BECKHOFF TwinCAT 3, 케이블 로봇 작동의 단순화를 위해 PC 제어 및 과학을 통합
하이-베이 창고의 재창조
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| 고성능 C6640 제어 캐비닛 IPC 및 모듈식 EtherCAT 터미널 시스템은 연구 프로젝트에서 저렴하고 유연하게 적용 가능한 제어 하드웨어를 형성한다 |
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| 뒤스부르크-에센 대학이 개발한 케이블 로봇 기반 하이-베이 창고의 프로토타입에서 PC 제어 및 TwinCAT 3로 구성된 신뢰성있고 저렴한 산업용 제어 플랫폼이 사용되었다. 이것은 Matlab/Simulink 모델에 구현된 과학적 노하우를 효과적으로 통합한다 |
기존의 SRM은 이 과정에서 20∼50kg인 작은 부품을 운반 하기 위해 페이로드가 1∼2톤의 구동 장치, 마스터 및 리프팅 장치를 움직인다. 이러한 불필요함의 해결책으로, 현재는 통합 저장/검색 장치를 갖춘 경량 플랫폼이 전체 구동 및 리프팅 장치를 대체한다. 8개의 인장 케이블로 구성된 소위 케이블 로봇인 플랫폼이 높은 랙 앞으로 이동함으로써 기계적으로 아주 간단한 초경량 시스템을 만들었다. 기존 하이-베이 창고에 있었던 질량 관련 높이 제한 없이 다양한 크기로 구성할 수 있게 되었다.
에너지 절약 및 잠재 성능을 가진 새로운 개념
기존 기술과 비교하여 케이블 로봇의 질량이 90% 이상 감소함으로써 성능은 증가하며 동시에 에너지 균형은 좋아졌다. 이 개념은 2012년 뒤스부르크-에센 대학에서 이미 6m 높이, 12m 너비 및 1m 갚이의 모델로 구현되었다. 컴퓨터 애플리케 이션 분야뿐만 아니라 메카트로닉스 및 운송 시스템/물류 관리 두 분야의 설계에서 실현되었다.
이에 대해 메카트로닉스 학부의 Tobias Bruckmann 박사는 다음과 같이 요약한다. “질량 비를 극도로 향상시켰다. 저 장/검색 장치를 장착한 경량 플랫폼인 이동 가능한 말단 장치가 80kg 무게이며 최대 20g의 페이로드를 가지며, 단순한 모델과 이상적인 가정에 기초한 모델 연산은 기존 저장 및 검 색 장치와 비교해서 약 70% 에너지 소비를 감소시켰다.”
달성 가능한 저장/검색 성능의 관점으로 보면 높은 최적화가 가능하다. 프로젝트를 시작할 때 일반적인 SRM 값인 플랫 폼 속도 6m/s 및 가속도 5m/s2 을 설계 사양으로 했다. 메카트로닉스 학부의 Christian Sturm 박사가 덧붙였다. “이 값들을 얻기 위해서는 7빠 정격의 윈치 드라이브가 필요하다. 특히 기존 저장 및 검색 장치에서 더 강력하고 더 무거운 드라이브를 움직일 필요 없기 때문에 더 높은 질량은 영향을 주지 않으므로, 프로토타입에서 높은 속도 및 가속도를 가능하게 해주는 14뻐 드라이브를 사용한다.”
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| 저장/검색 장치를 장착한 경량 플랫폼이 8개의 케이블 윈치로 이동하고 위치를 선정한다 |
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| 케이블 로봇의 사용자 인터페이스는 전적으로 TwinCAT 3 를 통해 구축되었다 |
제어 기술의 기본은 고성능 및 산업적 호환성
상시적으로 안전한 시스템 운영을 확보하기 위해서 제어 시스템에는 가장 높은 요구 사항이 필요하다. 8개의 서보 드라이브가 동시에 구동되어야 하며, 케이블 8개의 역각 센서 및 각도 엔코더가 동시에 읽혀야 한다. 이 측정값은 고성능 실시간 플랫폼을 요구하는 모델 기반 제어기에 데이터를 제공한다. “제어기가 Matlab/Simulink으로 구현되었기 때문에 Beckhoff의 TwinCAT 3 자동화는 이상적이고 강력하며 저렴한 솔루션이 되었다. 학술적 사용을 위한 프로토타입 제어 시스템 대신 이미 검증된 표준 구성요소를 활용하는 것이 가능했다.” 라고 Tobias Bruckmann 박사가 덧붙인다.
전체 제어 기술에서 C6640 제어 캐비닛 PC는 충분한 컴퓨팅 성능 이상의 역할을 한다. 좋은 위치 선정을 위한 저장/검색 장치 및 레이저 스캐너와 같은 경량 플랫폼의 구성 요소뿐만 아니라 센서 및 드라이브와 EtherCAT으로 통신한다. 케이블 로봇 작동에는 케이블 힘의 신뢰성 높은 측정이 필요하기 때문 에 eXtreme Fast Control (XFC)을 내장한 EL3356-0010 아날로그 입력 단말기를 사용한다.
