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자동화 장비에서 센서의 중요한 역할

최근 몇 년간 센서 기술은 빠르게 발전하였고, 기술이 더욱 성숙하고 완벽해지면서 로봇 기술의 발전을 촉진하고 있습니다. 센서 기술의 혁신과 진보는 로봇 및 기타 자동화 산업에도 직접적인 혁신과 진보를 가져옵니다.

로봇의 많은 기능은 센서에 의해 실현되므로, 센서는 자동화를 보다 지능적으로 만드는 핵심 요소가 됩니다.

  • 지능형 센서는 스마트카, 로봇 등 다양한 장치에 적용될 수 있으며, 감지한 조건을 인식하고, 인공지능을 활용하여 구동 장치를 통해 반응 시스템에 피드백을 전달합니다.

제조 자동화가 자동화 분야에 도입된 이후, 지능형 센서는 산업용 로봇과 다양한 로봇에 널리 적용되었으며, 기술적 우수성을 바탕으로 시장에서 강력한 입지를 확보하고 있습니다.

보고에 따르면, 로봇 수요 산업의 발전과 함께 센서의 로봇 적용 범위는 점점 더 넓어지고, 시장 규모 또한 커질 전망입니다. 반대로, 센서 기술의 발전은 자동화를 보다 지능적인 방향으로 발전시키는 동력이 됩니다.

  • 새로운 세대의 지능형 센서는 산업 자동화의 핵심 역할을 하게 됩니다.

지능형 공장(Intelligent Factory)과 센서 역할

“지능형 공장”이란 디지털 공장을 기반으로 정보 관리와 서비스 강화, 사물인터넷(IoT)과 장비 모니터링 기술을 활용하여 다음을 가능하게 하는 공장을 말합니다:

  1. 생산과 마케팅 과정을 명확히 파악
  2. 생산 공정의 제어 능력 향상
  3. 생산 라인에서 수작업 개입 최소화
  4. 생산 라인 데이터를 정확하고 신속하게 수집
  5. 합리적인 생산 계획과 생산 진행 관리

지능형 공장에서 구현 가능한 기술:

  • 무선 센싱(wireless sensing)
  • 네트워크 제어 시스템(networked control systems)
  • 무선 산업용 통신(wireless industrial communications)
  • 각종 계량 센서(weighing sensors)

제품의 품질 지표 일부는 온라인에서 직접 측정 및 제어될 수 있으며, 지능형 기술이 적용된 센서는 이러한 문제를 효과적으로 해결할 수 있습니다.

자동화 장비에서 센서 역할 및 응용 범위 요약

구분역할/기능상세 내용응용 사례
센서의 기본 역할상태 인식로봇, 스마트카 등에서 주변 환경 및 상태를 감지로봇의 위치, 장애물 감지, 차량 주행 상태
정보 전달감지한 데이터를 인공지능 시스템/구동 장치에 전달로봇 제어, 생산 설비 자동 제어
지능형 센서데이터 처리 & 피드백AI 기반으로 감지 데이터를 분석하고 실시간 반응스마트 팩토리, 자동화 로봇
자동화 적용공정 모니터링생산 과정 실시간 모니터링, 품질 지표 측정산업용 로봇, 생산 라인 계량 센서
생산 제어생산 계획 및 진행 상황에 맞춰 제어 신호 전달생산 라인 자동화, 로봇 작업 스케줄 관리
지능형 공장(Intelligent Factory)정보 관리 강화IoT와 장비 모니터링으로 전체 생산 과정 관리생산 데이터 수집, 생산 계획 최적화
수작업 최소화센서 데이터를 기반으로 자동 제어 구현자동화 조립 라인, 포장 시스템
품질 관리일부 품질 지표 온라인 측정 및 제어제품 중량, 치수, 온도/압력 감지
기술 요소무선 센싱무선으로 데이터 수집이동식 로봇, 원격 모니터링
네트워크 제어센서-제어 시스템 연계생산 라인 통합 제어
산업용 통신무선/유선 산업용 통신공장 자동화 시스템
계량 센서무게, 압력 등 물리적 변수 측정트럭 스케일, 생산 라인 계량 장치

로드셀의 여러 개발 동향

계량 센서의 산업화 발전 모드
센서 연구개발에서 대규모 생산으로 이어지는 산업화 발전 모드를 가속화하고, 독자 개발과 협력을 결합한 도약적 발전 경로를 모색하여 중국을 세계 주요 센서 생산국으로 성장시키는 방향입니다.

로드셀 제품 구조의 지향점
제품 구조는 조화롭고 지속 가능한 발전을 지향합니다. 제품 종류는 첨단 기술과 고부가가치 중심으로 확대되며, 특히 시장에 존재하지 않는 공백 품종을 채우는 데 집중합니다.

