가현석 부장이 OEM 장비 개발 효율성을 위한 드라이브 솔루션을 주제로 발표를 하고 있다. 

공장의 장비개발을 위해서는 효율성을 향상시켜야 한다. 그리고 OEM 기계제작 업계 현실을 인지하는 것이 중요하다.

오늘날의 기계 제조업체는 고품질 기계, 빠르고 신뢰할 수 있는 배송, 합리적인 가격을 제공할 수 있는 경우에만 다양하고 역동적으로 변화하는 당대의 과제를 극복할 수 있다. 세계화의 결과로 OEM은 글로벌 산업 표준, 지속가능성 요구사항 및 법적규정을 따라야 한다. OEM은 품질이나 표준에 타협하지 않고, 새로운 기계사양을 효율적으로 구현해야 한다. 그러나 OEM은 익숙하지만 오래된 프로세스에 계속 의존하기 때문에, 품질과 효율성을 결합하는 데 어려움을 겪고 있다.

지멘스는 지속적인 개선을 보장하는 올바른 솔루션을 제공한다. 여기서는 디지털화를 사용하여 기계를 설계, 실현 및 최적화할 수 있는 프로세스를 설명한다. 지멘스는 고객의 사양과 요구사항에 따라 설계 프로세스부터 시작한다.

첫 번째 단계에서는 가상세계에서 시스템 개념이 검증된다. 검증 후에는 기계, 전기 및 자동화 설계를 위한 개발 프로세스가 뒤따른다. 과거에는 이러한 단계가 순차적이었으며, 오류가 발생한 경우 처음부터 다시 시작해야 했다. 그러나 협업플랫폼 덕분에 엔지니어는 병행해서 작업할 수 있다. 따라서 시간과 비용이 절감된다. 각 단계에 대한 사용사례를 보여준다. 예를 들어 기계설계의 경우, NX툴을 사용하는 방법을 보여준다. 전기설계를 위해 디지털 제어 캐비닛을 제시하며, 마지막에는 TIA Portal에서 신속한 변화를 위한 프로세스 프로그램을 통해 스마트 자동화를 확인할 수 있다. 기계실현에 관한 한 많은 테스트가 있다. 그러나 비용집약적인 물리적 프로토타입을 통한 것이 아니라 가상모델을 통한 것이다. 테스트 후 기계는 실제용으로 제작되고, 디지털 공장 환경에서 표준에 따라 통합된다. 여기서 기계는 현실적인 조건에서 작동한다. 엔지니어는 성능 데이터, 출력 등과 같은 투명성을 확보하여 생산 프로세스를 최적화할 수 있다. 또한 최종 시운전 후에도 가상환경의 시스템을 통합한 상태로 유지할 수 있으므로, 예를 들어 오작동이 발생할 경우 기술자가 원격으로 접근하여 문제를 해결할 수 있다. 따라서 다운타임과 비용이 절감된다. 원격 액세스를 통해 기계를 업데이트하거나 예지보전 관리를 위해 특정 데이터를 사용할 수도 있다.

<그림1> 지멘스는 지속적인 개선을 보장하는 올바른 솔루션을 제공한다.

<그림2> 지멘스는 장비 효율성을 높이고 품질을 높일 수 있도록 지원한다.

지멘스는 장비 효율성을 높이고 품질을 높일 수 있도록 지원한다. 더이상 수동작업에 집중할 필요가 없지만 디지털로 전환할 수 있다. 즉 디지털화를 구현하여 오류위험을 줄이고 처음부터 고품질 보장해야 한다. 반복작업을 자동화하고, 직원이 가상으로 시스템을 작동하도록 교육하고, 혁신을 촉진하며, 향후 더 나은 시스템을 개발할 수 있도록 지원한다. 디지털 협업 플랫폼을 사용하고, 인터페이스 및 형식을 표준화함으로써 효율성을 높이고, 민첩한 워크스트림을 개발할 수 있다. 또한 물리적 프로타입이 사용을 줄이면서 디지털 트윈을 기반으로 한 시뮬레이션을 통해 효율성을 향상하고, 품질을 향상시켜 시운전시간을 단축하고 작업량을 줄일 수 있다.

