디지털화로 자동차 부품 셀 생산성 20% 향상

주문 규모와 수량 증가로 위스콘신 소재 자동차 부품 제조업체 펠스 로타폼(Felss Rotaform LLC, 위스콘신주 뉴 베를린)은 새로운 듀얼 로봇 머신 텐딩 셀로 운영을 확장했습니다. 이 회사는 회전 스웨징, 축 방향 성형, 튜브 엔드 포밍 공정을 사용해 정밀 부품을 공급합니다. 지속적인 공정 개선 목표를 달성하기 위해 새로운 셀은 이전 제조 셀보다 더 안전하고, 빠르고, 유연해야 했습니다.

자동화의 복잡성을 해결하기 위해 회사는 지멘스(Siemens)와 시스템 통합업체 IAS Inc.(위스콘신주 뉴 베를린)에 연락했습니다. 이들은 혁신 실적과 통합 로보틱스 및 제어 기술 전문성으로 유명합니다. 6개월 후, 펠스 로타폼은 회사의 생산성과 수익성 기록을 경신하는 디지털화된 통합 제조 셀을 운영하게 되었습니다.

차세대 로보틱스 셀 요구사항을 검토하면서 펠스 로타폼은 여러 목표를 세웠습니다. 첫째, 새로운 고속 PLC를 도입해 부품당 전체 사이클 턴어라운드 타임을 단축하여 생산성을 높이고자 했습니다.

둘째, 셀에 들어오는 사람을 더 잘 제어할 수 있는 더 진보된 안전 솔루션을 모색했습니다. 기존 셀에서는 유지보수 인원이 셀 내에 있을 때 기계가 실수로 켜져 부상 위험이 있었습니다. 이를 방지하기 위해 재시작 시 셀이 비어 있음을 보장하는 자동화된 프로세스를 원했습니다.

셋째, 셀 체인지오버에 더 많은 유연성을 원했습니다. 이를 통해 고객에게 더 다양한 제품군을 테스트하고 제공할 수 있습니다. 기존 셀은 새로운 공정을 수행할 때마다 셀 전체를 재프로그래밍해야 했는데, 며칠이 걸릴 수 있습니다.

펠스 로타폼의 초기 목표는 새로운 셀에서 부품당 48초 풀 사이클 턴어라운드 타임이었습니다(기존 셀보다 훨씬 빠름). 솔루션 설계와 구현으로 완전한 부품 생산 공정이 38초로 단축되어 20%의 효율 개선을 이뤘습니다. 새 셀 구현 후 복잡한 체인지오버 다운타임이 며칠에서 몇 시간으로, 일반적인 계획된 체인지오버는 8시간에서 15분으로 단축되었다고 펠스 로타폼 전기 제어 엔지니어 채드 듀(Chad Due)는 말했습니다.

"이 새 셀로 2교대 만에 기존 3교대 분량을 생산할 수 있습니다. 이를 통해 24시간 동안 600개 추가 부품을 생산할 수 있습니다. 또한 셀 수익성이 13% 증가했습니다."라고 듀는 말했습니다.

지멘스 계정 관리자 리처드 파크허스트(Richard Parkhurst)는 IAS가 펠스 로타폼의 목표 달성에 강력한 위치에 있음을 알았습니다. "일부 통합업체는 엄격하게 소프트웨어 개발만 수행하고, 다른 곳은 하드웨어 구축과 조립에 더 숙련되어 있습니다. IAS는 로보틱스와 안전 엔지니어링 역량을 포함한 모든 필수 기술과 전문성을 결합하여 제공했습니다."

IAS는 지멘스 제품이 펠스 로타폼의 목표 달성에 필수적임을 인식했습니다. 필요한 속도, 신뢰성, 유연성, 안전성을 제공하기 때문입니다. 예를 들어, 이더넷 기반 지멘스 프로피세이프(PROFIsafe) 디지털 통신 백본이 셀에 설계되어 기계와 주변 안전을 제어합니다. 다양한 PLC와 로봇 간에 안전한 통신이 제공됩니다. 프로피세이프는 셀 내 장치의 상태 정보를 메인 PLC로 릴레이하며, 표준 및 안전 통신이 단일 버스 시스템을 통해 이루어지므로 기존 기술보다 큰 이점이 있습니다.

