Beckhoff, PC 및 EtherCAT 기반 제어기술의 화재 시뮬레이션 자동화 [월간CONTROL 2018/10]

PC 및 EtherCAT 기반 제어기술이 복잡한 화재 시나리오의 시뮬레이션을 자동화하다

실제 상황에 대비 소방관 훈련을 위한 소방 시뮬레이션 시스템

화재 시뮬레이션 시스템은 실제 상황과 같은 복잡한 시나리오를 재현하여 소방관, 구조팀 및 기타 비상 직원을 훈련시키는 데 도움을 준다. Hoka GmbH의 자회사인 Fitra Systems & Software는 이러한 화재 시뮬레이션 시스템의 생산, 유지보수 및 최적화를 전문으로 한다. Fitra(Fire training의 약칭)가 개발한 소프트웨어 솔루션은 Beckhoff의 산업용 PC 기술, 통신 플랫폼인 EtherCAT, 해당 I/O 구성요소와 TwinCAT 자동화 소프트웨어를 기반으로 한다.

거주자를 시뮬레이트 하기 위한 70개 이상의 실물 크기의 관절이 있는 마네킹은 사실적인 화재 시나리오의 일부이다.

화재 시뮬레이션을 위한 “hot” 시스템과 “cold” 시스템 간에 차이가 있다. 전자는 가스연료로 만들어지고 제어되는 실제 화재를 포함하며, 후자는 LED 바를 통해 화염을 시뮬레이션 한다. 전자 제어 기술은 다양한 화염 높이와 화재 발생시 복잡한 화재 비상 상황을 시뮬레이션 하는데 사용된다. 오디오로 제어되는 도움 요청 및 구조 마네킹은 화재 시뮬레이션을 위한 설정을 완성한다.

복잡한 제어 시나리오를 필요로 하는 화재 시뮬레이션

2014년 Fitra는 독일 Würzburg에 위치한 State Fire Academy의 비상 시뮬레이션 시스템 개발을 의뢰받았다. “State Fire Academy의 훈련장은 독일에서 가장 큰 곳이다. 훈련장의 크기와 통합되어야 했던 다수의 기술적 빌딩시스템은 화재 시뮬레이션을 작업하는데 있어 아주 까다로운 부분이었다.” 라고 Würzburg Building Authority 기술부서의 Karl Keupp는 설명한다. 이 아카데미는 지하 주차장의 화재, 양로원 또는 병원의 방화재에 이르기까지 다양한 시나리오를 만들 수 있고 컴퓨터를 통한 원격제어가 가능하다. 음향 및 조명 효과는 물론 안개 기계가 70명 이상의 “거주자(실물 크기의 관절이 있는 마네킹)“를 건물에서 구출해야 하는 화재 발생을 사실적으로 시뮬레이션 하는데 사용된다. 이 프로젝트의 요구사항은 다음과 같다.

- 6개 빌딩을 네트워킹하고 조정하기 위한 중앙 서버 활성화

- 자동 또는 안내 방송을 통해 도움 요청을 시뮬레이션 하는 중앙 오디오 서버 생성

- 조명 시뮬레이션을 위한 네트워크 LED 바

- 38개의 마네킹 캐비닛, 셔터 및 스위치 동기화

- 60개의 모바일 시뮬레이션 랙(연기, 빛, 소리 등)에 대한 핫 연결 옵션 제공

- 안전기술 통합

- 실제 화재 경보시스템과의 인터페이스 활성화 프로젝트의 제어 토폴로지는 솔루션의 구현 접근 방식을 보여준다.

- 제어 캐비닛에 있는 C5102 랙 마운트 컴퓨터는 4U(높이 단위)를 측정하고 컨트롤러로 사용되는 6대의 다운스트림 CX5130 임베디드 PC에 대한 서버 기능을 통합한다. C5102는 배치 시나리오, 오디오 파일 및 시각화를 위한 웹 서버용 데이터베이스도 실행한다. 또한 캐비닛에는 창문 셔터, 실내 및 홀 조명과의 인터페이스를 위한 KL6301 KNX 마스터 터미널도 있다.

- 오디오 하드웨어 구성요소(DA 변환기, 프리앰프, 파워앰프 등)는 인접한 제어 캐비닛의 두 섹션을 차지한다.

- 각 CX5130 임베디드 PC 컨트롤러는 프로세스 데이터에 대한 EtherCAT 네트워크를 실행한다. EtherCAT은 LED 바와 통신하는 EL6851 DMX 마스터의 백본으로도 사용된다.

- 안전기술은 EK1914 TwinSAFE 커플러를 통해 EtherCAT 네트워크에 통합된다.

- 최대 60개의 모바일 시뮬레이션 랙에 대한 연결 및 분리 주기는 Beckhoff CU1128 EtherCAT junction에 EtherCAT 핫 커넥터 그룹을 구성함으로써 그리고 고유한 장치 ID를 통해서 구현된다.

Fitra의 개발자들은 소프트웨어 구조에 특별한 주의를 기울였다. 자동 또는 수동 화재 시뮬레이션의 기본 요구사항 외에도 추가적인 프로그래밍이 필요하지 않은 사용자 친화적인 방식으로 사전 제작된 기능 모듈을 통해 다양한 시나리오를 구성할 수 있어야 했다. 결과는 인상적이었다.

개발자들은 정의된 인터페이스로 다양한 레이어를 지정했고, 각 레이어를 개별적으로 유지관리하고 교체할 수 있기 때문에 서비스 목적의 변경사항을 신속하고 효율적으로 구현할 수 있다.

