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[케이스스터디] Beckhoff-Pollmann, 중앙 집중형 건물 자동화·제조 자동화 통합 성공
전 과정 디지털트윈 가상 지원, 생산 시설 설계 및 자동화
선루프 작동 장치 및 전자/기계식 도어락 세계 1위 기업인 Pollmann이 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 3D로 실제 생산 과정을 모의 재현하고, 사전적으로 최적화 조치를 수행했다.

[인더스트리뉴스 최종윤 기자] Pollmann은 1888년 창업주 Franz Pollmann에 의해 오스트리아의 Karlstein 시에 설립됐다. 창립 당시의 사업 품목은 정밀 기계 장치를 제조하는 전문 가공업이었다. 이후 130년 이상의 기간 동안 Pollmann은 혁신적인 제품의 개발사이자 제조업체로 명성을 쌓아 왔다.

Beckhoff-Pollmann은 생산 기반 기획에서 건물도 하나의 기계로 간주했다. 모든 제조 공정, 그리고 일체의 에너지 및 재료 흐름은 물론 모든 생산성 관련 환경 조건을 기획 단계에서 고려했다. [사진=Pollmann]

지금은 Pollmann의 핵심 전문 분야는 자동차 산업을 대상으로 하는 고정밀 메카트로닉 부품 생산이다. 특히 선루프 작동 장치 및 전기/기계 도어락 하우징 분야에서 글로벌 선도업체로 인정받고 있다.

지속적으로 증가하는 수요에 대응하기 위해 Pollmann은 지난 2018년 Vitis 신규 공장 건립을 기획하고 착공을 시작했다. Pollmann의 Robert Pollmann 제4대 총괄 파트너는 “Pollmann 2.0은 4차 산업 혁명 시대를 맞아 기업 발전 전략의 일환으로 진행 중인 사업”이라며, “내부 로지스틱스의 효율성 극대화 및 건물 전체의 모듈형 확장성 확보가 필수적인 과제였다”고 말했다.

기계 및 산업 엔지니어링의 인텔리전트 네트워킹

기계 엔지니어링 분야에서는 3D 모델을 통한 설계 및 시뮬레이션이 이제 보편화돼 있다. 반면 건축 및 건물 자동화 분야에서는 여전히 소수의 선도업체들만 디지털 트윈을 신규 프로젝트의 기획 및 실행에 도입하고 있다. 선도업체로는 Peneder를 비롯해 Bau-Elemente, 그리고 Stiwa Group이 있다.

Stiwa AMS의 Thomas Führer 건물 자동화 사업 부문장은 “기계 제작 및 소프트웨어 기업인 Stiwa는 생산 환경 최적화 방법을 찾는데 익숙하다”면서, “스마트 산업 시설을 기획하기 위해서는 에너지 흐름 뿐만 아니라 기계 장치의 환경적 조건 등을 모두 감안해야 한다”고 말했다.

Pollmann은 고객의 오더에 의해 필요한 경우에만 생산 능력을 확장하는 업체다. 따라서 Vitis의 제2공장의 경우, 프로젝트 시작 단계에서부터 착공식 날로부터 10개월 이내에 완전 가동이 이루어져야 하는 상황이었다. 현장 관리자 Manfred Jäger는 “소형 부품의 경우 상당히 많은 기술 및 개발 업무가 요구된다”면서, “추가적으로 도어록 시스템의 하우징, 커버 등 물량이 많은 대형 부품 생산 능력을 확충할 필요도 있었다”고 밝혔다. 기본 요구 조건으로는 로지스틱스 관련 업무를 최소화하면서 생산 공정의 자동화뿐 아니라, 지속 가능한 에너지 및 기타 자원 이용, 인원과 물자의 흐름 체계화, 그리고 생산 시설의 유연한 확장성 등이 있었다.

Vitis의 확장 1단계는 생산 공간 9,400m²을 비롯해, 5,500개의 팔레트를 수용할 수 있는 하이-랙(high-rack) 창고 시설, 사무실, 기술 구역, 휴게 공간 등이 포함됐다. 한편, 공동 개발된 마스터플랜은 최대 5개의 생산 구역까지 공장 시설 확장을 매우 빠른 시간안에 그리고 매우 쉽게 실현할 수 있도록 설계됐다. 이러한 이유로 공급라인, 그리고 자재 및 인원의 흐름을 중앙을 가로지르는 로지스틱스 축에 집중시켰다. 향후 확장 시에도 중심 회랑을 연장도 고려했다.

사진1. 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 결과다. [사진=Kurt Hoerbst]

건물을 하나의 기계로 가정하고 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 설계해 비율, 자재, 조명, 형태, 색상을 미리 시험해 마치 사전에 기획된 생산 및 운영 절차와 마찬가지로 일관성을 갖추도록 했다.