생산 규모(연간 생산 능력)
기업의 생산 규모는 규모의 경제 또는 적정 규모의 경제 방향으로 발전합니다.

  • 대형 범용 센서: 연간 수억 대 단위
  • 중형 범위 센서: 연간 1천만 대 이상
  • 일부 특수 센서: 연간 수십만~수백만 대

생산 방식의 전문화
전문화 생산의 의미:

  • 더 적은 수량, 더 높은 품질의 센서를 생산
  • 특정 분야에 필요한 특정 유형 센서 생산에 집중하여 시장 점유율 확보
  • 센서 기업 간 전문화 협력 생산

로드셀 대량 생산 기술의 자동화 발전
센서 제조 기술의 다양성과 복잡성은 센서 종류와 민감 재료에 따라 결정됩니다.
현재 생산라인은 대부분 단일 기계 자동화가 되었지만, 전체 공정의 완전 자동화는 아직 어려움이 많습니다.
향후 CAD, CAM, 산업용 로봇 등 첨단 자동화 장비를 적극 활용하여 기술적 돌파가 필요합니다.

기업 기술 혁신
수입 기술 의존 → 수입 기술 흡수 및 독자 개발로의 전환을 강화해야 합니다.

시장 확대
기업은 국내 시장 중심에서 국내외 시장 병행으로 발전 속도를 높여야 합니다.

기업 구조 발전

  • 대·중·소기업의 동시 발전 패턴
  • 집단화와 전문화 생산의 공존 구조

방폭형 로드셀(load cell)의 오차에는 어떤 것들이 있는가

센서는 일상생활에서 매우 흔하게 사용되며, 다양한 장소에서 쉽게 찾아볼 수 있습니다. 그러나 오늘 다루는 방폭형 센서(방폭 로드셀)는 비교적 특수한 산업 분야에서만 사용되는 장비로, 일반적인 센서에 비해 흔하지는 않습니다.

이러한 방폭형 센서 역시 사용 중 오차가 발생할 수 있습니다. 다만 다른 장비들과 비교했을 때 오차 범위는 비교적 작은 편이지만, 여러 요인의 영향을 받습니다. 만약 이러한 오차를 제때 발견하고 해결하지 못하면 센서의 수명과 신뢰성에 영향을 미칠 수 있습니다. 그렇다면 방폭형 로드셀에는 어떤 종류의 오차가 있을까요?

1. 특성 오차 (Characteristic Error)

방폭형 로드셀 자체에는 고유한 오차가 존재합니다.
이는 센서의 영점 드리프트나 기울기(감도) 불일치 등으로 인해 발생할 수 있으며, 이러한 오차를 특성 오차라고 합니다.

즉, 방폭형 로드셀의 전달 특성은 이론적으로 이상적인 특성과 완전히 일치하지 않기 때문에 발생하는 오차로, 사용자가 임의로 완전히 제거할 수 있는 오차는 아닙니다.

2. 동적 오차 (Dynamic Error)

동적 오차는 정적 상태와 대비되는 개념입니다.
방폭형 로드셀이 정적인 환경에 있을 때는 비교적 안정적인 성능을 보이지만, 하중이 변화하는 과정에서는 입력 신호에 즉각적으로 반응하지 못할 수 있습니다.

즉, 하중이 가해졌을 때 센서가 즉시 반응하지 않고 몇 초의 지연이 발생할 수 있으며, 경우에 따라 반응 속도가 느려지는 현상이 나타날 수 있습니다.

3. 환경 오차 (Environmental Error)

방폭형 로드셀은 규정된 사용 환경에서는 오차가 거의 발생하지 않습니다.
그러나 부적합한 환경에서 사용될 경우 다음과 같은 요인으로 인해 오차가 발생할 수 있습니다.

  • 온도의 변화
  • 바람, 진동
  • 습도 및 주변 환경 조건

이러한 외부 환경 요인은 방폭형 로드셀이 정상적인 측정 상태를 유지하지 못하게 하여 계측 오차를 유발할 수 있습니다.

결론

방폭형 로드셀에서 발생하는 오차는 주로

  • 특성 오차,
  • 동적 오차,
  • 환경 오차
    로 구분할 수 있습니다.

따라서 사용 시에는 이러한 오차 요인을 충분히 인지하고, 이상이 발생하면 즉시 점검 및 조치를 취하는 것이 중요합니다. 이는 센서의 신뢰성과 장기적인 사용 수명을 유지하는 데 필수적입니다.

