 하이테크 엔지니어링 회사이다. 실험실 생산 또는 파일럿 및 소규모 연속 생산을 위한 맞춤형 단일 기계부터 대량 생산을 위한 표준화된 모듈 및 시스템 또는 턴키 라인에 이르기까지 다양한 포트폴리오를 갖추고 있다. 따라서 리튬 이온 배터리 셀, 배터리 시스템, 커패시터 등의 생산 장비에서 볼 수 있듯이 사용되는 자동화 기술의 유연성과 성능에 대한 요구사항이 매우 높다.

C6030 초소형 산업용 PC는 BLS 500의 강력한 제어 코어 역할을 하고 아주 작은 설치 공간만 필요로 한다. © Beckhoff

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어플리케이션별 맞춤형 레이저 플랫폼

리튬 이온 배터리 제조에 사용되는 다양한 레이저 공정을 위한 유연한 플랫폼으로 설계된 새로운 배터리 레이저 시스템(BLS) 500이 대표적인 예이다. 표준화된 기계 베이스에서 시작하여, 공작물을 수동으로 로드하는 단일 시스템으로 개별 작동하거나 통합 생산 라인의 일부로서 작동하여 고정밀 레이저 용접은 물론 레이저 컷팅과 드릴링 또는 부분 재료 제거를 수행할 수 있다.

BLS 500 어플리케이션에서 원형 배터리 셀로 구성된 배터리 모듈을 실험실 시나리오에서는 수동으로 기계에 삽입하지만, 그렇지 않은 경우에는 자동화된 프로세스로 진행된다. 그런 다음 개별 셀을 레이저로 접촉 소자에 용접한다. 그래픽 프로그래밍 툴인 스마트 레이저 어시스턴트는 기본 배터리 모듈의 CAD 데이터를 사용해 관련 레시피, 즉 모든 용접 지점에 대한 최적의 경로 계산과 각 경우에 적합한 레이저 출력을 생성한다. Manz의 소프트웨어 코어 설계 및 제품 개발 책임자인 Stephan Lausterer는 다음과 같이 설명한다. "이 프로그래밍 툴을 사용하면 다양한 어플리케이션, 즉 다양한 셀 유형과 모듈 형식에 BLS 500을 훨씬 쉽게 적용할 수 있습니다" 그는 그 결과를 Manz의 가상 시운전 도구에서 편리하게 검토할 수 있다고 덧붙인다. "이 모델을 사용하면 기계가 실제로 기계적으로 조립되기 전에 제어 프로그램을 사전에 상세하고 실제적으로 테스트할 수 있기 때문에 시운전이 가속화되고 간소화됩니다. 또한 이미지 처리를 사용해 배터리 팩의 CAD 데이터를 실제 데이터와 비교하고 용접 공정 중에 오프셋 값을 고려함으로써 높은 정밀도를 달성할 수 있습니다. 이 모든 측면에서 편리하고 강력한 OPC UA 통합 기능을 갖춘 TwinCAT 제어 소프트웨어의 이점을 누리고 있습니다"

원형 배터리 셀로 구성된 리튬 이온 배터리 모듈 예시 © Beckhoff

EtherCAT과 BLS 500 레이저 용접 시스템용 OPC UA를 사용한 통신 토폴로지 © Beckhoff

PC 기반 제어 시스템의 장점

최근 몇 년간 고성능, 무엇보다도 유연한 제어 기술의 중요성이 크게 증가하면서 Manz와 Beckhoff는 10년 넘게 협업을 이어오고 있다. Stephan Lausterer가 이에 대해 다음과 같이 설명한다. "원래 Manz는 자체적으로 제어 기술을 개발했지만, 기계공학에서 전자공학의 중요성이 커지고 이 분야의 혁신 주기가 매우 빨라짐에 따라 자체적인 기술 개발이 점점 더 어려워졌습니다. 따라서 새로운 제어 공급업체로 적합한 전문 업체를 찾게 되었습니다. 벤치마크에서 PC 기반 제어는 PC 기반 개념과 유연하고 개방적이며 확장 가능한 시스템 아키텍처로 인해 최적의 솔루션임이 입증되었습니다. 또한 Beckhoff의 강점인 혁신은 당시에도 우리가 높게 평가한 부분입니다"

Beckhoff의 자동차 산업 매니저, Tilman Plaß는 자동화 관점에서 다음과 같이 덧붙였다. "Manz 시스템의 높은 요구사항은 PC 기반 제어를 통해 효과적으로 충족할 수 있습니다. 이러한 요구사항에는 Beckhoff의 제어 기술로 달성할 수 있는 짧은 사이클 시간과 어플리케이션 전반의 모든 프로세스를 포괄하는 로직이 포함되며, 특히 포맷 전환 시 속도를 촉진하는 측면이 있습니다. TwinCAT의 포괄적인 기능에 OPC UA 통신까지 더해지면 양쪽 모두에서 더 많은 이점을 얻을 수 있습니다. 예를 들어, TwinCAT 3의 초기 사용자인 Manz는 파트너십의 일환으로 중요한 사용자 피드백을 제공할 수 있었습니다"

