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Winder 분야의 Drive Solution
2010-08-10



LS산전㈜ 자동화 솔루션 사업본부(http://kr.lsis.biz)
자동화 기술팀_박우현 대리
(02)2034-4833 / whparka@lsis.biz

와인더 및 제어 시스템

와인더(Winder) 분야는 크게 와인더(Winder), 언와인더(Unwinder), 캡스턴(Capstan) 등이 있다.
와인더는 스플러(Spooler)라고도 불리는데, 철선, 철판, 강선 등 웹 소재 또는 섬유, 제지 등을 일정한 장력을 유지하면서 감아 주는 시스템이다. 언와인더는 일정한 장력을 유지하면서 풀어주는 역할을 말하며, 캡스턴은 와인더와 언와인더 사이에서 일정 장력을 유지시켜 연속 공정을 가능하게 해 주는 역할을 하는 기계 및 시스템을 말한다.
이런 와인더 시스템을 제어하기 위한 시스템에는 Closed Loop Winder, Open Loop Winder 등이 있다. Closed Loop 제어 방식은 선속과 장력의 정밀제어가 필요한 경우 사용되며, 피드백 요소로 댄서나 로드셀을 사용한다. Open Loop 제어 방식의 경우는 제품 품질의 영향을 많이 받지 않는 간이 와이더에 사용되기도 하지만, 기계 장치 내부가 협소해 댄서나 로드셀을 설치할 수 없는 설비에도 사용된다(<표 1> 참조).

LS산전㈜ 인버터의 파라미터

LS산전㈜ 인버터에는 iS7 Web S/W Version, iV5 Web S/W Version, iV5 Open loop Winder S/W Version 등 다양한 Winder 전용 S/W Version이 있다.

LS산전㈜ 인버터는 어떤 와인더 시스템에도 적용가능하도록 다양한 기능이 존재하며, 그 중 대표적인 파라미터는 다음과 같다.

1. PID Start Ramp 기능
인버터 초기 기동 시에 PID 출력을 설정한 시간동안 완만하게 출력시켜, 초기 기동 시 발생하는 댄서나 로드셀의 출렁거림과 같은 과도현상을 개선해준다.

2. Profile P Mode
관성 보상 기능을 말한다. 와인더는 시간이 경과함에 따라 직경이 커지고, 직경이 커질수록 관성이 커지기 때문에 그 커지는 만큼 (+) 관성 보상을 해준다. 반대로 언와인더는 직경은 점차 줄어들고 그에 따라 관성은 작아지기 때문에 작아지는 만큼 (-)관성 보상을 해줘야 한다. 관성 보상 방법에는 None, Linear, Square 등 세 가지가 있다.

3. Quick Stoop DecT
장력을 유지하며 비상 정지를 할 수 있는 기능이다. 댄서나 로드셀 등을 사용하는 Closed Loop 제어 시스템에서 인버터 운전 중에 그 장력을 유지하면서 비상 정지하는 감속시간을 설정할 수 있다.

4. WEB BRK En
웹 소재 파열 전 감지 기능을 말한다. 폐루프 장력제어 시스템에서 장력 검출 장치로부터 피드백을 받은 값이 설정된 시간 이상으로 작거나 클 때 웹소재가 파열될 수 있다고 인버터는 미리 판단해 이를 다기능 출력 접점을 통해 상위 제어기에 알리고, 설정에 따른 적절한 보호 동작을 설정할 수 있다.

5. DC Brake(직류 제동)
감속 중 설정 주파수에서 직류 전류를 인가해 전동기를 정지하는 기능으로, 정지 후 보빈의 역회전현상이나 다이스의 백러쉬 현상 등을 잡아주도록 기능을 더욱 향상시켰다.

6. Diameter 연산을 통한 안정적인 PID 제어
와인더는 공정이 진행됨에 따라 실제 직경이 증가한다. 따라서 주속을 일정하게 유지하기 위해서는 전동기 속도를 직경이 증가하는 만큼 낮춰줘야 한다. 이 전동기의 속도, 즉 인버터의 출력 주파수는 PID 제어기가 동작해 낮춰준다. 또한 증가하는 직경을 내부에서 연산 및 추정해 그 연산된 직경을 이용해 인버터의 출력 주파수를 최종적으로 낮춰준다.

이러한 방법은 기존의 PID 제어기만을 사용해 와인더의 장력 제어를 하는 것보다 훨씬 안정적인 성능을 보인다. 왜냐하면 내부에서 연산된 직경이 인버터의 출력 주파수를 한 번 더 보상해주기 때문에 인버터의 출력 주파수에서 PID 제어기가 차지하는 비율이 매우 작아진다. 따라서 PID 제어기의 출력이 포화할 위험이 없어지고, I 제어기 출력의 오실레이션이 현저하게 줄어드는 효과를 가져 온다.

7. Taper 기능
Winding 시 직경이 커질수록 직경의 중심방향으로의 응력은 증가한다. 원하는 장력은 지름과 같이 접선방향의 장력인데, 응력에 의한 장력이 발생하므로 두 벡터의 합이 전체 장력으로 작용하게 된다. 따라서 원하는 방향으로 장력을 유지하기 위해 Taper 기능을 사용한다.
Taper 기능의 사용법은 3가지 방법이 있다. 첫째 Taper 기능을 사용하지 않는 방법이다. 둘째 'Hyperbolic'으로 설정할 경우 장력은 직경의 변화에 따라 비선형적으로 변화한다. 셋째 'Linear'로 설정할 경우 장력은 직경의 변화에 따라 선형적으로 변화한다.

 
PID 제어
P(비례), I(적분), D(미분)의 3항 동작을 조합시켜서 사용하는 제어 방식. 프로세스 제어에서는 오래 전부터 사용되어 왔으며, 범용제어기로서 시판되고 있다. 실장하는 경우에는 비례 이득, 적분 시간, 미분 시간의 세 매개변수를 현장 조정에 의해 정해야 한다.

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