이러한 효율성을 기반으로 지멘스와 함께 제품, 생산설계, 실현을 최적화할 수 있다.

SINAMICS 드라이브 에너지 효율 포트폴리오

러시아의 우크라이나 침공에 따른 서방의 대러시아제제 강행으로 국제유가가 12년 만에 최고치를 기록했다. 원유생산능력 감소로 인해 국제유가 변동성이 심화되고 있다. 석유생산 자원부족, 치솟는 에너지 비용, 지속적으로 늘어나는 에너지 수요, 급증하는 환경오염 및 기후환경 규제로 인해 에너지 효율성에 대한 인식이 높아지고 있다. 지멘스는 산업분야에서 에너지 관리 및 에너지 효율성을 달성할 수 있게 해주는 제품과 서비스에 대한 완전한 통합 포트폴리오를 제공한다.

에너지 흐름에 대한 투명성을 구축할 수 있고, 잠재적인 절약가치를 평가하여 에너지를 절약할 수 있다.

각 산업에서 소비되는 산업군에서 특히, 인더스트리, 빌딩에서의 전기에너지 소비가 전체의 약 70%를 차지하고 있다. 인더스트리 산업에서 전기 구동장치 메인 부하를 분석해 보면 펌프, 팬, 압축기, 컨베이어 등에서 에너지 효율을 높일 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 가장 많이 사용하는 펌프, 팬, 컴프레서 장비에서 효율성을 고려하면 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.

<그림3> 인더스트리 전기구동장치 메인 부하

모터의 경우는 높은 효율을 위해서 고효율 모터 IE3 등급을 적용해야 하고, 점진적으로 상향되고 있다. 일반적으로 유도모터를 인버터 구동으로 사용하면 전기 에너지 효율성을 향상시킬 수 있지만, 최대의 효율을 향상 시키는 데는 한계가 있다.

회생에너지가 빈번하게 발생하는 장비에는 효율성이 높은 에너지 회수 드라이브를 사용하면 효율을 극대화할 수 있다.

SINAMICS 컨버터 제품군에서는 단축 드라이브 G120, PMU, G120D 분산형 드라이브, DC-Link 에너지를 공통으로 사용한 S120, 다축 드라이브 제품군이 있다.

<그림4> 지멘스는 완벽한 드라이브 트레인 포트폴리오를 통해 에너지 효율성을 향상한다. 

SINAMICS S120 드라이브 시스템은 동적 성능과 정밀도를 필요로 하는 복잡한 모션제어 분야에서 사용하는 고효율 드라이브 시스템이다. 단축 드라이브 시스템과 다축 드라이브 시스템을 사용하는 두 개의 시스템으로 제공된다. SINAMICS S120은 VF 제어, 벡터 제어, 서보기능을 구현할 수 있기 때문에, 유도전동기부터 리니어 모터까지 구동할 수 있는 드라이브이다. 에너지 절감 잠재적 가치는 가동시간, 구동장비, 보조 컴포넌트에서 실현된다.

일반적으로 인버터 즉, 드라이브 시스템은 3상 AC 380볼트에서 480볼트 입력을 받아서 DC로 정류한 뒤, DC-Link 전압을 이용하여 PWM 제어로 모터의 회전을 제어한다. 단축 드라이브는 이러한 프로세스가 파워모듈에서 구성이 되어 있지만, 효율적인 프로세스를 위해서 S120 시스템은 모듈구성이 라인모듈 즉, 컨버터 제품군과 모터 모듈, 인버터 제품군으로 구성되어 공급된다.

라인모듈에는 베이직 라인 모듈, 스마트 라인 모듈, 액티브 라인 모듈로 구성된다. 그중에서 스마트 라인모듈, 액티브 라인 모듈은 회생에너지 발생 시 에너지를 전원 쪽으로 환원할 수 있는 모듈로서 에너지 절약 및 효율을 극대화할 수 있는 제품이다. 그 외에도 확장할 수 있는 파워 및 성능을 제공한다. 까다로운 고객 요구사항에 부합할 수 있는 제품이며, 효율성 개념을 고려한다면 S120 DC/AC 콘셉트로 진행하면 최고의 성능 확보가 가능하다.

