Breaking the mold

B&R

지난 가을, Krones AG는 새로 개발한 PET 스트레치 블로우 성형기로 보틀링(bottling) 시장을 뒤흔들었다. Contiform 시리즈의 제 3세대는 놀라운 생산량, 스트레치 성형 공정에서의 향상된 정밀도와 자유도를 갖춘데다 전력 소비를 상당히 줄여준다. 이 보틀링 전문 업체는, 공압 및 벨트 드라이브를 전기 다이렉트 드라이브 솔루션 및 B & R 기술에 기반한 통합 드라이브 솔루션으로 전환함으로써 개발에 있어서 한 단계 도약을 실현했다. Krones는 예상 수요에 대비하여 새로운 Contiform 기계를 위한 조립 라인을 구현할 것이며 이것은 회사 역사상 처음이다.

Krones는 새로운 기록을 세움으로써 기계 성능에 대한 고객의 지속적인 수요 증가를 충족시킨다. Contiform366은 블로우 성형 스테이션마다 시간당2,250개의 병을 가공할 수 있다.

최대 36개의 블로우 성형 스테이션으로, 새로운 Contiform 336 로터리 연신 블로우 성형 기계는 시간당 81,000개의 PET 용기를 생산할 수 있다. 병의 프리폼은 적외선 선형 오븐에서 100~120°C의 온도로 가열된 후 스타-휠에 의해 알루미늄 블로우 금형 안으로 유도된다. 금형이 끝나자마자, 블로잉 압력이 40 bar까지 적용되는 동안 스트레치 로드가 프리폼을 축 방향으로 늘이기 위해 프리폼의 목 부분에 삽입된다. 이는 병 형태를 형성하기 위한 금형의 내부 벽에 붙어 프리폼의 측면을 압착 가공하며, 출력 스타-휠에 의해 수집된다.
이 방법으로 연간 약 300억 개의 병이 생산되며, 생산량은 급격히 증가하고 있다. 보틀링 공장들은 기계의 더 높은 성능을 요구하고 있다. 또한 환경에 대한 인식과 에너지 비용 등이 모두 꾸준히 증가하고 있으며, 이것들에는 지속 가능성 비용이 전혀 들지 않는다.

시간당 2,250개의 병을 처리하는 각 스테이션

1997년에 처음 소개된 Contiform 시리즈의 최신 개량품에 있어서 주요 과제는 최대한의 생산량과 최소한의 전력 소비 간에 우선순위의 균형을 이루는 것이었다. Krones는 숙련된 방식으로 이 과제를 해결했다. 이전 제품 세대와 이미 시간당 2,000개에서 2,250개에 달하는 기록적인 병 생산량을 세운 블로우 성형 스테이션의 급증하는 생산량에 의해 한층 더 기대치를 높일 수 있었다.
이러한 도약을 달성하기 위해, Krones 플라스틱 기술 부서에서 전기 개발을 이끄는 디터 핑거의 엔지니어링 팀은 엄청난 혁신을 이루어내야 했다. “지금까지 벨트 드라이브는 여러 다양한 바퀴를 구동하기에 충분했습니다. 하지만, 우리는 새로운 Contiform 시리즈로 블로잉 휠과 이송 휠 사이의 원활한 이송에 필요한 정밀도를 제공하는 솔루션에 내재된 벨트 스트레치의 속도를 다룹니다”라고 그는 언급했다.
엔지니어들은 벨트 구동을 직접 구동 방식으로 교체함으로써 이 문제를 해결했다. Contiform 기계의 3 세대는 이제 최대 2,300 Nm의 토크 모터를 사용한다. “이것은 벨트 드라이브보다 훨씬 더 정확합니다”라고Finger씨가 설명한다. 정교한 전원 관리 시스템은 정전이나 비상 정지의 경우에도 전력을 공유할 수 있으며, 이것은 동기화를 지속하면서도 기계를 빠르게 정지할 수 있다는 것을 의미한다.
이 모터는 B&R 기술에 기반한 Krones의 SDC(서보 드라이브 제어) 솔루션을 사용하여 제어되며, 이 제품은 5년 이상 Krones의 여러 부서에서 사용되고 있다. SDC 솔루션으로 인해 광범위한 토폴로지에서 POWERLINK를 통해 연결되는 무한대의 축이 가능해진다. 인버터는 B&R의 ACOPOSmulti시리즈 중 하나로, X20 CPU와 함께 컨트롤러의 역할을 한다.

