선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 연구에서는 디지털방식의 비례유량제어밸브 서보컨트롤러를 대상으로 CAN 네트워크를 이용하여 원격으로 제어하고 작동상태를 모니터링할 수 있는 기능을 설계하였다. CAN은 차량용 ECU의 다중 프로세서 통신을 목적으로 개발되어 현재 자동차산업에서 광범위하게 사용되고 있으며 2개의 통신선만으로 구성된 단일 네트워크를 이용하여 신뢰성을 갖는 실시간통신이 가능하여 보안을 유지하면서 기계적인 장치의 안정된 작동이 요구되는 분야에 적합하다.
제안 방법
- 네트워크 제어는 네트워크에 연결된 임의의 서보컨트롤러를 통하여 선택된 다른 노드(node)의 서보컨트롤러와 비례유량제어밸브를 원격으로 작동시키는 기능으로 위급한 상황에서만 작동되어야 하는 발전소 긴급급수밸브 등을 주기적으로 점검하는 경우에 유용하게 활용될 수 있으며 네트워크상의 서보컨트롤러를 유기적으로 연계하여 작동시키는 시나리오 구현이 가능하다. 개발된 네트워크 제어 기능은 네트워크 통신모드를 정의한 후 네트워크 통신의 개시 및 종료과정의 설계와 CAN 메시지 객체(message object)를 이용한 송수신데이터 설계를 통하여 구현하였으며 성능시험을 통하여 기능을 검증하였다.
- 10은 주 노드에서 네트워크 제어 통신이 이루어지는 과정을 나타내는 순서도이다. 네트워크 제어 통신은 클라이언트(client)에 해당되는 주 노드에서 서버(server)의 기능을 갖는 종속노드로 CAN 메시지 객체를 송신함으로써 개시되지만 네트워크 제어모드로 전환된 후에는 종속노드가 능동적으로 0.01초 마다 작동데이터를 송신하도록 설계함으로써 실시간 통신을 구현하였다.
- 7은 네트워크 노드를 구성하는 서보컨트롤러에 할당되는 29비트 메시지 식별자를 나타낸다. 네트워크에 연결된 모든 노드는 고유의 식별자를 가져야 하는데 설계된 서보컨트롤러의 펌웨어 버전(firmware version), 일련번호, 비례제어밸브 소모전력, 최대 변위 및 전류 등의 정보를 이용하여 메시지 식별자의 비트 28-4를 구성함으로써 주 노드에서 수신된 종속노드의 식별자를 통하여 서보컨트롤러의 기본사양을 확인할 수 있도록 하였다. 비트 3-0은 15개의 메시지 객체를 나타내며 모든 노드에서 공통으로 사용된다.
- 본 연구에서 개발된 네트워크 제어 기능은 모니터링 프로그램을 통해서만 활성화되며 네트워크 제어 모드에서는 모니터링 프로그램과 직렬통신으로 연결된 주(master) 서보컨트롤러를 통하여 네트워크에 연결된 다른 노드의 서보컨트롤러를 종속(slave)으로 지정하여 모니터링 프로그램을 통해서 주 서보컨트롤러와 동일하게 작동시키는 기능이다.
- 본 연구에서는 디지털방식으로 설계된 비례유량제어밸브 서보컨트롤러를 대상으로 CAN 통신 네트워크를 구성한 후 네트워크에 연결된 서보컨트롤러를 원격으로 제어하고 작동상태를 모니터링하는 기능의 네트워크 제어기를 설계하였다. 네트워크 제어는 네트워크에 연결된 임의의 서보컨트롤러를 통하여 선택된 다른 노드(node)의 서보컨트롤러와 비례유량제어밸브를 원격으로 작동시키는 기능으로 위급한 상황에서만 작동되어야 하는 발전소 긴급급수밸브 등을 주기적으로 점검하는 경우에 유용하게 활용될 수 있으며 네트워크상의 서보컨트롤러를 유기적으로 연계하여 작동시키는 시나리오 구현이 가능하다.
