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제목 [자동화] 피딩 장비의 완건성(robustness) 점검 방법
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2020/07/01 10:22

자동화

피딩 장비의 완건성 점검 방법

고급 피더 컨트롤러 및 로드 셀 기술은 피더 성능뿐만 아니라 전체 프로세스의 성능을 향상시키는 역할을 한다. 때문에 가공 환경의 영향에 신속하게 반응하는 피더에 대한 투자는 보다 강력한 공급 시스템이 요구된다. 피딩 시스템의 안정적이고 더욱 스마트한 성능을 보장하기 위해 고려해야 할 요소들을 살펴본다.

 

오늘날, 최신 제조 공정은 건조한 벌크 고형원료 공급을 위해 자동화된 디스펜싱 기술로 중량감소식(loss-in-weight, LIW) 피더를 활용하고 있다. 가장 최근에 개발된 피딩 기술은 공정 완건성(robustness)과 지능성에 중점을 두고 향상된 제어 및 설계상의 기능을 구현해내며 여러 면으로 발전해 왔다.

피더 컨트롤러는 현장 네트워크 및 주요 가공 데이터에 쉽게 연결할 수 있어야 한다. 이는 피더 자체 성능뿐 아니라 완전한 가공이 이루어지고 있는가를 실시간으로 정확히 나타내 주고 있는지 여부를 평가하는 데 있어 중요한 기준이 되고 있다.

본 컬럼에서는 가공업체에서 현재 사용하고 있는 피딩 장비를 평가하고, 피더 가공상의 변동을 모니터링해 그 흐름을 파악하고, 이에 대해 적절히 대응할 수 있는가 여부를 점검하기 위해 고려해야 할 사항들을 다룰 예정이다. 이 같은 데이터 확보 및 데이터에 대해 인더스트리 4.0 자동화에 따른 관리가 이루어져야 사용자는 보다 차원있는 이력추적, 유연성, 적응성 및 전반적 효율성을 비롯해 앞으로 일어날 수 있는 제조업의 여러가지 요구들에 부응할 수 있다.

 

중량감소식 피더의 작동 방식

피더가 작동 중일 때 배출 장치는 피드 호퍼에서 원료를 끌어와 계량해 다운스트림 공정으로 내려 보낸다. 중량감지 장치는 호퍼 내 원료중량(순 중량)을 컨트롤러에 지속적으로 보고한다. 이때 컨트롤러는 순 중량의 감소를 기준으로 삼아 실제 피딩 속도를 계산하고, 이를 설정값과 비교해 배출장치의 구동장치 속도를 증가 또는 감소시켜 원료 순 중량의 변화(호퍼 내 원료 감소)를 가속화 또는 완만하게 조정해 실제 원료 피딩속도가 설정값과 일치하도록 한다.

피딩 작용의 뜻하지 않은 중단을 방지하기 위해 컨트롤러는 주기적으로 리필장치에 명령을 내려 피드 호퍼에 원료를 리필 하도록 한다. 짧은 시간안에 매번 리필 사이클마다 호퍼에서 순 중량 신호가 증가하게 되는데, 이를 제어 신호로 사용해 가공에 투입되는 원료 양을 결정할 수 없다.

이를 보완한 중량감소식 피더는 리필 중에는 일시적으로 체적측정 모드로 작동한다. 피더 컨트롤러는 가공에서 사용되는 모든 피더와 기타 장비를 모니터링하는 감시역할의 공정제어 시스템에 통합시킬 수 있다. 아래에서 살펴볼 내용은 중량감소식 피더에서 수집한 데이터가 가공 상의 문제를 조기에 감지해 성형품 품질을 유지하고, 가공 시작 전 설정값 오류를 찾아내는 데 어떻게 도움이 되는지를 설명하려 한다.

 

피더 작동성능의 흐름을 파악해 생산성 향상

중량감소식 피더의 실시간 가공 데이터 수집 능력은 가공 상의 작은 문제를 큰 문제가 되기 전에 파악하는 데 도움이 된다. 오늘날, 첨단 컨트롤러는 기본 제공 이더넷 및 옵션 와이파이 모듈을 포함해 다양한 프로토콜을 통해 통신을 지원한다.

 저장용량이 큰 최신 컨트롤러는 장기간의 가공 이력 데이터 기록을 저장할 수 있다. 이 데이터에는 피더의 피딩속도, 원료중량 및 구동장치 속도와 피딩 속도의 관계(이를 ‘피드 계수-feed factor라 한다) 등이 포함된다. 이 같은 데이터를 나타내는 그래프는 그림 2에서 보는 바와 같고, 피더의 작동성능 흐름을 파악할 때 필요한 주요 파라미터는 아래와 같다.