기계에 직접 ACOPOSmulti65 모듈을 장착함으로써 Krones는 사전에 스트레칭 스테이션을 생산하여 테스트하고 파라미터로 나타낼 수 있었다.

전기 직접 구동 방식이 공압을 대체

새로운 Contiform 세대에서 보이는 크게 향상된 성능은 토크 모터에만 해당하지 않는다. 스트레치 시스템의 공압식 제어를 전자기 제어로 옮기는 혁신을 거듭함으로써, Krones의 엔지니어들은 어마어마한 생산량을 달성했다. 공압 드라이브 대신 이제 관형 리니어 모터가 블로우 스테이션에서 스트레치 막대의 움직임을 제어한다.
“종래의 평면이나 U-채널 리니어 모터와 달리, 이 디자인은 고정자 튜브 내부에서 이동하는 영구 자석의 슬라이더 막대를 지니며 드라이브 코일과 홀 센서를 보유하고 있다. 관형 리니어 모터에는 벨트가 사라지며, 표준 스트레치 로드 드라이브 솔루션과 같이 움직이게 된다. 연장된 스트레치 막대 안으로 힘이 직접 전달되기 때문에 우리는 아주 작은 베어링으로 그리스가 없고 유지보수가 필요 없는 모터를 얻을 수 있다”라고 Krones의 전자 전문가가 설명한다.
이 맞춤형 모터는 Krones의 사양에 따라 NTI(LinMot)에 의해 개발되었다. "사양에는 최대 2kN의 힘을 제공하고 최고 속도가 2m/s인 모터가 포함되어 있습니다. 드라이브 솔루션의 나머지 부분에 원활하게 모터를 통합할 수 있는지 여부도 중요했지만 0.2mm의 위치 정밀도도 필요했습니다”라고 Finger씨가 덧붙인다.

"B&R은 표준 ACOPOS
펌웨어를 수정하면서 다시금 유연성과 헌신성을 보여주었다. 그 결과 우리는 이제 최소한의 전력 소비로 획일적인 움직임을 결합한 기업표준 관형 리니어 모터를 가지게 되었다."
- Dieter Finger, 전기 개발 책임자-

표준 ACOPOS 드라이브 상의 홀 엔코더와 관형 리니어 모터

이러한 사양을 맞추기 위해서 이 모터는 800V의 DC 버스 전압과 B&R의 표준 삼상 ACOPOS 드라이브 상에서 작동되도록 설계되었다. B&R ACOPOS 드라이브는 홀 센서로부터 받는 신호를 평가하고 선형화한다.
“여기에 연관된 프로그래밍을 과소평가하면 안 됩니다. B&R은 표준 ACOPOS 펌웨어를 수정하면서 다시금 그들의 유연성과 헌신성을 보여주었습니다. 그 결과 우리는 이제 최소한의 전력 소비로 획일적인 움직임을 결합한 기업표준 관형 리니어 모터를 가지게 되었습니다”라고 Finger씨가 설명한다.
리니어 모터를 제어하는 인버터의 경우, Krones은 블로잉 모듈의 제어를 제공하는 B&R X20 CPU와 IP65 보호등급의 B&R ACOPOSmulti65를 선택했다.
IP67 I/O 모듈은 밸브 제어와 블로잉 압력 모니터링을 위해 컨트롤러의 두 번째 POWERLINK 인터페이스에 연결된다.
Finger씨는 기계 제조업체들에게 주어지는 확실한 장점을 알고 있다. “각각의 스트레칭 스테이션에 직접 이 인버터를 설치하면 우리가 사전에 전체 스테이션을 만들어 그것을 테스트 하고 매개 변수화 할 수 있습니다. 각 스테이션에 대해서는 단 하나의 공급 라인만이 필요합니다. 이것은 우리의 모듈식 접근법에 맞을 뿐만 아니라, 이 기계에서 처음으로 사용하고 있는 조립 라인 생산 전략을 완벽하게 지원합니다.”

