MX-System: 컨트롤 캐비닛을 대체하는 플러그형 방식의 자동화 시스템, Beckhoff - Technical Report

모듈형 자동화 툴킷인 MX-System을 사용하여, Beckhoff는 종합 제품 포트폴리오를 패키지로 새 하우징 시스템에 통합했다. 새 하우징 시스템은 기존의 컨트롤 캐비닛을 완전히 대체할 수 있도록 설계됐다. 기술 선도 업체 Beckhoff는 MX-System을 통해 다시 한번 자동화 기술에서의 혁신을 일으키며 새로운 표준을 제시했다.

MX-System은 견고한 베이스 플레이트와 IPC, 버스 커플러, I/O, 모션, 릴레이, 시스템 기

술을 망라하는 플러그인 방식 기능 모듈을 통해 컨트롤 캐비닛이 필요 없는 고도로 유연한 IP67 보호 등급의 자동화 솔루션을 제공한다. © Beckhoff

초기 PLC(프로그래밍이 가능한 로직 제어기)는 기계 및 시스템의 입/출력 신호를 연결하는 데에만 초점을 맞추고 있었지만, 오늘날의 PC 기반 제어 기술은 현대식 제조 공정에서 구현되는 제반 자동화 기능을 망라한다. I/O, 드라이브 기술, 안전 기술, 데이터 입력, 상위 시스템 연결, 이미지 처리 작업 등 모든 것이 중앙 제어 장치에 의해 처리된다. 이러한 다양한 작업의 증가로 인해 전자 부품이 지속적으로 소형화되고 더욱 강력해지며, 안전 기능까지 통합되었지만 더욱 콤팩트한 컨트롤캐비닛을 구현하기 어려운 상황이다. 실제로 자동화 기계의 기능 추가로 인해 컨트롤 캐비닛 기능별 구성요소 수가 지속적으로 증가해 왔다.

전통적인 컨트롤 캐비닛은 일반적으로 다음과 같은 다양한 기능으로 구분할 수 있다.

•에너지 공급, 보호 및 분배

•보조 전압 생성 및 보호

•입/출력을 통한 시퀀스 제어

•모터 제어

•필드 디바이스 수준 연결

데이터 커넥터 또는 데이터 및 전력 커넥터를 지닌 다양한 베이스 플레이트를 사용하여 세부 어플리케이션에 맞춤화할 수 있다. © Beckhoff

과거 수십 년간의 컨트롤 캐비닛 기술을 비교해 보면 구성요소의 수와 크기와 상관없이 앞서 언급된 기능을 포함하며, 기본 구조에 변경 사항이 거의 없다는 점을 알 수 있다. 때문에 오늘날에도 여전히 수작업을 통해 구성요소를 배치하고 컨트롤 캐비닛의 개별 영역 내에, 개별 영역 간에 배선을 구축한다. Beckhoff는 모든 디바이스 또는 기능 유닛의 인터페이스를 통일한 후에 방대한 배선 작업을 줄이는 일이 가능하다는 것을 알고 있었다. 구체적인 목표는 디지털화, 자동화를 통해 컨트롤 캐비닛의 계획 및 생산을 보다 효율적으로 개선하고 전통적 컨트롤 캐비닛을 완전히 없애는 것이었다. 이러한 배경에서 표준화된 전기 및 기계 인터페이스를 갖춘 플러그인 방식의 모듈이 베이스 유닛을 통해 상호 연결되는 모듈형 툴킷, MX-System이 개발됐다.

EtherCAT - 범용 표준 시스템 인터페이스

EtherCAT은 MXSystem의 표준 인터페이스를 위한 기술적 토대를 제공한다. 즉석 데이터 처리라는 특수한 기능 원칙을 고려할 때 전 세계적으로 확립된 통신 표준, EtherCAT이 매우 이상적이다. EtherCAT은 다수의 I/O 모듈, 드라이브, 기타 구성요소를 거의 모든 토폴로지 및 시퀀스로 제어기에 연결할 수 있다. 기능 안전 또한 통합되어 있다. 100 ns 미만의 편차를 구현하는 EtherCAT 기술의 분산 클럭을 통해 시스템 내 모든 구성요소의 동기화가 매우 높은 정확도로 구현될 수 있다. EtherCAT의 광범위한 진단 기능은 모든 고장을 초기에 감지하고, 위치를 찾아 해결할 수 있기 때문에 안정적인 시스템 통신을 가능하게 한다.

