2.1 자동화와 제어시스템(1)

제조실행시스템(MES)은 제조 현장의 생산 프로세스를 실시간으로 모니터링하고 제어하는 소프트웨어 기반 시스템입니다. 생산 계획, 작업 지시, 자재 관리, 품질 관리, 생산 실적 분석 등 다양한 기능을 제공하여 제조 효율성을 높이고 생산 비용을 절감하는 데 도움을 줍니다.

제조실행시스템

2.1.1 자동화시스템

'자동화(automation)'란 용어는 1948년 미국 포드자동차에서 엔진 가공의 자동화 연구 부문을 오토메이션 부라고 한 것이 처음으로, 오토매틱(automatic)과 오퍼레이션(operation)의 합성어이다. 기계 자체에서 대부분의 작업공정이 자동으로 처리되는 자동생산 방식을 말하며 종래 사람이 실시해 온 작업을 기계로 바꿔놓은 것이다.

<자동화의 장점>
■ 공장의 생산 속도가 증가함으로써 생산성을 향상하는 효과가 있다.
■ 제품 품질의 균일화와 개선을 통하여 불량품이 감소한다.
■ 생산설비의 수명이 길어지고 노동조건을 향상할 수 있다. 

 

기계장치(mechanism)가 구성되어 목적에 적합한 일을 조작자 없이 사람이 원하는 상태로 제어하는 자동제어의 뒷받침이 반드시 필요하며 성력화, 무인화란 측면에서 자동화의 필요성은 점점 확대되고 있다. 자동화시스템은 어떤 요소로 구성되는가? 자동화 영역은 다양한 분야에 응용될 수 있지만 제조업에 가장 많이 쓰인다고 볼 수 있다.
 
부품 제조공정이나 제품 조립공정에서 각 공정에 작업지시를 내리는 명령 프로그램이 자동화시스템의 3가지 기본 요소 중 첫 번째 요소이다. 간단한 명령 프로그램의 예로는 가열로의 온도를 일정하게 유지하며 이루어지는 열처리 공정을 들 수 있다. 자동화시스템의 두 번째 구성요소는 동력을 들 수 있다.

 

요즘에는 경제성 및 편리성 때문에 전기가 가장 많이 쓰이는데 제조공정 자체를 가동하거나 공정으로부터 데이터를 수집하거나 정보를 처리하기 위한 제어기(controller)에도 동력이 필요하다. 마지막으로 자동화시스템의 세 번째 구성요소는 제어시스템이다. 명령 프로그램을 수행하여 그 공정에 정의된 기능을 달성하게 한다.
 

 

기계장치(mechanism)

자동화와 공정제어를 실현하기 위해서는 데이터를 수집하고 공정을 작동시키기 위해 필요한 신호를 내보내는 메커니즘을 구성해야 한다. 공정변수를 측정하기 위한 센서(Sensor) 혹은 전송기(Transducer)나 공정 파라미터를 가동하기 위한 스위치나 모터 같은 전기전자장치(액추에이터)가 사용된다.

 

센서는 측정한 공정변수를 제어기가 인식할 수 있도록 정해진 직선성을 갖는 아날로그 신호(전압, 전류, 저항값)로 변환하여 제어기로 전송하게 된다. 측정하고자 하는 제어 대상체의 공정변수로는 온도(Temperature), 습도(Humidity), 압력(Pressure), 유량(Flow), 레벨(Level) 등이 있다.
 

 

제어기(Controller)

제어대상인 기계장치를 제어하는 데 사용되는 마이크로프로세스이다. 제어기, 지시경보계(Indicator), 기록계(Recorder), 데이터로거(DataLogger) 등이 복합적으로 사용된다. 1차적으로 이상적인 공정제어를 목표로 제어기가 제어 기능을 수행하고 이외의 기기들은 공정제어가 제대로 수행되고 있는지를 감시(지시경보계)하고 기록(기록계)하며 데이터를 저장(데이터로거)한다.

 

제어기의 입력부는 변환기로부터 전송받은 아날로그 신호를 샘플링하여 공정변수의 현재값을 표시·측정하게 된다. 측정 입력부에서 가장 중요한 역할을 하는 전용 IC가 아날로그/ 디지털 변환기(A/D 컨버터)이다.
 