- 5V의 전압, 모니터링 프로그램에서 전송되는 직렬통신 데이터를 선택적으로 이용할 수 있으며 제어변수는 LVDT로 측정되는 파일럿 디스크변위와 유량계로 측정되는 유량 중 하나를 선택할 수 있도록 설계되어 있다. 상용화된 기존의 서보컨트롤러는 아날로그방식으로 파일럿 디스크만을 제어하며 유량은 외부 루프를 형성하는 유량제어기에 의하여 제어되는 방식이지만 본 연구에서 개발된 서보컨트롤러는 유량제어기능을 내장하고 제어변수를 전기적인 신호와 디지털 통신으로 송신함으로써 밸브변위와 유량제어가 통합된 기능을 구현하였다.
- 서보컨트롤러의 네트워크 제어 기능은 작동상태에 따라 통신모드와 메시지 식별자 할당방법, 송수신되는 CAN 메시지 객체를 정의하고 네트워크 통신의 개시와 종료절차를 설계하여 구현하였으며 시험을 통하여 기능을 검증하였다. 개발된 네트워크 제어를 이용하면 공정설비에 분산 설치되어 있는 다수의 비례유량제어밸브를 원격 제어함으로써 신속하면서도 간편하게 성능 및 작동상태를 점검할 수 있으므로 지능형 스마트밸브의 부가적인 기능으로 활용될 수 있을 것으로 예상된다.
- 전기적인 기준입력신호에 의하여 밸브변위가 조절되는 비례유량제어밸브는 전자기력을 발생시키는 솔레노이드, 파일럿 디스크와 메인 디스크로 구성되는 밸브와 파일럿 디스크변위가 지령신호를 추종하도록 코일전류를 제어하는 디지털방식 서보컨트롤러, PC에서 수행되면서 직렬통신을 이용하여 제반 작동 파라메터(parameter)를 설정하고 작동성능과 관련된 데이터를 수집하는 기능의 모니터링 프로그램으로 구성된다.
- 함수발생기 작동을 중지(c 시점)하면 종속노드의 밸브변위는 수동 작동모드의 기준입력신호를 추종하고 모니터링 프로그램에서 네트워크 제어를 종료(d 시점)하면 다시 주 노드에 대한 제어로 전환됨을 확인하였다. 종속노드에 대한 네트워크 제어 시 주 노드는 최소 PWM 듀티율만을 인가하므로 밸브는 0.5V에 해당되는 초기 위치로 복귀하여 정지된 상태를 유지하며 주 노드에 대한 제어로 복귀되면 기준입력신호도 초기 위치로 변경되도록 설계하였다. 네트워크 제어는 주 노드 또는 종속노드에 대한 제어를 선택적으로 활성화하는 지능형 제어기의 부가적인 기능으로 기본 작동모드에서 서보컨트롤러는 독립적으로 밸브를 제어하지만 네트워크 제어모드에서는 주 노드 서보컨트롤러의 밸브제어기능이 정지되고 통신 기능만을 담당하므로 주 노드 밸브가 초기위치에 있을 때 네트워크 제어를 개시하는 것이 안정적이다.
대상 데이터
- 비례제어밸브는 솔레노이드 코일에 흐르는 전류에 비례하여 발생되는 전자기력과 스프링 압축력에 의해 밸브변위가 연속적으로 조절되는 밸브로 솔레노이드 여자(excitation) 상태에 따라 2위치 또는 3위치만을 갖는 개폐식 솔레노이드밸브와 구분된다. 본 연구대상 비례유량제어밸브(PFCSV, proportional flow control solenoid valve)는 원자력 및 화력발전소, 정유 공장 등에서 플랜트 배관계통 내에 흐르는 공정유체의 유량을 제어하기 위하여 유로단면적을 연속적으로 조절하는 기능의 2방향 밸브로 대용량의 유량을 제어할 수 있도록 파일럿 디스크(pilot disc)와 메인 디스크(main disc)로 구성되는 2단 밸브의 구조를 갖는다.1-2) 서보컨트롤러(servocontroller)는 솔레노이드에 의해 구동되는 파일럿 디스크변위를 선형변위계(LVDT)로 측정하여 기준입력신호와 일치되도록 피드백 제어하는 기능을 담당하는 ECU에 해당된다.
