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제조 업체들은 지속 가능성 이니셔티브를 지원하고 경제성을 향상하는 기계 설계에 더욱 집중하고 있다. 안전성을 높이고, 낭비를 최소화하고, 에너지를 절약하고 투자 대비 소득을 최대화하는 기계야말로 지속가능한 생산 프로그램의 성공을 위해 절대적이다. 이러한 기계를 제작하는데는 운전 효율성, 안전성, 기능성, 생산성 재료 사용, 운전 용이성 및 유지 보수성을 분석하는 포괄적인 접근이 필요하다.
기계 제조업체들은 다음 10가지 설계 원칙을 준수함으로써 비용 효율적이고 지속 가능한 기계를 제작할 수 있다.
1) 중요하지 않은 기계적 구동 부품은 제거하라
부품 수가 적은 단순화한 기계 설계는 보다 효율적으로 가동되며, 제작하는데 비용도 적게 든다. 체인, 랙, 피니언 그리고 웜 드라이브 등으로 구성된 종전의 기계적 동력 전달 및 액추에이터 기술은 보다 효율적인 설계로 바뀌고 있으며. 이들 구형 장치는 경년에 따라 마모되는 부품을 사용하므로 윤활과 장력 조정 등 빈번한 유지 보수를 요합니다.
기계 제조자는 라인 샤프트, 비용이 많이 드는 유공압 장치와 같은 불필요한 부품들을 없애는데 도움을 주는 세련된 성능 및 시뮬레이션 소프트웨어에 점점 더 의존하고 있다. 이러한 메카트로닉스 도구로, 기술자들은 에너지 사용을 분석하고 가상 프로토 타입을 만들고 기계 성능을 최대화하는 최선의 기계 설계를 선택한다. 이러한 접근으로 에너지 소비와 유지보수 비용을 최소화하고, 가동시간과 신뢰성을 향상할 수 있다. 이렇게 함으로써 기계의 사용수명 동안의 총 유지비용을 최소화할 수 있다.
기계 제조자는 기계의 효율을 향상시키기 위해 직접 구동 기술을 적용할 수도 있다. 이 기술을 적용하면 신뢰성과 에너지 효율성 및 정확성이 높은 기계를 만들 수 있어 유지비용을 낮출 수 있다. Rockwell Automation 사의 경우를 예를 들면, 모터 웜기어 박스를 직접 구동 서보모터로 교체함으로써 기계 효율을 29%에서 98%로 향상시킬 수 있었다고 한다. 직접 구동 기술을 적용하여 실현된 효율 향상으로 설계자들은 보다 적은 서보 드라이브를 사용할 수 있게 되어 사용되는 에너지도 절감할 수 있게 되었다.
2) 필수적인 기계 부품 수를 최소화하라
필수적이 아닌 부품은 무두 제거한 후에 다음 단계는 남은 모든 필수 부품들의 수를 최소화하는 것이다. 최신 스트레스 및 스트레인 분석 기법을 사용하여 기계의 기계적 성능곡선을 시험할 수 있는 능력을 포함하여 다양한 분석, 모델링 및 개발툴을 사용할 수 있으면 이 과제는 실현이 용이해 진다. 이렇게 되면 설계자들은 (철이 아닌) 보다 가볍고 에너지 효율이 높은 잠재력 있는 대체 물질을 평가할 수 있게 된다.
이 설계 기법은 항공산업에서 많이 이용되고 있는데, 강도를 희생하지 않고도 구조 부품들의 하중을 최소화할 수 있다. 동시에 보다 복잡한 모양의 구조재로 기계 제조자는 3_D CAD, 유한 요소 분석 툴과 향상된 조립기계를 채용하여 구조재의 윤곽을 형상화하고 가공할 수 있다.
3) 유압을 전기 작동으로 바꾸라
기계 제조자들은 가능하다면 유압이나 공압 시스템보다는 전기 작동 시스템을 사용하는 방향으로 기계를 설계해야 한다. 유압이나 공압 솔루션은 초기 구매 비용이 조금 적게 들지는 몰라도 통상 고비용의 작동유 리사이클과 에너지 비용과 같은 숨어있는 비용이 들어간다.
