독일 Bad Aibling에 있는 Lightweight Solutions GmbH가 제조한 경량 건축 재료 Lisocore는 기존의 목재 재료가 가지는 한계에서 벗어나, 가볍고 튼튼한 건축 자재가 필요한 선박이나 이동 주택 등 다양한 곳에서 매우 혁신적인 용도로 사용된다. Beckhoff는 PC 기반 제어, 특히 유압 서보 축의 완벽한 통합을 위한 TwinCAT Hydraulic Positioning을 사용하여 재료 생산에 필요한 새로운 기계 개발에 처음부터 참여했다.

고압 프레스의 Beckhoff 컨트롤러

Lightweight Solutions은 대학연구 경력이 있는 스타트 업 비즈니스로 설립됐다. 초기에는 혁신적인 경량 건축 자재 생산이라는 핵심 공정의 준비 상태를 테스트하고 짧은 기간 내에 시리즈 생산을 구현해야 했다. Beckhoff는 시제품을 제작하는 단계부터 함께 했다. Lightweight Solutions이 PC 기반 제어 기술을 선택한 결정적 요인은 가능한 한 신속하게 시제품 제작을 시작하고 소프트웨어 유연성을 극대화하려는 의도였다.
그 당시, PC 기반 제어는 별도의 하드웨어 없이 I/O 시스템과 밸브 제어 간에 직접 필드버스를 연결할 수 있는 점에서 큰 이점이 됐다. 또한 TwinCAT Hydraulic Positioning 라이브러리를 기반으로 TwinCAT 유압식 프레스에서 유압식 드라이브의 동기화 제어와 공급장치 제어도 쉽게 구현됐다. 처음 3차원 형태의 핵심 구조는 2006년 초 Lightweight Solutions가 만든 프레스로 제작됐고, 이 기계는 테스트와 샘플링을 위한 시제품을 제공했을 뿐만 아니라 수년 동안 시리즈 부품을 생산했다.

Lightweight Solutions의 전무이사인 Michael Schpers는 Lisocore 경량 건축 자재의 핵심구조를 유압 프레스로 들어가기 전에 검사한다.

TwinCAT 3 hydraulic positioning을 통한 높은 혁신 잠재력
오늘날, 대형 생산 홀에는 첫 번째 프레스보다 훨씬 큰 프레스가 4대 있다. 이는 EtherCAT으로 연결되어 있고 Beckhoff의 C6920 산업용 PC에 의해 제어된다. Lightweight Solution은 핵심 구조물이 조립되어 완제품을 만드는 생산라인의 최종 스테이션을 형성했다. 이때 TwinCAT Hydraulic Positioning 라이브러리는 TwinCAT 3에 속해 있으며, 테스트된 기능은 그대로 유지됐다.
새로운 기계 세대에서는 동작 신뢰도가 더욱 향상됐다. 2- 또는 4-펀치 프레스에서 밸브 고장이 감지되지 않거나 너무 늦게 감지될 경우, 강력한 실린더 드라이브가 기계를 손상시킬 위험이 있다. 초기 단계에서 발생하는 문제를 확인하기 위해, 유압 라이브러리는 밸브 작동을 모니터링하는데 사용되는 소프트웨어 기능을 제공한다. 밸브뿐만 아니라 인코더도 EtherCAT 인터페이스로부터 이로운 점을 얻는다는 사실이 입증됐다. 이러한 방식으로 추가 작업없이 현재 슬라이더 위치를 포함한 다양한 진단 데이터를 사용할 수 있다. 유압 라이브러리에서 계산된 모델과의 비교를 통해 밸브 동작을 분석할 수 있으므로 경고나 알람이 적절하게 발생할 수 있다. 그런 다음 파일럿 밸브 공급 장치의 오작동이나 공정과정 중에 쌓인 입자로 인해 발생하는 주요 스테이지 장애와 같은 문제를 사전에 인식하고 해결할 수 있다.

