◆ 특집 ◆ 초정밀 사출성형 지능화 기술
모니터링과 제어를 위한 사출성형 파라미터 인터페이스에 관한 연구
A Study on the Interface of Injection Molding Parameter for Monitoring and Control
허은영1, 문덕희2, 박철순2,, 김종민1, 이철수3 E. Y. Heo1, D. H. Moon2, C. S. Park2,, J. M. Kim1, and C. S. Lee3
1 서강대학교 미래기술연구원 (Sogang Institute of Advanced Technology, Sogang Univ.) 2 창원대학교 산업시스템공학과 (Department of Industrial and Systems Engineering, Changwon Univ.) 3 서강대학교 기계공학과 (Department of Mechanical Engineering, Sogang Univ.)
Corresponding author: [email protected], Tel: +82-55-213-3728 Manuscript received: 2014.5.19 / Revised: 2014.6.16 / Accepted: 2014.6.16
Recently, monitoring systems, such as POP, take a core role in scheduling or planning of manufacturing facilities for production, maintenance, and so on. Such monitoring systems require functionalities for real-time parameter monitoring and controlling to maximize efficiency of facilities. However, vendors usually do not provide internal communication protocols or interface to access the machine controller. Therefore, the values of parameters related to machine operations and controls cannot be easily accessed from external devices. In this paper, we propose an interface methodology for a real-time monitoring and controlling of injection molding machine parameters such as user input parameters, embedded sensor data and injection molding status information.
Key Words: Real-time Parameter Monitoring (실시간 파라미터 모니터링), Injection Molding Machine (사출기), Controller Communication (컨트롤러 통신)
1. 서론
오늘날 제조 산업은 급변하는 사회 환경에 대 응하고자 디자인 단계에서부터 최종 조립까지 전 반적인 공정에 대한 설계 및 작업 모니터링을 요 구하고 있다. 이러한 제조 현장 모니터링 시스템 은 장비 및 설비의 생산성 및 효율을 극대화를 위 해 단순 모니터링 기능을 넘어 실시간 공정 감시 기반의 제어 기능을 필요로 한다. 실시간 감시 및 제어 시스템은 자동공정계획시스템(CAPP),1 진도 부하관리 지원 시스템,2 제조실행계획 시스템 (MES), 정보관리시스템(IMS) 등을 위한 기초자료
를 제공하며, 제조현장의 정상작업 외에 예기치 못한 이상공정을 진단하여 원활한 제조 공정을 유 지할 수 있게 한다.
최근 공작기계 및 사출 성형기의 제어기는 이 러한 감시 및 제어기능이 탑재된 PC 기반의 CNC 를 채택하고 있으며, 원가절감 및 품질 향상을 위 해 축 이송제어부터 센서정보를 활용한 자가 진단 및 능동제어를 위한 다양한 기능들이 구현되어 있 다. 제어기 내부의 제어 프로세스 결과는 디스플 레이 패널(Human Machine Interface; HMI)를 통해 확 인할 수 있다. 그러나 장비 내부의 데이터를 상위 시스템으로 전송하거나, 상위 시스템에 의한 장비
관리 시스템에 연구를 수행하였으며, 백대성6 등은 사출공정에서 이상상태를 감지하기 위해 캐비티 내 에 센서를 부착하여 모니터링하는 방법에 대하여 연구하였으며, 캐비티 내에 설치한 압력 센서로부터 입력값과 실제 압력 차이를 통해 최적 사출 성형조 건을 도출하기 위한 연구를 수행하였다.5,6
장비 내·외부에 설치된 센서들과 아울러 실시 간 공정 감시 및 제어 시스템은 생산 효율의 극대 화를 위해 필수적이므로 많은 연구들이 진행되고 있다. 그러나, 사용자가 외부에 추가적으로 설치하 는 센서와 다르게 제어기 파라미터 및 실시간 센 서 정보들은 대부분의 장비 제조사에서 비공개로 하고 있다. 따라서 본 연구에서는 사출 성형기의 제어 파라미터를 장비 외부에서 인터페이싱하여 공정 파라미터와 함께 실시간 센서 정보를 생산계 획의 기초자료로 활용 할 수 있도록 이들의 값을 찾는 방법에 대하여 다룬다.