EtherCAT이 데이터 전송 요건의 전체 범위를 망라하기 때문에 버스 시스템 하나로 내부 시스템 통신 뿐만 아니라 EtherCAT P를 통해 연결이 가능한 외부 확장도 충분히 가능하다. 이것이 바로 EtherCAT 기술의 One Cable Automation 확장이며, 하나의 케이블을 통한 데이터 및 전력 전송이 여기에 포함된다. MX-System에서는 EtherCAT 외 전력만 전송하면 된다. 즉, 내부 인터페이스의 수를 단 2개로 줄일 수 있다는 의미이다. 첫 번째 인터페이스에는 EtherCAT 프로토콜과 24 및 48 V DC의 매우 낮은 안전 전압이 포함된다. 이러한 전압과 신호의 복합 전송은 단일 데이터 커넥터 상에서 함께 이루어진다. 두 번째 인터페이스의 경우 최대 530 V AC의 주 전원 전압(3상, 플러스 중성선 및 PE)과 최대 전압이 848 V DC인 드라이브 시스템의 DC 링크 버스는 또 다른 커넥터의 출력이다.

MX-System 및 EtherCAT을 사용하면 전통적인 중앙 제어 접근 방식을 분산형 제어 플랫폼으로 대체할 수 있다. © Beckhoff

컨트롤 캐비닛을 대체하는 베이스플레이트

MX-System의 커넥터는 PCB 백 플레인과 함께 견고한 알루미늄 압출 프로파일 안에서 보호되며, 그 위에 기능 모듈이 연결되고 나사로 고정된다. 하우징과 전자 부품들로 구성된 이 유닛은 베이스 플레이트라고 하며, 기계식 하우징에 더해 백플레인(한쪽은 제어 전압 및 통신용, 다른 한쪽은 공급 전압용)을 포함한다. 백플레이트와 기능 모듈의 조합은 IP67 보호 등급으로 0 ~ +50 °C의 온도 범위 내에서 상시 냉각된다. 이 덕분에 추가 보호 하우징이 요구되지 않고 유닛을 기계 또는 시스템에 직접 장착할 수 있다. 따라서 수동으로 설치되는 중앙 컨트롤 캐비닛이 더 이상 필요하지 않다. 모듈을 베이스플레이트에 고정하기 위한 툴 단 하나로 전체 MX-System을 완성시킬 수 있다.

베이스 플레이트 전류 흐름의 용량(전력: 63 A, 기계 안전을 위한 초저전압: 30 A)은 자동화 분야의 요건 대부분을 충족시킬 수 있다. 베이스플레이트의 길이는 기본적으로 1 미터, 모듈 24개로 제한된다. 통합 하우스키핑 시스템은 온도, 습도와 베이스플레이트 내부 진동, 충격과 같은 환경 파라미터를 기록한다.

베이스 플레이트에는 다양한 버전이 있다. 주 전원 직접 연결을 위한 콤팩트한 컨트롤 캐비닛의 경우 기능 모듈용 데이터 커넥터의 높이가 110 mm인 1로우 베이스플레이트 구조로 설치할 수 있다. 이에 필요한 24 V 전원 공급 장치와 IPC는 기능 모듈 포트폴리오에 포함되어 있다. 2로우 베이스 플레이트는 데이터 커넥터와 기저 전력 커넥터 두 개 모두를 포함한다. 향후 베이스플레이트 변형은 해당 로우 내에서 복합 커넥터를 구현하고 3로우를 지니는 확장 스테이지를 제공할 예정인데, 이는 보다 강력한 드라이브 모듈에 요구되는 사양이다.

모든 컨트롤 캐비닛 기능을 구현하는 모듈

MX-System 베이스 플레이트는 컨트롤 캐비닛 구성요소 간의 배선을 대체하기 때문에 자동화 기술 분야에서 실질적인 혁신을 구현한다. 기능 모듈은 전통적인 컨트롤 캐비닛에 통상적으로 설치되는 구성요소의 필수 속성을 대신한다. 하지만 다수의 컨트롤 캐비닛 기능이 항상 단일 기능 모듈에 통합되기 때문에 일대일 대체는 아니다. 각 모듈은 이미 통합된 다양한 기능을 망라한다. 여기에는 인출선 및 연결부 수준의 보호 기능이 포함되는데, M8 및 M12 신호 커넥터나 Beckhoff ECP/ENP 시리즈 커넥터(출력 레벨이 높은 경우)를 통해 제공된다. 이외에도, 다수의 전력 모듈이 액추에이터와 관련된 센서를 위한 통합 입력을 제공한다. 이러한 여러 솔루션들은 주요 고객사들과 함께 여러 산업 분야에서 긴밀한 협업을 진행하며 개발될 수 있었다.