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 전문업체인 Peneder는 기획에서부터 운영에 이르기까지, BIM을 전 단계에 걸쳐 활용했다. Beckhoff Austria Christian Pillwein 건물 자동화 산업 관리자는 “BIM을 통한 가상 기획은 건물의 시공에서부터 운영에 이르기까지 큰 이점이 많다”고 전했다.

생산과 로지스틱스, 건축 기술의 밀폐식 제어 루프만으로도 에너지 비용을 크게 절감했다. 예로 수요 기반 환기 시스템을 들었다. 생산 공정과 건물, 에너지 공급 시스템 간의 지능형 연계를 통해 현재 실제로 가동중인 장치를 기준으로 오직 필요한 양의 공기 만이 구역 내에 공급되도록 하는 원리다.

기계 장치는 원래 교체 시간 또는 유지보수 등이 걸려, 모든 설비가 한꺼번에 작동되는 경우는 드물다. 아무리 이상적으로 운영되는 업체라고 하더라도 설비 종합 효율(Overall Equipment Effectiveness, OEE)은 평균 75% 정도에 불과하다. Thomas Führer 부문장은 “이 25%의 차이로 인해 상당한 에너지 절감으로 이어질 수 있는 잠재력이 발생하는 것”이라며, “이는 수요 중심의 건물 자동화 제어에서 매우 유용하게 활용될 수 있다”고 밝혔다.

하드웨어의 경우, Pollmann의 전체 제어 프로세스는 Beckhoff의 장비를 기반으로 한다. 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 엑추에이터는 PC 기반 제어 기술 및 TwinCAT으로 통합했다. 과정에는 Beckhoff는 KNX, M-Bus, MP-Bus, Modbus TCP, RTU 등의 하부 시스템을 통해 제공한 700 개의 EtherCAT 및 버스터미널이 사용됐다.

Christian Pillwein은 “이번 프로젝트가 까다로웠던 이유 중의 하나는 필요 기반의 지능형 제어 개념을 통해 건물 자동화와 제조 자동화를 통합해야 했기 때문”이라고 강조했다. 다만 Pollmann은 두 분야 모두 Beckhoff의 PC 기반 제어 기술을 사용하고 있어 어려운 일은 아니었다.

사진왼쪽부터 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) [사진=Pollmann]

Thomas Führer 부문장은 “건물 서비스 설비를 감시 및 제어할 수 있을 뿐만 아니라, 운영 데이터를 실시간으로 기록할 수도 있다”고 말했다. 추가적으로 Rainer Hobiger는 “우리의 온라인 대시보드를 사용하면 어떤 설비가 작동 중인지, 그리고 작동 상태는 어떤지 한 번에 알 수 있다”면서 “수량도 추적이 가능하기 때문에 목표치 대비 실제 성능을 간단하게 비교 분석해 본 다음 바로 유지보수 인원을 파견할 수 있다”고 설명했다.

부하 연계 환기와 더불어, 에너지 지속 가능성을 확립하기 위한 다양한 조치도 함께 시행되고 있다. 건물을 남북 방향으로 배치해 태양광에 대한 노출, 그리고 그에 따른 냉방 에너지 수요를 최소화했다. 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. Manfred Jäger 공장 관리자는 “최종적으로는 다양한 기술에 사용되는 여러 개의 온도 회로를 병합해야 했다”면서, “Pollmann은 바로 이러한 이유로 이번 프로젝트를 위해 산업의 눈으로 프로젝트를 보는 건물 자동화 전문가”를 찾았다.

산업의 표준에 부합하는 건물

Thomas Führer는 “개인적으로, 하드웨어는 특정한 프로세스를 구축한다는 목적을 달성하기 위한 1차적인 수단이며, 소프트웨어와 결합해야 비로소 효과를 발휘할 수 있는 것이라고 생각한다”고 말했다. 가급적이면 하드웨어에 신경을 쓸 필요가 없는 구조를 선호했다. 하루 24시간, 고장 따위를 신경 쓸 필요 없이 안정적으로 작동하면 된다는 것.

Thomas Führer는 “Beckhoff는 흥미로운 기술 포트폴리오를 지니고 있는 업체로, 산업 표준을 바탕으로 종합적인 건물 자동화를 위한 완벽한 솔루션을 제공했다”면서, “제조사와 관련없이 모든 현장 구성요소를 해당되는 인터페이스나 버스 시스템을 통해 전체 솔루션에 통합했다”고 전했다. 이를 위해 400개 이상의 다양한 EtherCAT 터미널이 사용됐다.

[최종윤 기자 (news@industrynews.co.kr)]

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