2. 사출 성형 제어기
공작기계 및 성형사출기의 제어기 (CNC)는 수 작업에 의한 가공 및 제어를 모터와 같은 구동 요 소, 센서정보 및 컴퓨터를 이용한 수치연산을 통 해 제어를 한다. 본 연구에서는 성형 사출기의 컨 트롤러 모니터링 및 제어에 대하여 다룬다. 성형 사출기의 제어부 역시 공작기계 제어기와 동일한 구조로 구성되어 있으며(Fig. 1), 형개·폐 및 서보 구동은 PLC내의 공정 파라미터에 의해 제어된다.
또한, 노즐 온도, 금형 온도, 사출 압력 등과 같이 하위 센서로부터 입력되는 실시간 아날로그 센서 값들은 PLC의 메모리(Table 1) 내에 저장되어 제어 에 활용된다.
최근 하드웨어 및 데이터 통신 방법의 발전과 더불어 PC기반의 CNC을 통하여 실시간 제어가 가능해졌다. 보다 신속한 응답을 위해 기존의 PLC 에서 수행하던 연산과 제어를 PC-NC에서 처리하 고 있으며, 온도 제어와 같이 독립적인 컨트롤러
를 사용함으로써 제어주기를 단축할 수 있었고 실 시간 제어가 가능해 졌다. 따라서, 일부 데이터 입 출력은 PLC를 거치지 않고 상위 제어기(PC-NC)와 직접 데이터를 주고 받는다.
3. 공정 감시 및 제어
사출 성형은 크게 공정 파라미터 설정을 위한 시사출 단계와 대량 생산을 위한 양산 단계로 구 분할 수 있다. 사출 성형에서 양산 전 단계인 시 사출 (test injection) 단계에서는 다양한 공정 파라 미터들을 양품의 사출품을 얻을 때까지 반복적으 로 변경되면서 시사출이 수행된다. 이를 통해 수 지의 유동성 및 충진율을 높이기 위해 금형 및 노 즐의 온도, 사출 압력, 사출·보압 시간, 냉각시간 등과 같은 공정 파라미터들에 대한 최적 조건들이 탐색된다.
양산 과정 중에는 공정 파라미터의 변경보다는 공정 감시를 위해, 현재 진행되고 있는 사출 이력 에 대한 모니터링을 수행해야 한다. 사출시간, 최
Fig. 1 Illustration of a generic CNC structure
Table 1 PLC memory structure Address Name Comment
G Signal to PMC→CNC F Signal to PMC→CNC Y Signal to PMC→Machine X Signal to machine→PMC A A (message), Display R R (internal relay), Range T Timer
K Keep relay
C Counter
D Data table
대 피크압력, 압력절환 시간, 보압시간, 사이클 시 간 등 사출 후 생성된 사출 이력을 모니터링함으로 서 공정관리를 위한 기초데이터를 제공하고, 이상상 태 감시를 통해 장비의 고장을 사전에 예방할 수 있다(Fig. 2). 따라서 공정 감시와 제어를 위해서 장 비와 인터페이싱 프로토콜이 필요한바 본 연구에서 는 사출 성형기의 PLC(CNC)의 데이터를 외부 PC 에서 입·출력할 수 있는 방법에 대하여 다룬다.
3.1 사출 파라미터 입출력
일반적으로 사출기 컨트롤러는 시리얼 통신 (RS232, 485)과 이더넷(ethernet) 통신을 지원한다.
제조사에서 제공되는 통신 프로토콜을 사용하면 CNC 및 PLC에 접속이 가능하며 필요한 어드레스 에 입출력이 가능하다. 그러나 파라미터가 PLC 또 는 CNC의 메모리 상에 위치한 정확한 어드레스 (memory address)를 알아 한다. 메모리 주소에 대한 정보가 알려지지 않았을 경우, Fig. 3에서 보는 바 와 같이 시행착오적 방법으로 탐색하여야 한다.