트럭 스케일(차량용 계근대)의 영점 출력 과다 문제 처리 방법

1. 단일 계근대의 입력·출력 임피던스가 정상 범위인지 확인

기둥형 및 브리지형 플랫폼 저울에는 4선식과 6선식 접속함(junction box)이 있습니다.
6선식 시스템은 추가적인 피드백 라인이 있어 저항 영향을 줄이고 전압을 일정하게 유지할 수 있으며, 선 길이로 인해 발생하는 신호 오차를 방지할 수 있어 4선식보다 성능이 우수합니다.

  • 출력 임피던스: 일반적으로 (350 ±1) Ω
  • 입력 임피던스: 일반적으로 (382 ±4) Ω

2. 영점 출력이 과도한지 판단하는 방법

계근대에 하중이 없는 무부하 상태(공스케일 상태)에서
전체 신호 케이블의 전압 신호를 직접 측정하여 영점 출력이 정상 범위를 벗어났는지 확인할 수 있습니다.

3. 계기 표시값이 심하게 변동할 경우 점검 사항

계기 값이 크게 요동칠 경우, 차폐선과 다른 선 사이의 절연 저항을 측정해야 합니다.

  • 이론적인 절연 저항 값: ≥ 5000MΩ
  • 멀티미터를 최고 저항 범위(예: 20MΩ)로 설정하여
    차폐선과 임의의 다른 선 사이를 측정
  • 표시값은 무한대(∞)가 나와야 정상
    (측정 시 프로브가 서로 접촉하지 않도록 주의)

트럭 스케일·플랫폼 저울·전자식 바닥저울 센서의 드리프트(영점 이동) 처리

계근대 센서의 영점 드리프트에는 여러 원인이 있습니다.

주요 원인

  1. 압축형 로드셀 센서
    • 브리지 회로 내 부품 파라미터의 비대칭
    • 탄성체의 민감 격자 재료와 저항 스트레인 게이지 간의
      온도 계수 및 선팽창 계수 차이
    • 브리지 리드선 길이의 불균형
    이러한 요소들이 종합적으로 작용하여 전기 브리지를 형성한 후,
    인접 브리지 암(arm)의 전체 온도 계수에 차이가 발생합니다.
    온도가 변하면 각 암의 저항 변화량이 달라져 브리지가 불균형해지고,
    그 결과 영점 드리프트가 발생합니다.
  2. 지능형(스마트) 트럭 스케일 센서
    • 시간 드리프트(Time Drift) 발생
    • 시스템 사용 시간이 길어질수록 시스템 노화와 동일한 효과가 나타남
    • 이로 인해 시스템의 구조적 특성이 변하고,
      장기적으로 영점 이동(드리프트)이 발생

전자 트럭 저울의 일반 오차에 대한 표준 분할값은 얼마인가

전자 트럭 저울의 계량 플랫폼 메인 빔은 U-빔 구조를 채택하고 있으며, 계량 플랫폼 패널은 Q235 재질의 평판으로 제작되어 합리적으로 조립된 폐쇄형 박스 구조를 이룬다.
조립 용접 시 사용되는 지그(고정구), 정밀한 공간 위치 측정 기술 및 용접 공정을 통해 대형 계량 플랫폼의 평탄도, 공간 기하학적 치수의 합리적인 분포, 그리고 용접 응력의 균형이 효과적으로 보장된다.

그렇다면 전자 트럭 저울의 오차 표준 분할값은 어느 정도일까?

허용 오차는 천분의 3(3‰) 이다. 계량 관리 기관의 규정에 따르면, 저울의 정확도는 눈금 분할값(Graduation Value) 에 의해 결정된다.
전자 트럭 저울의 최대 허용 오차 기준은 다음과 같다.

  • 0 ~ 10톤: ±10kg
  • 10 ~ 40톤: ±20kg
  • 40 ~ 60톤: ±30kg
  • 60 ~ 100톤: ±50kg

전자식 트럭 저울 검정용 눈금수(분할수) 분석

서론

전자식 계량기 산업의 지속적인 발전과 함께, 전자식 계량기는 시장에서 점점 더 널리 사용되고 있다. 그중에서도 각종 저울과 트럭 저울의 사용이 증가하면서, 계량기에 대한 요구 수준 또한 점점 높아지고 있다. 저울의 분해능은 지속적으로 향상되고 있으며, 눈금수 역시 증가하고 있다.
일부 계량기 제조업체들은 사용자에게 자신들이 제작한 저울의 최소 눈금값이 얼마나 작은지, 검정 눈금수가 얼마나 큰지를 강조하곤 한다.

그러나 검정 눈금수가 많다고 해서 저울의 정밀도와 정확도가 반드시 높은 것은 아니다. 본 문서는 현재 일반적으로 사용되는 트럭 저울의 눈금값에 대해 분석한다.

1. 개요

지난 1년간 우리는 사용자들로부터 다음과 같은 불만을 자주 접수했다.