단축 드라이브 시스템에서 단축 드라이브는 S120, G120 제품군이 대표적이다. 일반적으로 많이 적용하는 펌프, 팬, 컴프레서와 같은 부하 및 변동부하에서 작동하는 컨베이어에 많이 적용하는 제품군이다.

G120 제품에서 대표적인 모듈러 구성인 PM240, PM250, 컨트롤 및 조작패널로 공급된다. 그중에서도 PM250 제품은 회생에너지가 발생하면 저항으로 소거되지 않고 전원으로 환원할 수 있는 모듈로서, 에너지 효율을 고려할 만한 가치가 있다. 또한 G120D 분산형 드라이브는 판넬에 설치하지 않고 모터 주변에 설치하는 제품으로, 이 제품 또한 회생에너지를 전원부로 환원하는 기능을 가지고 있다.

다음은 시나믹스 드라이브 제품군에서 에너지 효율 기능에 대한 설명이다.

에너지 회생 기능은 드라이브 시스템에서 발생되는 회생에너지 즉, 모터제동시 발생하는 에너지를 입력전원부로 환원하는 기능을 말한다. 산업현장의 다양한 어플리케이션 중에서 빈번하게 회생이 발생하는 장비, 예를 들면 업다운 리프트, 위치제어, 급제동 부하 시스템 등에서 에너지 회생기능을 보유할 수 있다. 이런 시스템에서 시나믹스 G120 범용 드라이브를 사용할 수도 있지만, <그림5>의 왼쪽은 일반적으로 회생에너지가 발생하면 인버터 내부의 제동모듈이 감지하여 제동적으로 소거하여 인버터를 보호한다. 즉 8.5키로와트의 회생전력을 절감할 수 있는 가치가 있다. 이러한 에너지를 전원으로 환원 가능한 모듈이 <그림5>의 오른쪽 부분이며, 회생에너지가 8.9키로를 인버터 효율을 고려하면 최종적으로는 전원부로 8.8키로와트 전력량을 절감할 수 있다.

이러한 기능의 장점은 에너지 손실방지 외에, 기기 주변에서 발생하는 유해한 열을 감소시켜 판넬 냉각을 감소할 수 있고, 외부 컴포넌트(제동저항기, 라인 리액터 등)를 제거할 수 있다는 것이다. 또 냉각비용 절감으로 제어 캐비닛 크기를 줄일 수 있고, PM250 회생모듈 적용시 공정사이클 당 최대 80%까지 절감이 가능하다.

<그림5> 에너지 회생기능

시나믹스 S120에 공통으로 사용하는 DC-Link 에너지

다음은 에너지 밸런싱(Energy Balancing) 에 대한 소개다

S120 다축 드라이브는 DCLink에너지를 공통으로 사용하고 교환할 수 있는 시스템이다. 이런 모듈구성으로 인해 <그림6>에서 보듯이 오른쪽 로더는 에너지를 사용하고, 왼쪽 구동으로는 제동을 하여 두 개의 롤에 걸려있는 장력을 제어한다. 이런 시스템은 와인더를 연상하면 이해가 쉽다. 즉 왼쪽이 감는 롤이고 오른쪽은 풀어주는 롤이라면, 한 쪽에서 700키로와트를 사용하고, 다른 쪽 롤에서는 9.1키로와트의 회생에너지를 발생한다. 라인모듈 컨버터에서는 실제로 필요로 하는 전력은 2.3키로와트만 전력만 요구하면 된다. 이러한 시스템에 적용하면 특정부하의 사이클에 따라서 인피드 모듈의 용량을 최적화하고 에너지를 효율화할 수 있는 시스템이다. 예를 들자면 컨버팅 롤 투 롤(Roll-to-Roll) 장비에 적용할 수 있는 제지, 철강 등 롤과 롤이 서로 영향을 주는 시스템에 효과적이다.

