독일 발켄리트/주다르츠의 쌩-고뱅 포뮬라 제조 생산 공장 주요부품들에 대한 점진적인 개조 작업이 추진되고 있다. 이 프로젝트의 일환으로 제 1유닛의 전기 시스템에 대한 전면적인 현대화 작업이 이루어졌다

기계와 공장의 수익성은 가용성이 높을수록 증대된다. 이 원칙은 석고 제품 제조에도 적용되며, 독일 발켄리트/주다르츠의 쌩-고뱅 포뮬라 제조 생산 공장 주요부품들에 대한 점진적인 개조 작업이 추진되는 이유이기도 하다. 이 프로젝트의 일환으로 제 1유닛의 전기 시스템에 대한 전면적인 현대화 작업이 이루어졌다. 엔지니어링 프로세스의 모든 측면이 시스템 통합과 투자 보호에 초점이 맞추어져 있다.

“고객의 석고 품질에 대한 기대 수준이 매우 높기 때문에 저희 회사는 천연 석고만 사용하고 있습니다.” 독일 노르트하우센 인근 니더작센에 위치한 발켄리트 쌩-고뱅 포뮬라 제조회사의 올라프 로츠 프로그래밍 팀장의 설명이다. 125년 이상의 전통을 자랑하는 이 회사는 전 세계 고객을 상대로 하는 석고 제품 생산 납품 전문 업체이다. 이 회사의 석고 제품의 응용 범위는 의학/치의학, 건설, 세라믹, 예술, 장식, 음식, 환경, 심지어는 특수 엔지니어링 분야에 이르기까지 다양한 산업 및 분야를 넘나든다.

이 회사는 알파 혹은 베타형 석고 반죽 처리를 위한 다양한 생산 유닛을 운영하고 있다. 생산 현장의 기계 장비들은 점진적으로 최신 기술로 업그레이드가 이루어지고 있다. 가령 1989년 제작된 베타형 석고용 MPS 롤러 제분기를 그 예로 들 수 있는데, 이 장비는 암석 형태의 석고를 고운 입자 형태로 갈기 위해 사용된다. 생산 용량 이외에도 가용성은 성공적인 공장 운영에 있어 중요한 요소이다. 이러한 이유로 미래의 가용성 보장을 위해 일련의 업그레이드 작업이 추진되었다.

“목표 달성을 위해 MPS 롤러 제분기 전기 시스템에 대한 완전한 업그레이드를 추진하기로 결정했습니다.” 올라프 로츠 팀장은 말한다. 풍부한 업무 경험을 지닌 로츠 팀장이 특히 중요하게 생각하는 부분은 시스템 통합성, 미래 불확실성에 대한 대비, 취급의 단순성, 그리고 마지막으로 수익성이다. 이러한 관점에서 그는 과거 몇 년 동안 지멘스가 적극적으로 홍보해 왔던 통합자동화(TIA)가 이 네 가지 요건을 모두 충족시키는 최적의 솔루션이라고 믿는다. 운영자 제어, 모니터링 장비, 제어 시스템, 산업 제어 솔루션을 선택하는데 있어 로츠 팀장이 상호 조율성이 뛰어난 지멘스 사 제품을 선택한 이유이다.

이 업체에서는 32A 등급 이하 중형 모터의 경우 이십여 기 이상의 Sirius 3RA6 초소형 스타터로 운영하고 있다. 프로세스 관리 단에서 이 장치들이 지닌 잠재력을 최대한 활용하기 위해 발켄리트 쌩-고뱅 포뮬라 제조회사는 IO-Link에 기반한 통신 시스템을 활용하기로 결정했다.

IO-Link 통신을 활용한 초소형 스타터

실 예로, 이 업체에서는 32A 등급 이하 중형 모터의 경우 이십여 기 이상의 Sirius 3RA6 초소형 스타터로 운영하고 있다. 업체 측이 이들 장치를 선택한 데에는 다양한 이유가 있다. 우선, 회로차단기, 접촉기, 전자식 과부하 릴레이 기능을 하나로 결합한 간편성을 들 수 있다.

또 다른 이유는 전류 설정 범위가 0.1A에서 32A에 이를 정도로 광범위하기 때문에 직입 스타터와 정역 스타터 기능이 각 케이스 별 다섯 가지의 장치 종류만으로도 실현될 수 있다는 점을 꼽을 수 있다. 로츠 팀장의 경험에 따르면 Sirius 3RA6 초소형 스타터는 설계, 재고 보관, 유지보수 측면에서 이상적인 솔루션이다.

