작업 안전과 수율 높이는 스마트 센서

윤병철 오토닉스 계장
센서 및 제어기기의 기본 개념과 활용


정리 임근난 기자 (fa@hellot.net)

센서를 말하기 전에 먼저 센서와 컨트롤러를 구분 지어야겠다. 센서와 컨트롤러 구분을 명확하게 하지 않으면 생산 현장에 적용할 때나 본인 스스로가 어떤 필요에 의해서 설계할 때 효율적인 시스템을 만들 수 없다고 본다.




센서 및 컨트롤러 차이

센서의 정의를 간단히 정리하면 다음과 같다. 센서는 보이는 값을 표시하는 것이다. 예를 들어, 제가 여러분들을 보고 있다. 제 눈이 센서가 된다. 그렇다면 컨트롤러는 뭘까. 제가 여러분을 보면서 뒤에 앉아 계시는 분이 넥타이를 만지고 있다거나 물을 마시고 있다고 할 때 “물이 시원한가요?” 아니면 “넥타이가 틀어져 있네요”라고 제 생각을 외부로 출력하는 것들을 컨트롤러라고 보면 된다.
다시 한 번 정의를 하면 센서는 보이는 것이고 컨트롤러는 보이는 것을 내부의 어떤 프로세스나 알고리즘을 통해서 외부로 피드백시키는 것이다.
센서에는 어떤 종류가 있는지 알아보겠다. 사실 오토닉스가 전 세계 모든 종류의 센서를 다 가지고 있지는 않다. 하지만 주요 제품 대부분을 가지고 있기 때문에 오토닉스의 제품을 중심으로 간단히 살펴보겠다.
우선, 근접센서가 있다. 말 그대로 근접해 있는 센서라고 보면 된다. 예를 들면, 구동부나 모터가 움직일 때 센서가 감지되면 중앙의 메인 CPU나 PLC 등이 처리를 하게 되는데 근접센서는 구동부나 어떤 물체에 가장 근접해서 취부하는 것이다. 센서는 검출거리가 있는데, 근접센서는 검출거리가 매우 짧다. 대신에 센싱할 수 있는 속도가 매우 빠르다. 그래서 기아자동차나 현대자동차, 지엠, 쌍용자동차 등의 엔진이나 차체에 많이 적용되고 있다.
특징으로는 검출 거리가 짧지만 반응 속도가 빠르고, 신뢰도가 높다. 또한, 외부 환경에 대해서 영향을 많이 받지 않는다. 그러나 근접센서는 구리나 알루미늉, 납 등 철금속에 대해서만 검지할 수 있다.
다음으로 압력센서가 있다. 압력센서 역시 많은 곳에 쓰이는 센서 중의 하나이다. 예를 들어, 압력을 높이면 진공청소기처럼 흡입력이 생겨 물건을 잡게 되고, 모터 구동에 의해 이송이 된 다음 목표 지점에 다다르면 압력을 영으로 떨어뜨려 물건을 놓게 된다. 이처럼 얼마나 높은 압력으로 흡입하여 물건을 들어 올릴 것인지를 컨트롤하는 원리가 압력센서라고 보면 된다.
다음은 포토센서이다. 국내에서 일반적으로 가장 많이 사용하고 있으며 어디서나 볼 수 있는 센서이다. 포토센서는 적외선 광을 이용한다. 우리 눈으로는 볼 수 없다. 하지만 휴대폰의 카메라 모드로 보면 포토센서의 빛이 나가는 것을 볼 수 있다. 단적인 예로, TV 리모컨의 버튼 동작 상태에서 휴대폰 카메라 촬영 모드로 보면 적외선광이 나가는 것을 볼 수 있다.
주로 쓰이는 곳은 자동문이다. 자동문의 개폐 제어를 하는 게 아니고 문이 열리고 닫고 함에 있어서 자동문 위에서 사람의 머리를 감지하는 센서이다. 또한, 에스컬레이터에서 사람이 없으면 작동이 멈춘다. 이런 것도 포토센서의 역할이다.
광화이버 센서는 포토센서와 같은 적외선 광을 이용하지만 약간 차이점이 있다. 포토센서 는 앰프가 내장되어 있으나 광화이버 센서는 앰프가 분리되어 있다. 광화이버 센서는 발전기 역할을 하는 앰프가 있어 전기를 공급하게 되고, 전기선 역할을 하는 유리섬유는 적외선을 목표하는 곳에 안전하게 도달시킨다. 두 제품의 차이점은 광화이버 센서가 더 정밀하고 협소한 공간에서도 사용할 수 있다는 것이다.
다음은 에어리어 센서이다. 이 제품은 지하철 플랫폼 스크린 도어의 사람 검지용으로 만들어졌다. 철도용어로 ATS 장치라고 한다. 이 ATS 장치에 에어리어 센서가 적용된다. 문이 닫히다가도 사람이 검지되면 문이 다시 열린다. 포토센서나 광화이버 센서는 단일 광축인 데 비해 에어리어 센서는 여러 개의 광축으로 되어 있다. 그뿐만 아니라 포토센서나 광화이버 센서는 선으로 어떤 물체나 구동체를 검지하지만 에어리어 센서는 면으로 검지한다.
마지막으로 엔코더를 살펴보겠다. 엔코더는 모터처럼 생겼으며, 엘리베이터의 경우 엘리베이터의 층간 제어를 한다. 엘리베이터에는 권상기 모터가 있으며 권상기 모터가 줄을 당기고 밀어내고에 따라서 엘리베이터 카가 움직인다. 권선을 말고 푸는 모터의 옆에는 항상 엔코더가 부착되어 있다. 모터가 돌면 엔코더도 같이 돈다. 그래서 모터가 몇 회전했는지에 따라서 현재 엘리베이터 위치를 알 수 있다. 이것을 엔코더라고 한다. 모터 처럼 보이지만 이 안에는 센서가 들어있다.
다음으로 컨트롤러를 살펴본다. 터치 방식으로 가장 많이 활용하는 그래픽 패널이 있다. 이 제품은 사람이 터치를 이용해서 기계를 움직이고 장비를 구동시킬 때 사용된다.
온도조절기 또한 말 그대로 온도를 조절하는 컨트롤러이다. 예를 들어 현재 실내 온도가 24도라고 했을 때 실내가 너무 더워 온도조절기에 20이라는 숫자를 넣으면 에어컨이 동작한다. 이처럼 온도에 관련된 제어를 온도조절기라고 보면 된다. 그 외 숫자를 세는 카운터와 시간을 세는 타이머 등도 있다.
마지막으로 모션 부분에서 스텝핑 모터가 있다. 간단히 설명하면, 모터가 한 바퀴 360도를 돌 때 세밀하고 정확하게 각도를 제어해준다.
예를 들어 모터를 4분의 1바퀴만 돌리고 싶다면 스텝핑 모터에 90이라는 신호를 준다. 그러면 모터는 신호를 받아서 90도가 됐을 때 정확히 멈추게 된다. 이처럼 스텝핑 모터는 각 제어를 한다. 이 스텝핑 모터를 돌리기 위해서는 드라이버와 컨트롤러가 필요하다.
90도를 돌린다고 했을 때 그 신호를 주는 매개체가 컨트롤러이다. 또한, 모터에 지시를 내리는 장치가 드라이버라고 보면 된다. 따라서 스텝핑 모터와 드라이버, 컨트롤러는 한 세트로 움직인다.

