Beckhoff 혁신 기술, 임베디드 PC 개발 20주년과 XTS 개발 10주년 - Technical Report

지속적인 포트폴리오 확대: 최근 CX5600 임베디드 PC 시리즈로 AMD-Ryzen 디바이스 포트폴리오가 확대되었으며, CX51xx 및 CX52xx 디바이스 뿐만 아니라 CX2500 확장 모듈을 좌측에 연결할 수 있는 옵션을 제공함으로써 더욱 유연하게 사용할 수 있게 되었다. © Beckhoff

42년이라는 오랜 시간 동안 쌓아온 기술력을 기반으로 Beckhoff가 개발한 수많은 혁신 기술 중 두 제품은 2022년에 각각 개발 20주년 및 10주년을 맞이했다. DIN 레일에 장착 가능한 임베디드 PC인 CX1000은 20년 전 자동화 시장에 첫 선을 보인 후로 현재까지 다수의 제조 업체에서 소형 컨트롤러로 확고히 자리를 잡은 디자인의 토대가 되었다. 10년 전 출시된 XTS지능형이송시스템 도 마찬가지로 제품 처리 분야에서 혁명적인 기술을 입증해 왔다.

듀얼 코어 프로세서가 탑재되었으며 팬이 없는 DIN 레일 장착형 CX5130 임베디드 PC가 중국 내 자동차 제조사인 NIO에서 수백 개에 달하는 I/O 신호를 처리하고 2세대 배터리 스왑 스테이션의 수많은 서보 축을 제어하고 있다. © Nio

이렇게 개발된 두 기술은 버스 터미널 및 EtherCAT과 마찬가지로 자동화 기술 및 기계 엔지니어링 분야에서 비약적인 발전을 이끌어 온 Beckhoff의 컨셉을 상징한다고 할 수 있다. 두 기술은 최근 몇년 간 현장에서 입증되고 사용자에게 상당한 경쟁 우위를 제공해 왔으며, 지속적으로 더욱 발전해 왔다. Beckhoff는 현재 14개의 임베디드 PC 시리즈를 포함한 정밀하게 확장 가능한 포트폴리오를 제공한다. 포트폴리오는 SPS 2022 개최 시점에 즈음하여 더욱 확대될 예정이다. 다양한 모터 모듈, 무버, 가이드 레일을 통한 고도로 유연한 첨단 제품 이송과 특히 새로운 소프트웨어 기능에 대한 제반 요구 사항을 충족하는 XTS(eXtended Transport System)도 마찬가지이다.

CX2040 임베디드 PC는 캐나다 소재 BOS Innovations의 L-MS 고속 레이저 절단기에서 다섯 개 모션 축을 정밀하게 조정할 수 있도록 충분한 연산력을 제공한다. © BOS Innovations

소형 폼 팩터에서 구현되는 유연한 제어 성능, CX 시리즈

임베디드 PC는 산업용 PC와 하드웨어 PLC를 최초로 통합시켰다. CX 제품군에는 성능을 이상적으로 조정하는 몇몇 기본 CPU 모듈 및 다양한 프로세서가 포함되어 있어, 어떠한 제어 작업에도 이상적이다. ARM 프로세서가 장착된 소형 컨트롤러에서 Intel® Xeon® 프로세서가 탑재된 고성능 멀티 코어 솔루션까지 광범위하고, 탁월한 가격 대비 성능을 자랑한다.

CX 임베디드 PC 시리즈는 직접 연결이 가능한 모듈 방식의 I/O와 더불어 공간 절약형 산업용 제어 디바이스를 DIN 레일에 장착할 수 있게 해준다. 이는 20년 전에 출시되었을 때 획기적인 이점을 제공하는 혁신적인 기술이었다. I/O 시스템이 직접 연결되기 때문에, 추가 커플러에 대한 비용이 절약되고, 컨트롤 캐비닛에서의 배선 작업 및 공간 요구사항도 크게 줄어든다. 이 시스템 덕분에 컨트롤 캐비닛 및 터미널 박스를 더욱 작게 그리고, 비용 효율적으로 제작할 수 있게 되었다.

