FPGA와 CompactRIO를 이용한 Ring Rolling Machine

유압 비례 제어

* 저자 : 성낙문 부장  * 소속 : 칼텍㈜  * 산업 : 메카트로닉스 
* 사용한 NI 제품명: LabVIEW 2009, FPGA Module, Real-Time Module, CompactRIO-9074, 9411, 9401, 9263, 9219

해결과제
Ring Rolling Machine은 일반 평면 압연기와는 달리, 도넛 모양의 링을 회전시키며, Radial 방향과 Axial 방향 두 방향으로 동시에 압연하면서 원하는 크기의 원형 링을 만드는 설비이다. 이전 시스템의 경우 PLC에서 실린더를 제어하여 통신 속도, 반응 속도, 제어 등의 문제로 위치 제어가 불가능하였다.
또한 위치 제어 센서와 통신하기 위한 고가의 PLC 센서 통신 모듈을 사용해야 하기 때문에 비용적인 부담을 줄이기 위한 방안을 모색하고자 한다.

솔루션
FPGA 기반의 CompactRIO를 적용하여 정확도와 제어 속도를 높이고, FPGA 기반으로 센서와 통신함으로써 기존 장비에 비해 비용을 절감할 수 있었다. 또한 이전 PLC 시스템의 한계를 극복하여 보다 향상되고 차별화된 Ring Rolling Machine을 개발할 수 있었다. FPGA를 이용하여 SSI 통신 방식의 위치 센서값을 빠르게 획득하여 PID 연산을 함으로써, 기존의 PLC로 제어하는 것 보다 높은 정확도와 빠른 실린더 위치 제어를 수행할 수 있었다. 또한 NI 9401과 NI 9411로 SSI 통신이 구현 가능하여 고가의 PLC 통신 모듈을 대체함으로써 비용을 절감할 수 있었다.

어플리케이션 요약
FPGA와 CompactRIO를 이용한 Ring Rolling Machine 내 유압 실린더 실시간 정밀 위치 제어 시스템을 구축하였다.

본론
1. 시스템 구성 
PC와 CompactRIO, Ring Rolling Machine과의 기본적인 데이터 전송과 제어를 위한 연결은 그림 1과 같은 형태로 구성된다.

1. 하드웨어 구성
1)CompactRIO
ㆍ NI CompactRIO-9074 : TCP/IP, PID 제어, 가공 값 자동연산
ㆍ NI 9411, 9401 : 위치센서와 SSI통신
ㆍ NI 9219 : 압력센서 측정
ㆍ NI 9263 : 비례 밸브제어

2) User Interface
Host PC는 직관적이며 그래픽기반의 LabVIEW를 이용하여 UI를 빠르게 개발하였다. TCP/IP통신을 이용하여 CompactRIO와 PLC의 많은 양의 데이터를 전송 및 획득하여 실시간으로 Ring Rolling Machine의 상태 및 제어정보를 확인할 수가 있다.

3) FPGA(SSI통신) 프로그램
Ring Rolling Machine의 유압 실린더 제어를 위해 위치 센서와의 SSI 통신은 9401과 9411을 사용하였으며, AI센서 값은 9219, AO출력은 9263을 이용해 PID제어를 수행한다.

2. Ring Rolling Machine
Ring Rolling Machine은 일반 평면 압연기와는 달리 도우넛 모양의 링을 회전시키며, Radial 방향과 Axial 방향 두 방향으로 동시에 압연하면서 원하는 크기의 원형 링을 만드는 설비다. 링의 회전은 DC 모터 또는 AC 모터를 사용하며, Radial/Axial 압연과 전체적인 기계의 Moving System은 유압 시스템을 이용한다.
유압 시스템은 크게 수동 모드에서 장비를 이송시키는 고속 모드와 압연시의 각 부위를 정밀하게 제어하는 저속 모드로 구분할 수 있다. 압연시 위치 제어가 필요한 부위는 6개의 실린더이다. (맨드렐, 엑셀롤, 엑셀 밸런싱, 좌/우 센터링, 엑셀 슬라이드) 6개의 실린더 모두 SSI 통신 방식의 위치 센서를 사용하고 있으며, 비례 밸브를 이용한 제어를 한다.
FPGA를 이용하여 SSI 통신 방식의 위치 센서 값을 아날로그 값으로 변환하고 CompactRIO를 이용하여 6개의 실린더를 동시에 실시간으로 위치 제어하여 압연 공정을 완전 자동화하였다. 이렇게 함으로써 PC는 사용자가 필요한 정보를 입력하고 표시하는 기능만 수행하고, 실제 압연 제어는 FPGA와 CompactRIO가 담당하게 되었다. PC에서 사용자가 압연 공정을 모니터링 할 수 있도록 압연 데이터를 CompactRIO에서 PC로 전송해야 하는데 데이터 전송량이 많아 공유 변수 사용시 통신 속도가 저하되어 TCP/IP 통신으로 해결하였다.

그림7. 컨트롤 박스

결론 및 솔루션 개발 후 얻게 된 이점
기존 Rolling Machine에서는 PLC를 이용하여 비례 밸브로 유량 신호를 보내어 유량 제어만 실시했으며, 이 경우 소재 재질 및 치수에 따라 같은 유량이라도 압연 속도가 달라지게 된다. 따라서 압연 공정을 완전 자동화하기가 힘들었다. 특히 센터링 롤의 경우, 기존의 시스템의 경우 PC에서 위치 값을 연산 후 현재 위치 센서 값과 비교하여 유량 지령 값을 만든 후 PLC를 통해 비례 밸브로 전달되었기 때문에 제어성이 떨어졌다. 하지만 NI 솔루션의 경우 CompactRIO에서 위치 지령 값을 만들고 FPGA를 통해 받은 현재 위치 센서 값과 비교하여 PID 제어로 비례 밸브를 제어하기 때문에 PC와의 통신이 필요 없으며, RT와 비례 밸브간의 PID 제어만 실행되기 때문에 고속 정밀 제어가 가능해졌다. 위치 센서의 SSI 통신 값을 아날로그 값으로 변환하기 위한 컨버터가 고가였는데, NI RT 솔루션을 사용하면서 통신 속도 및 제어성이 좋아져 비례 밸브를 통한 실린더의 위치 제어가 가능해질 수 있었고 압연 공정의 완전 자동화가 가능해졌다. 그리고 컨버터를 사용할 필요가 없기 때문에 가격도 저렴해졌다. 결론적으로 비용도 줄이면서 위치 제어가 가능해진 것이다.

NI 솔루션을 선택한 이유
* 빠른 통신 속도와 높은 신뢰성
* 사용자 정의 로직 구현, 고속, 병렬 프로세싱
* Real Time OS 구동
* 엔지니어 현장 기술 지원

그림 1. 시스템 블록 구성도 
그림 2. CompactRIO 시스템  
그림 3. User Interface
그림 4. FPGA SSI통신 프로그램
그림 5. Rolling Machine
그림 6. Rolling 작업