1. Control Function Execution의 정의

Control Function Execution은 기계에 요구되는 기능을 실제 실행 가능한 동작 단위로 변환하고, 각 동작의 시작·진행·완료·중단·복귀 조건을 체계적으로 구성하는 제어 영역이다.

기계설계에서 기능은 일반적으로 다음과 같은 목적 중심으로 정의된다.

• 제품을 공급한다.

• 제품을 정렬한다.

• 제품을 고정한다.

• 제품을 절단한다.

• 제품을 검사한다.

• 완성된 제품을 배출한다.

그러나 이러한 기능 정의만으로는 기계를 실제로 작동시킬 수 없다.

각 기능을 실행하려면 다음 사항이 구체적으로 정의되어야 한다.

• 어떤 장치가 작동하는가

• 어떤 조건에서 작동을 시작하는가

• 어느 위치·속도·힘으로 작동하는가

• 동작 완료를 무엇으로 판단하는가

• 허용시간 안에 완료되지 않으면 어떻게 처리하는가

• 동작 중 이상이 발생하면 어떤 상태로 이동하는가

• 다음 기능으로 전환하기 위한 조건은 무엇인가

따라서 Control Function Execution은 기계의 기능적 의도를 실제 제어 명령과 상태 전환으로 변환하는 구현 체계이다.

2. Control Function Execution의 위치

범용기계의 기능 실행 흐름은 다음과 같이 정리할 수 있다.

요구사항 → 기계 기능 → 메커니즘 → 기능 실행 제어 → 상태 확인 → 다음 기능 전환

각 영역의 역할은 다음과 같다.

Control Function Execution은 메커니즘 자체를 설계하는 영역이 아니다.

이미 결정된 메커니즘에 대해 다음을 결정하는 영역이다.

• 언제 작동할 것인가

• 어떤 순서로 작동할 것인가

• 어느 정도로 작동할 것인가

• 언제 멈출 것인가

• 완료 후 어떤 상태로 전환할 것인가

3. 기능과 동작의 구분

기능과 동작은 구분해야 한다.

3.1 기능

Function

기능은 기계가 제품 또는 공정에 만들어야 하는 결과이다.

예:

• 제품 위치 결정

• 제품 고정

• 정량 공급

• 절단

• 가열

• 검사

• 배출

3.2 동작

Action

동작은 기능을 실현하기 위해 실제 장치가 수행하는 물리적 행동이다.

예:

• 컨베이어 모터 회전

• 스토퍼 실린더 상승

• 클램프 실린더 전진

• 서보축 하강

• 히터 출력 증가

• 배출 실린더 전진

하나의 기능은 여러 동작으로 구성될 수 있다.

예를 들어 제품 고정 기능은 다음과 같이 구성될 수 있다.

1. 제품 도착 확인

2. 측면 가이드 전진

3. 상부 클램프 하강

4. 클램핑 압력 형성

5. 고정 완료 확인

따라서 제어설계에서는 동작을 나열하는 것에 그치지 않고, 각 동작이 어떤 기능적 결과를 만드는지 연결해야 한다.

4. 기능 실행 단위

기계 전체의 동작을 하나의 긴 시퀀스로 작성하면 수정·시험·복구가 어려워진다.

따라서 기계 기능을 독립적으로 실행하고 확인할 수 있는 기능 실행 단위로 분할해야 한다.

대표적인 기능 실행 단위는 다음과 같다.

• Product Feeding

• Product Detection

• Positioning

• Alignment

• Clamping

• Processing

• Inspection

• Unclamping

• Discharge

• Return

• Cleaning

• Homing

각 기능 실행 단위에는 다음 항목이 포함되어야 한다.

5. 기능 실행의 기본 구조

하나의 기능은 일반적으로 다음 흐름으로 실행된다.

대기 → 시작조건 확인 → 명령 출력 → 동작 진행 → 완료 확인 → 결과 확정 → 다음 상태 전환

5.1 대기

Idle

기능이 실행되지 않고 시작조건을 기다리는 상태이다.

5.2 시작조건 확인

Start Condition Check

기능을 안전하고 정상적으로 실행할 수 있는 조건이 충족되었는지 확인한다.

5.3 명령 출력

Command Execution

모터, 실린더, 밸브, 히터 등의 장치에 실행 명령을 전달한다.

5.4 동작 진행

Execution

장치가 목표 상태를 향해 작동한다.

5.5 완료 확인

Completion Verification

센서, 엔코더, 압력, 시간 또는 공정 결과를 이용하여 기능이 완료되었는지 확인한다.