특히 공기압 시스템은 공장의 노이즈 수위를 심각하게 높여 청각 위험을 높이고 작업자들의 평안을 해친다. 어떤 경우든 전기 작동을 도입하게 되면 최종 유저들이 공압 공기 누설과 관련한 심각한 에너지 손실을 회피할 수 있다. 최종 수요자들은 점점 제조 시에 에너지 효율을 추구하므로, 새로운 고성능 전기 실린더는 이상적인 선택지가 되고 있다.
전기실린더는 고속과 고정확도, 반복성, 신뢰성을 결합하며, 최근의 전기 실린더 기술이 진전되면서 다양성도 향상되었다. 더욱이 모듈식 디자인이 가능해져서 광범위한 기계들에 적용할 수 있다. 전기 실린더의 제어는 간단한 인덱서에서 복잡한 프로그래머블 다축 모션 컨트롤러에 이르기까지 다양하며, 설계자들은 선택폭이 그만큼 넓어졌고 각 솔루션의 비용과 장점을 잘 저울질 할 수 있게 되었다.
4) 제어 시스템 설계 전에, 기계 설계 후의 안전을 미리 점검을 실시하라
제어 시스템 설계 전에 안전 점검을 수행하면 엔지니어들은 효과적인 안전 솔루션을 위한 경로를 그릴 수 있고, 개발 프로세스 초기에 리스크를 평가하고 조사할 수 있다. 이렇게 되면 결정적인 시간을 절약하고 기계 제조자가 장비를 출시하는 기간을 앞당길 수 있다. 더욱이 기계의 최종 유저들은 기계류와 프로세스를 가장 효율적인 방법으로 운전할 수 있게 하는 자동화 시스템 덕분에 최적화한 생산의 이점을 가지게 된다. 안전 점검은 필요한 안전 제어 시스템 통합 수위를 확인하고 최적 안전 수준을 달성하기 위한 전체 제어 아키텍처를 선택함에 있어 지침이 된다.
5) 작동하고 있는 기계 부분(parts)에는 접근을 방어하거나 통제하라
설계를 통해 위험요인을 제거할 수 없는 곳에서는 기계 설치자들은 통상 고정된 물리적 장벽을 설치하여 사용자를 보호한다. 위험지역에 자주 들락거려야 하는 경우에는 이동식 회전 또는 여닫이 문과 같은 고정되지 않은 보호벽이 사용된다. 비고정식 보호벽 사용이 실용적이지 못한 곳에서는 문보다는 오퍼레이터의 존재 유무를 모니터링 하는 보호 솔루션이 사용될 수 있다.
릴레이와 다른 장치들이 효과적인 것으로 판단되면 많은 경우에서 안전 컨트롤러를 통해 가장 알맞은 프로그래밍 수위나 정교한 안전 로직이 요구된다. 안전 컨트롤러는 릴레이의 하드 와이어드 로직보다는 소프트웨어를 통해 필요한 로직을 제공하므로, 이송라인에 사용하는 것과 같이 다중 스텝 차폐나 하강 시컨스(ramp-down sequence)에서 커다란 이점을 제공한다. 통합된 안전 컨트롤러는 영역 제어(zone control)와 같은 진전된 기능성을 요구하는 용도에서는 이상적인 솔루션인 것이다.
올바로 설계된 안전 컨트롤과 보호장치로 설계자들은 접근시간을 줄여줌으로써 기계 제조자들이 더욱 안전하고 효율적으로 기계를 제작할 수 있게 된다.
