[Beckhoff 어플리케이션] 447개의 스테퍼 모터 터미널로 세계 최대 인공 태양 제어

DLR: Synlight 고출력 라디에이터에 사용되는 소형 드라이브 기술

447개의 스테퍼 모터 터미널로 세계 최대 인공 태양 제어

독일 Jülich에 있는 DLR(독일연방항공우주국) 태양연구소는 2017년 3월 23일에 Synlight 하이플럭스 인공 태양을 가동하기 시작했다. 지금까지 전 세계에서 유일한 이 고출력 라디에이터는 149개의 라디에이터로 구성되어 있고, 각 라디에이터는 대형 시네마 프로젝터의 광력을 가지고 있다. 이 연구소는 지구 표면에서 측정할 수 있는 자연 태양 복사열의 최소 10,000배에 해당하는 광도를 생산한다. Beckhoff의 447개 스테퍼 모터 터미널과 연결된 3대의 임베디드 PC를 통해 개별 라디에이터를 매우 정밀하게 정렬할 수 있다.

Synlight 시설의 초점은 태양에너지, 즉 태양에너지를 사용하여 생성되는 연료의 생산공정을 개발하는 것이다. 추가적으로 태양열 발전소 또는 항공우주 산업분야의 연구원들과 산업 파트너들은 그들의 전체 크기의 구성요소를 테스트하기 위한 이상적인 조건을 찾을 예정이다. 이러한 애플리케이션 중 하나는 CO2 중립 에너지원으로서 수소를 효율적으로 생산하는 것이다. 물을 수소와 산소로 분리하기 위해 인공 태양은 금속을 800 °C의 온도로 가열한다. 증기가 추가되면 금속은 물속의 산소와 반응하여 수소가 방출된다. 그런 다음 1400 °C로 더 가열하여 산소를 다시 금속에서 분리한다.

높은 복사 전력 및 정밀한 초점 기능

Synlight의 새로운 모듈식 설계는 독특하게 햇빛과 매우 유사한 광 스펙트럼을 지닌 개별 조정 가능한 149개의 크세논쇼트-아크램프를 사용한다. 이를 통해 11 MW/m2 이상의 최대 플럭스 밀도를 달성할 수 있으며 별도로 사용 가능한 3개의 라디에이션 챔버에서 최대 1x300 KW 및 2x240 KW의 복사 전력을 생성할 수 있다. DLR 태양연구소의 Synlight 책임연구원인 Dmitrij Laaber 박사에 따르면 인공 태양은 기존의 실험실 시스템 보다 약 10 배 높은 출력을 얻을 수 있다.

3개의 테스트 챔버중 2개는 태양열 화학공정 개발 테스트를 위해 특별히 설계되었으며, 가스 스크러버와 중성화 장치에 직접 접근할 수 있어 태양광 연료생산 공정의 자격을 인정받을 수 있다. 셔터 크기는 폭과 높이 4 m, 천장 높이 5 m로 우주비행 구성요소와 같은 대형 요소를 조사(照射)할 수 있다. Synlight의 기본적인 기능으로 멀티 포커스 기능이 있다. 이를 통해 광빔은 하나의 대형 애플리케이션 또는 여러 소규모 테스트 애플리케이션으로 나누어 필요에 따라 정밀하게(심지어 하위 단위로도) 초점을 맞추어 사용할 수 있다.

콤팩트한 시스템 통합 드라이브 제어

내부가 미러로 된 램프 쉐이드는 리플렉터로 사용되며 직경 1 m, 높이 14 m, 너비 16 m인 영역에 벌집 패턴으로 장착된다. Beckhoff의 PC 기반 제어 기술은 원하는 라디에이션 초점을 달성하기 위해 개별 리플렉터를 정확하게 정렬하고 배치한다. 각 라디에이터는 개별적으로 제어할 수 있으며, 결과적으로 3개의 테스트 가동 시에 수행되어도 목표 지점에서 매우 다양한 레이아웃과 온도를 생성할 수 있다. 이를 위해 필요한 다수의 스텝모터는 모듈식 I/O 시스템에 직접 통합된 총 447개의 공간 절약형 KL2541 및 KL2531 스테퍼 모터 터미널로 제어된다. 이는 다시 50개의 BK9000 이더넷 TCP/IP 버스 커플러를 통해 3대의 CX5130 임베디드 PC에 연결된다.

증분형 엔코더의 KL2541 스테퍼 모터 터미널은 5 A에서 50 V DC 출력의 중간 성능 범위용으로 설계되었다. 이러한 장치에는 광범위한 전압 및 전류에 대한 PWM 출력단계와 24 mm 너비인 버스 터미널의 초소형 폼팩터에 있는 리미트 스위치용 입력 2개가 통합되어 있다. 폭이 12 mm에 불과하고 1.5 A에서 24 V DC 정격인 KL2531 버스 터미널은 다양한 소형 스테퍼 모터와의 통합에 적합하다. Dmitrij Laaber 박사에 따르면 드라이브 컨트롤러의 수가 많기 때문에 실제 사용 시 이점을 즉시 알 수 있다. “기존의 스테퍼 모터 컨트롤러를 사용했다면 필요한 447개의 개별 장치를 위해 엄청난 공간이 필요했습니다. 그뿐만 아니라 우리는 각 장치를 자체 네트워크 케이블과 연결해야 했기 때문에 매우 복잡하고 오류가 발생하기 쉬웠습니다.

반대로 직접 연결된 시스템 통합 스테퍼 모터 컨트롤러를 버스 터미널의 행태로 사용하는 현재 솔루션은 특히 터미널이 10개의 터미널 박스에 5단계로 분산되어 있다는 점을 고려할 때 훨씬 편리하고 콤팩트 합니다. 또 다른 이점은 네트워킹 및 제어시스템 통합이 매우 편리하고 BK9000 이더넷 TCP/IP 버스 커플러를 통해 쉽게 달성할 수 있다는 점입니다. 또한 TwinCAT과 같은 순수 자동화 환경은 스테퍼 모터 제조업체가 주로 제공하는 고급 언어 기반의 솔루션보다 TwinCAT 소프트웨어를 프로그래밍하기가 훨씬 더 쉬웠습니다.”