프로피세이프 솔루션 내 모든 센서와 액추에이터는 분산 안전 개념 내에서 I/O 스테이션에 관계없이 자유롭게 프로그래밍할 수 있습니다. 이 유연성 덕분에 운영자는 액추에이터를 선택적으로 끌 수 있습니다. 기타 장점으로는 페일세이프 통신, 고급 진단, 핫 스왑 기능 등이 있으며 다운타임 감소에 도움이 됩니다.

지멘스 시마틱 S7-1500 PLC(내장 프로피넷 인터페이스)도 운영 속도 향상에 주요 역할을 했습니다. 고속 백플레인 버스는 높은 보드레이트와 효율적인 전송 프로토콜로 빠른 신호 처리에 결정적인 성능 이점을 제공합니다.

IAS 애플리케이션 엔지니어이자 메인 로보틱스 및 PLC 프로그래머인 사이먼 반치나(Simon Vancina)는 "S7-1513F PLC는 속도, 사용 가능한 I/O 확장 카드 범위, 프로그래머블 안전 컨트롤러 기능, 비교적 컴팩트한 폼 팩터, 저렴한 비용 덕분에 이 프로젝트에 훌륭한 선택이었습니다."라고 말했습니다.

지멘스 TIA 포털은 모든 PLC와 HMI 프로그래밍에 결정적인 역할을 했으며, 시뮬레이션 도구, 프로그래머 생산성 도구, 추가 진단을 통해 시장 출시 시간을 단축했습니다.

"TIA 포털은 내가 원하는 방식으로 코드를 작성하고 필요할 때마다 프로그래밍 언어를 전환할 수 있게 해줍니다."라고 반치나는 말했습니다. "예를 들어, 간단한 논리 섹션을 래더 로직으로 작성해 읽기 쉽게 하고, 다음 줄에서는 구조화 텍스트(Structured Text)로 전환해 더 복잡한 공정 제어나 계산을 구현할 수 있습니다. 거의 모든 PLC가 IEC 61131-3 프로그래밍 언어를 허용하지만, TIA 포털은 이를 독특하고 효과적으로 결합할 수 있게 합니다. 이는 코드 개발 시간을 줄이고 시스템을 훨씬 빠르게 온라인으로 가져오는 데 매우 편리한 기능입니다."

프로젝트 구현 후 펠스 로타폼은 핵심 목표 이상의 즉각적인 혜택을 보았습니다. 대형 자동차 제조사들은 항상 새로운 제품 테스트를 원합니다. 테스트 단계에서 가장 반응이 빠른 공급업체가 종종 신규 사업을 수주합니다.

펠스 로타폼의 새로운 제조 셀은 제품 테스트를 염두에 두고 설계되었습니다. 일주일에 6가지 다른 신규 부품 번호를 실행할 수 있는데, 다른 셀에서는 한 달이 걸립니다.

새 셀은 불량 부품 감지 능력도 훨씬 뛰어납니다. 펠스 로타폼 같은 제조업체에게 추적성은 운영 비용 절감에 핵심입니다. 셀은 불량 부품을 감지해 별도 빈에 넣고, 불량이 너무 자주 발생하면 셀을 멈추고 운영자에게 알립니다. 불량 부품이 출고되어 고객에게 발견되면 전체 선적 반품으로 이어져 공급업체에 수십만 달러 비용이 발생할 수 있습니다.

IAS와 지멘스는 2018년 구현될 두 개의 유사한 로봇 셀을 현재 테스트 중이며, 더 진보된 디지털 제조를 위한 더 나은 유지보수 추적 기능이 포함됩니다. 새 시스템은 기계 가동 시간과 주요 부품이 예상 사이클 타임 임계값에 접근하는 시점을 추적합니다.

탐색 중인 솔루션 중 하나는 마인드스피어(MindSphere)입니다. 클라우드 기반 개방형 IoT 운영 체제로, 연결된 기계와 플랜트의 가용성 향상과 보안 위험 감소 등 다양한 기능을 제공하는 앱이 있는 연결 플랫폼 역할을 합니다.

또한 새 시스템은 예측 분석을 통합해 잠재적 이슈에 대한 알림을 셀의 마스터 컨트롤로 보냅니다. "새 시스템은 무엇을 교체해야 하고 어떤 유형의 부품이 필요한지 알려줍니다. 설치 전 부품을 스캔하면 해당 기계에 적합한 부품인지 알려줍니다."라고 반치나는 말했습니다.

자세한 정보: 지멘스 www.siemens.com, 전화 847-640-1595; IAS www.iasworldwide.com, 전화 866-243-2402.