TwinCAT을 사용한 하드웨어 구성

TwinCAT System Manager는 소프트웨어 아키텍처의 가장 낮은 계층을 형성한다. 이는 버스시스템을 선택하고 필드버스 구성요소를 다양하게 설정하며 소프트웨어 변수에 대한 기본 링크를 설정하는 레벨

이다. 또한 진행 중인 작업(배선등)을 위한 시운전 및 문제해결 기능에 앞서 다양한 사전점검 기능을 제공한다.

하드웨어 서버는 다음과 같은 애플리케이션별 프로세스 개체를 생성한다.

- 프로세스 변수를 애플리케이션 모듈에 결합

- 표준화된 형식을 생성하고 클래스로 배열

- 데이터를 애플리케이션 특정값으로 스케일링 (예: 액추에이터 구동률, °C 온도 등)

- 임계값 또는 한계값, 상태(스탠드, 이동, 열림, 닫힘)와 같은 개체 속성 추가 및 액추에이터 드라이브 및 모니터링 기능에 대한 완벽한 모션 프로파일 추가

이러한 객체는 정의된 인터페이스 내 상위 계층에서 사용할 수 있다.

Fitra Server – 화재 시뮬레이션을 위한 프레임워크

시스템의 핵심에는 모듈형의 구조화된 방식으로 완벽

한 화재 시뮬레이션 기능을 제공하는 프레임워크 Fitra

Server가 있다. 다음과 같은 개별 모듈을 결합한다.

- 화염 높이 관리(LED 바를 통해 시뮬레이션)

- 마네킹 시나리오 관리(마네킹 캐비닛의 시퀀스 제어)

- 사운드 생성 및 분배(도움 요청 유형 및 위치)

- 일반적인 화재 현장 시뮬레이션

이러한 요소는 논리적 시나리오에서 함께 결합되며, 이 시나리오는 수동으로 제어하거나 자동으로 실행될 수 있다. 각 모듈에는 사용자가 매개변수로 설정하거나 구성하기만 하면 되는 기본 기능과 순차 제어 애플리케이션이 있다. 구조 마네킹 시나리오를 예로 들어 보겠다. 사용자는 마네킹이 활성화될 시기를 지정하는 것으로 시작한다. 그 다음에는 자동화된 이벤트 순서와 사용자 정의 작업이 이루어진다. 자동화된 이벤트의 예로 마네킹 캐비닛 도어가 열리는 것이 있다. 창을 열어야 하거나 마네킹의 속도와 위치를 결정할 때 사용자 작업이 필요하다. 사전 프로그래밍된 모듈의 시나리오와 이벤트 시퀀스는 그래픽 XML 컨피규레이터를 통해 처리된다.

Fitra Server는 Fitra 시각화를 위한 웹서버 역할도 한다. HTML5 기반 웹페이지로 설계된 시각화는 모든 플랫폼에서 실행할 수 있다. HTML 지원 브라우저만 있으면 PC에서부터 태블릿 및 스마트폰에 이르기까지 거의 모든 기기에서 사용할 수 있다.

“Würzburg의 State Fire Academy를 위한 화재 시뮬레이션 시스템을 통해 우리는 전례없는 수준의 자동화를 달성했다. 결과적으로 모든 시뮬레이션 시나리오는 화재 발생시 공식 규정에 따라 실제 상황처럼 매핑하여 보안당국 및 기관에 알릴 수 있다. 과거에는 통합이 이루어지지 않아 이러한 수준을 실현하는 것이 불가능했습니다.”라고 Hoka GmbH 및 Fitra Systems의 전무이사인 Andreas Hovestadt는 말한다. “Beckhoff의 EtherCAT 및 K버스용 필드버스 마스터 터미널은 KNX 또는 DMX와 같은 빌딩기술 통신시스템을 표준 자동화 환경에 통합하는데 있어 큰 도움이 되었다. 이를 통해 표준 자동화 시스템을 빌딩자동화 시스템과 쉽게 결합할 수 있었으며, 빌딩 기술 애플리케이션을 위한 특별한 에디터 또는 컨피규레이터가 필요하지 않았다. 이 분야에서 Beckhoff가 제공하는 기능은 아주 특별하다. 다른 어떤 공급업체도 이러한 수준의 완성도를 제공하지 못합니다.”

Fitra Systems & Software GmbH & Co. KG

Hoka GmbH는 1992년 창사 이래로 처리 및 에너지 기술 애플리케이션을 위한 고도의 전문화된 측정 및 제어 솔루션 개발에 주력해왔다. 화재 시뮬레이션 시스템의 개발을 위한 새로운 비즈니스 분야를 시작하기 위해 Fitra Systems and Software GmbH & Co. KG를 계열사로 설립했다.

그 핵 심사업은 소방관, 응급구조대원 및 재난구조 요원 훈련을 위한 화재 시뮬레이션 시스템의 기획, 제작, 유지보수 및 개선이다.

제어 시스템 토폴로지는 화재 시뮬레이션 시스템의 높은 수준의 복잡성을 보여준다.

Würzburg의 State Fire Academy는 독일에서 가장 큰 소방관 훈련시설을 갖추고 있다. 이 시설에서는 지하 차고 화재에서부터 요양원이나 병원의 방화재에 이르는 컴퓨터 제어 시나리오를 생성할 수 있다. 음향 및 조명 효과는 물론 연무기를 사용하여 높은 수준의 리얼리즘으로 화재를 시뮬레이트 한다.