[Beckhoff 어플리케이션] PC 기반 제어를 통한 중앙 집중형 건물 관리 및 생산 자동화

전 과정 가상 지원을 통한 생산 시설 설계 및 자동화

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Pollmann의 Vitis 공장은 Fraunhofer Austria 선정 오스트리아 최우수 공장으로 선정된 바 있다. 이는 고효율 에너지 시스템, 그리고 스마트하고 효율적인 생산 방식과 더불어 PC 기반 제어를 통한 자동화를 달성한 결과이다. © Pollmann

선루프 작동 장치 및 전자/기계식 도어락 세계 1위 기업인 Pollmann은 완벽한 디지털 모의 시설 재현으로 가상 현실 내에서 오스트리아 Vitis 소재 자사 최대 규모 생산 시설에 대한 설계를 진행했다. 프로젝트 설계 업체, 설치 업체, 그리고 건물 소유주는 Beckhoff의 PC 기반 제어 기술을 통해 상호 간의 긴밀한 협력과 함께 전망 수치를 적용하여 3D로 실제 생산 과정을 모의 재현하고, 사전적으로 최적화 조치를 수행함은 물론, 전 공정의 구현 과정에서 일관성을 유지할 수 있었다.

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Pollmann은 1888년 창업주 Franz Pollmann에 의해 오스트리아의 Karlstein 시에 설립되었다. 창립 당시의 사업 품목은 정밀 기계 장치를 제조하는 전문 가공업이었다고 한다. 이후 130년 이상의 기간 동안, Pollmann은 혁신적인 제품의 개발사이자 제조업체로서 엄청난 명성을 쌓아 왔다. 그러나 오늘날 Pollmann의 핵심 전문 분야는 자동차 산업을 대상으로 하는 고 정밀 메카트로닉 부품 생산이다. 특히 선루프 작동 장치 및 전기/기계 도어락 하우징 분야에서 글로벌 선도업체로 인정받고 있다. Pollmann International GmbH의 제4대 총괄 파트너(managing partner), Robert Pollmann은 다음과 같이 말한다. “이것이 바로 전 세계의 모든 자동차 브랜드가 자동차에 필요한 부품에 Pollmann의 조립제품을 사용하고 있는 이유입니다” 따라서, 지속적으로 증가하는 고객 서비스 수요에 대응하기 위해, Pollmann은 2018/2019 년에 Vitis 신규 공장 건립을 기획하고 착공을 시작하게 되었다. Robert Pollmann은 다음과 같이 설명한다. “Pollmann 2.0은 4차 산업 혁명 시대를 맞이하여 기업 발전 전략의 일환으로 진행 중인 사업입니다. 우리는 이번 사업에 참여하는 모든 당사자들을 대상으로, 모든 제조 과정에 최첨단 기술을 적용해야 한다는 사실을 명확히 밝혔습니다. Pollmann에 있어서, 내부 로지스틱스의 효율성 극대화 및 건물 전체의 모듈형 확장성 확보는 필수적인 과제였습니다” 당시 프로젝트 파트너사인 Peneder, Stiwa, 그리고 Beckhoff는 그만큼 까다로운 요구에 대응해야 했습니다.

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기계 및 산업 엔지니어링의 인텔리전트 네트워킹

기계 엔지니어링 분야에서는 3D 모델을 통한 설계 및 시뮬레이션이 이제 보편화되어 있다. 반면 건축 및 건물 자동화 분야에서는 오직 소수의 선도업체들만 디지털 트윈을 신규 프로젝트의 기획 및 실행에 도입하고 있는 실정이다. 이러한 선도업체로는 Peneder를 비롯해 Bau-Elemente Gmbh, 그리고 Stiwa Group을 예로 들 수 있다. Stiwa AMS GmbH의 건물 자동화 사업 부문장인 Thomas Führer는 다음과 같이 말한다. “기계 제작 및 소프트웨어 기업인 Stiwa는 생산 환경 최적화 방법을 모색하는 데에 익숙합니다” Führer 부문장은 기계 장치의 전반적인 효과에 있어 환경적 조건이 얼마나 큰 영향을 미치는지 너무도 잘 알고 있다. 기계 장치의 주변에 활용할 수 있는 공간이 얼마나 되는지, 생산 구역의 최적 조건은 무엇인지, 자재의 내부 흐름 및 작업 인원의 이동 경로는 어떠한 지 등이 중요한 환경 조건이다. Thomas Führer 부문장은 효율성을 높이기 위해 중요한 요인을 지적하며 이렇게 덧붙인다. “스마트 산업 시설을 기획하기 위해서는 에너지 흐름 뿐만 아니라 이러한 조건을 모두 감안하지 않으면 안 됩니다”