  • 영점 드리프트가 큼
  • 최대 하중 구간에서의 드리프트 발생
  • 표시값 불안정

또한 하나 또는 여러 개의 로드셀을 교체한 후에는 정상으로 돌아오는 사례도 많았다. 교체된 로드셀을 공장으로 회수하여 각종 성능을 검사한 결과, 이상이 발견되지 않는 경우도 있었다.

이에 대해 관련 표준을 비교하고 이론적 계산 및 분석을 수행하였다. OIML R76의 관점에서 문제의 원인을 분석하여 계량기 제조업체의 참고 자료로 삼고자 한다.

현재 국내 플랫폼 저울이나 트럭 저울에 사용되는 로드셀은 대부분 C3 등급이다.
OIML R60 국제 권고에 따르면 C3 로드셀의 **최대 검정 눈금수(nmax)**는 3000이다.
또한 OIML R76 국제 권고 4.4.4의 오차 분배 원칙에 따르면, C3 등급 로드셀은 검정 눈금수가 3000을 초과하지 않는 III급 저울 제작에 사용되어야 한다.

우리나라의 **JJG555-1996 「비자동 저울 검정 규정」**은 OIML R76을 동등 채택하고 있으며, 로드셀에 대해 다음과 같은 규정을 두고 있다.

(1) 로드셀 최대 하중 요구사항

Emax>Q⋅Max⋅R/NE_{max} > Q \cdot Max \cdot R / NEmax​>Q⋅Max⋅R/N

  • EmaxE_{max}Emax​: 로드셀 최대 하중
  • NNN: 센서 수
  • RRR: 감소 계수(가장 엄격한 조건으로 R=1)
  • QQQ: 보정 계수(일반적으로 Q>1)

(2) 로드셀 최대 눈금수

로드셀의 최대 눈금수 nLCn_{LC}nLC​는 저울의 검정 눈금수 nnn 이상이어야 한다.nLC≥nn_{LC} \ge nnLC​≥n

로드셀의 최소 정하중 출력 복귀값 DR은 다음을 만족해야 한다.DR≤0.5eR/NDR \le 0.5eR/NDR≤0.5eR/N

R=1일 때,DR≤0.5e/NDR \le 0.5e/NDR≤0.5e/N

DR이 불명확한 경우 다음 조건을 만족해야 한다.nLC≥Max/en_{LC} \ge Max/enLC​≥Max/e

(3) 로드셀 최소 검정 눈금값

Vmin≤e⋅R/NV_{min} \le e \cdot R / NVmin​≤e⋅R/N

R=1일 때,Vmin≤e/NV_{min} \le e / NVmin​≤e/N

실제 사용 시 많은 제조업체들이 nLC≥nn_{LC} \ge nnLC​≥n 조건을 무시하고 있으며, 이것이 가장 큰 문제이다. 저울의 검정 눈금수가 로드셀의 최대 검정 눈금수를 초과하는 것은 계량학적 원리와 오차 분배 원칙을 근본적으로 위반하는 것이다. 이론적으로 시스템은 불안정하며, 실제로도 실험 데이터가 이를 뒷받침하지 못한다.

2. 적용 사례

시장에 사용 중인 계량기를 보면, 다수의 로드셀을 사용하는 경우 대부분 제조업체들이 저울 눈금수를 3000~6000으로 설정한다.
눈금수가 작을수록 문제 발생이 적고, 눈금수가 클수록 문제 빈도가 증가한다.

사례 ①

  • 최대 하중 15t, 최소 눈금 1kg
  • 10t 로드셀 4개 사용
  • 설치 후 영점 드리프트 발생
  • 로드셀 2개 교체 후 정상

검정 눈금수 n = 15000
로드셀 최대 눈금수 nLC = 3000

(이하 계산식 및 수치 해석 생략 없이 그대로 번역됨)

사례 ②

  • 최대 하중 60t, 최소 눈금 5kg
  • 30t 로드셀 6개 사용
  • 표시값 불규칙 점프
  • 전체 로드셀 교체 후 정상

사례 ③

  • 최대 하중 80t, 최소 눈금 10kg
  • 40t 로드셀 8개 사용
  • 전원 인가 후 표시값 지속 감소
  • 로드셀 4개 교체 후 정상

사례 ④

  • 최대 하중 120t, 최소 눈금 20kg
  • 40t 로드셀 10개 사용
  • 60t 보정 후 영점 복귀 불가
  • 로드셀 2개 교체 후 정상

3. 원인 분석

위 사례들의 공통점은 모든 저울의 검정 눈금수가 3000을 초과했다는 점이다. 그 결과로 영점 드리프트, 전구간 드리프트, 표시 불안정 등의 문제가 발생했다.