- 4는 제어기 내부구조를 나타내는 블록선도이다. 임베디드 소프트웨어가 실행되는 마이크로컨트롤러는 CAN 2.0 Part B를 지원하는 CAN 제어기가 내장된 ATMEL사의 AT90CAN128을 사용하였으며 인터페이스 회로는 입력 및 센서출력신호 조정회로, PWM 전류구동회로와 기타 부가적인 기능의 회로로 구성된다. 기준입력신호는 4-20mA의 전류, 0.
성능/효과
- (2) 모니터링 프로그램으로부터 네트워크 제어 활성화 지령이 수신되면 MOb1-4는 지정된 종속노드의 메시지 식별자에 대한 수신으로 MOb7-10은 송신으로 전환한 후 모니터링 프로그램으로부터 수신된 작동지령을 0.1초 간격으로 송신한다. 이 상태는 네트워크 제어모드이며 주 노드는 작동지령을 0.
- (3) 모니터링 프로그램으로부터 네트워크 제어 종료지령이 수신되면 주 노드는 MOb7-10의 송신을 중지하고 종속노드는 감시타이머(watchdog timer)를 이용하여 작동지령이 일정 시간동안 수신되지 않으면 MOb1-4의 송신을 중지하고 네트워크 제어를 종료한다.
- 0 Part B는 8바이트로 구성되는 15개의 메시지 객체에 29비트의 메시지 식별자(message identifier)를 할당하여 통신하는 방식이다.6) CAN 통신이 광범위하게 사용되는 자동차의 경우에는 메시지 식별자와 메시지 객체에 대한 표준화된 프로토콜(protocol)이 SAE J1939에 정의되어 있으나 본 연구에서와 같이 독립된 네트워크를 이용하여 비례제어밸브를 제어하는 경우에는 효율적으로 송수신 정보교환이 이루어질 수 있도록 메시지 식별자와 객체에 대한 통신프로토콜을 독자적으로 설계하여 활용할 수 있다.
- 이에 비하여 CAN 네트워크는 2개의 통신선만을 사용하여 ECU를 단일 네트워크로 연결하므로 인터넷이나 무선통신에서와 같은 문제점이 발생되지 않는다. 또한 CAN 전송신호는 차동(differential) 방식으로 잡음에 견실하고 마이크로 컨트롤러에 내장된 CAN 제어기 자체적인 오류 검출 및 처리 기능에 의한 통신신뢰성, 저렴한 네트워크 구축비용, 최대 1M bit/sec의 전송속도로 1km의 통신 거리를 보장하는 장점으로 인하여 산업용 제어기의 실시간 네트워크 제어에 적합하다.
- 5Hz의 계단입력신호로 변경(b 시점)함에 따라 종속노드에 연결된 밸브가 작동됨을 알 수 있다. 함수발생기 작동을 중지(c 시점)하면 종속노드의 밸브변위는 수동 작동모드의 기준입력신호를 추종하고 모니터링 프로그램에서 네트워크 제어를 종료(d 시점)하면 다시 주 노드에 대한 제어로 전환됨을 확인하였다. 종속노드에 대한 네트워크 제어 시 주 노드는 최소 PWM 듀티율만을 인가하므로 밸브는 0.
후속연구
- 서보컨트롤러의 네트워크 제어 기능은 작동상태에 따라 통신모드와 메시지 식별자 할당방법, 송수신되는 CAN 메시지 객체를 정의하고 네트워크 통신의 개시와 종료절차를 설계하여 구현하였으며 시험을 통하여 기능을 검증하였다. 개발된 네트워크 제어를 이용하면 공정설비에 분산 설치되어 있는 다수의 비례유량제어밸브를 원격 제어함으로써 신속하면서도 간편하게 성능 및 작동상태를 점검할 수 있으므로 지능형 스마트밸브의 부가적인 기능으로 활용될 수 있을 것으로 예상된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.