[논문]수위 연동형 스마트 액체 충진 장치 개발

이준식; 이준호; 노영화; 박정규

doi:10.21289/ksic.2020.23.3.507

수위 연동형 스마트 액체 충진 장치 개발
Development of Automatic Water Level Controlled Smart Filling Machine 원문보기

한국산업융합학회 논문집 = Journal of the Korean Society of Industry Convergence, v.23 no.3, 2020년, pp.507 - 513

이준식 (창신대학교 항공기계공학과) , 이준호 (제이메카텍) , 노영화 (창원대학교 메카트로닉스연구원) , 박정규 (창신대학교 컴퓨터소프트웨어공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Liquid filling machines are frequently used in packaging fields; however, there exists a problem in precisely measuring the quantity of the liquid. In the case where the liquid filling machine is not properly metered, there may be issues, such as the fluid exceeding the capacity or chemicals being exposed outside. In this paper, we propose a smart injection nozzle device that can solve the issues stated above. The proposed smart injection nozzle can raise the nozzle according to the water level to remove bubbles and inject the accurate amount of fluid. In addition, the efficiency of the logistics process is enhanced by the smart QR code. Through experiments using the developed smart injection nozzle device, we have noticed that the accuracy of injection capacity, nozzle position, reaction time and building data exceeded the target value. Therefore, it expected that this machine will give more production and save a lot of manpower for packaging industry.

주제어

표/그림 (6)

그림 Fig. 1 Schematic of automatic water level controlled filling machine
그림 Fig. 2 Photo of developed smart nozzle system
그림 Fig. 3 Application to read the encrypted QR code
표 Table 1. Data set for AES Encryption
표 Table 2. Performance evaluation and methods
표 Table 3. Example of test results

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 드럼에 충진되는 제품의 수위에 연동하여 노즐을 상승시켜 기존 생산라인의 문제점을 해결함과 동시에 제조 및 물류 공정의 효율을 개선하고, 드럼에 주입된 내용물의 정확 확인을 위해 스마트 주입 노즐 장치 개발을 수행하였다.
그러나 앞서 언급된 모든 조건을 동시 충족시키기 위한 충진장치는 아직 개발되지 않았다. 이에 본 연구에서는 드럼에 충진되는 제품의 수위에 연동하여 자동으로 노즐을 상승시켜 종래의 낙차로 인한 거품 발생 등 생산라인 문제점을 해결하고자 하였다. 동시에 제조 및 물류 공정의 효율을 개선하고, QR 코드 알고리즘을 도입하여 드럼에 주입된 내용물의 정확한 확인을 위해 스마트 주입 노즐 장치를 개발하여 성능평가를 완료하였다.

제안 방법

이에 본 연구에서는 드럼에 충진되는 제품의 수위에 연동하여 자동으로 노즐을 상승시켜 종래의 낙차로 인한 거품 발생 등 생산라인 문제점을 해결하고자 하였다. 동시에 제조 및 물류 공정의 효율을 개선하고, QR 코드 알고리즘을 도입하여 드럼에 주입된 내용물의 정확한 확인을 위해 스마트 주입 노즐 장치를 개발하여 성능평가를 완료하였다.
또한, 암호화된 QR 코드를 읽고 사용자에 정보를 알려줄 수 있는 애플리케이션을 개발하였다. 본 애플리케이션을 수행 후 QR 스캔 버튼을 클릭 하면 Fig.
본 연구에는 제품의 관리 및 위치추적을 위해서 QR 코드를 도입하였다. Fig.
스마트 액체 충진 시스템의 주요 성능평가를 위해 주입 용량 정확도, 노즐 위치 정확도, 노즐 반응 시간, 데이터 구축 정확도의 평가 항목을 설정하였다. Table 2는 각 측정 항목별 평가 방법 및 목표치를 나타내고 있으며, 공인기관 시험성적서 KS A IEC80000-13, KS B 7068, KS X ISO/IEC 18004를 기준으로 평가하였다[15].

대상 데이터

Fig. 2(a)는 본 연구진이 개발한 스마트 액체 충진장치이며, 기본적인 장치와 함께 자동으로 수 위를 연동하도록 하는 메인 컨트롤러, 제품의 무게를 인식할 수 있는 로드셀 유닛, 완성된 제품의 정보를 QR로 출력할 수 있는 QR 프린터가 추가 되어 있다.

이론/모형

스마트 액체 충진 시스템의 주요 성능평가를 위해 주입 용량 정확도, 노즐 위치 정확도, 노즐 반응 시간, 데이터 구축 정확도의 평가 항목을 설정하였다. Table 2는 각 측정 항목별 평가 방법 및 목표치를 나타내고 있으며, 공인기관 시험성적서 KS A IEC80000-13, KS B 7068, KS X ISO/IEC 18004를 기준으로 평가하였다[15]. 주입 용량 정확도, 노즐 위치 정확도, 노즐 반응 시간은 각 5회 시험 후 평균값을 측정하였으며, QR 코드 인식 후 데이터 구축 정확도는 100회 시험을 통해 평가하였으며, 각각의 항목에 대한 기준 목표치를 모두 달성하였다.
QR 코드를 생성할 때는 평문 데이터를 암호화한 후 QR 코드 생성하여 데이터가 노출되지 않도록 하였다. 이때 암호화 방법으로는 AES (Advanced Encryption Standard)를 사용하였으며 128bit 키를 사용하였다[14]. AES 암호화를 통하여 생성한 QR 코드는 일반 QR 코드 리더앱으로 정보를 읽을 수 없다.