 

인터페이스

기계장치(mechanism)와 제어기(controller)를 연결해 주는 과정으로, 전체적인 기계장치 구성 후에 제어기인 전기전자장치와 대화, 즉 제어가 될 수 있도록 연결해 주는 것을 말한다. 현장 내의 공정변수 정보를 확인하고 일괄연동제어(HMI, PLC를 통한)를 목적으로 통신기반을 채택하여 관리하고 있다.

 

종래에는 주고 시리얼통신(RS-232C, RS422, RS485)이 사용되었다. 시리얼통신의 경우 제약된 조건의 로컬지역에서만 활용이 가능하여 원거리 원격에서의 모니터링에 어려운 단점이 있었다. 이를 극복하고자 고속의 필드버스와 산업용 이더넷을 탑재한 제품들이 출시되고 있다.
 

 

제어기술

자동화시스템을 사용자가 원하는 응답을 얻을 수 있도록 해주는 제어알고리즘을 말하며, 크게 시퀀스제어와 피드백제어로 구분할 수 있다. 시퀀스제어는 미리 정해진 순서에 따라 동작시키는 것을 의미하고 피드백제어는 물리량(제어량)의 값을 목표치에 일치시키는 것을 의미한다. 

 

시퀀스제어

시퀀스제어(open loop control system)는 프로그램제어와 조건제어로 나눌 수 있다. 조건제어는 자동화 기계의 위험방지 조건이나 불량품처리 및 엘리베이터처럼 압력조건에 대응된 여러 가지 패턴을 실행한다. 프로그램제어는 다시 검출기의 유무에 따라 순서제어와 시한제어로 구분된다. 순서제어는 미리 정해진 순서에 따라 제어의 각 단계를 진행해 나가는 제어이다.

 

컨베이어 장치나 전용 공작기계 및 자동조립기계 등은 순서제어의 사용 예인데, 각 동작의 완료 여부를 검출기를 통하여 확인하고 다음 단계를 진행한다. 이에 비해 검출기를 사용하지 않고 시간의 경과에 따라 작업의 각 단계를 진행해 나가는 시한제어가 있는데, 세탁기 제어와 교통 신호기 제어, 네온사인의 점등  및 소등 제어가 대표적인 실용 예이다. 

<시퀀스제어의 특징>
■ 개(開) 루프 제어(open loop control)
■ 이산 정보(discrete information)
■ 디지털 정보(digital information)

 

피드백제어

피드백제어는 힘, 토크, 속도, 위치, 열량, 온도, 전자력, 광량 등의 물리량이 명령치 와 같은 값이 되도록 명령치 와 실제치를 항상 비교하여 제어한다. 프로세스 공업 등에서 유체와 같은 물리량을 제어하는 데 효과적인 제어이다.

<피드백제어의 특징>
■ 폐(閉) 루프 제어(closed feedback control)
■ 연속 정보(continuous information)
■ 아날로그 정보(analog information)

 
제어신호의 성분에 따라 전기적 신호와 유체 신호로 구분하기도 한다. 전기적인 신호를 사용하는 방식에도 릴레이, 타이머, 카운터 등을 제어기기로 사용하는 유접점 방식과 다이오드, 트랜지스터, 집적회로 등의 반도체 스위칭 소자를 제어기기로 사용하는 무접점 방식, 그리고 micro processor를 사용하여 프로그램이 가능한 구조의 PLC(programmable Logic Controller) 방식이 있다.

 

자동화 기술은 개별 설비에 필요한 제어기술뿐만 아니라 개별 설비들의 자동화를 유기적으로 연결하는 시스템으로 발전해가고 있다. 즉 CAD/ CAM, NC 공작기계, 산업용 로봇, 자동창고, 무인방송 장치로 대표되는 각 생산체제를 통합하여 실시간 데이터 감지 또는 수집, 고성능 컴퓨터 분석, 그리고 첨단 모델링 및 시뮬레이션을 포함하는 스마트매뉴팩처링 환경으로 빠르게 진화하고 있다.