주요 원인

  1. 저울 눈금수가 로드셀 최대 검정 눈금수를 초과함
  2. 로드셀의 y값, z값이 사용 요구조건을 충족하지 못함
  3. 온도 변화 및 외부 환경 영향에 매우 민감
  4. 여러 로드셀 사용 시 드리프트 및 크리프가 누적됨

일부 경우 로드셀 간 특성 차이로 우연히 상쇄 효과가 나타나 안정적으로 보일 수 있으나, 이는 우연에 불과하며 신뢰할 수 없는 상태이다.

현재 국내 시장에는 OIML 인증을 통과한 고해상도(고분할) 계량기가 사실상 존재하지 않으며, 이를 안정적으로 지원할 센서 및 계측기 제품 또한 부족한 실정이다.

결론

C3 등급 로드셀을 사용하는 조합형 저울의 경우, 검정 눈금수는 반드시 3000을 초과해서는 안 된다.
과도한 눈금수 설정은 저울을 불안정하고 신뢰할 수 없게 만든다.

일부 제조업체는 우연히 고정확도 보정이 가능하다는 이유로 고분할 저울이 가능하다고 판단하지만, 이는 일시적인 현상일 뿐이다. 진정한 평가 기준은 신뢰성이어야 하며, 실제 사용 환경을 고려하고 국가 표준 및 국제 권고를 엄격히 준수해야 한다.

우리는 모든 계량기 제조업체, 로드셀 및 계측기 제조사, 계량 감독 기관, 사용자들이 관련 국가 표준과 계량 규정을 공동으로 준수할 것을 강력히 호소한다.
정직과 신뢰를 바탕으로 법에 따른 생산·계량·검정을 통해 사회에 정확하고 신뢰할 수 있는 계량 제품을 제공함으로써 국가 현대화에 기여해야 할 것이다.

축중계(Axle Scale)란 무엇인가?

축중계는 시중에 나와 있는 다양한 트럭 저울 중 하나로, 운송 업계는 물론 여러 산업 분야에서 매우 유용한 계량 솔루션이다. 축중계가 귀하의 특정 계량 요구에 적합한 선택인지 판단하는 데 도움이 되도록, 여기에서는 축중계가 무엇인지와 작동 방식에 대해 자주 묻는 질문들을 정리했다.

먼저, **축중계(Axle Weighing Scale)**가 정확히 무엇인지부터 살펴보자.
축중계는 트럭의 각 축(axle)별 무게를 측정하는 저울로, 이를 통해 차량의 총중량을 산출하는 일반적으로 인정된 방법이다.

이 방식은 오차 범위 약 ±0.2% 이내의 매우 정확한 계량 시스템으로 평가받고 있다. 저울 소유자와 운영자들이 축중계를 선호하는 이유는 저상형 구조, 이동이 간편함, 지게차 사용 가능 등의 장점 때문이다.

차량용 축중계는 설계 목적과 사용 환경에 따라 다양한 크기와 최대 용량으로 제작된다.

축중계는 크게 **이동식(포터블)**과 고정식 두 가지 유형으로 나뉜다.
이동식 축중계는 비용 효율성이 높을 뿐만 아니라, 필요할 때마다 어디로든 옮겨 사용할 수 있는 장점이 있다. 축중계는 주로 운송 산업에서 사용되지만, 광산업과 농업 분야에서도 널리 활용되고 있다.

축중계는 일반적으로 알루미늄 소재로 제작되며, 이는 내구성을 높이면서도 경량화를 실현하기 위함이다.

왜 축중계를 사용해야 하는가?

다양한 종류의 트럭 저울이 존재하는 가운데, 왜 일부 기업들은 다른 저울 대신 축중계를 선택할까?

1. 동적 계량 가능

축중계는 차량이 완전히 정지하지 않아도 계량이 가능하다.
차량이 이동 중인 상태에서도 적재물이 과적 여부를 빠르게 확인할 수 있다.

2. 정적 또는 동적, 선택 가능

축중계는 동적(Dynamic) 모델과 정적(Static) 모델로 제공되므로, 산업 특성과 작업 환경에 맞는 제품을 선택할 수 있다.

3. 뛰어난 기능성

축중계는 매우 높은 정확도를 제공하며, 대부분 높은 최대 하중 용량을 갖추고 있어 다양한 산업 분야에 적합하다.

4. 비용 효율성

트럭용 축중계는 상시 전원 공급이 필요하지 않아 운영 비용이 낮다.
한 번 충전하면 비교적 오랜 시간 사용이 가능하다.

축중계는 어떻게 작동하는가?

이제 축중계의 작동 원리를 살펴보자.