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Pollmann은 고객의 오더에 의해 필요한 경우에만 생산 능력을 확장하는 업체이다. 따라서 Vitis의 제2공장의 경우, 프로젝트 시작 단계에서부터 착공식 날로부터 10개월 이내에 완전 가동이 이루어져야 하는 상황이었기 때문에 매우 촉박한 일정이 요구되었다. 현장 관리자 Manfred Jäger는 다음과 같이 설명한다. “소형 부품의 경우, 상당히 많은 기술 및 개발 업무가 요구됩니다. 이러한 부품은 여전히 Karlstein에 소재한 본사에서 생산하고 있지만, 추가적으로 도어록 시스템의 하우징, 커버 등 물량이 많은 대형 부품 생산 능력을 확충할 필요도 있었습니다” 기본 요구 조건으로는 로지스틱스 관련 업무를 최소화하면서 생산 공정의 대부분을 자동화시키는 한 편, 지속 가능한 에너지 및 기타 자원 이용, 인원과 물자의 흐름 체계화, 그리고 생산 시설의 유연한 확장성 등이 있었다.

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Vitis의 확장 1단계는 생산 공간 9,400 m²을 비롯해, 현재 5,500개의 팔레트를 수용할 수 있는 하이-랙(high-rack) 창고 시설, 사무실, 기술 구역, 휴게 공간 등이 포함되었다. 한편, 공동 개발된 마스터 플랜은 최대 5개의 생산 구역까지 공장 시설 확장을 매우 빠른 시간 안에 그리고 매우 쉽게 실현할 수 있도록 설계되었다. 이러한 이유로 공급 라인, 그리고 자재 및 인원의 흐름을 중앙을 가로지르는 로지스틱스 축에 집중시켰다. 이러한 구성은 다음 단계로의 확장 시 중심 회랑을 연장하는 것 만으로 충분하다는 이점이 있다. 총괄 시공사의 선견지명에 감탄한 Robert Pollmann 대표는 다음과 같이 말했다.“ 건물을 남북 방향으로 배치하는 방안, 그리고 인프라를 중앙을 따라 배치하고 좌우로 수요 설비가 배치되도록 하는 구성은 우리도 미처 생각하지 못한 훌륭한 아이디어였습니다”

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생산 기반 기획에서는 건물도 하나의 기계로 간주된다. 모든 제조 공정, 그리고 일체의 에너지 및 재료 흐름은 물론 모든 생산성 관련 환경 조건을 기획 단계에서 이미 고려하고 있는 것이다. © Kurt Hoerbst

산업의 시각을 통한 건물 설계

생산 기반 기획은 에너지 및 자재 흐름, 그리고 생산성과 관련된 환경 조건과 더불어 제조 공정에 초점을 맞추고 있다. Thomas Führer 부문장은 Peneder와 Stiwa가 택한 전략은 건물을 하나의 기계로 생각하는 것이었다고 설명한다. 당시 이 업체들은 기계 엔지니어링 업계에서 일반적으로 사용하는 방법 및 소프트웨어 툴을 활용하고 있었다. 건물의 3D 모델링에 더해 디지털 트윈을 건물 정보 모델(Building Information Model, BIM)로 설계하여 비율, 자재, 조명, 형태, 색상을 미리 시험해 마치 사전에 기획된 생산 및 운영 절차와 마찬가지로 일관성을 갖추도록 하였다. BIM은 가상 기획 방법으로 건축, 로지스틱스, 건물, 전기 엔지니어링, 건물 자동화, 시설 관리 등 다양한 분야에 속한 각각의 하위 모델을 하나의 중앙 3D 모델로 조합하는 방식이다. 산업 및 상업 건축 전문 업체인 Peneder는 기획에서부터 운영에 이르기까지, BIM을 전 단계에 걸쳐 활용한다. Beckhoff Austria 건물 자동화 산업 관리자 Christian Pillwein은 다음과 같이 말한다. “BIM을 통한 가상 기획은 건물의 시공에서부터 운영에 이르기까지 다양한 이점이 있습니다”