5.6 결과 확정

Result Confirmation

완료 신호가 단순히 입력되었는지뿐 아니라 기능의 최종 목적이 달성되었는지 확인한다.

5.7 상태 전환

State Transition

완료 결과에 따라 다음 기능, 대기상태 또는 이상상태로 이동한다.

6. 시작조건의 정의

기능은 명령이 발생했다고 즉시 실행되어서는 안 된다.

실행 전 필요한 조건을 확인해야 한다.

6.1 장치 준비조건

• 모터가 운전 가능 상태인가

• 서보가 정상적으로 활성화되었는가

• 공압 또는 유압이 정상 범위인가

• 밸브와 드라이브에 이상이 없는가

• 원점이 확인되었는가

6.2 공정 준비조건

• 제품이 지정 위치에 있는가

• 이전 공정이 완료되었는가

• 다음 공정이 제품을 받을 준비가 되었는가

• 필요한 공구가 장착되었는가

• 설정값과 레시피가 유효한가

6.3 기계 상태조건

• 충돌 가능성이 없는가

• 다른 축 또는 장치가 간섭 위치에 있지 않은가

• 해당 기능이 현재 운전모드에서 허용되는가

• 현재 상태가 기능 실행에 적합한가

6.4 안전조건

• 안전도어가 정상인가

• 비상정지가 해제되었는가

• 위험구역에 작업자가 없는가

• 필요한 안전기능이 정상인가

시작조건은 단순한 센서 입력 목록이 아니라, 해당 기능이 실행 가능한 상태임을 증명하는 조건 집합이다.

7. 실행 명령의 구성

기능 실행 명령은 단순한 ON/OFF보다 구체적인 목표를 포함해야 한다.

7.1 이산 명령

Discrete Command

장치의 두 가지 또는 제한된 상태를 전환한다.

예:

• 밸브 ON/OFF

• 클램프 전진/후진

• 브레이크 작동/해제

• 히터 허가/금지

7.2 목표값 명령

Setpoint Command

장치가 도달해야 할 목표값을 지정한다.

예:

• 위치 250 mm

• 속도 300 mm/s

• 토크 15 N·m

• 온도 80°C

• 압력 0.5 MPa

7.3 프로파일 명령

Motion or Process Profile

목표값에 도달하는 과정까지 정의한다.

예:

• 가속시간

• 감속시간

• 접근속도

• 작업속도

• 유지시간

• 단계별 압력

• 단계별 온도

7.4 조건부 명령

Conditional Command

실행 중 상태에 따라 명령이 변한다.

예:

• 제품 검출 시 감속

• 접촉 검출 후 힘 제어 전환

• 목표온도 도달 후 출력 유지

• 과부하 접근 시 속도 제한

좋은 기능 실행 명령은 무엇을 작동시키는지가 아니라, 어떠한 결과를 어떤 조건과 과정으로 만들어야 하는지를 표현한다.

8. 실행 순서의 설계

기계 기능은 순차·병렬·조건부 구조로 실행될 수 있다.

8.1 순차 실행

Sequential Execution

앞의 기능이 완료된 후 다음 기능을 실행한다.

예:

공급 → 정렬 → 클램프 → 가공 → 배출

순차 실행은 구조가 명확하지만 불필요하게 모든 동작을 직렬화하면 사이클타임이 길어진다.

8.2 병렬 실행

Parallel Execution

서로 간섭하지 않는 기능을 동시에 실행한다.

예:

• 완성품 배출과 다음 제품 공급 준비

• 가공축 복귀와 클램프 해제 준비

• 제품 이송과 검사 데이터 저장

병렬 실행은 사이클타임을 단축하지만 다음을 검토해야 한다.

• 장치 간 물리적 간섭

• 전력 및 공압 동시 사용량

• 완료 조건의 동기화

• 한 기능 실패 시 다른 기능의 처리

8.3 조건부 실행

Conditional Execution

제품 종류, 공정 결과 또는 상태에 따라 다른 기능을 실행한다.

예:

• 검사 합격품과 불합격품의 배출 경로 구분

• 제품 크기에 따른 다른 위치 명령

• 재가공 필요 시 추가 공정 실행

• 공정조건에 따른 속도 변경

8.4 반복 실행

Repetitive Execution

특정 조건이 충족될 때까지 기능을 반복한다.