6) 통합 안전 시스템을 사용하여 제어 시스템의 복잡성을 줄여라
많은 설계자들이 한 시스템의 표준 및 안전 제어 기능을 통합함에 따라, 장치의 중복을 줄이고, 생산성과 경제성을 향상시킬 수 있는 기회는 많아졌다. 이와 같은 통합된 제어 기능은 공장에서 전용 부품 사용을 줄여줌으로써 유지보수팀의 훈련 필요성은 물론 재고품의 수도 줄였다. 최종 사용자도 기계의 라이프사이클 동안 유지 및 대체할 부품 수가 줄었고 따라서 폐기물도 줄었다. 더욱이 통합 제어 시스템은 기계 작동과 상태에 관해 폭넓은 지능을 가지게 되었으며 따라서 번거로운 셧다운과 지루하게 늘어지는 재시동이 줄어들었으며, 기계의 효율과 생산성은 더욱 향상되었다.
새로운 안전 속도 제어 솔루션은 효과적인 제어 통합성의 좋은 예가 될 수 있다. 안전 속도 제어로 보호 잠금 스위치(guard-locking switch), 광 커튼 및 비상정지와 같은 안전 입력 장치들은 제어 솔루션의 속도 검사 코어에 직접 연결된다. 안전 속도 제어 솔루션은 다양한 플랫폼에서 사용할 수 있게 되면서 조작자는 기계가 운전 중일 때에도 유지보수작업을 수행할 수 있으므로 전체 시스템 비용을 줄이고 유연성을 향상시키는데 도움이 된다. 안전 속도 제어는 기계 가동을 중단했다가 다시 재시동을 할 필요가 없으므로 가동시간을 늘리고 에너지 비용을 줄이는데 도움이 된다.
네트워킹은 안전과 표준 제어를 통합하는 또 다른 방식을 제공한다. 플랜트에 네트워크를 도입함으로써 제조자는 생산성 향상, 와이어링 및 설치비 절약, 진단 향상, 플랜트 상의 데이터 접근 용이성 등 많은 이점을 얻을 수 있다. 안전 정보를 포함하는 데에 기존 네트워크를 사용하면 하나의 표준 네트워크상에 있는 전체 자동화 공정과 다른 하드웨어 및 와이어링 세트와의 통신이 끊김이 없이 지속적으로 진행되므로 장점이 확대된다.
7) 분산제어 및 인터페이스 장치는 바로 사용 지점에 두어라
전통적으로 일부 제어 부품들은 기계상에 설치되었지만, 기술이 발전함에 따라 전체 제어 시스템을 응용 지점에 보다 가깝게 장치할 수 있게 되었다. 컨트롤러, 모터 스타터, 드라이브, 센서, 컨택터, 네트워크 미디어, 배전함, I/O 및 HMI 장치 등 표준 자동화 부품들은 해당 기계 자체에 설치하여 사용할 수 있게 설계되고 있다.
on-machine 접근으로 기계 제조자들은 설계 및 설치 시간, 시스템을 조립하는데 필요한 노동 비용을 줄인다. 이로써 연결해야 하는 전선과 수작업으로 조립해야 할 연결 부분이 적기 때문에 기계 설치과정에서의 오류를 줄이는데 도움이 된다. 사실 일부 기계 제조자들은 총 기계 해체 및 재설치 시간이 50% 이상 줄어들었다고 한다. 최종 유저의 경우 on-machine 제어의 콤팩트성으로 플랜트의 바닥 공간과 오버헤드가 크게 줄었고, 에너지와 자원 절약에 도움이 된 것으로 나타났다.
8) 모듈식 코드를 개발하라
복잡성의 수준에 따라 어떤 경우에는 프로그래밍에만 제어 시스템 설계 예산의 최대 80%가 들어간다. 따라서 제조자들은 경쟁력을 가지기 위해 개발 및 설치 시간을 줄일 수 있는 표준 툴과 모듈식 프로그래밍 개념을 채용한다.
통합된 모듈식 설계 방식으로 응용 개발에 접근하게 되면 코드 모듈을 생성하고 재사용할 수 있게 된다. 이것은 표준화된 프로그래밍 방법과 ISA-88과 같은 모델을 바탕으로 하고 있기 때문이다. 프로세스 전반에 걸쳐 같은 사양 문서를 사용함으로써 엔지니어링 시간을 크게 줄이고 기계설계의 질과 일관성을 향상시키는데 도움이 된다.
