[논문]유압식 어로 윈치 시뮬레이터의 동적 거동 특성

이대재

doi:10.5657/kfas.2004.37.4.330

유압식 어로 윈치 시뮬레이터의 동적 거동 특성
Dynamic Characteristics of a Hydraulic Fishing Winch Simulator 원문보기

한국수산학회지 = Journal of the Korean Fisheries Society, v.37 no.4, 2004년, pp.330 - 336

Abstract ▼ AI-Helper

To meet the increasing demand from various fishing fields for training of fishing equipment operators, a fishing winch simulator was designed to train maritime students in the correct and safe operation of hydraulic winches under various load conditions related to fishing operations. The aim of this study is to describe the basic dynamic characteristics of the newly developed hydraulic fishing winch simulator and particularly to analyze the mechanical responses produced on the winch operation controls. The winch simulator consists of two winch units, a computer control and data acquisition system, a control consol and other associated mechanisms. When one winch is in hauling mode, the other one will always be in loading mode. The revolution speed of the hauling winch was controlled by a proportional directional control valve, and the braking torque of the loading winch was controlled by a proportional pressure control valve. The simulation experiments indicated that the dynamic characteristics of the hauling winch followed the braking response characteristics of the loading winch. The tests also showed that the warp speed and tension linearly depend on the pressure differential across the motor of the loading winch controlled by operating the proportional pressure control valve during the hauling operation. The experience gained from various training courses showed that the fishing winch simulator was very realistic and it was valuable for training novice winch operators. The results of the winch simulation exercise were recorded and used to evaluate the training on the operation and handling of the winch system. From these test results, we concluded that the tension acting on the warp during hauling operations can successfully be simulated by controlling the pressure differential across the motor with step changes of the control input signal to the proportional pressure control valve of the loading winch.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나, 어로 시스템의 자동화 및 과학화가 실현될수록 고도의 설비 운용능력과 시스템에 대한 체계적인 이해가 요구되고 있지만, 이에 대한 기술적인 교육 및 현장 경험이 부족하여 어로작업 과정에서 예기치 못한 안전사고가 빈번하게 발생하고, 더욱이 어로 시스템에 치명적인 손상이 초래되어 어로작업이 중단되는 등의 문제가 발생하고 있는 실정인 바, 이에 대한 교육 프로그램의 개발과 체계적인 교육 훈련이 필요하다. 본 연구는 각종 어구의 투 양망 과정에서 발생하는 부하의 변동 특성을 실시간으로 발생시키고, 이 부하의 변동에 대응하여 어로 윈치의 조작을 실제의 부하 상태에서 실시간으로 수행 할 수 있는 유압식 어로 윈치 시뮬레이터를 개발하고, 이 시뮬레이터에 대한 동적 거동특성에 대하여 분석, 고찰하였다.

제안 방법

본 연구에서는 어구의 각종 부하 상태를 실험실에 설치한 실물 규모의 전기유압 윈치 시스템을 통해 실시간으로 발생 시 켜 윈치 조작자로 하여금 모의적으로 부하를 체험토록 하면서 그" 때 조작자가 취하는 윈치의 제어 동작에 대한 동적 응답특성을 조사, 분석하였는더】, 먼저 구동 윈치의 비례 방향 제어 밸브의 제어입력에 대한 윈치 드럼 회전수 Y (ipm) 의 응답 특성을 나타낸 결과는 Fig. 5와 같다.
구동 윈치의 조작은 실제 어선에 탑재된 어로 시스템의 작업 환경을 고려하여 반자동식 및 자동식으로 수행할 수 있도록 하였다. 먼저, 반자동식 구동은 potentiometer를 조작하여 비례 방향 제어 밸브 (NG10, BOSCH)의 제어 입력신호를 변화 시켜 유압모터 (ME600A, Sumitomo-Eaton)의 공급 유량을 조절하면서 윈치 드럼의 회전속도와 회전 방향을 원격제어하는 방식이다.
또한, 본 연구에서는 끌 줄에 어느 이상의 부하(장력)가 걸리는 경우, 윈치 조작자의 제어 명령에 관계없이 일정 시간 동안 구동 윈치를 역회전 시켜 끌 줄에 인가된 장력을 해소시키 는 동시에 해저 장애물에 대한 어구의 보호를 목적으로 끌 줄 을 일정 길이 만큼 조출시키는 과부하 상태에 대한 비상 응답 프로그램을 내장시킴으로써 최근에 보급되고 있는 자동 장력 조절 윈치 (autotension winch)의 기능을 발휘토록 설계하였다. Trainee가 미리 설정된 패턴에 따라 구동 윈치의 비례 방향제 어 밸브를 조작하여 끌 줄을 권양하고 있는 상황하에서 trainer가 부하 윈치의 비례압력제어 밸브에 대한 제어입력을 임의로 가변 시켜 제동력을 불규칙하게 변화시킬 때, 끌 줄에 걸리는 부하 장력의 응답 특성을 실시 간으로 조사, 분석한 결과는 Fig.
본 연구에서는 동일한 두 개의 유압 윈치를 각각 설계, 제작하고, 부하 윈치에 대한 유압모터의 출구 측에는 압력제어를 위한 전기 유압 제어 밸브 (NG6, BOSCH)를 설치하였는 더), 이 밸브는 스풀의 위치를 자체적으로 제어할 수 있는 위치제어기 (position transducer)# 내장하고 있다. 즉, 위치피드백 LVDT (linear variable differential transformer)?} 내장된 비례 솔레노이드 조작 압력제어 밸브로서 1 L/min의 유량에서 5-250 bar의 압력을 제어할 수 있다.
유압식 어로 윈치 시뮬레이터의 설계는 먼저 실제의 어로 조 건 및 그 작업 특성에 부합되는 부하를 설정하여 유압 작동기를 선정하고, 이 작동기의 구동에 필요한 작동 유의 압력과 유량을 공급할 유압 구동장치를 설계하였다. 본 연구에서는 주로 근해어선의 어로작업에서 요구되는 권양 하중 3.0 ton, 권양 속도 30m/min의 권양 능력을 토대로 끌 줄의 직경 15 mm, 윈치 드럼 의 첫 번째 끌 줄 층에 대한 동심 원 직경 300 mm» 기준으로 유압 윈치 시스템의 설계 파라미터를 산출하여 제작하였다.
부하 발생 장치의 설계 어구 저항에 상당하는 부하를 실시간으로 발생시키기 위해 먼저 구동 윈치에서 감아 들이는 끌 줄을 다른 유압 윈치 (부하 윈치)의 드럼에 감아 놓고, 이 위치의 유압모터 (ME 175, Sumitomo-Eaton)의 출구 측 배출 압력을 강제적으로 제어하여 부하 윈치 드럼의 회전 토크를 임의로 변화시킬 수 있는 토크 제어장치를 개발하였다.
유압식 어로 윈치 시뮬레이터의 설계는 먼저 실제의 어로 조 건 및 그 작업 특성에 부합되는 부하를 설정하여 유압 작동기를 선정하고, 이 작동기의 구동에 필요한 작동 유의 압력과 유량을 공급할 유압 구동장치를 설계하였다. 본 연구에서는 주로 근해어선의 어로작업에서 요구되는 권양 하중 3.