프로세스 관리 단에서 이 장치들이 지닌 잠재력을 최대한 활용하기 위해 로츠 팀장은 IO-Link에 기반한 통신 시스템을 활용하기로 결정했다. 그 이유는 센서와 교환기 간의 빠르고 지능적인 통신을 위해 특별히 개발된 이 시스템을 통해 하부의 계기 단까지 원활한 통신이 이루어질 수 있기 때문이다. 배선 작업의 단순성, 오류 진단의 신속성과 포괄성, 엔지니어링의 효율성은 로츠 팀장으로 하여금 이 시스템이 최고의 선택이었음을 확신하게 만드는 기본적인 논거들이다.

풍부한 업무 경험을 지닌 로츠 팀장이 특히 중요하게 생각하는 부분은 시스템 통합성, 미래 불확실성에 대한 대비, 취급의 단순성, 그리고 마지막으로 수익성이다. 이러한 관점에서 지멘스의 통합자동화(TIA)가 이 네 가지 요건을 모두 충족시키는 최적의 솔루션이라고 믿는다.

현장에서 프로세스 관리 단에 이르는 진단 정보

배선 비용만 감안하더라도 상당히 비용 절감 효과가 날 수 있는데 그 이유는 네 개의 채널을 가진 단일의 IO-Link 마스터를 통해 각 채널 별로 초소형 스타터를 네 개의 기기까지 제어할 수 있으며, 총 16기의 스타터 제어가 가능하기 때문이다. 다시 말하자면, 3RA64, 3RA65 스타터 네 기로 이루어진 첫 번째 그룹은 배선으로 연결되며, 나머지 스타터의 경우 전면부 패널의 연결부를 통해 상호 연결된다. “연결 작업은 신속하게 진행되었으며 제어 캐비닛 배선 작업은 명확하고 조직적으로 이루어졌습니다.” 로츠 팀장의 말이다.

이 통신 시스템을 가장 매력적인 선택으로 만드는 가장 결정적인 기준은 탁월한 제어 기능이다. 공장 구역 변경 수행에 있어 제어 캐비닛 상의 무수히 많은 로터리 스위치를 활용하는 대신 중앙 집중 방식이 가능해졌다.

이와 더불어 IO-Link 마스터는 스타터로부터 교환 상태, 단락이나 과부하로 인한 차단 발생, 주요 접점 부분의 교체 시기 신호를 포함한 주요 진단 정보를 수신한다.

“시스템이 제공하는 진단 정보는 단순한 이진법적 제어 시스템에 의해 제공되는 데이터에 비해 훨씬 상세합니다.” 로츠 팀장의 의견이다.

“진단 정보를 일상 점검 때 제어 캐비닛에서 조회할 수 있을 뿐 아니라 해당 유닛의 운영자 패널에서 동시에 조회가 가능하다는 점도 저희에게는 대단한 장점입니다.”

다시 말해 센서-구동기 단에 이르는 원격 진단도 가능하다는 의미이다.

쿠쥐텟 MPS 롤러 제분기 리트로핏 프로젝트는 동일한 제어 하드웨어를 사용한 표준 자동화와 안전 엔지니어링을 기반으로 추진됐다. 표준 자동화와 안전 관련 신호 모듈의 혼용된 운영에 있어 다섯 기의 분산 I/O 스테이션이 공장 전체에 설치되어 있으며, Profinet 및 Profisafe 프로토콜을 통해 공장 제어 시스템에 연결되어 있다.

IO-Link 마스터를 장착한 분산 I/O

분산 Simatic ET 200SP I/O 스테이션에 대한 보조 모듈로서 IO-Link 마스터 3개가 플랜트에 설치되어 있다. 이 3개의 마스터는 분산 I/O의 IM155-6PN HF 인터페이스 모듈에 직접 연결되어 있다. 이 모듈은 플랜트 제어 시스템인 Siemens Simatic S7-1500F와의 통신을 위해 Profinet을 활용한다. 게다가 ET 200SP 스테이션에 장착된 에너지 미터 모듈은 플랜트 내부의 전기 데이터(전류와 전압)를 기록할 수 있다. 로츠 팀장에게 있어 이러한 설계 구조는 단순하고도 매우 조직적이면서도 실용적이다. 동일한 상황이 파라미터 설정과 진단에도 적용된다. 공장 전기 기술자들은 제어 환경에 개입하지 않고서도 지멘스가 제공하는 S7 PCT 소프트웨어(포트 구성 툴)를 활용해 IO-Link 단을 거쳐 직접 개폐기를 동작할 수 있다.

