인더스트리 4.0, 다양한 모션컨트롤 애플리케이션 지원 가능할 것

[인더스트리뉴스 박규찬 기자] 가장 일반적인 하이브리드의 형태는 전자 제어와 유압/공기역학의 결합을 통한 ‘전기 유압식’ 또는 ‘전공’ 솔루션 방식이다. 그러나 유체 동력 분야에서도 다양한 방식으로 하이브리드가 이뤄지고 있다. 예를 들어 최신 펌프 솔루션은 대부분 펌프, 모터, 드라이브, 소프트웨어로 구성돼 속도 제어가 가능한 유압 시스템의 형태로 고객에게 전달된다. 

이러한 드라이브 제어 펌프는 보통 고객의 요구 조건에 따라 정확하게 조정하며 이를 통해 다이캐스트, 프레스, 기계 공구 등과 같은 기능의 중앙 통제식 공급이 가능해진다. 또한 해당하는 소프트웨어 툴을 사용할 경우 다른 모터-펌프 콤비네이션 및 잠재적인 절약분의 직접 계산 값을 정속 제공 시스템과 비교해볼 수도 있다.

유압, 공기역학, 전기-기계 분야의 최신 모션컨트롤 기술은 다양한 산업 분야의 고급 모션 컨트롤 지원에 있어 필수적인 요소다. [사진=파카코리아]

인더스트리 4.0 디지털 제조와 관련된 또 다른 하이브리드 사례로는 인텔리전트 실린더를 들 수 있다. 높은 기술 수준의 피드백 센서를 유압 실린더에 통합할 경우 더 이상 보호 장치가 없이 복잡하게 연결된 외부 센서가 필요하지 않게 된다. 이러한 센서를 이용해 실적을 모니터링하고 시스템 운영에 지장이 발생하기 전에 실린더의 잠재적인 문제점을 진단할 수 있다. 

즉 인더스트리 4.0 설비의 일부로 예측 정비 전략을 실행할 수 있게 된다. 통합적인 요소로서 해당 센서는 진동, 먼지, 자갈, 부식성 물질, 화학 약품, 축방향 하중, 가로 하중, 담금에 노출된 애플리케이션에서 사용하기에 적합하다. 또한 작동하는 온도 폭이 넓고 전자 소음의 영향을 받지 않으며 정밀한 애플리케이션의 신호 강도를 강화한다. 

절대 위치
최신 센서는 로드의 시작 위치에 따른 상대적 위치가 아닌 절대 위치를 표시한다. 그러한 센서를 통해 추가 장치 없이도 이중 로드 실린더 애플리케이션 모니터링이 가능하다. 이동 유압식 차량 시장의 일반적인 애플리케이션으로는 오토레벨링, 부하관리, 스티어링 등이 있다.

물론 하이브리드 시스템의 일부로서 지능 개선을 위한 내장용 부품의 필요성은 사물통신 커뮤니케이션과 반응을 가능케 한다는 점에서 보편적인 사항이다. 하이브리드 트렌드의 일환으로 산업 통신 프로토콜 역시 믹스를 구성하는 중요한 요소다. PROFIBUS DP, DeviceNet, CANopen과 같은 전통적인 필드버스는 점점 모습을 감추고 있다. 그 원인으로는 이더넷 네트워크 및 프로토콜의 비용 하락을 들 수 있으며 개방적 커뮤니케이션 프로토콜과 같이 시장에서 대두되고 있는 기술의 발전 역시 그 원인이다.

최신 센서는 로드의 시작 위치에 따른 상대적 위치가 아닌 절대 위치를 표시한다. [사진=파카코리아]

커뮤니케이션 프로토콜
IO-Link 산업용 이더넷 네트워크의 발전은 산업 트렌드 중에서도 주목할 만한 사항이다. 자동화 장비 제조업체의 컨소시엄이 개발한 IO 링크는 국제 표준(IEC 61131-9)에 따라 센서와 작동기를 도입한 최초의 커뮤니케이션용 IO 기술이다. 즉 ERP 수준 이하에서 보편적으로 사용되는 모든 필드버스 시스템 및 자동화 시스템과 동일한 방식으로 장치를 통합할 수 있다.  이 공개 프로토콜을 통해 부품 수준까지 인더스트리 4.0을 구현할 수 있게 됐으며 이미 다양한 기술 및 제조업체를 둘러싼 상호 운용성 확보에 필수적이라는 점이 확인됐다.

