특수한 조건 하에서의 ECAD

함부르크의 European XFEL의 전자기술 장비에는 사용되는 부품 등 여러 면에서 독특한 특징이 많다. 이러한 장비들은 European XFEL 연구소의 실험 스테이션에서 사용된다. 2018년부터 운영되는 이 연구소는 나노 구조, 분자, 바이러스 등에 관한 정보를 제공한다. 이러한 특수성에도 불구하고 전기 엔지니어들은 EPLAN Electric P8과 EEC One, EPLAN FieldSys 모듈로 자동화를 구현하여 수월하게 업무를 수행하였다. 함부르크에서 ‘European XFEL’의 이름으로 대규모 기초연구 시설이 창립되었다. 이 연구소는 수많은 영역에 걸쳐 새로운 발견을 성취할 것이다. 약 2 킬로미터 가량의 입자 가속기는 전자들의 속도를 광속으로 높이고 다량의 에너지를 발생시킨다. 그 뒤 전자들이 자석(언듈레이터)을 통과하면 레이저와 흡사한 X-레이를 방출한다. 이러한 방법으로 전세계에서 초빙된 연구 인력들이 협업해 X-레이 레이저를 구축하고 있다. 이 프로젝트는 11개 국가로부터 재정적인 지원을 받고 있다.

X-레이 플래시에서 나온 새로운 발견

고에너지 X레이 플래시에서 나노 구조와 개별 분자에 대한 새로운 연구 결과들이 나왔다. 가령 X레이 플래시를 사용하면 생물 분자의 3차원 구조를 해독할 수 있다. X레이 플래시는 1초당 0.1억 번 이하로 발생하는 화학적 반응을 촬영하는 데에도 쓰인다. 이에 더해 플래시로 세포 구조와 바이러스를 관찰할 수도 있다. X-레이 플래시에서 나온 연구 결과들은 수많은 기타 과학 영역에 영향을 준다. European XFEL 연구소 지하 실험 홀에는 X-레이 플래시를 위해 6개의 실험 스테이션이 만들어질 예정이다. 실험 홀에서는 세계적인 생물학자, 화학자, 의료 및 입자물리학자들이 실험을 수행하며, 6개의 스테이션에 측정 도구와 기구가 완비될 예정이다.

전자기술적 설계가 당면한 주요 과제

2009년에 공사가 시작된 이 연구소는 2017년에 완공될 것이다. 이 프로젝트에는 기존과는 다른 구성요소가 필요해 설계 엔지니어와 공급업체에게 난제를 안겨준다. 같은 이유로 전기 설계 역시 까다로운데다, 더 많은 난점이 있다. European XFEL의 실험 홀에서 전기 설계를 담당하는 Antonios-Vassilios Lalechos 박사는 말했다. “이 프로젝트는 매우 복잡한 양상을 띠고 있습니다. 수 천 개의 밸브를 전기에 연결시켜야 하지요. 그래서 저희는 설계와 문서화 작업에 동등한 포커스를 두고 있습니다. 또 저희는 ‘흔한’ 구성요소를 거의 쓰지 않지요. 대부분의 구성요소는 European XFEL을 위해 특수 제작된 것이며 만약 저희가 표준 구성요소를 사용한다면 본래의 용도와는 다른 용도로 쓰고는 합니다.” Lalechos는 또한 전기 문서를 제작한다. “이 문서들은 전체 설비가 운영되는 과정 내내 계속해서 개선되고 변경되기 때문에 중요합니다. 문서가 자주 변경되니 엔지니어들은 언제나 최신 버전의 문서를 가지고 있어야 하죠.”