이 소프트웨어는 지멘스 IO-Link 마스터 모듈과 IO-Link 장치에 대한 파라미터 설정을 목적으로 사용되며, Step7, V5.4 SP5이상 상위 버전과 통합이 가능하나 별도의 장착이 가능한 독립형 버전으로도 활용이 가능하다.

공장 전기 기술자들은 또한 휴대용 단말기를 활용해 Profinet 혹은 산업용 이더넷을 통해 네트워크에 접속해 정비 업무를 수행할 수 있다.

또 하나 중요한 사항은 타 제조업체가 제공하는 인증된 장치의 경우 일반 스테이션 설명(GSD) 파일을 활용하면 시스템과의 빠른 통합이 가능하다.

통합자동화 (TIA)로 업무가 한결 간편해지다

앞에서 살펴본 것처럼, 로츠 팀장의 1차적인 목표는 현장과 제어 단, 엔지니어링에 이르기까지 완벽히 통합된 시스템을 찾는 것이었다.

이 목적을 달성하기 위해 Simatic S7-1500 F 고장안전 컨트롤러가 처음 이 업체에서 사용하게 되었는데, 그 이유는 이 시스템은 표준 기능과 안전 관련 제어 기능 수행이 가능하기 때문이다.

이 시스템은 기존의 지멘스 컨트롤러와 비교해 보았을 때도 훨씬 더 강력한 제품이다. 이 솔루션과 관련해 흥미 있는 점 하나는 고장안전 F 섹션은 고객의 필요에 따라 활성화가 가능하다는 것이다. 또한 고장안전 CPU는 표준 컨트롤러에 비해 약간 더 비용이 높긴 하지만 30% 가량 더 큰 메모리 용량을 제공한다. 상황에 따라서 보다 큰 규모의 표준 제어 시스템이 아닌 소규모의 고장안전 컨트롤러를 선택하는 것이 더 가치 있는 선택이 될 수 있다.

표준 자동화 및 안전 엔지니어링을 표준화된 하드웨어 플랫폼 상에서 구현함으로써 시스템 구성, 프로그래밍, 운영이 훨씬 용이할 수 있다. 그 이유는 지멘스 ‘TIA Portal’ 엔지니어링 프레임워크 내에서 이 두 요소의 구현이 용이하기 때문이다. 이는 로츠 팀장이 확인한 사실이기도 하다.

“이 시스템의 경우 안전 기능에 대한 프로그래밍이 타 업체 솔루션과 비교했을 때 훨씬 쉽습니다.” 그는 이제까지의 충분한 경험으로 미루어 알고 있다고 말했다.

로츠 팀장은 취급이 간편한 이유를 다음과 같이 설명했다. “표준 프로그래밍과 안전 엔지니어링의 UI가 동일합니다.”

로츠 팀장에게 있어 이 공유 플랫폼 방식이 가지는 특장점은 데이터 관리 방식에 있는데, 그 이유는 표준 자동화와 안전 엔지니어링 양 쪽 영역 모두 동일한 데이터에 접근하기 때문이다. 양쪽 영역의 데이터는 데이터 블록을 통해 교환되며 표준 자동화와 안전 엔지니어링 기능은 (하드웨어와 마찬가지로) 색상을 통해 UI상에서 구분된다. 모든 고장안전 모듈, 파라미터, 입출력은 소프트웨어 상에 노란색으로 표시된다.

안전 엔지니어링의 복잡성에 대한 고찰

쿠쥐텟 MPS 롤러 제분기 리트로핏 프로젝트는 이러한 설계 방식, 즉 동일한 제어 하드웨어를 사용한 표준 자동화와 안전 엔지니어링을 기반으로 추진됐다.