빠른 검출·감편한 설정 등 이점 커

지금까지 센서 및 컨트롤러의 개념과 원리에 대해서 간략히 살펴보았다. 그렇다면 이러한 제품들이 현장에서 어떻게 적용되고 있는지를 몇 가지 사례를 통해서 알아보겠다.
LEAK 검사기에는 압력센서와 패널메타가 적용되고 있다. LEAK 검사기는 말 그대로 가스나 물, 알코올 같은 게 외부로 유출됐는지를 절감할 수 있다. 또한, 생산 공정의 설정을 간단하게 변경할 수 있으며 간편한 유저 설정이 가능 하다. 압력의 변화량으로 판별하는 장비이다. 예를 들어, 파이프라인에 금이 발생했다면 파이프 관 안의 압력이 변하게 된다. 그러면 작업자는 압력센서에 의해 자동으로 검지할 수 있다. 적용 이점은 원터치 커넥터형 배선으로 유지보수가 편리하며, 5종류 제어 출력 모드를 통해 검출의 다양성을 실현할 수 있다.
반도체 트림/폼 장비에도 센서가 적용된다. 트림/폼 장비는 어떤 물체를 깎거나 정형화시키는 데 사용되는 기계로, 여기에는 에어리어 센서가 적용되었다. 만약 운전 중 작업자의 손이 들어가면 에어리어 센서가 이를 감지하고 장비를 멈추게 한다. 간편한 설치로 작업 안전성을 높일 수 있다는 점이 가장 큰 이점이다.
절단기는 터치패널이 적용된다. 이 터치패널은 안에 프로세싱할 수 있는 PLC가 들어가 있다. 그래서 절단기의 길이나 제작할 수 있는 사이즈 등을 미리 사전에 입력하거나 제어할 수 있다. 적용 이점은 터치스크린, PLC, 모터 컨트롤을 일체화함으로써 공간과 배선, 비용을 절감할 수 있다. 또한, 생산 공정의 설정을 간단하게 변경할 수 있으며 간편한 유저 설정이 가능 하다.