 

피딩 속도:

피딩 속도(질량 유량-mass flow라고도 함)는 피더 컨트롤러가 제공하는 가장 중요한 데이터다. 설정값과 실제 피딩속도 간의 편차는 궁극적으로 좋은 성형품이될지 아니면 불량품이 될지 여부를 결정한다. 일반적으로 피딩 속도는 그림 2(상단 그래프)에서 보는 바와 같이 설정값에서 크게 벗어나지 않아야 하며, 편차가 발생해도 설정값을 중심으로 움직여야 한다.

피딩속도가 일관되게 너무 높거나 너무 낮은 경우는 피더 컨트롤러 구성이 잘못됐거나 더 나쁜 경우로, 사용하고 있는 중량감소식 피더가 원료에 맞지 않게 설정되었을 수 있다. 피딩속도 상의 오류를 발견하지 못하거나 제대로 바로잡지 않으면 규격에 맞지 않는 성형품이 계속 생산돼 귀중한 원료를 낭비하는 상황을 초래할 수 있다. 이러한 문제는 피더 컨트롤러에 속도 제한 알람을 설정하고, 피딩속도 흐름을 그래프화 하면 문제가 심각해지기 전에 문제를 찾아내고 바로잡을 수 있다.

피더가 감지한 순 중량은 피더 컨트롤러에서 작업자가 설정한 피딩속도 달성을 위해 배출 장치의 구동장치 속도조절 수위를 결정한다. 하지만 많은 사용자들이 피더의 순 중량 변화 흐름을 관찰하고 그래프로 만드는 작업을 통해서 수집할 수 있는 데이터의 중요성을 간과한다.

그림 2의 가운데 그래프는 피딩이 진행되는 동안 순 중량 변동 관찰을 통해 발견해낸 문제를 보여준다. 즉, 약 700초간 피딩이 진행 된 후, 한 회의 리필 사이클이 불완전하게 이루어져 호퍼를 충분히 채우지 못한 경우다. 이는 리필 장비나 업스트림에서 원료 취급에 문제가 있어서일 가능성이 크다.

이 중량감소식 피더는 계속 정상적으로 작동하고 피딩을 수행했지만, 이같은 불완전 리필 사이클은 심각한 문제를 초래할 수 있다. 피더가 리필 중에 일시적으로 체적측정 모드에서 작동하면, 불완전 리필 사이클이 발생돼 피드 호퍼 리필을 더 자주 해줘야 하기 때문에, 피더가 체적측정 모드에서 작동하는 시간이 훨씬 더 길어지게 된다. 그렇게 되면 피더가 실제로는 중량감소식으로 측정하지 못하고 체적측정식으로만 반응하게 된다.

이때 피더가 체적층적식으로 가동되면 단위 시간당 특정 체적의 원료를 공급하게 된다. 즉, 원료 밀도의 변화, 래트홀(rat hole) 발생, 또는 원료 내 브릿지(bridge) 형성 등 피더 호퍼에서 발생하는 동적인 변화를 반영하지 못하게 된다. 이러한 변화들은 피딩속도 정확성에 심각한 저하를 초래한다. 이때 중량감소식 피더가 제공하는 정보를 활용하면 업스트림에서 원료 취급 상의 이같은 문제들을 찾아내 이것이 성형품 품질에 영향을 주지 않도록 할 수 있다.

한 가지 방법은 주어진 순 중량 및 설정값에 알맞는 적절한 구동장치 속도 정보를 저장해 둠으로써 리필 과정에서 피딩속도가 부정확해지는 것을 방지할 수 있는 피더 컨트롤러를 선택하는 것이다. 이렇게 하면 컨트롤러가 과거 순 중량 측정값에서 힌트를 얻어 리필 과정 중 피딩을 정확하게 제어할 수 있다.

 

피드 계수:

컨트롤러는 피더의 구동 속도 그리고 배출장치 및 원료에 따른 원료 피딩속도 간의 관계를 추정해내는 역할을 해야한다. 구동장치 속도와 피딩속도 사이의 이 관계는 피더의 체적측정식 피딩 용량을 잴 수 있는 실제 척도로서, 피드 계수(feed factor)라고 하며, 그림 2의 하단 그래프에 잘 나타나 있다.

중량감소식 피더의 설정값은 피더가 설정값을 지속적으로 유지할 수 있도록 예상 최대 피딩속도에 약간 못 미쳐야 한다. 최대 설정값이 피더가 도달할 수 있는 상한치와 같거나 또는 너무 가까워지면 피더가 설정값에 도달하지 못할 수 있다.

어떤 사용자들은 피드 계수를 자신들이 선택한 피더의 풀스케일 용량이 충분한지를 확인하기 위한 수단정도로 생각한다. 그러나, 피딩 과정에서 실시간으로 업데이트 되는 피드 계수를 알면 피딩 상의 문제점을 초기에 일찍 찾아낼 수 있고, 피딩속도의 부정확 정도가 커지기 전에 미리 방지할 수 있다. 또한 리필 과정에서 적절한 피딩속도를 유지하는 데 도움이 된다.

