계장기술(PROCON)

자동화성공스토리 iTRAK 시스템의 탁월한 OEE 달성

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작성자 최고관리자 댓글 0건 조회 1,080회 작성일 20-04-14 13:02

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‘대량 맞춤화’는 수십 년간 존재해 온 개념이다. 그러나 사물인터넷(IoT)과 보다 정교한 자동화 기술의 등장으로, 다양한 SKU(Stock Keeping Unit)를 효율적으로 프로세싱하고, 보다 개인 맞춤화된 생산을 실현할 수 있는 유연한 제조 환경이 현실화되고 있다.

DT 엔지니어링의 비즈니스 개발 담당 디렉터인 켄 쿡(Ken Cook)은 “대부분의 고객에게 중요한 질문은 자동화 실현의 장소와 방법이다.”라며, “DT엔지니어링은 고객이 최신 기술을 계속 활용할 수 있도록 지원하고, RO I(투자 수익)를 개선하고, 유연성을 제공하며, 인력 문제를 해결하는 솔루션을 제공한다.”고 말했다.

DT 엔지니어링은 산업 자동화 개발자이자 시스템 통합 업체로서 콘셉트를 현실화하여 프로젝트 실행에 혁신적인 접근 방식을 제공한다. 미주리주 레바논에 위치한 DT 엔지니어링은 선도적인 어플라이언스, HVAC를 지원하며, 농업과 타이어 산업, 소비재 및 제약/의료기기 기업들을 지원한다.


기존 컨베이어의 제한적인 OEE

켄 쿡은 “산업과 관계가 없이, OEE(Overall Equipment Effectiveness : 전체 장비 효율성)는 고객에게 중요한 KPI (핵심성과지표)이다.”라며 “또한 반복성, 속도 및 전환 시간은 충전, 어셈블리 및 포장 애플리케이션에 상당한 영향을 미친다.”고 말했다.

이러한 애플리케이션의 핵심은 컨베이어다. 자주 사용되는 방법은 OEE 개선을 제한한다. 또한 켄 쿡은 “어셈블리, 충전 및 포장에는 일반적으로 일련의 프로세스 프로세싱 스테이션을 통해 구성요소 또는 제품을 운반하는 과정이 포함된다.”며, “작업 현장에 있는 대부분 라인 샤프트, 캠 제어(cam-driven) 설비는 벨트 형식의 컨베이어 또는 기존의 운송 방법을 사용한다.”고 말했다.

기존 컨베이어는 사전 구성된 라인 경로를 통해, 고정된 속도로 제품을 이동하도록 설계되었다. 컨베이어의 제품은 동일한 간격으로 배치되어 있으며, 시스템은 가장 느린 공정 속도로 실행된다.

최근 DT 엔지니어링은 로크웰오토메이션의 독립형 무빙 카트 기술(Independent cart technology, ICT)을 특징으로 하는 다중 애플리케이션 솔루션을 통해, 기계 속도와 성능을 개선하기 위한 새로운 접근 방식을 시도했다.

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더 나은 방법 : 독립형 무빙 카트 기술(ICT)

켄 쿡은 “로크웰 오토메이션과의 파트너쉽을 통해 iTR AK 독립형 무빙 카트 기술을 기반으로 하는 ‘이중 트랙(Double-decker)’ 시스템을 개발하고, 포춘지 선정 500대 기업 고객에게 보급했다.”며 “고객이 OEE 표준(85%)을 충족하는데 도움이 될 수 있도록 솔루션을 설계했다. 현재 이 시스템은 97%의 OEE를 달성하고 있다.”고 말했다.

DT 엔지니어링은 이러한 성공을 바탕으로 많은 애플케이션의 프로토타입 역할을 할 수 있는 이중형 iTRAK 솔루션을 설계했다.

iTRAK 기술은 리니어 동기식 모터를 기반으로 하여, 여러 자기 추진 캐리어를 독립적으로 제어할 수 있다. 제어 소프트웨어 및 내장 센서는 지속적으로 캐리어의 위치를 개선한다. 캐리어는 고정된 속도로 이동하는 것이 아니라, 각 캐리어가 독립적으로 스테이션 사이를 이동한다.