임베디드 PC의 기계적 요소는 매우 견고하며, 높은 내진성 및 내충격성을 갖추고 있어 열악한 산업 환경에서 사용하기에 적합하다. -25°C ~ +60°C의 넓은 온도 범위가 기본으로 제공되기 때문에 고온의 장소나 매우 추운 지역에서도 사용할 수 있다. 견고하고 콤팩트한 디자인이 적용된 이러한 디바이스는 지난 20년 동안 다양한 어플리케이션에 활용되는 이상적인 제어 시스템으로서 우수한 기술력을 입증해 왔다. 여러 가지 이점 중 하나는 모듈 확장 기술인데, 임베디드 PC인 CX20xx, CX52xx, CX56xx시리즈에서 고유한 방식으로 구현되어 왔다. 이러한 제어 장치는 CX 유형에 따라 해당 작업에 맞게 확장 모듈로 보강하고 모듈형 제어 시스템으로 구성할 수 있다. 따라서 동일한 하드웨어를 사용하여 다양한 어플리케이션에 활용할 수 있다(예시: DVI/USB 인터페이스가 장착된 PLC 및 모션 제어 시스템이나 자동화 구축을 위한 오디오 인터페이스가 탑재된 멀티미디어 시스템)

스위스 업체인 Kem AG는 100개가 넘는 정밀 제어 축으로 맞춤형 포장을 주문에 따라 생산하기 위해 PackOnTime® 포장 시스템에 대해 Intel® Xeon® CPU(2.0 GHz, 8-core)가 장착된 고성능 CX2062 임베디드 PC를 선택했다. © Beckhoff

기계적 요소를 대체하는 소프트웨어 기능, XTS

Beckhoff는 XTS 리니어 이송 시스템을 통해 지난 10년 간 수차례에 걸쳐 스스로 우수한 기술력을 입증해 왔으며 그 안에서 자기 구동식 무버가 완전히 통합된 모터 모듈의 이송 경로를 따라 움직이는 드라이브 솔루션을 제공한다. TwinCAT이 적용된 산업용 PC를 통해 개별적인 모션 프로파일을 지닌 단일 무버의 독립적인 제어가 가능해진다. 이러한 특징은 수많은 이점을 지닌 시스템으로 이어진다. 전원 전자 장치 및 위치 피드백 기능이 XTS 모터 모듈에 포함되어 있기 때문에 이송 시스템을 조립 직후 바로 가동할 수 있다. 반면 무버는 완전히 수동으로 작동한다. 모터 모듈의 형상이 다양하기 때문에 개방형 및 폐쇄형 이송 경로를 둘 다 만들 수 있으며, 개별적인 트랙 레이아웃을 통해 기계 점유 면적을 줄일 수 있다. XTS는 전통적인 컨베이어 벨트를 대체할 뿐만 아니라, 전체 기계를 완전히 새로운 방식으로 설계할 수 있다는 이점도 제공한다.

캐나다 업체인 Eclipse Automation은 유연한 XTS 이송 시스템을 사용하여 자동차 산업 조립 라인의 점유 면적을 최소화하고 전환 시간을 1시간에서 1분으로 단축하는 데 성공했다. © Eclipse Automation

XTS의 혁신 잠재력은 고도로 복잡한 모션 시퀀스에 한정되지 않는다. 실제로, 이 시스템은 어플리케이션 요구사항(예시: 형상, 무버 수, 기능 범위 등)과 관련하여 정밀하게 확장 가능한 적응 옵션을 제공한다. 이는 무버의 완전한 리니어 모션 및 XY 모션을 담당하는 두 번째 무버의 확장과 같은 간단한 어플리케이션에서 비롯된다. 모터 모듈 및 가이드 레일로 구성된 모듈 형상이 닫혀 있을 때, 임의의 설치 위치를 가능하게 하는 무한 리니어 시스템이 궁극적으로 생성된다. 다수의 XTS 시스템, 포괄적인 TwinCAT 펑션 블록, 로봇, XPlanar 평면 모터 시스템을 통합함으로써 어플리케이션 옵션을 더욱 늘릴 수 있다.