피딩 진행 과정에서 원료 특성 및 운전 조건이 달라질 수 있으므로, 피더가 작동되는 동안 피드 계수는 약간씩 달라지게 된다. 하지만 그 흐름의 변화가 크다면, 원료 밀도 변화 및 기타 문제가 있음을 나타내는 것일 수 있다.

예를 들어 중량감소식 피더에 원료 리필 후 예상 최대 피딩 속도가 갑자기 올라간다면, 습도 또는 기타 오염으로 인해 원료 밀도가 변경될 수 있다. 스크류 배출 장치를 장착한 중량감소식 피더의 공급 계수가 시간이 지나면서 꾸준히 감소하는 반면, 적절한 피딩 속도 유지를 위해 구동장치의 힘이 증가한다면, 원료가 스크류 위에 쌓여 피더 효율이 저하될 수도 있다. 이는 피더의 청소가 필요하거나 예방 정비를 받아야 함을 나타낸다.

 

신뢰성 향상

모든 중량감소식 가공 컨트롤러는 특히 매 초 단위로 최적의 피더 제어 및 성능을 제공하기 위해서 원료 중량 변화를 정확하고 빠르게 측정해야 한다. 또한 중량측정 시스템은 공장 내 진동이나 교란으로 인한 잘못된 측정을 필터링 해내고 가공 원료 온도 또는 작업장 내 주변 온도 변화에 대해 안정을 유지할 수 있어야 한다. 측정 대상 부하와 진동 따위로 유발된 힘을 구별해내기 위해 정교한 디지털 필터링을 채용해 공장 내 진동 특징인 주파수 요소를 식별하고 추출해내는 것이 필요할 수 있다.

일반적으로 중량감소식 피더는 아날로그 스트레인 게이지와 디지털 진동 와이어 두 가지 중량측정 기술이 있다. 중량 측정의 분해력이 높고 중량 측정이 빠를수록, 제어 알고리즘에 제공되는 정보가 더 정확하고 진동 필터링 알고리즘 작동이 원활하다. 예를 들어, 오늘날의 로드셀(그림 3) 및 컨트롤러 기술은 초 당 최대 50배(그림 4)의 중량 신호를 샘플링할 수 있는 고분해능을 지니고 있다. 또한 거의 모든 중량측정 시스템이 온도 보정 기능을 제공하고 있다.

오늘날의 로드셀 및 컨트롤러 기술은 고분해능 및 최대 초당 50회의 중량 신호 샘플링 기능을 제공한다.

 

로드셀 분해능

필요한 샘플 시간이 분이 아닌 초 단위로 측정되면 피더의 계량 시스템 분해능은 잠재력의 주요 결정 요인이 된다. 예를 들어, 낮은 질량 유량으로 벌크 원료를 공급하기 위한 아날로그 로드셀의 계량범위가 32kg이고 분해능이 1:65,000이라면 이 중량계는 약 500mg 중량 변화를 감지 할 수 있다. 일반적으로 초당 중량 변화는 2.5g/sec(9kg/hr)에 해당하는 최소 분해능보다 약 5배 높아야 한다.

이 속도로 이송 할 때 컨트롤러가 ±1% 편차 내에서 설정값에 도달했는지 여부를 감지하는 데 20초가 걸린다. 질량 유량이 9kg/hr 미만이면 중량 제어에 비해 중량 제어 개선을 감지하기가 훨씬 더 어려워진다. 따라서 9kg/hr 미만의 질량 유량은 중량 제어로 크게 개선되지 않을 수도 있다.

반대로, 계량 범위가 24kg이고 분해능이 1:4백만인 디지털 로드셀 플랫폼 스케일은 실제로 6mg 무게 변화를 감지할 수 있다. 그러므로 한계 값은 9kg/hr에서 대략 108gm/hr로 감소 될 수 있다. 따라서 높은 또는 낮은 질량 유량에서 짧은 시간에 최고 수준의 피더 성능을 필요로 하는 모든 프로세서라면 계량 분해능이 잠재적 피딩 기술 평가에서 주요 초점이 돼야 한다.

 

견고성 향상

가공 측정뿐만 아니라 가공 측정 개선에 도움이 되는 제어 및 로드셀 옵션 외에도 외부 압력의 악영향을 보조하고 재료 흐름을 돕기 위한 진동을 활용하는 데 도움이 되는 LIW 피더 기술에 대한 제어 옵션도 있다. 예를 들어 외부 압력에서 피더의 보충주기는 재료가 갑자기 유입되면 호퍼에 공기 압력을 증가시킬 수 있다.