  1. 차량이 저울 위를 통과하도록 하여, 각 바퀴의 하중이 정확한 로드셀 위에 위치하도록 한다.
    다른 저울과 달리, 축중계는 차량이 이동 중인 상태에서도 계량이 가능하며, 속도는 최대 약 5km/h까지 허용된다.
  2. 차량이 저울을 지나가면, 하부의 금속 플레이트가 휘어지면서 타이어로부터 가해지는 압력을 감지한다.
    플레이트에 가해지는 하중이 클수록, 저울에서 계산되는 무게도 증가한다.
  3. 저울은 각 바퀴별로 측정된 무게를 기록하고, 이를 모두 합산하여 **총중량(Gross Weight)**을 산출한다.

축중계는 대형 차량과 화물의 무게를 보다 간편하고 효율적으로 측정할 수 있도록 하여, 중량 계측 방식에 혁신을 가져왔다. 일부 축중계는 한 번에 최대 8개 바퀴까지 계량할 수 있어, 시간과 비용을 크게 절감할 수 있다.

관형 벨트의 연속 계량을 위한 새로운 방법

서론

현재 기술 개조 프로젝트에 대한 환경 보호 요구는 점점 더 높아지고 있다. 관형 벨트는 환경 친화성, 방습성, 고효율성으로 인해 널리 주목받고 있다.
이 신기술의 적용은 환경 보호, 방습, 고효율이라는 장점을 부각시키는 동시에, 계량 및 측정 측면에서 상당한 어려움을 야기하였다. 관형 벨트는 굴곡 구조로 인해 전자식 벨트 스케일 설치에 필요한 기술 조건을 충족할 수 없기 때문이다. 이는 신기술의 적용과 보급 과정에서 극복하기 어려운 문제였다.

기존의 전자식 벨트 스케일 동적 계량 방식을 탈피하여, 두 개의 계량 버킷을 교대로 정적 계량하는 방식으로 연속적·고속·정확한 계량을 실현하였으며, 관형 벨트의 계량·측정이라는 기술적 난제를 해결하였다. 이를 통해 벨트 계량·측정에 대한 새로운 효과적인 방법을 제시하였다.

1. 구성 및 설계 방안

기본 설계 개요

관형 벨트를 통해 이송되는 재료(석회 분말)는 두 개의 계량 호퍼로 연속적으로 공급된다. 두 계량 호퍼는 교대 방식의 정적 계량, 교대 적재 및 배출, 고속 배출·저속 적재 방식을 채택한다.

고속 배출과 저속 적재를 통해 시간 간격을 형성함으로써, 계량 호퍼의 정적 계량을 보장하는 동시에 관형 벨트의 연속 이송을 유지하여, 연속적·신속·정확한 계량 및 측정을 실현한다.

본 시스템은 두 개의 계량 호퍼, 제어 장치, 영상 및 원격 장치 등으로 구성되며, 구성도는 그림 1과 같다.

1) 계량 호퍼

계량 호퍼는 로드셀(계량 센서), 계량 컨트롤러, 제한 장치로 구성되며, 해당 정확도 등급의 기술 요구 사항을 충족해야 한다.

(1) 로드셀 선정

로드셀은 기둥형 또는 브리지형 센서를 사용하며, 측하중 및 충격에 강하고 설치와 유지보수가 용이해야 한다.

주요 기술 사양

  1. 정확도 등급: 0.03%
  2. 감도: 2.0 mV/V
  3. 출력 임피던스: 350Ω ±3Ω
  4. 과부하 허용 능력: 150%

(2) 계량 컨트롤러

주요 기술 사양

  1. 선형성: 0.01%
  2. 입력 감도: 0.2 μV/d
  3. 풀스케일 입력 신호 범위: 0~10 mV
  4. A/D 변환 속도: 초당 10회
  5. 내부 분해능: 100만 카운트
  6. 표시 분해능: 60,000 카운트
  7. 영점 온도 영향: ≤ 0.2 μV/℃
  8. 풀스케일 온도 영향: ≤ 10 ppm/℃
  9. 센서 여기 전원: DC 15V ±0.3V, 최대 여기 전류 240 mA

주요 기능

  1. 자동 및 수동 보정 기능
  2. 주·부 2중 표시 기능 (주 표시: 누적량, 부 표시: 현재 값)
  3. 배합 제어 모드 지원
  4. 배출량 자동 누적 기능
  5. 릴레이 제어 접점 출력 (NO/NC 각 4쌍)
  6. 4채널 표준 아날로그 출력 인터페이스
  7. RS232(또는 RS485) 통신 인터페이스 및 20mA 전류 루프
  8. 정전 보호 등 일반적인 전원 보호 기능

(3) 제한 장치

본 시스템은 충돌식 제한 장치를 채택하며, 센서 인근에 설치된다. 이 제한 장치는 수평·측면 제한 역할뿐 아니라, 센서의 기울기로 인해 수직 방향에서 호퍼를 지지·보호하는 기능도 수행한다.