가장 최근에 추가된 XTS 시스템 기술인 NCT(No Cable Technology)는 기계 유연성 측면에서 또 다른 양자 기술의 비약적인 발전의 토대를 형성한다. NCT는 최초로 동작 중인 XTS 무버에 전력과 동시 실시간 데이터 통신을 제공하는데, 이를 사용하여 개별 무버를 모바일 핸들링 및 처리 스테이션으로 확장함으로써 이전부터 가용한 제품 이송 뿐만 아니라 무버 자체에서 추가 공정 단계를 직접 수행하도록 구현하는 것도 가능하다.

호주의 맞춤 기계 제작사인 TEUP는 개별 구성이 가능한 조립 라인에 XTS를 제품 이송을 위한 핵심 요소로 사용하여 기계 유연성을 극대화하고 점유 면적을 최소화하는 데 성공했다. © Beckhoff

링크:

www.beckhoff.com/xts

www.beckhoff.com/embedded-pcs

임베디드 PC 분야에서 20년의 경력을 보유한 임베디드 시스템 전문가, Andreas Thome

Andreas Thome, PC 제어 담당 수석 제품 관리자 © Beckhoff

약 20년 전에 임베디드 PC의 아이디어는 어떻게 생각하게 되셨습니까? 그 시점에서 가장 중요한 어플리케이션의 이점은 무엇이었습니까?

처음에 구상했던 아이디어는 PC 기반 기술을 최대한 작은 콤팩트 하우징에 접목해 보는 것이었습니다. 다음 단계는 논리적이고 필수적인 혁신이었습니다. 즉, DIN 레일에 장착할 수 있도록 새 하우징의 형태를 설계하고 버스 터미널이 우측에 직접 연결되도록 하는 것이었습니다. 당시 시중에서 구할 수 있었던 PC와 IPC는 상당히 크기가 큰 디바이스였습니다. 하지만 메모리 측면에서 요구 조건이 적당했던 소형 x86 프로세서 및 Microsoft Windows CE 운영체제의 등장으로 마침내 최초의 CX1000 임베디드 시리즈가 탄생할 수 있게 되었습니다. 사실 Beckhoff에서 이는 그다지 엄청난 기술적인 발전으로 여겨지진 않았습니다. Beckhoff의 제품군에는 2002년보다 훨씬 오래전부터 이미 마이크로 컨트롤러 기반의 소형 컨트롤러 시리즈인 버스 컨트롤러(BC)가 있었습니다. 하지만 업계에서 그것이 완전히 새로운 유형의 디바이스(즉, 모듈 방식의 고도로 유연한 I/O 버스 터미널에 직접 연결되는 DIN 레일 IPC)의 시작으로 서서히 인정받기 시작했습니다. 당시에는 시중에 그와 같은 디바이스가 없었습니다. 콤팩트한 디자인, 모듈 방식, 속도, 프로그래밍 가능 PLC로 사용할 수 있는 기능적 다양성, 모션 제어, 시각화 디바이스, 최신 운영체제, 여러 수직적 산업 부문에 사용되는 컨트롤 캐비닛에 대한 범용적 적합성과 같은 이점들은 오늘날까지도 여전히 매우 유용하게 활용되고 있습니다.

기능적 양자 기술의 발전: NCT(No Cable Technology)가 적용된 XTS 무버는 이송 시스템을 고도로 유연한 멀티 로봇 시스템으로 확장시켜 준다. © Beckhoff

임베디드 PC는 개발 시부터 오랫동안 매우 다양한 어플리케이션에서 콤팩트한 다용도 제어 플랫폼으로서 확고한 위치를 차지하고 있습니다. 오늘날 현장에서 대략적으로 얼마나 많은 CX 디바이스가 사용되고 있는지 추산할 수 있습니까?