멀티레벨 프레스로부터 완성된 Lisocore 패널을 제거하는 과정의 가위형 리프팅 테이블

복잡한 생산 프로세스를 최대한 효율적으로 제어
고도로 자동화된 라인에서는 커버 레이어가 Lisocore 핵심 구조와 결합하여 샌드위치 요소를 형성한다. 이 과정은 언뜻 보이는 것보다 훨씬 더 까다롭다. 총 15,000 개의 마운팅 포인트를 가진 폼 잠금 연결이 20 초 내에 이루어지며 동적 포지셔닝이 필수적이다. 슬래브는 이러한 작업 중에 앞으로 계속 이동하기 때문에, 밀링 장치는 ‘flying saw’ 원리에 따라 각 행과 동기화되어야 하며, 가공 단계를 수행하고 가능한 빨리 복귀해 다음 행에 대비해야 한다. 공장의 이 부분에만 20 개 이상의 서보 축이 설치되어 있다.
보호층과 핵심 구조가 올바르게 결합되면, ‘샌드위치 재료’는 유압 동작식 가위형 리프팅 테이블로 이송된다. 이 테이블은 들어오는 제품을 멀티레벨 프레스로 전송하며, 각 요소는 경화 접착제를 사용해서 치수 정확도와 영구적 방법으로 결합된다.
이러한 가위형 리프팅 테이블의 단점은 진동하는 경향이 있다는 것이다. 심지어 최종 위치에서도 피하기 어렵다. 이로 인해 샌드위치 슬래브의 전달이 불필요하게 지연되어 대기시간이 늘어나므로 생산 처리량이 감소된다. 또한 접착제의 정의되지 않은 경화로 인해 치수 정확성에 부정적인 영향을 준다. 이 문제의 해결책으로, 유압 실린더의 챔버 압력에서 도출된 보정 값이 밸브 제어 신호와 오프셋 되는 상태 피드백이 구현됐다. 이러한 방식으로 생성된 전자적 감쇠는 목표 위치에서 빠른 안정화를 보장한다.

멀티 코어 프로세서가 장착된 C6650 제어 캐비닛 산업용 PC는 Lisocore 생산 공장 전체를 보다 높은 수준으로 제어하고 모니터링 하는 데 사용된다.

TwinCAT 3가 탑재된 멀티코어 산업용 PC가 전체 시스템을 제어한다
다음 제품이 4 가지 레벨 중 어떤 레벨로 전달되는지 결정하는 규칙이 없기 때문에, 가위형 리프팅 테이블과 멀티레벨 프레스 사이의 전송에는 강력한 통신이 필요하다. 또한 프레스의 스택형 설계로 인해 레벨의 위치가 계속 변경된다. 여기서 TwinCAT 3는  멀티코어 CPU (Intel Core i7, 4 코어)를 갖춘 C6650 제어 캐비닛 산업용 PC와 함께 강점을 보여준다. 이것은 컨베이어 벨트와 가공 구역 사이의 수많은 다른 동기식 전송 스테이션에서도 발견된다. 단일 PC 기반 플랫폼에서 전체 플랜트 소프트웨어를 구현하면 서로 다른 컨트롤러 유형 간에 데이터 및 신호를 교환하고 전송할 필요가 없다.
이 공장의 다양한 기술 조합은 더 이상 문제가 되지 않는다. 적응된 기술 소프트웨어 라이브러리를 갖춘 유압 축, 서보 드라이브를 위한 복잡한 모션제어 및 폐열 회수 모듈이 함께 원활하게 작동한다. Beckhoff의 시스템 엔지니어링 프로젝트 매니저인 Jens Hlsebusch에 따르면, 이를 위해 거의 900 개의 EtherCAT 슬레이브(IP 20 I/O 터미널, IP 67 I/O 모듈 및 AM8000 OCT 서보 모터가 있는 AX5000 서보 드라이브)는 두 개의 EtherCAT 마스터와 연결되어 있으며, 130개의 NC 축은 2ms 테스트 타임을 가진다.
“TwinCAT 3 및 멀티코어 지원이 없었다면 이러한 시스템을 실현할 수 없었을 것입니다”라고 Lightweight Solutions의 전무이사인 Michael Schapers는 강조한다. “4 개의 프로세서 코어를 사용하여 다양한 작업을 개별적으로 실행할 수 있었습니다. 또한 Beckhoff의 EtherCAT 기반 통합 기술 덕분에 공장 내 통신 경로에 대해 걱정할 필요가 없었습니다. 게다가 기계에서 얻은 공정 데이터를 공장으로 피드백할 수 있습니다. 이 특별한 기능은 새로운 공정과 제품을 보다 쉽게 개발할 수 있도록 도와줍니다. 기계를 유연하게 조작하고 제어기 데이터에 쉽게 액세스하는 것이 중요합니다. Beckhoff 시스템을 선호하는 또 다른 이유는 TwinCAT 3 Scope입니다. 이 소프트웨어 오실로스코프를 사용하여 프로세스 시퀀스를 상세히 분석할 수 있으며 새 프로세스에 필요한 모든 데이터를 검색할 수 있습니다. 무엇보다도 이것은 제품 및 프로세스 개발 측면에서 엄청난 속도의 이점을 제공합니다.”
전체 자동화 기술은 이미 지능형 솔루션을 통해 SAP에 연결되어 있다. “특수 기계 제조업체로서 우리는 인더스트리4.0의 개념을 활용하여 Beckhoff와 계속해서 프로젝트를 진행할 것입니다”라고 Michael Schpers는 말한다.