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생산과 로지스틱스, 건축 기술의 밀폐식 제어 루프만으로도 에너지 비용을 크게 절감할 수 있다. Christian Pillwein은 그 예로 수요 기반 환기 시스템을 들고 있다. 생산 공정과 건물, 에너지 공급 시스템 간의 지능형 연계를 통해 현재 실제로 가동중인 장치를 기준으로 오직 필요한 양의 공기 만이 구역 내에 공급되도록 하는 원리이다. 기계 장치는 원래 교체 시간 또는 유지보수 등이 걸려, 모든 설비가 한꺼번에 작동되는 경우는 매우 드물다. 아무리 이상적으로 운영되는 업체라고 하더라도, 설비 종합 효율(Overall Equipment Effectiveness, OEE)은 평균 75% 정도에 불과하다. Thomas Führer 부문장은 다음과 같이 설명한다. “이 25%의 차이로 인해 상당한 에너지 절감으로 이어질 수 있는 잠재력이 발생하는 것입니다. 이는 수요 중심의 건물 자동화 제어에서 매우 유용하게 활용될 수 있습니다” 하드웨어의 경우, Pollmann의 전체 제어 프로세스는 Beckhoff의 장비를 기반으로 작동된다. C69xx 제어 캐비닛 산업용 PC를 제어실 서버로 사용하며, 동시에 HVAC 제어 센터, 환기 및 룸 오토메이션 시스템은 5대의 CX50xx 임베디드 PC를 통해 제어된다. 다양한 센서 및 엑추에이터가 PC 기반 제어 기술 및 TwinCAT으로 통합되었다. 이 과정에는 Beckhoff가 KNX, M-Bus, MP-Bus, Modbus TCP, RTU 등의 하부 시스템을 통해 제공한 700 개의 EtherCAT 및 버스터미널이 사용되었다.

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Christian Pillwein은 다음과 같이 강조한다. “이번 프로젝트가 까다로웠던 이유 중의 하나는 필요 기반의 지능형 제어 개념을 통해 건물 자동화와 제조 자동화를 통합하는 일이었습니다.” Pollmann의 경우는 두 분야 모두에서 Beckhoff의 PC 기반 제어 기술에 의존하고 있는 상황이었으므로, 이와 같은 방식으로 기술을 결합하는 것은 전혀 어려운 일이 아니었다. Thomas Führer 부문장은 다음과 같이 말한다. “건물 서비스 설비를 감시 및 제어할 수 있을 뿐만 아니라, 운영 데이터를 실시간으로 기록할 수도 있습니다” 이것은 Pollmann 신축 현장의 시설 관리 책임자, Rainer Hobiger에게 있어서는 매우 반가운 소식이다. Rainer Hobiger는 이렇게 말한다. “우리의 온라인 대시보드를 사용하면 어떤 설비가 작동 중인지, 그리고 작동 상태는 어떤지 한 번에 알 수 있습니다” 결국, 에너지의 사용량이 갑자기 증가한다면, 그 원인은 둘 중 하나이다. 생산 단위가 증가하거나, 설비의 마모/소모가 발생하고 있는 것이다. Rainer Hobiger는 다음과 같이 말한다. “수량도 추적이 가능하기 때문에 목표치 대비 실제 성능을 간단하게 비교 분석해 본 다음 바로 유지보수 인원을 파견할 수 있습니다”