전기 스트레칭 : 더 많은 생산량, 더 빠른 전환, 더 유연한 프로세싱

기계 오퍼레이터들은 전기 스트레칭으로 전환하는 것으로부터 이득을 얻는데, 이것은 생산량 증가뿐만 아니라 오퍼레이터가 스트레칭 프로세스에 적응하는데 보다 많은 자유를 제공한다. Finger씨는 실제로 이것이 무엇을 의미하는지 보여준다. “우선, 병 타입을 버튼을 누름으로써 간단히 선택할 수 있게 되어 일일이 확인하면서 바꾸는데 소요되는 시간을 줄이게 되었습니다. 또한 스트레치 드라이브의 움직임 프로파일을 수정하는 것에도 버튼 방식이 사용됩니다. 결과적으로, 작은 볼륨 병에서 큰 볼륨 병으로 전환할 때 더 이상 커브를 밖으로 전환할 필요가 없습니다.”
하지만 그것에 그치지 않고, 커브도 자유자재로 다양한 속도 및 단계로 스트레칭 과정을 분할하도록 구성할 수 있다. 오퍼레이터는 저렴한 프리폼 재료로 부터 똑같은 품질의 병을 생산하거나 필요한 품질을 달성하기 힘든 더 복잡한 병 설계를 하기 위해 자유롭게 추가적 제어를 할 수 있다.

B&R ACOPOS : 최대 70미터의 DC 버스 공급

오퍼레이터에게 또 중요한 점은 새로운 세대가 훨씬 적은 전력을 소모한다는 것이다.
이것은 스트레칭 스테이션에서 공압 드라이브를 제거하면서 부분적으로 성취했다.
또한 B&R 제품의 우수한 성능은 DC 버스를 최대 70미터까지 공급하도록 연장하는데 기여했다.
Krones는 기계의 스트레처 모듈들과 드라이브 모듈들의 DC 버스 공급연결을 위해 이 기능을 이용했다. 정전이 발생할 경우, 시스템을 정지시키고 스트레치 로드를 안전한 위치로 옮기도록 전력이 블로잉 휠로부터 방향을 전환할 수 있다.
“우리가 지금처럼 단일 공급 업체로부터 전체 드라이브 시스템을 제공받지 않았다면, 다양한 DC 버스 전압으로 기계를 작동시켜야 했습니다. 이것은 과거에 DC / DC 컨버터가 요구되는 문제를 일으켰습니다"라고 Finger씨가 회상한다.
기계가 정상적으로 작동하는 동안 전력은 DC 버스 안으로 다시 되돌아간다. 스트레치 로드 브레이킹에 의해 생성된 에너지(최대 650N의 힘으로 병 내부의 압축 공기가 시작 위치로 쏴서 되돌린다)는 다른 스테이션들에 의해 사용되며, 각 스테이션은 평균250w만 사용할 수 있다.

한층 최적화된 전력 소비를 위해 Krones가 시행한 다른 조치에는, 새로 개발된 중간 블로우 스테이지와 완벽한 내부 압축 공기 재활용 시스템뿐만 아니라 사각 공간의 양을 감소시키는 것도 포함되어 있다. 전체적으로 기계가 필요로 하는 압축 공기의 양이 3분의 1 정도로 감소되었다.
Krones의 새 블로우 성형 기계 시리즈가 지닌 장점은 명확하다. Contiform 기계의 새로운 세대는 공식 발표 전에 이미 수요가 충족되었고, 2011 Krones Customer Day에서 히트를 쳤다.

기계는 커스터마이즈된 B&R 패널을 이용해 운영된다.

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