“케이블 장력은 경량 플랫폼을 가능한 정확하게 흔들림 없이 이동할 수 있도록 하기 위해 로드 셀 및 EL3356-0010 EtherCAT 단말기로 측정 된다 . 이 값들은 Matlab/Simulink로 구현된 제어 알고리즘을 통해 처리된다. 그 과정에서 오버 샘플링 인수 10을 가진 XFC의 오버 샘플링 기능이 큰 역할을 했다. EL3356-0010는 우수한 샘플링률을 제공한다. 현재 제어 사이클 타임 1s과 관련하여 아주 원활한 신호를 제공한다. 따라서 신호는 추가적인 전처리 과정 없이 제어기에서 처리될 수 있다. 게다가 매개 변수화와 접속은 아주 간단하며, 단말기의 비용은 매우 효율적이다.” 라고 Christian Sturm이 말한다.
제어 시스템의 주요 장점은 산업적 호환성이다. 이는 연구의 실제 취지인 제어 알고리즘에 추가 작업을 위한 이상적인 기반이 된다. Tobias Bruckmann 박사는 다음과 같이 말하며, 이 사실을 상기시킨다. “드라이브 및 플랫폼의 분산 제어 기의 필요가 없이, 광범위한 데이터 버스를 내장한 집중식 실시간 PC 한 대만으로 충분하다. 측정한 값을 플랫폼에 전송하 는 것은 1m에서 하든 20m에서 하든 중요하지 않다. 초기 프로토타입에서는 데이터 수집, 특히 원격 모터 제어가 다소 복 잡했다. 새로운 대형 프로토타입의 커미셔닝이 아주 간단하다 는 점이 놀라웠다. 또 다른 이점도 있다. 연구원에게 익숙한 Matlab/Simulink를 사용할 수 있는 동시에 사용자는 일반적인 IEC 61131-3 언어를 무제한 사용할 수 있기 때문에 Beckhoff 기술은 실제 사용, 다시 말해 연속 생산의 관점에서 아주 큰 이점을 제공한다. 이러한 보편성 덕분에 안전 기능의 추가를 이유로 제 2의 제어 시스템을 통합할 필요가 없다. PC 제어는 하나의 플랫폼에서 산업용에 필요한 모든 것을 제공할 준비가 되어있다.”
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| Tobias Bruckmann 박사와 Christian Sturm 박사가 TwinCAT 3만이 구현 가능한 두 가지 특별한 기능을 보고 있다. Matlab/Simulink 모델은 다양한 공장에도 적합한 고성능 산업용 하드웨어에서 작동 가능하다. 하드웨어는 저렴한 모듈로 간단하고 유연하게 구성할 수 있는 것 또한 큰 강점이다 |
미래 지향적 시스템 개발을 위한 이정표로써 TwinCAT 3의 개방성
연구원들은 간단한 방법으로 과학적 분야에서 산업적으로 호환 가능한 시스템에 접근할 수 있도록 해주기 때문에 TwinCAT 3을 통한 Matlab/Simulink의 간단한 인터페이싱을 진정한 이정표로 간주한다. 게다가 전체 하드웨어 수준 은 TwinCAT 3과 EtherCAT을 사용하여 아주 간단한 모듈식으로 구성할 수 있다.
“TwinCAT 3를 통해 EtherCAT 시스템에 연결된 모든 구 성 요소는 하드웨어 이미지로 볼 수 있다. 따라서 모든 장치들 은 소프트웨어 모듈과의 통신을 통해 쉽게 제어기에 연결될 수 있다. 게다가 EtherCAT 시스템은 확장 가능하기 때문에 시스템은 예를 들어 추가 I/0 모듈등으로 간단하게, 그리고 무엇보다 기존 시스템과 비교해서 저렴하게 확장 될 수 있다.” 라고 Christian Sturm 박사는 말했다.
마찬가지로 TwinCAT 3는 향후 발전의 잠재성을 제공한 다. 일례로 멀티-코어 기술의 지원은 산업용의 관점에서 특히 중요하다. 창고 관리 및 안전 개념에 필요한 업무가 필요한 경우 프로세서 코어에 아웃소싱 할 수 있다.
이에 더불어서 Tobias Bruckmann 박사가 아주 매력적이라고 소개하는 기능인 Visual Studio의 통합을 통한 개방성이 있다. 학술적인 사용자들은 실시간 프로그래밍에서부터 Visual Studio의 시각화에 이르기까지 완전한 프로젝트를 만들기 위해 이 새로운 프로그래밍 기술의 사용을 희망할 것이다. 케이블 로봇 프로젝트의 다음 단계는 C/C++로 작성된 소프트 웨어 블록을 통합하는 것이며 다른 하드웨어 인터페이스, 예를 들어 카메라 시스템 등에 접근할 수 있도록 하는 것이다.
* 자료제공/ 트라이텍(PC Control-Beckhoff Automation)
[출처] FA VISION 2015 FEBRUARY
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