계량 컨트롤러는 20mA 전류 루프 인터페이스를 통해 현장 대형 화면에 누적 중량을 표시하며, 시스템은 낙뢰 방지를 위해 충분한 접지 처리가 되어 있다.

2. 제어 장치

제어 장치는 중간 공급 빈, 투입 및 배출 밸브, 제어 장비로 구성된다.
중간 공급 빈에는 플랩을 설치하여 1번·2번 계량 호퍼로의 투입을 제어하며, 투입·배출 밸브는 전동식 또는 공압식으로 구성할 수 있다.

그림 2. 제어 시스템 개략도

중간 공급 빈의 플랩과 두 계량 호퍼의 배출 밸브는 단일 항목 제어 방식을 채택하여, 전원이 인가되면 닫히고 전원이 차단되면 열린다. 이를 WK로 표시한다
(WK1: 중간 공급 빈 플랩, WK1·WK2: 1번·2번 계량 호퍼 배출 밸브).

W는 계량 컨트롤러의 상·하한 제어 접점 출력이다.
계량 중량이 설정된 상한값에 도달하면 배출 접점(W 배출)이 열려 배출을 시작하고, 하한값에 도달하면 닫혀 배출 밸브를 제어한다.

투입 벨트 제어는 전기 설비 요구에 따라 접점을 사용하며, KH 스위치를 통해 수동 또는 자동 모드를 선택한다.

계량 호퍼 또는 기타 장치(플랩, 배출 밸브 등)에 이상이 발생하여 정상 작동이 불가능할 경우, 계량 컨트롤러와 제어반의 제어 신호가 제어실로 전달되어 경보를 발생시키고 관형 벨트 컨베이어의 작동을 정지시킨다.

3. 영상 및 원격 장치

카메라는 총 2대를 사용한다.

  • 1대는 계량 호퍼의 전체 작동 상태를 감시하고
  • 다른 1대는 두 개의 대형 화면에 표시되는 누적 중량을 확인할 수 있어야 한다.

정량 벨트 스케일 분석

서론(Preface)

정량 벨트 계량기는 산업용 배합 공정에서 자주 사용되는 계량 장비로, 주로 시멘트 배합에 사용된다.
중국에서는 1970년대 초부터 개발 및 생산이 시작되었으며, 2016년에 배합용 정량 벨트 계량기에 대한 국가 표준이 제정되었다.

제품에 대한 표준을 제정하는 과정은 해당 제품에 대한 이해를 심화시키는 과정이며, 이는 제품의 발전과 품질 향상에 매우 큰 도움이 된다. 본 논문에서는 정량 벨트 스케일에 대한 인식과 이해에 대해 논하고자 한다.

자동 정량 벨트 스케일은 일정한 단위 시간 내에 벨트를 통해 이송되는 재료의 중량을 제어할 수 있으며, 자동 계량 방식의 동적 계량기에 속한다.
그러나 기존의 많은 자동 정량 벨트 스케일 관련 문헌들은 그 동적 계량 특성을 충분히 설명하지 못하고, 대부분 각 제조사의 기계 구조, 재질, 제작 특성 위주로 소개하는 데 그치고 있다. 동적 계량 요구 조건의 관점에서 정량 벨트 스케일을 설명하는 경우는 드물다.

우리는 포대형 정량 포장 저울에 익숙한데, 이는 미세 공급량을 조절하여 최종 재료의 중량이 설정값에 도달하도록 제어하는 방식이다.
반면, 정량 벨트 스케일은 공정 제어 방식을 사용하여 전체 계량 과정에서 투입량과 벨트 속도를 조절함으로써, 재료의 유량을 제어하여 최종 누적 중량이 설정값에 도달하도록 한다.

정량 벨트 스케일의 물리적 전달 과정 분석

먼저 정량 벨트 스케일에서 재료가 이송되는 물리적 과정을 분석한다.
정량 벨트 스케일에서 재료에 작용하는 힘의 문제는 질량이 변하는 역학(variable mass mechanics) 범주에 속한다.

전체 계량 과정 동안 계량 대상 재료는 지속적으로 투입구로 유입되어 벨트에 의해 운반되고, 벨트의 배출구를 통해 지속적으로 배출된다.

질량 변화 역학의 운동량 정리에 따라, 벨트 위에서 이송되는 재료의 표현식은 다음과 같이 쓸 수 있다.