예:

• 설정 수량까지 공급

• 설정 압력까지 가압

• 제품 위치가 허용범위에 들어올 때까지 정렬

• 제한 횟수 이내 재시도

반복 구조에는 종료조건과 최대 반복 횟수를 반드시 정의해야 한다.

9. 완료조건의 정의

명령을 출력했다고 해서 기능이 완료된 것은 아니다.

기능 완료는 실제 결과를 기준으로 판단해야 한다.

9.1 위치 기반 완료

• 목표 위치 도달

• 리미트 센서 검출

• 엔코더 위치 편차 허용범위 진입

• 실린더 전진·후진 완료

9.2 속도 기반 완료

• 목표 속도 도달

• 회전체 완전 정지

• 속도 허용범위 유지

• 축간 속도 동기화 완료

9.3 힘과 압력 기반 완료

• 클램핑력 확보

• 설정 압력 도달

• 압입력 유지

• 토크 도달

9.4 온도와 공정값 기반 완료

• 설정온도 도달

• 유지시간 완료

• 목표 중량 도달

• 설정 유량 공급 완료

9.5 제품 결과 기반 완료

• 제품 위치 확인

• 가공 완료 검출

• 검사 합격

• 배출 완료 확인

중요한 기능일수록 구동기의 동작 완료보다 최종 제품 또는 공정 결과를 직접 확인해야 한다.

10. 완료조건과 유지조건

기능이 목표 상태에 일시적으로 도달했다고 해서 완료로 판단할 수 없는 경우가 있다.

예를 들어 압력이 순간적으로 설정값에 도달했지만 즉시 떨어진다면 클램핑이 정상적으로 유지된 것으로 볼 수 없다.

따라서 다음을 구분해야 한다.

완료조건

Completion Condition

기능이 목표 상태에 도달했음을 판단하는 조건이다.

유지조건

Hold Condition

도달한 상태가 필요한 시간 동안 안정적으로 유지되는지를 확인하는 조건이다.

예:

• 목표 압력을 1초 이상 유지

• 위치 편차를 ±0.1 mm 이내에서 유지

• 설정온도를 5초 동안 유지

• 정지속도 이하 상태를 일정 시간 유지

11. 타임아웃과 시간조건

모든 기능에는 합리적인 실행시간이 존재한다.

기능이 허용시간 안에 완료되지 않으면 이상으로 판단해야 한다.

11.1 시작 지연시간

명령 출력 후 실제 장치가 반응하기까지 허용되는 시간이다.

11.2 완료 제한시간

기능이 완료되어야 하는 최대시간이다.

11.3 최소 유지시간

신호 또는 상태가 정상으로 인정되기 위해 유지되어야 하는 시간이다.

11.4 안정화 시간

동작 완료 후 진동·압력·온도 등이 안정될 때까지 기다리는 시간이다.

11.5 기능 간 대기시간

다음 기능으로 전환하기 전 필요한 시간이다.

11.6 통신 응답시간

외부 장치 또는 제어기에서 응답을 받아야 하는 최대시간이다.

타임아웃은 단순한 알람값이 아니라 기계의 정상 응답특성, 하중 변화, 환경조건 및 공정 허용시간을 기준으로 설정해야 한다.

12. 운전모드별 기능 실행

동일한 기능도 운전모드에 따라 실행조건과 동작방식이 달라질 수 있다.

12.1 자동운전

• 전체 시퀀스 안에서 기능 실행

• 모든 공정 인터록 적용

• 자동 완료 판단

• 다음 기능으로 자동 전환

12.2 수동운전

• 개별 기능 또는 장치 직접 조작

• 자동 시퀀스 진행 없음

• 필수 안전 인터록 유지

• 충돌방지 인터록 유지

• 필요 시 제한속도 적용

12.3 조정운전

• 위치·속도·시간·센서 조건 조정

• 단일 사이클 운전

• 저속 또는 단계 실행

• 설정값 변경권한 제한

12.4 원점복귀

• 기준 위치 탐색

• 감속 위치 확인

• 원점센서 확인

• 위치좌표 재설정

• 복귀 완료상태 확정

12.5 정비 및 청소 모드

• 제한된 장치만 실행

• 홀드 투 런 방식 적용

• 저속 운전

• 일부 일반 인터록 우회 가능

• 핵심 안전기능 유지

12.6 복구 모드

• 불완전한 공정 상태 정리

• 축과 제품 위치 확인

• 개별 장치 안전 위치 이동

• 잔류 제품 제거

• 자동운전 재진입 조건 확인

13. 기능 간 협조와 동기화

기계의 기능은 독립적으로 작동하지 않는다.