프로토타입 솔루션에서, 첫 번째 iTRAK 시스템은 제품을 프로세싱(Processing) 스테이션으로 운송한다. 두 번째 iTRAK은 오버헤드(Overhead)로 실행되며, 다양한 역할을 담당할 수 있다.

켄 쿡은 “애플리케이션에 따라 상위 iTRAK 시스템을 사용하여 하위 트랙의 제품에 재료를 분배하거나, 전환을 위한 다른 제품 SKU를 준비할 수 있다.”며, “또한 두 개의 SKU를 동시에 실행하도록 시스템을 구성할 수 있다.”고 말했다.

이 솔루션은 Allen-Bradley CompactLogix™ 5380 컨트롤러에서 실행되며, Allen-Bradley KinetixⓇ 5700 서보 드라이브, Allen-Bradley PanelView™ 그래픽 터미널 과 StratixⓇ 5700 매니지드 스위치를 특징으로 한다. 이 솔루션은 EtherNet/IP™ 네트워크에 통합되어 있다.

DT 엔지니어링은 프로토타입 머신의 픽 앤 플레이스 애플리케이션을 위해 FANUCⓇ 로봇을 설치했다. FAN UC은 로크웰 오토메이션 PartnerNetwork™ 프로그램의 Encompass™ Product Partner다. 또한, DT 엔지니어링은 FANUC 로봇을 위한 시스템 통합 업체다.

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더 효율적인, 반복 가능한 시스템

DT 엔지니어링은 이전의 머신 애플리케이션에서 사용된 프로세스를 복제하여 사용할 수 있다. 그러나 iTRAK 시스템 덕분에 이러한 프로세스를 실행하는 방법이 크게 바뀌었다.

켄 쿡은 “속도와 위치를 모두 프로그래밍 할 수 있기 때문에, 프로세싱 스테이션 사이에서 가속 및 감속이 가능하다.”며, “이를 통해 시스템의 전반적인 효율성을 향상된다.”고 말했다. 또한 “공차(Tolerance)는 전자적으로 조정, 제어 가능하여, 시스템의 반복성이 매우 뛰어나다.”고 덧붙였다.


정밀 동기화

이 프로젝트의 가장 큰 도전 과제는 상위의 iTRAK을 사용하여 재료 분배(Dispensing)에 대한 창의적인 접근 방식을 구현하는 것이다. 하중을 분산시키기 위해, 상부 트랙에 의해 운송되는 어셈블리는 시간 간격을 두고, 하부 트랙이 운반하는 어셈블리와 결합되어야 했다.

1/7,000 인치에서 정확한 동기화를 달성하는 것은 DT 엔지니어링과 로크웰 오토메이션의 뛰어난 협업을 통해 달성 가능한 엔지니어링 결과다.

켄 쿡은 “로크웰 오토메이션은 두 개의 iTRAK 시스템에 필요한 캐리어 수와 각 스테이션에 필요한 체류 시간을 결정하기 위한 시뮬레이션을 완료했다.”고 말했다.

OEE를 더 확장하기 위해, 프로토타입에는 작업자에게 프로세스 간소화 가이드를 제공하는 PTCⓇ VuforiaⓇ 증강현실(AR)이 포함되어 있다. 디지털 트랜스포메이션 리더인 PTC는 로크웰 오토메이션의 전략적 제휴 파트너다.

DT 엔지니어링은 많은 고객들이 iTRAK 솔루션과 스마트 디지털 기술을 개발하고 구현하는 새로운 방법을 활용하여, OEE에 대한 상당한 수익을 얻을 것으로 예상하고 있다.