Beckhoff가 지금까지 인도한 CX 컨트롤러의 수가 총 120만 대에 달할 것으로 추산합니다. 이러한 수치는 항상 저를 놀라게 합니다. 이러한 컨트롤러 대다수가 전 세계에 걸쳐 기계, 플랜트, 건물과 같은 값비싼 자본재를 운영하는 데 사용되고 있다는 점을 고려할 때 특히 더 그렇습니다. 전체 임베디드 PC 시리즈가 시장에서 매우 오랫동안 사용되도록 설계된다는 점이 무엇보다 중요합니다. 심지어 초창기 CX 컨트롤러도 현재까지 생산되고 있습니다.

스페인 업체인 Packfeeder는 로봇 기반 자동 병 분류기인 Pickfeeder와 관련하여 XTS를 사용하여 새로운 기계 컨셉을 설계했는데, 이 시스템은 유연성이 탁월할 뿐만 아니라 사실상 전환에 별도의 작업이 필요하지 않아 포장 부문에서 가장 까다롭고 빈번하게 바뀌는 분류 작업에도 적합하다. © Packfeeder; Ivan Raga Photographer

지난 20년 동안 가장 중요한 개발 단계는 무엇이었습니까?

한 가지 중요한 단계는 2006년에 ARM 프로세서를 최초로 도입한 일이었습니다. 그 덕분에 아직까지 전형적인 PC의 특성(예시: 이더넷, 비디오, USB, Windows 등)을 지닌 소형 디바이스를 만들 수 있었습니다. 그 후에 Bechhoff는 x86 CPU 환경과 더불어 ARM CPU를 개발하고 확대해 왔습니다. 또 다른 혁신의 업적으로 평가되는 순간은 2012년, CX2000 시리즈 도입이었습니다. 그 이유는, 최초로 Intel Core 프로세서를 사용하여 성능을 크게 향상시켰다는 점이었습니다. 뿐만 아니라, 현장에서 연결할 수 있는 모듈(예시: 필드버스 시스템)과 추가 PC 인터페이스를 통해 모듈성을 더욱 강화했습니다. 2018년에는 최대 12 CPU 코어(Intel XEON D)까지 장착되는 제어 플랫폼인 CX20x2를 도입하면서 성능을 더욱 향상시킬 수 있었습니다. 제가 알기로는 이것이 현재까지 DIN 레일 디바이스에 적용되는 가장 많은 CPU 코어 수입니다.

Roche는 XTS를 적용하여 만하임(Mannheim) 현장에서 제품 이송을 위한 핵심 요소로 개발한 생산 기계를 통해 신형 Cobas PSC(Plasma Separation Card: 혈장을 안정적이고 쉽게 적용할 수 있도록 샘플링하여 멀리 떨어진 곳에서도 HIV 검사를 더욱 쉽게 진행할 수 있게 해주는 장치)를 효과적이고 효율적인 비용으로 생산할 수 있게 되었다. © Beckhoff

CX 디바이스는 여전히 지속적으로 개발되고 있습니다. 다음 단계는 무엇입니까?

Beckhoff는 뉘른베르크(Nuremberg)에서 개최되는 SPS 2022 무역 박람회에서 신형 ARM 디바이스인 CX8200 및 CX9240을 선보일 예정입니다. 이러한 디바이스로 이 분야에서 포트폴리오가 단일 코어에서 2~4 코어 CPU로 확장되었습니다. 고객의 이익을 위하여, Beckhoff는 ARM 및 x86 CPU 분야를 계속 발전시켜 나갈 계획입니다. 하지만 임베디드 PC 분야에서 추구하고 있는 개발도 조심스럽게 계속 고려할 것입니다. 모든 개발 단계에서 고객들은 새로운 아키텍처 및 멀티 코어 기술의 개발을 통해 많은 이점(예시: 속도 측면에서의 이득)을 얻을 수 있어야 합니다. 아울러 Beckhoff의 자동화 제품군을 구성하는 가령 EtherCAT G, XTS, XPlanar, 인공지능, 로봇공학, 비전, 그리고 가장 중요한 TwinCAT과 같은 분야에서 자체 개발을 고려할 계획이며, 이는 미래의 임베디드 PC 제품군 및 관련 인터페이스에 긍정적인 영향을 미칠 것입니다.