공기압 양은 모든 면에 똑같이 작용하며 호퍼 뚜껑과 리필 밸브를 밀어 올린다. 입구 개방으로 인해, 뚜껑 위쪽으로 작용하는 힘은 호퍼의 바닥 반대쪽으로 작용하는 힘보다 낮다. 따라서 아래로 작용하는 힘이 클수록 중량 신호가 증가한다. (LIW는 제어기가 증가한 중량 신호를 해석해 질량 흐름이 느려지고 공급기 출력을 잘못 증가시켜 질량 흐름의 오류가 발생하는 반응을 말한다).

호퍼 압력 문제는 막힌 벤트 필터, 호퍼 벤트에 연결된 집진 시스템 또는 호퍼에 적용된 질소 블랭킷과 같은 다른 원인이 있을 수 있다. 반대로, 배출구가 캡으로 밀봉돼 있거나 막힌 벤트 필터를 포함하는 경우 공급기 배출 시 압력 변동으로 인해 공급기의 중량 신호가 왜곡된다. 배출 튜브의 압력이 증가하면 위쪽으로 밀면서 피더는 올라가고 측정된 무게는 줄어 들게 된다.

일반적으로 이러한 귀찮은 압력 변동은 기계적 방법으로 해결할 수 있다. 대안으로는 계측 및 제어 알고리즘에서 그림 5에 표시된 것과 같은 압력 영향을 정기적으로 모니터링을 통해 적용하는 방법도 있다. 피드 호퍼 및 제품 배출구의 압력 센서 기술을 사용해 피더에서 발생한 내용을 정확하게 평가해 출력을 변경할 수 있다.

피드 호퍼와 제품 배출구 모두에 압력센서 기술을 사용하면 피더에서 발생한 내용을 정확하게 평가해 출력을 변경할 수 있다. 제어 시스템에서 압력을 보완하는 알고리즘을 사용하면 압력 변화를 식별할 수 있으며 벌크 재료 중량 변화를 더 이상 잘못 해석하지 않게 된다. 따라서, 전송된 데이터는 중량 공급장치 제어가 질량 흐름을 정확하게 조절할 수 있게 한다.

 

유동성이 낮은 재료에 진동 사용

LIW 피더의 경우 제어 시스템이 진동을 필터링 할 수 없는 경우 피드 호퍼에 표준 진동기 사용을 포함한 외부 진동이 LIW 신호에 관여할 수 있다. 또는 호퍼에 가해지는 진동을 활용해 웨이트 시스템 제어장치에 직접 연결된 외부 드라이브를 포함하는 몇 가지 새로운 제어 기술이 있다.(그림 6 참조)

이 드라이브는 중량으로 불균일한 재료 흐름을 감지하는 계량 및 제어 시스템에 따라 가변 주파수 및 진폭으로 작동한다. 이 장치는 실시간 래트 홀이나 재료 브리지 경우와 같이 LIW 신호에 혼란이 있는 경우에만 외부 진동을 활성화한다. 이러한 유형의 ‘스마트 한’진동 장치는 자체 튜닝 기능으로 컨트롤러가 호퍼 충전 레벨 또는 재료 흐름의 변화를 보완하기 위해 주파수 및 진폭을 조정해 브리지 또는 래트 홀(bridges or ratholes)이 형성되기 전에 방지한다.

오늘날, 고급 피더 컨트롤러 및 로드셀 기술은 피더 성능뿐만 아니라 전체 프로세스의 성능을 향상시키는 역할을 한다. 프로세서는 이러한 기능을 사용해 계획되지 않은 가동 중지 시간을 예측 및 방지하는 동시에 피더 효율성 및 유지 관리 요구 사항을 최적화 할 수 있다.

LIW 피더를 평가할 때는 로드 셀과 제어 시스템의 반응성 및 제어 업그레이드를 위한 모든 옵션과 전체 연결에 세심한 주의를 기울여야 한다. 또한 공정 매개 변수의 경향을 나타낼 뿐만 아니라 가공 환경의 영향에 신속하게 반응하는 피더에 대한 투자도 보다 강력한 공급 시스템이 돼야 한다.

이 컬럼을 쓴 저자 John Winski는 뉴저지 주 Sewell에위치한 Coperion K-Tron에서 공압 이송 및 엔지니어링 시스템의 미주 지역 판매를 담당하고 있다. Coperion K-Tron에서 32년 동안 경력을 쌓았으며 서비스 엔지니어, 프로젝트 엔지니어 및 지역 영업 관리 직책을 맡고 있다. 그는 Temple University에서 전자공학기술을 전공했다.

연락처 : jwinski@coperionktron.com; coperion.com.

 

 

 

Loss in Weight Feeders

https://youtu.be/T6DzpnmjymY

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