표준 자동화와 안전 관련 신호 모듈의 혼용된 운영에 있어 다섯 기의 분산 I/O 스테이션이 공장 전체에 설치되어 있으며 Profinet 및 Profisafe 프로토콜을 통해 공장 제어 시스템에 연결되어 있다. 이 장치들은 구 버전에 비해 50% 더 크기가 작으며, 그 이유는 장착된 입출력의 수가 기존에 비해 두 배 더 많기 때문이기도 하다. 신 버전의 경우 안전 엔지니어링을 위한 별도의 파워 모듈이나 고기능 헤드를 필요로 하지 않는다. 네트워크 연결도 표준 버전에 비해 독특한 방식으로 이루어진다. 커넥터 대신 어댑터를 활용해 RJ45, 광섬유, Fast-Connect 커넥터를 나사로 조여 연결한다.

로츠 팀장은 반색을 표한다. “먼지가 많이 날아와 접촉면에 쌓이는 열악한 작업 환경 특성을 감안할 때 나사 조임 방식의 Fast-Connect 솔루션은 안성맞춤입니다.”

표준 센서와 고장 안전 센서는 push-in 방식의 단자로 연결되며, 전체적인 연결 프로세스를 쉽고 빠르게 만들어준다. 안전 엔지니어링 애플리케이션을 위한 수많은 센서들은 연결하기가 비교적 용이하기 때문에 이들이 제공하는 유용한 제어 기능들을 온전히 활용할 수 있다.

비상 정지 기능을 한번 예를 들어보자. 기존의 엔지니어링 방식으로 구현된 시스템의 경우 NC 접점이 직렬로 연결된다. 비상 정지 버튼을 누르게 되면 일련의 안전 관련 조치들이 순서대로 가동되며 해당 장비는 안전 릴레이를 통해 셧다운된다. 4층 높이의 거대한 장치에 발생한 오류의 발생 지점을 정확히 짚어내기 위해서는 많은 시간이 소모된다.

쿠쥐텟의 시스템은 이와는 전혀 다르다. 비상 정지 버튼의 NC 접점은 ET 200SP의 고장안전 입력으로 개별적으로 라우팅되어 있다. 어떤 조치를 취해야 할지 Profisafe를 통해 제어 시스템에 바로 통보된다. 안전 출력을 통해 관련 드라이브를 셧다운시키고 관련 정보를 사용자에게 보여준다. “문제해결 과정은 항상 시간이 많이 걸립니다. 하지만 이 시스템을 사용하면 즉시 해결할 수 있기 때문에 공장 운영 중단을 최소화 할 수 있습니다.”

제분기의 로터리 테이블에 위치한 밸브에 코딩된 RFID 스위치를 사용하는 것 역시 안전 엔지니어링이 어떻게 간소화되었는지 보여주는 또 하나의 사례이다.

시간 측정이 된 내재적인 안정성을 갖춘 OSSD 출력이 분산 I/O에서 고장안전 입력으로 판독된다. 이 경우에도 제어 시스템은 밸브 잠금 상태를 유지하거나 유지보수 목적으로 밸브를 열기 위해 필요한 모든 상태 정보를 수신한다. 고장 발생 시 고장안전 출력을 통해 모든 초소형 스타터를 비 활성화시키는데 활용되는 두 기의 대형 지멘스 Sirius 3RT 수신 공급 접촉기는 Profisafe와 분산 I/O를 통해 안전 개념과 쉽게 통합된다.

고가용성을 보장하는 수단으로서의 시스템 통합

쌩-고뱅 포뮬라의 베타형 석고 MPS 롤러 제분기 리트로핏 프로젝트는 통합 시스템 솔루션을 통해 누릴 수 있는 이점을 잘 보여주는 사례이다.

제어시스템으로부터 현장에 이르기까지 통합된 개념을 활용한다면 엔지니어링 프로세스가 상당 부분 간소화됨은 물론이고 프로그래밍과 작동의 편리성이 증대된다.

심지어 표준 자동화 및 안전 엔지니어링 모듈의 혼합 운영도 한결 수월해진다. Profinet과 IO-Link의 결합을 통해 공장의 원활한 운영을 보장하는 통신 플랫폼을 생성할 수 있다.

또한 모든 공장 운영 관계자들이 통합된 시스템의 혜택을 누리게 되는데, 그 이유는 현장 발생 상황이 즉시 Simatic WinCC에 의해 프로세스 관리 단으로 전달되기 때문이다. 이야말로 ‘통합 시스템 접근 방식’의 중요한 장점 중 하나일 것이다.