Uwe Prüßmeier, XTS 분야에서 10년의 경력을 가진 XTS 기술 전문가

XTS 지능형 이송 시스템의 아이디어를 뒷받침하는 기술은 무엇입니까?

고객과의 파트너십 및 신뢰를 바탕으로 한 관계를 통해 Beckhoff는 기계 및 시스템에 대한 인사이트 정보를 얻을 수 있습니다. 이러한 교류는 미해결 과제와 미충족 요건을 파악할 수 있게 해줍니다. 예를 들면, Beckhoff는 Bosch Packaging을 위한 테스트 시스템에 사용되는 몇 가지 구성품을 개발하는 데 성공했습니다. 프로젝트는 기술적으로 성공적이었지만, 실용적인 비즈니스 모델을 식별하는 데는 어려움을 겪었습니다. Beckhoff는 경제적 요건을 보다 면밀히 살피고, 추가로 기술적 최적화를 진행한 다음, 완전히 새로운 콤팩트 시스템을 개발할 수 있었습니다.

XTS는 수많은 어플리케이션에서 그 가치를 입증해 왔습니다. 대략 얼마나 많은 프로젝트가 완료되었습니까? 산업 관련 어플리케이션은 어떻습니까?

현재 Beckhoff는 평균적으로 매일 네 대 이상의 XTS 시스템을 납품하고 있습니다. 해당 수요는 개별 산업 부문에만 국한된 것이 아니고, 식품, 제약, 자동차 산업 전반에 걸쳐 분포되어 있습니다. 원래 목표 시장이었던 포장 산업의 경우 Beckhoff의 최대 시장으로 성장했습니다.

NCT는 분명 각광받는 가장 최신 기능 중 하나입니다. 지난 10년을 돌아볼 때, 사용자 입장에서 XTS의 가장 중요한 특징과 기능적 강화 요소는 무엇입니까?

Beckhoff는 소프트웨어를 통해 다수의 기능을 강화하는 데 성공했습니다. 기계 생산 수율을 높여주는 XTS의 출시 이후에 TwinCAT의 성능은 지속적으로 향상되고 있습니다. 이에 더해, 프로그래밍의 단순화에도 많은 노력을 기울였습니다. 또한, 이제 시뮬레이션을 사용하여 설계 단계도 단축시킬 수 있습니다. 하드웨어의 경우 모터 출력을 배가하고 곡선 반경을 늘려 XTS 시스템을 추가적인 어플리케이션 분야로 통합한 것이 주목할 만한 강화 조치의 예입니다.

가까운 장래에 어떤 추가적인 개발 및 잠재적인 어플리케이션이 있을 것으로 예측하십니까?

여러 가지 광범위한 강화 조치 외에 Beckhoff의 최우선 과제는 고객을 위해 전반적인 비용을 절감하는 것입니다. XTS 시스템은 훨씬 더 쉽게 조립할 수 있어야 합니다. 또한 고객이 원하는 구성에 적합한 사전 조립 및 테스트를 거친 버전을 제공하는 것이 Beckhoff의 목표입니다. 툴의 시운전 및 추가 구성품을 시스템에 통합하는 작업을 통해 앞으로 XTS를 더욱 콤팩트하게 하고 더욱 쉽게 이용할 수 있도록 편의성을 대폭 강화할 예정입니다.