더욱이 개념에서 코딩까지 같은 프로그램 구조를 가지게 되면 유지보수와 트러블 슈팅을 단순화하는데 도움이 된다. 정보는 일관되며 기술자가 그 정보가 있을 것으로 기대하는 곳에 정확히 있다. 트러블슈팅 프로세스의 단순화는 보다 높은 가공시간과 비용 절약과 연결된다. 더구나 프로그램들이 같은 모양과 느낌을 가질 때 고객을 보다 짧은 시간에 쉽게 교육할 수 있게 되고, 문제 해결을 더욱 직관적으로 해 낼수 있다.
9) 진단을 더욱 잘 활용하라
지능을 모으는 장치를 재설계나 재 툴링하지 않고 기계에 내장시킬 수 있게 되면서 기계 제조자는 고객에게 고장을 예측하고 방지하는 자기 진단 장치를 제공할 수 있게 되었고, 이에 의해 생산성을 높이고 정비 비용을 줄일 수 있게 되었다. 더욱이 이 기술 덕분에 기계의 상태에 대한 정보는 제조자에게 전달되어 기존의 자원을 희생하거나 이윤을 줄이지 않고도 부가가치가 있는 감시 및 분석 서비스가 가능해진다.
엔드 유저의 관점에서 유지보수 기능을 기계 제조자에게 부담시키는 것은 훌륭한 선택이다. 이렇게 되면 기계성능을 높일 수 있고, 자본 투자를 최대화하며 내부 자원을 보다 비용효율적으로 사용할 수 있다.
이더넷/IP 연결성으로 설계된 기계들은 원격 트러블슈팅이 가능하고 따라서 엔드유저에게 향상된 진단 이점을 제공한다. 원거리에서 원격으로 장치를 감시할 수 있으면 정비공이 기계가 있는 곳까지 갈 필요가 없어 이동시간과 비용은 물론 연료 사용과 이와 관련된 배출가스를 줄일 수 있다.
10) IT 연결성을 기계에 디자인하라
엔드유저의 IT 인프라에 연결할 수 있는 정보능력을 갖춘 기계를 제조하면 엔드유저는 에너지 효율과 전체적인 장비 효용성(overall equipment effectiveness, OEE)을 가질 수 있다. 이 통찰은 또 플랜트 관리자가 폐기물을 줄이고 생산성을 최적화하는데 도움을 준다.
기계의 IT 연결성은 또한 기계의 track-and trace 능력을 최대화할 수 있다. 진전된 정보 소프트웨어를 사용, 제조자는 언제 어디서 자원이 사용되었는지를 확인하는 과정의 각각의 단계에서 관련된 데이터를 추적하고 기록한다. 이 시각화로 엔드유저들은 폐기물 감축 및 다른 향상 프로그램을 위한 풍부한 데이터를 얻게 된다. 더욱이 이들 시스템은 전체 관리 사슬을 통해 제품의 족보를 추적하는 과정을 자동화하는데 도움이 된다. 그렇게 함으로써 이들 시스템은 기업들이 규정, 서류가 필요한 데이터를 준수하고, 제품이 시장에 나오기 전에 잠재적인 제품의 품질 이슈들을 확인하며, 필요하면 보다 빠르고 효율적으로 리콜에 반응하는데 도움이 된다.
결론: 기술의 진보와 베스트 프랙티스 덕분에 기계 제조자들은 기업들이 지속가능한 생산 프랙티스를 구현하는데에 있어 중요한 역할을 할 수 있다. 위 에서 기술한 코어 설계 원칙을 따르고 오늘날의 발전한 최상의 기술을 적용함으로써 더욱 비용 효과적이고 신뢰성 있는 장치를 안전하게 만들 수 있게 된다.
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