새로운 설비로 피스타치오 생산 수요 충족

2023년까지 이 설비는 최종 처리(Finishing-Processing) 역량을 갖추게 되며, 2025년까지 전체 설비 구축이 완료될 예정

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세계적인 견과류 피스타치오
1930년대 미국에는 피스타치오 나무가 존재하지 않았다. 오늘날 미국은 세계에서 두 번째로 많은 양의 피스타치오를 생산하는 국가이며, 전 세계적인 피스타치오 수요는 점점 증가하고 있다.
한때, 견과류의 귀족으로 불리던 피스타치오는 이제 세계적인 스낵이 되었다. 이 녹색 견과류의 독특한 맛과 건강에 좋은 성분 때문에 피스타치오에 대한 선호도는 점차 증가하고 있다. 아몬드, 호두, 그리고 다른 견과류들처럼 피스타치오도 단백질, 항산화제, 섬유질이 풍부하다.
미국 피스타치오 산업의 중심지인 캘리포니아 산 호아킨 계곡에 기반을 둔 원더풀 피스타치오(Wonderful Pistachios)는 피스타치오 생산의 선두 주자다. 피스타치오 나무들이 잘 성장하기 위해서는 선선한 겨울과 덥고 습도가 낮은 긴 여름이 필요하다. 이러한 환경적 제약으로 인해, 피스타치오의 주 생산지는 이란, 터키, 캘리포니아로 제한된다.
원더풀 피스타치오는 전 세계 피스타치오 시장의 50%, 미국 내 판매량의 65%를 생산하고 있다. 지속적인 수요 증가로 인해, 원더풀 피스타치오는 더 많은 구운 피스타치오 스낵을 생산할 수 있는 새로운 설비가 필요했다.
새로운 설비 구축-생산 속도 향상
생산 공정의 첫 단계인 탈각(Hulling, 껍질을 벗겨냄)은 매우 민감한 작업이다. 피스타치오는 속 알맹이를 보호하는 갈색 껍질에 쌓인 상태로 나무에서 떨어져 나오며, 알맹이가 상하는 것을 막기 위해서는 이 껍질을 빠르게 제거해야 한다. 이 작업을 빠르게 진행하기 위해, 원더풀 피스타치오는 숲과 가까운 캘리포니아주 파이어보(Fire baugh)에 새로운 설비를 구축했다.
9월부터 시작해 8~10주 동안 이어지는 추수 시기에 맞추어, 새로운 공장의 탈각 설비 구축을 준비했다. 탈각 이후, 피스타치오는 1년간 보관되면서 분류, 로스팅, 솔팅(Salting), 포장 등의 과정을 거친다. 원더풀 피스타치오는 생산 프로세스에 맞게 우선 탈각 설비를 구축하고, 그 이후의 구간을 차차 완성할 계획을 세웠다.
원더풀 피스타치오는 매일 480만 파운드 이상의 피스타치오가 수확될 것으로 예상했다. 이 새로운 설비는 30MW 변전소와 수 마일의 천연 가스 파이프를 포함한 대규모 인프라 투자를 필요로 했다.
새로운 설비를 위한 기본 인프라 구축 작업을 진행하면서, 탈각과 전체 생산라인의 설계를 시작했다.
전체 프로세스를 관리하기 위해, 원더풀 피스타치오는 생산라인을 신속하게 구현할 수 있는 제어 솔루션이 필요했고, 향후 저온 살균과 정밀 로스팅과 같은 주요 단계를 포함할 계획이었다.