여러 기능이 서로 조건과 상태를 주고받으며 협조해야 한다.

13.1 기능 간 핸드셰이크

한 기능이 다른 기능에 준비·실행·완료 상태를 전달한다.

대표 신호:

• Ready

• Request

• Busy

• Complete

• Fault

• Reset

13.2 축간 동기화

여러 축이 위치·속도·위상 관계를 유지한다.

예:

• 좌우 승강축 동기화

• 필름 이송과 절단축 동기화

• 컨베이어와 로봇 픽업 동기화

• 마스터축과 슬레이브축 추종

13.3 상·하류 장치 협조

라인 장비에서는 제품 전달 전 다음을 확인해야 한다.

• 하류 장비가 제품을 받을 준비가 되었는가

• 상류 장비의 공급 요청이 유효한가

• 제품 이동경로가 비어 있는가

• 현재 제품의 추적정보가 전달되었는가

14. 중단과 일시정지

기능 실행 중 운전을 중단해야 하는 상황을 구분해야 한다.

14.1 일시정지

Pause

현재 상태를 가능한 한 유지하면서 운전을 잠시 멈춘다.

• 재개 가능

• 위치와 공정상태 유지

• 제품 상태 보존

• 재개조건 확인 필요

14.2 정상중단

Controlled Interruption

현재 기능을 안전한 단계까지 마무리한 후 중단한다.

14.3 즉시중단

Immediate Interruption

장치 손상 또는 공정 이상을 막기 위해 현재 기능을 즉시 멈춘다.

14.4 안전중단

Safety Interruption

사람의 위험을 줄이기 위해 일반 기능제어보다 우선하여 위험동작을 중단한다.

각 중단 방식에는 다음을 정의해야 한다.

• 차단할 출력

• 유지할 출력

• 브레이크 적용 여부

• 제품과 공구의 상태

• 재개 가능 여부

• 복구 절차

15. 기능 실행 실패

다음과 같은 경우 기능 실행 실패로 판단할 수 있다.

• 시작조건이 일정 시간 안에 충족되지 않음

• 명령 후 장치가 반응하지 않음

• 완료신호가 발생하지 않음

• 완료신호가 너무 빨리 발생함

• 목표값에 도달하지 못함

• 상태가 유지되지 않음

• 상반된 센서가 동시에 입력됨

• 다른 기능과 충돌 가능성이 발생함

• 제품 상태가 예상과 다름

• 통신 응답이 없음

기능 실패 시 단순히 알람을 발생시키는 것보다, 실패의 영향과 위험에 따라 대응 수준을 결정해야 한다.

16. 재시도와 자동복구

일부 기능 실패는 자동 재시도로 복구할 수 있다.

예:

• 제품 위치 재정렬

• 실린더 후진 후 재전진

• 센서 오염 확인을 위한 재검출

• 통신 명령 재전송

• 공급장치의 재공급

자동 재시도에는 다음 제한이 필요하다.

• 최대 재시도 횟수

• 재시도 전 안전상태

• 재시도 사이의 대기시간

• 반복 실패 시 대응

• 재시도 이력 기록

• 재시도가 허용되지 않는 기능

사람 또는 장비의 위험이 증가할 수 있는 기능에서는 자동 재시도를 제한해야 한다.

17. 기능 실행과 인터록의 경계

기능 실행 제어와 인터록 제어는 연결되지만 역할이 다르다.

기능 실행 제어

• 실행할 기능을 정의한다.

• 장치에 명령을 출력한다.

• 기능 진행과 완료를 관리한다.

• 다음 상태로 전환한다.

인터록 제어

• 기능을 실행해도 되는지를 판단한다.

• 특정 조건에서 명령을 차단한다.

• 충돌과 공정 오류를 방지한다.

• 해제와 바이패스 조건을 관리한다.

기능 실행 제어는 “무엇을 수행할 것인가”를 담당하고, 인터록 제어는 “지금 수행해도 되는가”를 담당한다.

18. 기능 실행과 안전 관련 제어의 경계

안전 관련 제어는 기능 실행 제어보다 우선한다.

기능 실행 명령이 존재하더라도 안전조건이 충족되지 않으면 위험한 출력은 허용되지 않아야 한다.

예:

• 자동 시퀀스가 가공축 하강을 요청하더라도 안전도어가 열리면 실행 금지

• 배출 기능이 요청되어도 작업자가 위험구역에 있으면 동작 금지

• 수직축 상승 명령 중 브레이크 상태가 불확실하면 실행 금지

안전 관련 제어는 기능의 정상 완료보다 사람과 설비의 위험 제한을 우선한다.