회로도 생성 자동화 – 특수 프로젝트에서도 실행 가능

Antonios Lalechos는 3명의 동료들과 협업한다. 이러한 업무 형태는 2년 반 전에 고안된 것으로 복잡한 전기 설계를 수행하기 위함이다. 이 업무 형태에서 엔지니어들은 EPLAN Electric P8과 EEC One을 사용한다. 이 소프트웨어들은 Excel 사용자 인터페이스에 기반해 회로도를 자동으로 생성한다. 그러면 설계 엔지니어들은 구성요소나 개별 구성 리스트에 있는 개별적으로 정의된 매크로를 선택한다. 이 리스트는 엔지니어가 개선하거나 변경할 수 있다. 이러한 기반에서 시스템은 회로도를 생성해 엔지니어에게 제공한다. European XFEL 설계 엔지니어들은 회로도 자동 생성 옵션에 처음에는 놀란 반응을 보였다. X레이 레이저는 유사 제품이 없는 특별한 대상이었기 때문이다. 그럼에도 불구하고 EPLAN 프로그램은 자동화를 무리 없이 수행하였고 전기 설계의 속도가 크게 증가했다. Antonios Lalechos는 말했다. “저희가 개발한 매크로들에는 다양한 기능이 있습니다. 이들을 기본으로 변이 매크로나 설계 데이터의 변이를 생성하기만 하면 됩니다.” 한 예로 EEC One에는 기능적인 ‘Detector’ 매크로가 표준 디자인이다. 이 표준 디자인은 다양한 하위 기능으로 나뉘어지고 각 케이스마다 몇 백 개의 케이블이 필요하다. “저희는 이 매크로에 관한 총 165개의 변이를 생성했습니다. 이로써 시간이 크게 절약되었지요.”   전기 엔지니어들은 전기 모터를 활성화할 때 위에서 언급한 방식과 유사하게 작업한다. 각 실험 스테이션에는 수 천 개의 전기 모터가 있고, 개별 사양에도 전기 모터가 많이 필요하다. 또 센서, 밸브, 펌프, 진공 부품에도 전기 모터가 들어간다. 여기에서 EPLAN 이 다시 한 번 빛을 발한다. EPLAN으로 제품 개발을 하면 일관성 있는 설계를 할 수 있다. 또 전기기술적 부품들은 제어 캐비닛에 하우징되는 대신 수랭식 랙(water-cooled rack)에 붙박이로 설치된다. 커뮤니케이션은 PCP/IP를 통해 이루어지는데, European XFEL은PCP/IP 중에서도 Beckhoff 제어 유닛을 사용한다.   

터널 속의 배선 작업 – 짧은 시간, 좁은 공간

EEC One은 전기 설계를 자동화하는 도구 이상의 역할을 한다. Lalechos와 그의 팀은 EEC One을 사용해 케이블 길이와 배선 경로를 자동으로 설정한다. “저희는 정확하게 경로 지정(routing)을 하는 게 가장 중요하다고 생각합니다. 왜냐하면 케이블이 전부 터널 안에서 배선되기 때문이죠. 설치에 필요한 시간과 공간 모두 터널 안에서는 제한되어 있습니다. 저희에게 가장 중요한 건 정확하고 오류 없는 설계를 수행하는 일입니다.” European XFFL이 사용하는 EPLAN FieldSys 모듈이 이러한 정확성을 보장한다. “저희는 외부 서비스 제공자에게 데이터를 보내고, 제공자는 특수한 연결 요소와 함께 케이블을 사전 조립합니다. 설치 자체는 매우 빠르게 끝나고 케이블은 언제나 잘 조립되어 옵니다.”   

시스템 유연성의 중요성

왜 European XFEL의 전기 엔지니어들이 EPLAN을 선택했을까? Antonios Lalechos는 말했다. “저희는 EPLAN의 매크로 기능과 라우팅 기능이 필요합니다. 매크로 기능은 기획 단계에서의 속도를 올려주고, 라우팅은 복잡한 전기 시스템을 빠르게 설치하도록 해 주죠.“ 전기 엔지니어들은 EEC One의 높은 유연성 또한 높이 평가했다. “저희는 대개 ‘흔치 않은’ 주문 제작 구성요소들을 다루고, 이 구성요소들을 전기 설계에 포함시켜야 합니다. EEC One은 저희에게 있어 통합 툴이자 개발 도구이고, 저희는 EEC One에 몹시 만족합니다.”