BLS 500 컨트롤러의 하드웨어 코어는 C6030 초소형 산업용 PC로 구성되며, 이 제품의 주요 장점에 대해 Stephan Lausterer는 다음과 같이 설명한다. "C6030은 설치 공간이 제한된 어플리케이션에 이상적입니다. 또한 Intel® CoreTM i7 CPU가 탑재되어 기계 제어와 시각화에 충분한 컴퓨팅 성능을 제공합니다. 특히 Beckhoff는 적합한 프로세서 세대를 점진적으로 통합하고 있으며, C6032와 함께 포트폴리오에 더 많은 인터페이스를 갖춘 소형 디바이스 모델도 보유하고 있기 때문에 향후 요구사항에도 부합합니다" Stephan Lausterer는 이러한 다목적 산업용 PC는 또 다른 관점에서도 의미가 있다고 설명한다. "그 결과 구매와 보관이 크게 간소화되었습니다. 이는 하드웨어와 소프트웨어에 대한 전체 테스트 도구 체인에도 동일하게 적용되며, Manz는 이 점을 매우 중요하게 생각합니다. 따라서 모든 소프트웨어는 가상 기계와 실제 하드웨어 모두에서 테스트됩니다"

Stephan Lausterer는 일반적으로 TwinCAT 자동화 소프트웨어가Manz의 요구사항을 효과적으로 충족한다고 말했다. "무엇보다도 우리 소프트웨어 팀에는 고급 언어 프로그래머도 있기 때문에 Visual Studio에 TwinCAT을 통합하는 이점을 누릴 수 있습니다. 여기에 각 프로그래밍 언어의 편집기와 Safety Editor, TwinCAT Scope, TwinCAT HMI에 이르는 다양한 기능을 통해 전반적으로 유연성이 향상됩니다. 이러한 통합 수준은 TwinCAT만의 독보적인 장점입니다" 그는 또한 TwinCAT 3 NC PTP, NC I, 키네마틱 변환 블록을 사용해 C++로 매우 편리하게 모션 제어를 프로그래밍 및 시뮬레이션한 다음 TcCOM 모듈로서 리얼타임으로 실행할 수 있다고 덧붙였다. 또한 TcCOM 개념을 사용하면 프로그램 코드를 쉽게 재사용하고 지적 재산을 적절히 보호할 수 있다.

IP20 EtherCAT 터미널과 IP67 EtherCAT 박스 모듈(여기서는 BLS 500의 EP2338 및 EP5101)의 광범위한 I/O 스펙트럼은 Manz 시스템의 모듈화를 용이하게 한다. © Beckhoff

OPC UA를 통한 상위 레벨 통신

Manz는 기계 프로세스 자체, 즉 산업용 PC와 EtherCAT 터미널, 드라이브 간의 고속 EtherCAT 통신 외에도 BLS 500 전체에서 OPC UA를 통한 데이터 교환을 이용한다. 이는 HMI로 카메라 이미지 전송, 상위 시스템으로의 통합, 교차 제어 통신 등의 측면에서 TwinCAT 3 펑션 OPC UA(TF6100)를 통해 구현된다. 또한 가상 시운전 도구는 OPC UA를 통해 TwinCAT 컨트롤러와 데이터를 교환한다. 이와 관련하여 Tilman Plaß는 다음과 같이 이야기한다. "OPC UA 통신의 범위는 매우 인상적입니다. Manz는 표준화되고 안전하며 업체 독립적인 통신의 이점을 일찍이 인식하고, 고성능 TwinCAT OPC UA 서버와 클라이언트를 상당한 규모로 이용하고 있습니다" Stephan Lausterer도 이에 동의했다. "인더스트리 4.0 제품과 고객 어플리케이션 모두에서 거의 모든 외부 통신이 OPC UA를 통해 실행됩니다. 비 OPC-UA 지원 타사 구성요소에는 PC 기반 제어가 제공하는 높은 수준의 시스템 개방성을 보여주는 옵션인 TwinCAT 3 펑션 TCP/IP(TF6310) 또는 XML Server(TF6421)가 사용됩니다"

제조업체 독립성 외에 IT 보안도 중요한 요소였다. OPC UA는 해당 보안 메커니즘이 이미 통신 스택에 통합되어 있어 필요한 보안 기능이 처음부터 이미 제공된다는 분명한 이점을 제공한다. Stephan Lausterer에 따르면 이 주제는 앞으로 점점 더 중요해질 것이다. 또 다른 이점은 얼리어답터인 Beckhoff가 이미 초기 단계부터 제어 측에 OPC UA 클라이언트를 구현했다는 점이다. Tilman Plaß도 이에 동의하며 다음과 같이 이야기한다. "Beckhoff는 2014년에 이미 데이터 일관성 있고 안전하며 표준화된 통신을 위해 로직 기능과 OPC UA 서비스를 결합한 SOA PLC(SOA = 서비스 지향 아키텍처)를 통해 TwinCAT 3의 어플리케이션 시나리오를 제시한 바 있습니다"

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BLS 500 앞에 모인 프로젝트 참가자들(왼쪽부터 오른쪽): Beckhoff의 영업 및 시스템 컨설턴트 Oliver Heilig, Manz의 마케팅 및 기업 커뮤니케이션 담당 임원 Axel Bartmann, Manz의 소프트웨어 코어 설계 및 제품 개발 책임자 Stephan Lausterer, Beckhoff의 자동차 산업 매니저 Jörg Rottkord와 Tilman Plaß, Manz의 프로세스 개발자 Felix Röckel © Beckhoff

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[원본] 월간컨트롤 23년 7월호