정밀한 공정을 위한 정밀 제어
약 15년 전, 원더풀 피스타치오는 모터 컨트롤 센터(MCC)를 포함한 로크웰 오토메이션 제어 플랫폼을 사용하여 표준화 작업을 진행한 바 있다. 이번 프로젝트 팀은 20년 이상 로크웰 오토메이션과 함께 일해 왔기 때문에, 새로운 설비 구축 프로젝트의 제어 솔루션 선택도 간단했다.
원더풀 피스타치오의 전기 엔지니어링 매니저 돈 클로스터(Don Kloster)는 “이 산업에서 프로젝트 전환 시간은 매우 빠르다.”며, “로크웰 오토메이션 제어 플랫폼을 통해 컨트롤러와 모터 컨트롤 센터(MCC)를 주문 설치하고, 몇 주 안에 생산을 시작할 수 있다.”고 말했다.
새로운 설비에 생산 전력을 공급하는 500개의 모터를 제어하기 위해 프로젝트 팀은 공정을 설계하고, 모터 제어의 필요성을 확인하여 로크웰 오토메이션의 Allen-BradleyⓇ CENTERLINEⓇ 2100 MCC를 대량으로 주문했다.
로크웰 오토메이션의 Allen-Bradley PowerFlexⓇ 70 및 PowerFlex 525 인버터가 통합된 스마트 모터 컨트롤 센터(MCC)는 유연한 생산 제어 기능을 제공한다. 모터 컨트롤 센터(MCC)에는 실시간 생산 및 진단 데이터, 트렌드, 컴포넌트 이력, 배선 다이어그램, 사용자 매뉴얼 및 예비 부품들이 포함되어 있다.
모터 컨트롤 센터(MCC)는 원더풀 피스타치오의 자체 제작 패널과 비교하면, 상당한 시간을 절약할 수 있다. 모터 컨트롤 센터는 배송 전 철저한 점검을 거치기 때문에, 배송 후 바로 설치 가능하다.
또한, 모터 컨트롤 센터의 중앙 집중식 제어와 직관적인 애드온 지침(AOI : Add on Instruction)은 다운타임과 문제 해결 시간을 줄여, 기존 패널에 비해 총 소유 비용을 감소하는데 도움이 된다. 프로젝트 팀은 현장에서 쉽게 변경 가능하고, 필요에 따라 빠르고 안전하게 모터 컨트롤 센터 버킷을 이동할 수 있다.
모터 컨트롤 센터(MCC)는 EtherNet/IP 네트워크를 통해, Allen-Bradley ControlLogixⓇ PAC(프로그램 가능 자동화 컨트롤러)에 생산 및 진단 데이터를 전달한다.
설비 운영자는 직접 데이터에 액세스하여, 1시간 이내에 생산 이력 보고서를 추출할 수 있다. 이 데이터를 통해 건조기 온도 및 로스팅 속도와 같은 생산 변수를 신속하게 확인하고, 필요에 따라 조정할 수 있다. 원더풀 피스타치오는 EtherNet/IP 네트워크로 연결하여 모든 시스템을 원격으로 모니터링하고, 문제에 신속하게 대응할 수 있다.
또한 제어 플랫폼과 EtherNet/IP 네트워크 개방성을 통해, 장비제조업체에서 제공한 장비를 쉽게 설치하고 연결할 수 있다. 프로젝트팀은 제어 장치 없이 구입한 건조기, 저온 살균기, 기타 장비를 ControlLogix 플랫폼에 통합했다.

생산성 향상
모터 컨트롤 센터(MCC)가 도착한 후, 생산라인은 가을 추수 시기에 맞추어 3주 만에 가동 준비가 완료되었다. 그 후 전처리(Pre-Processing)는 이듬해부터 시작되었고, 이를 통해 목표한 생산량을 15% 초과 달성할 수 있게 되었다. 제어시스템의 신뢰성 및 모니터링 기능을 통해, 새로운 설비의 가동률을 낮출 수 있다.
원더풀 피스타치오의 자본 프로젝트 매니저 폴 휴즈(Paul Hughes)는 “2000년에는 하루에 150만 파운드를 생산할 수 있는 설비에 100명의 작업자가 필요했다.”며, “새로운 설비에서는 추수 시기에 하루 560만 파운드 생산을 작업자 10명만으로도 가능하다.”고 말했다.
2023년까지 이 설비는 최종 처리(Finishing-Processing) 역량을 갖추게 되며, 2025년까지 전체 설비 구축이 완료될 예정이다.

※앞에서 언급한 결과는 고객이 로크웰 오토메이션의 특정 제품과 서비스를 타 제품과 함께 사용하여 얻은 결과다.
다른 고객의 환경에서 얻어진 결과와는 다를 수 있다.

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