핫스왑(상시 장착)이 가능한 기능 모듈은 기계에 요구되는 제반 기능을 망라하며 IPC, 버스 커플러, I/O, 모션, 릴레이, 시스템 제품 분야로 세분화된다. 모듈은 Beckhoff의 광범위한 PC 및 EtherCAT 기반 제어 및 드라이브 기술을 바탕으로 한다. 이 포트폴리오는 비동기 모터 및 전기 히터와 같은 1상 또는 3상 AC 액추에이터의 직접 스위칭을 위한 기능까지 포함하도록 확장되었다. 모션 제품 분야는 주파수 변환기를 포함하도록 확장되었다. 또한 제어 기능에 요구되는 인프라를 제공하는 시스템 모듈도 새롭게 추가되었다. 24 및 48 V DC 전원 공급 장치, UPS 모듈 및 이더넷 스위치가 대표적인 예이다.

또한, 복합 설계가 적용되는 모듈도 개발되었다. 여기에는 주 전원 연결점, 주 전원 스위치, 주 전원 필터, 에너지 측정 기술, 잔류 전류 측정 기능 및 24 V DC 전원 공급 장치를 단일 하우징에 하나의 기능 패키지로 제공하는 급전 시스템(power infeed)이 포함된다. 또한, 보호 초저전압 및 저전압에 대해 라인을 보호하기 위한 디바이스가 포함된 EtherCAT P 출력부가 있다.

전통적인 컨트롤 캐비닛에 장착된 디바이스에 의한 기능 매핑이 필요한 경우, 베이스 플레이트 확장 기능 모듈을 사용하면 된다. 이 경우 베이스 플레이트 우측을 확장하여 IP20 디바이스를 위한 보호 설치 공간을 제공한다. 여기에서는 EtherCAT 연결부뿐만 아니라 데이터 커넥터 및 전력 커넥터에 대한 전압이 모두 제공된다. 다른 제반 기능 모듈과 마찬가지로 시스템 모듈은 EtherCAT 디바이스라는 사실이 특징이다. 이 덕분에 조절성이 뛰어나고, 기계 제어에서 실제 수치 평가 및 세부 진단을 직접 수행할 수 있다.

MX-System 및 EtherCAT을 사용하면 전통적인 중앙 제어 접근 방식을 분산형 제어 플랫폼으로 대체할 수 있다. © Beckhoff

기계 제조업체가 가질 수 있는 이점

기본적으로 모듈 방식인 MX-System은 기계 제조업체 입장에서 설계 단계에 필요한 구성요소 수를 대폭 줄여준다. 초기 경험에 따르면 일부 경우 회로도 및 관련 작업의 범위가 20%만큼 줄어든다. 이 같은 효과는 전반적인 비용 절감에도 나타날 것이다.

또한 어플리케이션에 맞게 공간 효율적인 방식으로 기계 및 시스템을 설계할 수 있다. 기계 제조업체가 콤팩트한 MX-System을 기계에 직접 장착할 수 있기 때문에, 자체 케이블 루트를 지닌 별도의 컨트롤 캐비닛에 대한 필요성이 해소된다. 따라서 특히 사전 조립 케이블과 시너지 효과를 발휘하여 전체적인 설치 작업량을 줄여준다. 이에 더해, 설치가 플러그인 방식이어서 전기 기술자 뿐만 아니라 기계공도 설치 작업을 수행할 수 있다. 또한 MX-System의 경우 모듈 형태로 기계 전체에 걸쳐 배치할 수 있기 때문에, 지금은 필수적인 전제 조건인 기계의 모듈성을 일관적이고 최적화된 방식으로 지원한다.

기계 제작 측면에서 인증은 또 다른 중요한 요소이다. MX-System은 컨트롤 캐비닛의 대체품으로 컨트롤 캐비닛 관련 표준에 부합하며 전통적인 캐비닛과 달리 이미 IEC, UL, CSA에 대한 적합성을 확보하고 있기 때문에 전 세계적인 표준화 솔루션으로 채택되고 있다. 따라서 기계 제조업체는 문제없이 적용할 수 있으며 납품을 위해 기계를 조립할 때 기계를 사용하는 국가 또한 고려할 필요가 없다.