대상 데이터

윈치 시뮬레이터는 투 양망과 부하 발생 유압 윈치, 컴퓨터 제어 및 데이터 수집 시스템, 제어 콘솔 및 운용 소프트웨어 등으로 구성된다.
컴퓨터 제어 및 데이터 수집 시스템 (Fig. 3)은 PC, 프린터, PLC 시스템 (A1SJ71UC₂₁ 형, Mitsbishi), 장력계 (CBES3000, Bongshin Loadcell), 압력 변환기 (PMSF200, Daesung), tachogenerator (60 V/1000 rpm, Sanyo) 등으로서 구성된다. PLC 시스템은 CPU unit 1개, 통신 unit 1개, AD unit 3개, DA unit 2개, DC 입력 unit 1개, 전류 출력 unit 1개, 전원 unit 1개로서 구성하였다(Bollinger and Duffe, 1989; Stiffler, 1992; Kilian, 1996).

성능/효과

이때, 부하 윈치의 제동 패턴에 대한 끌 줄 장력의 추종 패턴은 매우 유사하여 이들 상호 간에 양호한 추종 성 이 존재함을 알 수 있었다. 또한, 77 sec에서 부하압력을 일정하게 유지시킨 상황 하에서 구동 윈치의 비례 방향 제어 밸브의 제어입력을 9.3%에서 25.3%로 증가시켰을 때에는 35 kg의 장력변동만이 나타났을 뿐 급격한 변동은 없었지만, 그 반대로 82 sec에 25.3%에서 9.3%로 제어 입력을 변화시켰을 때에는 385 kg에서 200 kg으로 급격한 장력변동이 초래되었다. 이로부터 끌 줄 장력의 변동은 구동 윈치의 증속보다는 감속 시에 급격하게 나타나기 때문에 투 양망 시에 있어서는 이 점에 대한 특별한 주의가 요구된다.
의 실험식이 성립하였다. 이 식으로부터 알 수 있는 바와 같이 본 연구에서 사용한 비 례압력제어밸브는 제어전압이 2 V 보다 낮은 범위에서는 응답특성이 완만한 반면, 2 V 보다 높은 범위에서는 거의 직선적인 응답 특성을 나타내었다.

후속연구

따라서, 이식을 토대로 부하(어구저항)의 변동량을 실시간으로 제어하면 trainee의 어로윈 치 조작에 대한 교육, 훈련을 효율적을 수행할 수 있을 것으로 판단된다.
이 장력 변화에 반응하여 trainee는 윈치의 적정한 제어 동작을 취하게 되는데, 이때, trainee에 의해 취해지는 구동 위치의 회전속도와 그때의 끌 줄의 장력, 또한, 부하 윈치의 부하 압력, 유압모터의 고압 측 및 저압 측 압력, 한계 토크의 설정치 등과 같은 모든 정보가 윈치의 제어 콘솔화면에 표시됨과 동시에 데이터 파일에 저장되도록 하였다. 이들 데이터를 토대로 trainee의 반응속도 및 윈치의 조작에 대한 적정성 등을 판단함으로써 반복적인 훈련을 통해 복잡한 윈치 시스템에 대한 친숙함과 조작의 숙련도를 높일 수 있어 이 시뮬레이터 시스템은 조업의 안전성 및 능률의 향상에 크게 기여할 것으로 판단된다.

참고문헌 (7)

Bosch Hydraulics. 1998. Engineering Data Book, Seoul, pp. 446
Bollinger, J.G. and N.A. Duffe. 1989. Computer Control of Machine and Process, Addison-Wesley Publishing Co., New York, pp. 369-466
Kilian, C.T. 1996. Modem Control Technology, West Publishing Co., New York, pp. 411-446
Lee, D.J. 1999. Mechanical Engineering for Fishing, Taehwa Publishing Co., Busan, pp. 61-206. (in Korean)
Norvelle, F.D. 2000. Electrohydraulic Control Systems, Prentice Hall, New Jersey, pp. 91-190
Stiffler, A.K. 1992. Design with Microprocessors for Mechanical Engineers, McGraw-Hill, Inc., New York, pp. 306-360
Watton, J. 1989. Fluid Power System, Prentice Hall, New York, pp. 284-353

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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