유체 동력 애플리케이션 측면에서는 기존 밸브와 빠르게 통합할 수 있는 IO-Link 모듈의 효용이 증가하고 있다. 이더넷을 기반으로 하고 특정 프로토콜에 얽매이지 않으며 업체 중립적인 특성을 지니는 이러한 모듈은 현재 사용되고 있는 산업용 이더넷과의 플러그-앤-플레이 밸브 호환성을 지니고 있다. 즉 더욱 저렴한 비용으로 유사한 수준의 성능과 보다 간편해진 시스템의 장점을 누릴 수 있게 된다. 프로그래밍 없이도 네트워크 설정을 저장하거나 코드에 포함시킬 수 있으며 장치에 다운로드 할 수도 있다. 최종적으로 일관된 밸브 기술을 통해 지능을 추가하고 컨트롤을 분권화함으로써 사용자는 보다 비용 효율적이며 단순한 방식으로 개선된 사물통신 컨트롤을 이용할 수 있게 된다.  

고성능 애플리케이션
다양한 고성능 산업 애플리케이션에서 하이브리드는 유익한 영향을 미치고 있다. 예를 들어 전압 일치 컨버터가 장착된 PMAC(영구 자석 AC) 서보모터의 밀도와 속도 역량을 결합하는 단순한 하이브리드 구성으로 전기 슈퍼바이크에 필요한 속도와 회전력을 얻을 수 있다. 사실 그러한 모터는 약 175BHP 수준에서 개발되는 전자 슈퍼바이크에서 이미 사용되고 있다. 대기 상태에서 100mph로 가속하는데 6초가 걸리며 지원되는 최고 속도는 약 170mph 수준이다. 이러한 소형 모터는 세계 최상급의 중량비와 최고 효율 97%를 자랑한다.

다양한 고성능 산업 애플리케이션에서 하이브리드는 유익한 영향을 미치고 있다. [사진=파카코리아]

성능 수준을 현재 성취할 수 있는 수준으로 끌어올림으로써 하이브리드 모션 컨트롤 솔루션은 블러드하운드에 적합한 전기 유압 에어 프레이크에 사용되고 있다. 블러드하운드는 곧 세계 속도 기록 1,000mph 갱신을 시도할 것이다. 물론 1,000mph의 차량을 구축하는 것은 어려운 일이지만 정지시키는 것 역시 그만큼 어려운 일이다. 그러한 속도에서 휠 브레이크는 소용이 없어질 것이며 낙하산은 갈기갈기 찢어질 것이다. 대신 블러드하운드는 강력한 에어 브레이크를 활용하여 안전하게 정지할 수 있을 것이다.

6톤 차량이 매 초 60mph만큼 감속하기 위해서는 슬라이딩 안장을 전후로 주행하도록 하는 견인력 3.7톤의 작동장치를 차량의 격벽에 두 개 장치해야 한다. 안장과 에어 브레이크 도어 사이에 이중 결합 메커니즘이 작동된다. 두 개의 드라이브 바 중 하나는 예인력 5.3톤의 벨 크랭크를 작동시키며 다른 하나는 벨 크랭크로부터 도어 자체에 직접 작용한다.

시스템 계산에는 세심한 디자인 요소도 포함돼 있다. 에어 브레이크 도어에서 실린더에 가할 것으로 예상되는 부하는 특히 중요하다. 유압력의 상실 등 비상 상황 발생시 백업 축압기 내에 포함된 오일이 활성화된다. 이처럼 특정한 축압기 제조 시에는 일반적인 강철 대신 고강도 복합 재료를 활용하여 무게를 줄인다.

이처럼 블러드하운드 프로젝트는 다양한 기술의 결합을 매우 유용하게 활용한 좋은 사례다. 산업계가 인더스트리 4.0에 의한 디지털 시대로 발전함에 따라 하이브리드 제품 통합의 확대를 통해 보다 다양한 모션 컨트롤 애플리케이션 지원이 가능해질 것으로 전망된다.

[박규찬 기자 (news@industrynews.co.kr)]

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