컨트롤 캐비닛 구조 측면에서의 이점

컨트롤 캐비닛 및 패널 제조업체는 복잡한 개별 배선이 필요 없는 간단한 플러그인 방식 솔루션으로부터 큰 이점을 얻을 수 있다. 예를 들어, 24시간이 소요됐던 컨트롤 캐비닛 조립 공정을 대략 1시간 정도로 단축 가능하다. 이외에도, 특히 정교한 컨트롤 캐비닛의 경우 배선 오류 위험이 대폭 줄어든다. 이전에는 컨트롤 캐비닛 제조업체의 작업자가 수작업으로 수행해야 했던 개별 생산 공정이 사전 제작 기능 모듈로 전환되었다.

컨트롤 캐비닛 구조 측면에서도 물류 상의 이점도 있다. MX-System을 적용할 경우 필요 부품 수가 전통적인 컨트롤 캐비닛 대비 90% 정도가 감소된다. 게다가 설치가 간편하고 외부 컨트롤 캐비닛 제작이 필요 없기 때문에 많은 기계 제조업체가 물류 프로세스를 간소화할 수 있다.

필요할 경우 MX-System을 EtherCAT, EtherCAT P 표준으로 연결된 컨트롤 캐비닛 및 Beckhoff의 기타 IP67 제품과 조합하여 사용할 수 있다. Beckhoff

엔드 유저가 가질 수 있는 이점

전통적인 컨트롤 캐비닛에 대비 돋보이는 진단 측면에서의 주요한 이점 중 하나는 MX-System이 네트워크화 구성요소만 사용한다는 점이다. 이는 예를 들어 각각의 개별 회로 차단기, 전원 공급 장치, 주 전원 스위치 모듈의 상태를 일반적인 EtherCAT 네트워크 디바이스처럼 어느 때라도 확인할 수 있다는 의미이다. 새로운 Beckhoff Device Diagnostics의 일부인 EtherCAT의 광범위한 진단 옵션은 각 모듈별로 고유한 일련번호에 의해 식별된다. 이는 모듈의 전면부에 데이터 매트릭스 코드로 표시되며 스마트폰 앱을 사용하여 스캔 가능하다. 스마트폰은 무선 기술에 의해 제어기에 연결되며 모듈 상태 또는 오류 메모리와 같은 해당 진단 데이터를 표시한다. 이와 같은 방식으로 스마트폰이 전통적인 측정 디바이스를 대체하는 수준을 넘어 “범용 디지털 전압계 및 스코프” 역할까지 수행한다. 유지보수 또는 정비 기술자 입장에서도 하드웨어를 측정하지 않아도 기능 또는 어셈블리의 상태에 관한 정밀 데이터를 얻을 수 있다는 이점이 있다. 이러한 점은 플랜트 운영에 전반적으로 긍정적인 효과를 가져다 준다.

유지보수 및 정비의 간소화는 기계 및 시스템 조작자에게 여러 이점을 제공할 수 있다. 유지보수 엔지니어가 디바이스 진단 기능의 도움을 받아 오류 위치(케이블, 모듈 등)를 식별할 수 있기 때문에 수리에 소요되는 시간이 대폭 줄어든다. 모듈이 플러그인 방식이기 때문에 필요할 경우 모듈을 보다 손쉽게 교체할 수 있다. 또한 핫스왑 기능 덕분에 작동 중에도 교체가 가능하다. 기능 모듈에 있는 개별 기능이 캡슐화되기 때문에 몇몇 예비 부품만 재고로 확보하면 된다는 추가적인 이점이 있다. 시스템의 전체적인 EtherCAT 네트워킹은 현대식 예측 정비 관리라는 요건이 온전히 충족되도록 보장한다. 전반적으로 MX-System은 개별적인 이점이 기계 제조업체 및 기계 운영자의 요구를 반영하는 것이고 따라서 컨트롤 캐비닛이 없는 미래를 위한 기반을 마련하고 있다고 볼 수 있다.

Daniel Siegenbrink, MX-System 제품 관리자, Beckhoff Automation

링크:

www.beckhoff.com/mx-system

연락처:

Beckhoff Automation Co., Ltd.

www.beckhoff.com/kr

info-kr@beckhoff.com