성능/효과

개발된 장치의 성능평가 방법을 정립하여 노즐 위치정확도, 노즐 반응 시간, 주입 용량 정확도, 생산 데이터 구축 정확도의 성능을 측정하여 모든 항목에서 비중이 각각 다른 물질로 시험한 결과 모두 목표치를 달성하는 것을 확인하였다. 또한, 제품의 관리 및 위치추적을 위해서 QR 코드를 도입하였으며, 드럼 내용물 확인을 위해 포장될 액체의 종류, 용량, 생산 일자 등의 정보를 간편하게 QR 코드 인식기 및 스마트폰으로 확인이 가능한 스마트 노즐 시스템을 개발하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	QR코드를 읽기위한 4단계는?	1) 카메라를 통해 QR 코드 영상을 변환하는 Image conversion 단계 2) 이미지를 변환하여 0, 1로 이루어진 Raw 데이터로 변환하고 QR 코드의 위치 인식 심볼을 검출하고 방향을 조정하여 패턴을 정렬하는 QR detecting 단계 3) Raw Data를 Decoding 하여 데이터를 생성하는 QR decoding 단계 4) Decoding된 테이터를 AES 복호화하는 단계
	기본적인 액체 충진장치의 구성은?	1은 기본적인 액체 충진장치의 전체 구조를 표시하고 있다. 장치는 주입노즐 개폐유닛, 주입노즐 유닛, 로드셀 유닛, 승하강 유닛, 승하강 가이드 유닛으로 구성되어 있다. 주입 노즐이 상승 및 하강 상태일 때 드럼 용기에 유입 및 유출 된다.
	주입 노즐을 길게 할 경우 액체 충전 시 생기는 문제점은?	현재 생산라인에 적용되는 모든 설비는 주입 노즐이 포장 용기와 일정 높이를 이루고 있기 때문에 충진 과정에서 낙차로 인해 거품이 많이 생겨 정량 투입에 어려움이 있다. 또한, 주입 노즐을 길게 할 경우 주입 노즐에 제품이 많이 묻게 되어 정량 투입 후 주입 노즐을 상승시키게 되면 유해한 화학물질이 외부에 노출되게 되어 작업장 오염 및 작업자의 건강에 해로움이 발생한다. 이를 해결하기 위한 수위 연동이 가능한 충진장치 개발이 요구되고 있다 [1,2].

참고문헌 (15)

D. Zhang and S. Li, "Design and realization of liquid filling machine intelligent control system," 2015 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation (ICMA), pp. 1283-1288, (2015).
N. Nadgauda, S. M. Muthukumaraswamy, S. U. Parabha, "Smart Automated Processes for Bottle-Filling Industry Using PLC-SCADA System," Intelligent Manufacturing and Energy Sustainability, vol. 189, pp. 693-702, (2020).
N. Shaukat, N. Wahab, B. Rawan, Z. Uddin, A. Mirza, "PLC Based Automatic Liquid Filling Process," IEEE Multi Topic Conference, (2002).
A. L. Saleh, L. F. Naeem, M. J. Mohammed, "PLC Based Automatic Liquid Filling System for Different Sised Bottles," International Research Journal of Engineering and Technology, vol. 04, no. 12, (2017).
M. H. M. Sidik, S. A. C. Ghani, "Volume Measuring System Using Arduino for Automatic Liquid Filling Machine," International Journal of Applied Engineering Research, vol. 12, no. 24, pp. 14505-14509, (2017).
P. Birmole, M. Kamble, S. Naik, A. Sadamate and H. V. Korgaonkar, "Designing and Implementation of Chemical Mixing and Filling Bottles Using PLC," 2018 Second International Conference on Inventive Communication and Computational Technologies (ICICCT), pp. 436-439, (2018).
D. Kurniawan and R. Sulaiman, "Design and Implementation of Visual Inspection System in Automatic Bottling System Based on PLC," 2008 Second Asia International Conference on Modelling & Simulation (AMS), pp. 760-764, (2008).
N. A. Solanki, P. G. Raj, S. P. Patel, C. D. Rajput, "Automatic Liquid Filling Machine," International Journal of Engineering Research & Technology, vol. 4, no. 05, pp. 108-110, (2015).
K. Thiyagarajan, R. Meenakshi and P. Suganya, "Vision based bottle classification and automatic bottle filling system," 2016 International Conference on Advances in Human Machine Interaction (HMI), pp. 1-3, (2016).
W. Koodtalang, T. Sangsuwan and B. Noppakaow, "A Design of Automated Inspections of Both Shape and Height Simultaneously Based on Stereo Vision and PLC," 2018 18th International Conference on Control, Automation and Systems (ICCAS), pp. 1290-1294, (2018).
M. Zhang and S. Li, "An automatic liquid-filled colour-changing glasses based on thermo-pneumatic technology," 2015 International Conference on Fluid Power and Mechatronics (FPM), (2015)
S. M . Lee, S . D. C h i,o Y. H . Kim, "Development of a air-removal drip nozzle for coffee drip machine," Proceeding of the KSMPE Autumn Conference, (2016).
J. H. Bae, J. U. Kim, G. D. Kim, D. K. Lee, "Automatic Water Level Controlled Cooling Water Supply," Proceeding of the KIEE Summer Conference, pp. 12-14, (2017).
O. Hajihassani, S. K. Monfared, S. H. Khasteh, and S. Gorgin, "Fast AES Implementation: A High-Throughput Bitsliced Approach," IEEE Trans. on Parallel and Distributed Systems, vol. 30, no. 10, pp. 2211-2222, (2019).

상세보기
KS/ISO Standard, https://www.kasto.or.kr/info/standard_ksiso.asp

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증