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부하 연계 환기와 더불어, 에너지 지속 가능성을 확립하기 위한 다양한 조치가 함께 시행되고 있다. 건물을 남북 방향으로 배치해 태양광에 대한 노출, 그리고 그에 따른 냉방 에너지 수요를 최소화하였다. 사출 성형 시스템에서 발생하는 폐열은 시설 전반에 걸쳐 실내 온도 제어에 이용되고 있으며, 구동장치 냉각에서 발생하는 폐열은 직접 이용된다. 또한, 금형 냉각 과정에서 발생하는 폐열은 냉각기를 거쳐 간접적으로 이용되고 있다. 또한 냉각 장치(chiller) 자체는 물론 에어 컴프레서로부터도 폐열을 흡수하고 있다. 공장 관리자 Manfred Jäger는 다음과 같이 설명한다. “최종적으로는 다양한 기술에 사용되는 여러 개의 온도 회로를 병합해야 했습니다” 그에 따르면, Pollmann은 바로 이러한 이유로 이번 프로젝트를 위해 ‚산업의 눈으로 프로젝트를 보는 건물 자동화 전문가‘를 집중적으로 물색해 왔다고 한다.

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기계 엔지니어링과 산업 엔지니어링의 성공적인 통합 기념 촬영(좌측부터): Rainer Hobiger (Pollmann 시설 관리 부문장), Manfred Jäger (Pollmann Vitis 공장장), Robert Pollmann (Pollmann International 총괄 파트너), Thomas Führer (Stiwa 건물 자동화 부문장), Christian Pillwein (Beckhoff Austria 건물 자동화 산업 관리자), Harald Setka (Peneder 측 건축가). © Pollmann

산업의 표준에 부합하는 건물

Thomas Führer는 다음과 같이 말한다. “개인적으로, 하드웨어는 특정한 프로세스를 구축한다는 목적을 달성하기 위한 1차적인 수단에 해당되며, 소프트웨어와 결합해야 비로소 그 효과를 발휘할 수 있는 것이라고 생각합니다” 그는 가급적이면 하드웨어에 신경을 쓸 필요가 없는 구조를 지향하고 있다. 하루 24시간, 고장 따위를 신경 쓸 필요 없이 안정적으로 작동하면 되는 것이다. “Beckhoff는 흥미로운 기술 포트폴리오를 지니고 있는 업체로, 이러한 포트폴리오는 산업 표준을 바탕으로 종합적인 건물 자동화를 위한 완벽한 솔루션을 제공합니다. 이러한 방식으로 PC 기반 제어 기술을 통해 사용자가 원하는 방향으로 자유롭게 움직일 수 있는 것입니다” 가령, Stiwa의 경우를 살펴보면, 현재 Oracle 데이터베이스를 Beckhoff 산업용 PC에서 백그라운드로 실행하여 각종 분석 업무, 또는 복잡한 if-then 알고리즘을 구현하고 있다. Thomas Führer 또한 현장에서의 개방성을 적극적으로 지지하고 있는 사람 중 한 명이다. Führer는 다음과 같이 말한다. “제조사와 관련없이 모든 현장 구성 요소는 해당되는 인터페이스나 버스 시스템을 통해 전체 솔루션에 통합 가능합니다” 이를 위해 400개 이상의 다양한 EtherCAT 터미널이 사용되고 있다.

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Pollmann은 이번 신축 프로젝트 진행 전부터 이미 Beckhoff와 인연이 깊은 업체이다. Vitis 생산 본부장인 Manfred Jäger가 양사 간 처음으로 공동 작업을 했던 자동화 기술 프로젝트를 회상하며 다음과 같이 설명한다. “사실 저희는 옛날부터 함께 성장해 온 사이라고 할 수 있습니다. 당시만 하더라도 생산 현장에서 매우 구체적인 요구 사항을 제시하고 있었고, Beckhoff는 경쟁 업체 대비 훨씬 더 유연한 해결책을 제시해 왔었습니다” 바로 이러한 이유로 당시 PC 기반 제어로의 전환이 이루어졌다. 다시 현재로 돌아와 보면, Beckhoff는 더 이상 단순히 Pollmann의 각 설비의 속도를 맞추어 주는 역할만을 하는 것은 아니며, Vitis 제2공장의 중앙 건물 자동화 시스템도 총괄하고 있다.

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[원본] 월간컨트롤 23년도 12월호