사용자 입력 데이터의 검색은 먼저 검색하고자 하는 파라미터를 선정하고(예, 노즐 온도), 화면인 터페이스상에서 설정값을 일정한 변위량 (예, 1.1 C°) 변경한다. 다음으로 PLC의 파라미터들을 다운 받아 저장하고, 다시 설정값을 일정한 간격으로 변경하여 충분한 회수(n ≥ 3)의 데이터를 저장한다.
다른 파라미터들이 변경되지 않았다면 매 번 동일한 값을 갖게 되고, 입력된 파라미터 어드레 스에서만 일정한 간격으로 값이 변화된다. 따라서
이와 같이 찾아내는 일정한 변화가 있는 어드 레스가 탐색하고자 하는 파라미터가 저장된 어드 레스라 할 수 있다.
Fig. 4에서는 제안한 방법에 의해 사출기 PLC 에 저장된 공정파라미터를 검색한 결과를 보여주 고 있다. 실험에 사용한 장비는 FANUC 2000i 이고,
금형온도 설정 값이 저장된 어드레스를 탐색한 결 과이다. 금형 온도만 사용자 입력창에서 1.1° 씩 증가시켰고, FOCAS Library를 사용하여 PLC(PMC) 메모리를 다운받았다. 비교결과 D map (D address) 의 810번지에서 일정한 간격의 변화를 볼 수 있었 고, 아래와 같은 간단한 회귀식에 의해 인코딩 규 칙을 발견할 수 있다(식 (1)).
Tmold=(Value−310) /18 (1)
동일한 방법으로 금형 온도, 수지 온도, 보온온 도 등 온도관련 파라미터를 탐색한 결과는 Fig. 5 에서 보는 바와 같고, 압력에 대한 어드레스를 탐 색한 결과는 Fig. 6과 같다.
Fig. 2 Monitoring and controlling concept
Fig. 3 PLC memory search procedure
Fig. 4 An illustration of PLC memory search
Fig. 5 The temperature related addresses in D map
Fig. 6 The pressure related addresses in D map
3.2 사출 이력 모니터링
사출 이력은 사출 공정 파라미터와 다르게, 사 출이 이루어진 후 공정 중 발생한 데이터를 내부 프로세스에 의해 분석/계산한 결과이다. 최대 압력, 최소쿠션, 압력절환 위치, 사출시간, 계량시간 등 이 이에 해당하며, 사출 이력은 공정관리의 기초 정보로 제공하며 장비의 이상원인을 판단할 수 있 는 데이터라 할 수 있다. 주요 사출 공정 모니터 링 데이터로서는 Fig. 7에서 보는 바와 같이 사출 단계별 screw의 위치와 이에 따른 압력 분포이며, PLC의 Y map(I/O 출력)과 CNC의 서보축(screw축) 실시간 위치를 이용하여 계산할 수 있다.
Fig. 7 The relationship between injection process and pressure
Table 2 Synchronized monitoring of screw and PLC memory
스크류 위치는 통신 속도에 따라서 실시간 절 대위치를 모니터링 할 수 있으며, 사출 공정에 따 른 접점 정보(X, Y map)는 수동으로 형개·폐를 반 복함으로써 탐색할 수 있다. 즉, 수동으로 형 개 · 폐를 반복할 때 변화되는 PLC의 X(Y) map의 어드레스를 모니터링함으로써 정확한 접점 어드레 스를 얻을 수 있다.
Table 2는 수동으로 사출기를 동작할 때 변화되 는 PLC X(Y) map점점 어드레스를 사출 진행 동안 2-byte 정수로 모니터링 결과이다. 표에서 보는 바 와 같이 사이클 시간과 계량시간은 각각 37.72, 3.32초 임을 알 수 있으며, 최소쿠션 위치는 2.52mm인 것을 알 수 있다. 모니터링 된 데이터의 정밀도는 통신 속도와 1회 샘플링 데이터 크기에
영향을 받는바, 고속통신모듈을 사용하면 보다 정 확한 데이터를 얻을 수 있다. 정확한 사출 이력 데이터는 제조사에서 제공하는 소프트웨어를 사용 하여 획득할 수 있지만, 커스터마이징(customizing) 을 해야 하는 단점이 있다. 또한, 다른 제조사의 사출기를 병렬로 사용할 경우 통합된 사출 데이터 를 획득/관리하기는 위해서 별도의 응용프로그램 이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 사출 공정을 모니터링하여 얻는 기초데이터(raw data)를 활용하 는 방법을 제시한다.