19. Assembly와의 연계

기능 실행 제어는 실제 조립상태와 일치해야 한다.

필요한 조립정보

• 축과 액추에이터의 기준방향

• 전진·후진 또는 정·역회전 정의

• 원점과 작업위치

• 센서 설치위치

• 기계적 한계 위치

• 스토퍼와 센서의 관계

• 브레이크 작동방향

• 밸브의 정상상태

• 조정 가능한 범위

조립상태와 제어상의 방향 정의가 다르면 다음 문제가 발생한다.

• 축이 반대 방향으로 이동

• 실린더 신호가 반대로 해석됨

• 원점과 한계 위치가 뒤바뀜

• 브레이크 해제와 작동이 반대로 동작함

따라서 기능 실행 정의는 조립도, I/O 리스트 및 시운전 기준과 일치해야 한다.

20. Manufacturing과의 연계

기능 실행 제어는 모든 생산 장비에서 동일한 동작을 재현할 수 있어야 한다.

관리해야 할 주요 파라미터

• 위치 설정값

• 속도

• 가속·감속

• 토크 제한

• 압력 설정

• 실행시간

• 유지시간

• 타임아웃

• 재시도 횟수

• 위치 허용편차

• 완료 판단 기준

제조 및 시운전 시험

• 개별 기능 실행시험

• 시작조건 시험

• 완료조건 시험

• 타임아웃 시험

• 순차 실행시험

• 병렬 실행시험

• 수동운전 시험

• 자동운전 시험

• 중단 및 재개 시험

• 재시도 시험

• 이상 복구시험

21. 주요 설계 산출물

Control Function Execution을 구현하기 위해 다음 문서가 필요하다.

22. 기능 실행 제어 검토 질문

기능 정의

• 각 기능의 최종 결과가 명확한가

• 기능과 장치동작이 구분되어 있는가

• 기능이 적절한 실행 단위로 분할되어 있는가

시작조건

• 기능 실행 전 확인해야 할 조건이 정의되어 있는가

• 장치·공정·안전조건이 구분되어 있는가

• 상류와 하류 장비의 준비상태가 포함되어 있는가

실행 명령

• 명령이 단순 ON/OFF가 아닌 목표상태를 포함하는가

• 위치·속도·힘·시간 조건이 정의되어 있는가

• 실행 중 조건변화에 대한 대응이 있는가

완료 판단

• 기능의 실제 결과를 확인하고 있는가

• 구동기 상태와 제품 결과가 구분되어 있는가

• 완료조건과 유지조건이 구분되어 있는가

• 허용편차와 안정화 시간이 정의되어 있는가

시퀀스

• 순차와 병렬 실행이 적절히 구성되어 있는가

• 병렬 기능 사이에 간섭이 없는가

• 조건부 분기와 반복 종료조건이 명확한가

이상과 복구

• 타임아웃이 정의되어 있는가

• 기능 실패조건이 명확한가

• 자동 재시도 범위가 적절한가

• 중단 후 제품과 장치상태를 확인할 수 있는가

조립과 제조

• 제어상의 방향과 실제 조립방향이 일치하는가

• 설정값을 반복적으로 재현할 수 있는가

• 모든 기능을 단독으로 시험할 수 있는가

• 기능별 합격기준이 정의되어 있는가

2

3. 결론

Control Function Execution은 기계의 기능적 요구를 실제 운전 가능한 명령과 상태 전환으로 변환하는 제어 영역이다.

그 핵심은 모터나 실린더를 작동시키는 것이 아니다.

다음 관계를 명확히 정의하는 것이 핵심이다.

• 어떤 기능을 실행할 것인가

• 어떤 조건에서 기능을 시작할 것인가

• 어떤 장치에 어떤 명령을 전달할 것인가

• 기능 완료를 어떤 실제 결과로 확인할 것인가

• 허용시간 안에 완료되지 않으면 어떻게 대응할 것인가

• 다음 기능으로 어떤 조건에서 전환할 것인가

• 중단과 이상 후 어떤 절차로 복구할 것인가

좋은 기능 실행 제어는 정상적인 자동운전만을 구현하지 않는다.

자동·수동·조정·정비·복구의 모든 운전모드에서 기계의 동작을 예측 가능하고 검증 가능한 형태로 구성하며, Assembly와 Manufacturing 단계에서도 동일한 기능과 성능을 반복적으로 구현할 수 있도록 한다.