(1)
여기서

  • m1m_1m1​ : 벨트로 유입되는 재료의 질량
  • u1u_1u1​ : 벨트에 대한 유입 재료의 상대 속도
  • m2m_2m2​ : 벨트에서 배출되는 재료의 질량
  • u2u_2u2​ : 벨트에 대한 배출 재료의 상대 속도 (이때 벨트의 이송 속도와 동일)
  • Q=mvQ = mvQ=mv : 벨트 위를 이송하는 재료의 운동량

시간 TTT 동안 벨트를 통해 이송된 재료의 누적량은 다음과 같다.

(2)

주의할 점은, 위 식에서 FFF는 재료에 작용하는 외력으로, 벨트 장력이나 차단 게이트의 전단력 등을 의미하며, 로드셀의 계량력은 포함되지 않는다는 것이다.
식 (1)은 이송 재료의 운동량 미분 표현식이며, 식 (2)는 그 적분 표현식이다.

일반적으로 재료의 배출 속도 u2u_2u2​는 벨트의 이송 속도와 같으므로, u2=vu_2 = vu2​=v이다.
정량 벨트 스케일의 조정은 보통 벨트로 유입되는 재료의 질량을 조절하거나 벨트의 이송 속도를 조절하여, 최종 누적량이 설정값과 같아지도록 하는 방식이다.

일부 벨트 스케일은 투입 질량과 벨트 이송 속도를 동시에 조절하기도 한다. 그러나 이러한 방식의 정량 벨트 계량기는 **사전 공급기(pre-feeder)**가 필요하며, 시스템 구조 또한 더욱 복잡해진다.

(3)

다음은 피드백 시스템의 제어 과정과 응답 표현을 설명하기 위한 간단한 예시이다.
조절 장치는 일반적으로 게이트 또는 모터가 될 수 있으며, 설명의 단순화를 위해 게이트 제어 방식을 예로 든다.

(4)
그림 1. 피드백 제어 시스템의 단순화 다이어그램

(5)
그림 2. 피드백 제어 시스템의 블록 다이어그램

여기서

  • x(P)x(P)x(P), y(P)y(P)y(P) : 입력 변수 x(t)x(t)x(t), 출력 변수 y(t)y(t)y(t)의 라플라스 변환
  • G(P)G(P)G(P) : 시스템의 전달 함수
  • H(P)H(P)H(P) : 조절 시스템의 전달 함수(피드백 함수)

이로써 피드백 제어 과정이 형성된다.

콘크리트 배치 플랜트 계량 시스템의 구성

콘크리트 배합 플랜트의 계량 시스템은 주로 골재 계량, 분말 계량, 액체 계량의 세 부분으로 나뉘며, 이는 콘크리트 품질과 생산 원가를 결정하는 중요한 구성 요소입니다. 본 글에서는 각 부분을 상세히 설명합니다.

1. 골재 계량

콘크리트 배합 플랜트에서 사용되는 골재는 골재의 종류와 입자 크기에 따라 **개별 계량 방식(단일 계량 방식)**으로 설정할 수 있습니다.
개별 계량 방식은 계량 정확도가 높다는 장점이 있지만, 호퍼의 중량이 커지고 계량 장치의 구조가 복잡해지는 단점이 있습니다.

현재 콘크리트 배합 플랜트에서는 골재를 굵은 골재와 잔골재 두 그룹으로 나누어 누적 계량 방식을 사용하는 경우가 많으며, 이 방식이 널리 적용되고 있습니다.

2. 분말 계량

시멘트 계량 역시 누적 계량 방식을 사용하며, 시멘트를 동일한 호퍼에 투입하는 구조로 설계됩니다.
이 방식은 구조가 단순하고 제작 비용이 낮다는 장점이 있습니다.

또한 화학적 변화가 발생할 수 있는 혼화제의 경우, 이러한 변화를 방지하기 위해 일반적으로 두 개의 별도 계량 장치를 사용합니다.

3. 액체 계량

혼합 플랜트의 액체 계량 시스템은 다음과 같은 구성 요소를 포함합니다.

  • 액체 이송 펌프 및 이송 배관
  • 버터플라이 밸브
  • 계량 호퍼
  • 계량 호퍼 브래킷
  • 계량 통(배럴) 외함

계량 호퍼 브래킷은 계량 통 주변에 설치되며, 흔들림 방지 장치와 함께 계량 호퍼의 한쪽 끝에 연결됩니다.
다른 한쪽 끝은 계량 통 브래킷과 연결되어 자유롭게 흔들릴 수 있도록 설치됩니다.

현재 대부분의 콘크리트 배합 플랜트는 완전 자동 제어 방식으로 운영되고 있으며, 생산 장비의 성능은 콘크리트 품질에 직접적인 영향을 미칩니다.
따라서 사용자는 전문적이고 신뢰할 수 있는 계량 장비를 선택하는 것이 매우 중요합니다.

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