3.3 센서 데이터 인터셉트
사출 압력 및 온도와 같이 센서에 의한 정보는 직접적 사출기 구동/기구 제어에 사용되지는 않지 만, 실시간 데이터를 가공하여 사출 성형품의 품 질과 생산성 향상에 활용된다. 사용되는 센서의 종류 및 개수가 증가할수록 고정밀, 고품질의 제 품을 생산할 수 있지만, 반면, 실시간 데이터 처리 에 소요되는 시간 또한 증가한다.
따라서, 원활한 제어를 위해 센서 관련 독립된 제어 모듈이 사용된다. 예를 들어 사출 온도 제어 는 밴드히터를 사용하여 노즐, 베럴, 금형 등을 가 열하며, 이 때 실시간의 온도는 아날로그 입력을 증폭한 앰프를 거쳐 PLC에 저장된다. 그러나 최근 출시된 사출기의 경우, 온도제어는 독립된 제어 모듈에서 제어하고 있다. 즉, CNC의 제어주기를 향상시키기 위해 Fig. 8에서 보는 바와 같이 온도 설정값을 PMC를 통해 받고, 실시간 온도 정보를 CNC에 485(232)통신을 통해 피드백 한다.
본 연구에서는 FANUC 컨드롤러의 실시간 온 도 모니터링을 위해 온도 제어모듈에서 오는 데이
터를 모니터링 할 수 있도록 인터셉트 회로를 제 작하였다. 실시간 온도 데이터 인터셉트는 Fig. 8의 RS232/485 컨버터 회로의 양끝단에서 가능하나, RS232 쪽의 경우 전류제어를 동시에 사용하고 있 어 RS232쪽의 데이터를 우회하여 모니터링하기는 매우 어렵다. 따라서 멀티 드롭방식의 485 통신으 로 피드백 되는 온도 데이터를 우회시켜 모니터링 하는 방법을 채택하였다. Fig. 9은 시리얼 통신 프 로토콜 분석기를 사용하여 실시간 온도 데이터를 인터셉트한 결과이며, 일정한 패턴을 가지고 데이터 가 송신되고 있어, 헥사코드 분석을 통한 실시간 온 도 데이터 모니터링 할 수 있음을 알 수 있다.
4. 결론
생산 제조 현장에서 모니터링 시스템은 설비의 생산성 향상과 아울러 제품의 품질을 높이기 위한 수단으로 활용되어지고 있으며 단순한 이산 공정 감시 기능 외에 실시간 모니터링 및 제어 기능을 필요로 한다. 그러나 장비 구동 및 제어 관련 파라 미터는 외부 센서나 측정에 의해 불가하며, 장비 자체의 제어기와 인터페이싱 함으로서 가능하다.
본 연구에서는 성형 사출기의 공정 감시 및 제 어를 위한 인터페이싱 방법을 제안하였으며, FANUC 사출기(S-2000i)를 대상으로 사출 파라미터 어드레스를 탐색 방법과 사출 후 이력을 모니터링 하는 방법을 제시하였다. 하위 센서로부터 입력되는 실시간 데이터의 경우 인터셉트하기 위한 별도의 인터셉트 회로가 필요하며, 온도 제어 모듈로부터 입력되는 데이터를 인터셉트 회로를 통해 모니터링 하였다. 본 연구 결과는 사출 공정의 일정계획의 기 초자료를 제공할 수 있으며, 장비예방보전 및 이 상상태 진단을 위한 데이터로 활용될 수 있다.
Fig. 8 Thermometer data acquisition using intercept circuit
Fig. 9 Thermometer data intercept result
52, 신속대응 가능한 BIS(Built-In Sensor) 기반 자율 지능형 사출성형 시스템 개발]
REFERENCES
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