<그림6> 에너지 밸런싱

추가 솔루션으로 DC-Link를 통한 에너지 밸런싱 콘셉트에 대해서 소개rk 됐다. S120 에너지 저장장치로 DC-Link에 캐퍼시티 모듈을 추가하여 잉여 회생에너지를 입력전원으로 다시 환원할 수 있는 솔루션이다 <그림6>에서 모터 모듈의 오른쪽 끝에 설치되어 실제로 빈 모터를 설치하여 크레인 및 서보 프레스처럼 큰 컨버터 파워가 필요하지만, 빈 모터를 고속에서 저속으로 제동하여 회생에너지를 생성한다. 이 에너지를 캐퍼시터 모듈에 저장한다. 이러한 에너지 밸런싱 파워를 이용하면 인피드 모듈의 용량 및 파워를 최소화할 수 있다.

액티브 라인 모듈 기반의 기존 솔루션과 비교했을 때, 크레인, 서보 프레스의 경우 최대 10%까지 절감효과를 기대할 수 있다는 것이 장점이다. 또한 액티브 인터페이스 모듈에 크레인 파워 팩터를 사용하기 때문에, 입력전원에서 전력피크 감소 및 최적화된 전력비용이 예상된다. 또한 에너지 버퍼링을 통해 에너지 손실을 최소화할 수 있다. 또 정전시 다운타임을 최소화하고 입력전압 강하를 최소화할 수 있다.

독일 BMW 공장의 컨테이너 리프트 시스템에서의 DC-Link 에너지 교환에 대한 사례가 소개됐다. 실제 전체 모터와 연결된 드라이브 용량은 110키로와트이고, <그림7>의 왼쪽 리프트는 400키로그램의 무게부하를 호이스트하며, 오른쪽 리프트는 4000키로그램 무게의 호이스트 시스템을 구현하는 장비이다. PLC 시스템에서 동시에 두 개 리프트를 제어한다면, 왼쪽 롤이 상승할 경우 에너지를 소비하고, 오른쪽 롤은 반대로 하강하여 회생에너지를 발생한 DC-Link 에너지 보상을 통해서 인피드에서 공급해야 할 실제 전력은 37키로와트 파워만 필요하게 된다. 이로써 약 70%의 에너지를 절감할 수 있으며, 컨버터 드라이브 용량을 최적화하여 선정할 수 있다. 이러한 시스템과 같이 용량이 더 크고 부하 사이클이 빈번하면 에너지 효율을 최대화할 수 있다.

<그림7> BMW 공장에서 컨테이너 리프트 시스템의 에너지 회수 및 에너지 보상 사례

다음은 시나믹스 엔지니어링 툴에 대한 소개다.

기존의 오프라인 선정 툴인 사이저를 통해 현재까지 잘 사용하고 있다. 최신의 업데이트 제품 통합 자동화 제품을 선택할 수 있는 툴인 TIA Selection 툴에서 드라이브 및 자동화 포트폴리에 사용하는 SIMOTICS 모터에서부터 시나믹스 제품군까지 선정할 수 있게 도와준다. 예전보다 쉽고 직관적인 사용자 연결 툴 제공으로 인해, 단시간에 올바른 드라이브 시스템을 쉽게 파악할 수 있게 됐다.

기존 드라이브 테크놀로지 DT 컨플레이터 툴로 온라인에서 유용하게 제품검색부터 시스템 선정까지 할 수 있었다. 하지만 이제는 컨플레이터 툴의 대체 툴인 지멘스 프로덕트 컨피규레이터(Siemens Product Configurator) 즉 SPC 시스템을 새롭게 제공하게 됐다. 기존보다 쉬운 구성으로 빠르고 직관적으로 선택할 수 있도록 개편했으며, 일부 제품은 제약이 있지만, 향후에는 마이그레이션을 점차적으로 대체하여 진행할 예정이다.