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테크놀로지

기능 세이프티를 위한 모터 컨트롤 설계 가속화

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기능 세이프티를 위한 모터 컨트롤 설계 가속화

글. 제프 스태포드(Jeff Stafford), TI 모터 솔루션, 텍사스 인스트루먼트

 

서론
차별화된 모터 드라이브 설계는 복잡한 작업이다. 이와 같은 드라이브는 단일 프로세서로 제한된 메모리 크기, 프로세싱 시간 그리고 모터로 인한 전기 소음 및 장애와 같은 복잡한 문제로 인해 실시간 임베디드 설계를 제한하는 경우가 종종 있다.

기능 세이프티 및 인증 요건을 추가할 때, 새로운 설계, 테스트 및 문서 제공에는 상당한 노력이 요구된다. 추가적인 기능 세이프티를 제공하기 위해 차별화된 기능 세이프티 모터 드라이브를 적시에 적절한 예산으로 제공하는 데 많은 제약과 어려움이 뒤따른다.

세이프티 인증 작업은 시장 진출 시간에 직접적인 영향을 미치며, 프로젝트 비용에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 제품 업데이트를 위한 재인증으로 인해 설계 업데이트의 지연이나 누락이 발생할 수도 있다.

텍사스 인스트루먼트(TI)의 기능 세이프티를 위한 SafeTI 설계 패키지는 기능 세이프티 설계 프로세스를 간소화하는 제품이다. 설계자는 SafeTI 패키지를 사용해 세이프티 인증에 따르는 문제를 해결하고, 엔지니어링 및 마케팅 팀이 차별화된 제품을 제공하는 데 집중할 수 있게 한다.

 

세이프티가 중시되는 현대 사회

오토모티브 시스템, 산업 자동화, 가전제품 등을 포함한 다양한 애플리케이션의 기능 세이프티 표준을 통해 우리는 안전하게 제품을 이용할 수 있다. 기능 세이프티 표준은 경쟁 제품과 차별화된 요소를 제공하기도 한다. 기능 세이프티를 위한 SafeTI 설계 패키지를 통해 설계자는 국제 기능 세이프티 표준(IEC 61508, IEC 60730 및 ISO 26262)에 대한 적합성을 달성하고 제품을 신속하게 시장화할 수 있다. 또한, 설계자는 현재 산업 표준의 기본적인 요구조건 그 이상을 충족할 수도 있으며 진화하는 표준으로 인한 재설계를 배제하여 제품의 수명 주기를 늘릴 수 있다.

 

현재 시스템은 점점 복잡해지고 있으며, 엄격한 기능 세이프티 표준을 충족해야 하는 모터링 동작의 전기적 제어에 의존하는 경향이 있다. 차량에서 파워 조향 보조장치를 모터로 제어하거나 엘리베이터의 리프트 및 도어 제어, 드럼 세탁기의 드럼에 벨트나 기어 없이 직접 연결된 경우 모터 동작에서 기능 세이프티는 가장 중요하다. 기능 세이프티로 설계된 모터 시스템은 잘못된 동작으로 인한 위험을 낮춘다. 갑작스러운 고장이나 체계적인 장애로 인한 고장이든, 고장이 발생하는 경우 기능 세이프티 설계는 이 장애를 감지하고 이로 인한 영향을 최소화 하도록 반응한다.

 

SafeTI™ 설계 패키지로 세이프티 설계 및 인증 가속화

설계자가 IEC 61508, IEC 60730 및 ISO 26262와 같은 산업 표준을 쉽게 달성하도록 TI의 새로운 SafeTI 설계 패키지는 산업, 교통, 에너지 및 의료와 같은 영역의 설계 및 인증을 가속화한다. 이러한 기능 세이프티 플랫폼은 TI가 보유한 20년 이상의 세이프티 중심 설계 전문성을 바탕으로 제작되었다. TI의 기능 세이프티 플랫폼은 소프트웨어, 지원 문서, 독립적인 서드파티 평가 및 인증뿐만 아니라 마이크로컨트롤러에서 디지털 신호 프로세서에 이르는 아날로그 컴패니언 디바이스 및 임베디드 프로세서를 가진 설계 패키지를 포함한다.

모든 SafeTI 기능 세이프티용 임베디드 프로세싱 및 아날로그 반도체 디바이스는 TI의 다양한 제품 포트폴리오 중 일부로 제공되는 구성품을 포함하며 시스템에서 함께 사용할 수 있도록 테스트를 거친다. 이러한 SafeTI 하드웨어 구성품을 통해 세이프티 시스템 설계자는 여러 채널이나 시스템 차원의 하드웨어 공급업체를 이용하지 않고 해당 세이프티 목표를 쉽게 충족할 수 있다.

하드웨어뿐만 아니라 SafeTI 설계 패키지는 기능 세이프티를 위한 5가지 주요 구성품을 포함한다:

 

  1. 기능 세이프티 가능 반도체 부품 포함: 세이프티 표준을 준수하도록 설계된 기능 세이프티 반도체 부품을 포함하여 설계자가 신뢰할 수 있는 세이프티 시스템 설계 가능
  2. 개발 및 인증작업을 단축시키는 세이프티 자료, 툴 및 소프트웨어: SafeTI 자료는 제품 세이프티 아키텍처와 권장 사용방법에 관한 세이프티 매뉴얼, 상세한 세이프티 분석 보고서, 해당 표준을 요약한 세이프티 보고서 포함
  3. 보조 임베디드 프로세싱 및 아날로그 부품: 보조 임베디드 프로세싱과 아날로그 부품을 포함하여 설계자가 세이프티 표준을 준수할 수 있도록 지원
  4. 고품질 제조 프로세스 적용: 고품질 프로세스를 적용하여 SafeTI 부품이 부품 차원에서 ISO9001 또는 ISO/TS 16949(자동차에 관한 AEC-Q100 포함) 표준의 요구사항 충족 및 견고한 솔루션 달성
  5. 세이프티 개발 프로세스: ISO 26262, IEC 61508, IEC 60730을 준수하여 감시관이 평가한 세이프티 개발 프로세스 적용

 

엄격한 산업 세이프티 표준 만족

국제 기능 세이프티 표준은 특정 산업 분야에 대한 기능 세이프티 기술을 구체화하고 이러한 기술이 지속적으로 적용되도록 규정하고 있다. IEC 61508은 기본 세이프티 표준으로 모든 IEC 및 일부 ISO 기능 세이프티 표준의 기초이다. 이는 분야별 표준을 위한 기초로 사용되지만, 아직 존재하지 않는 경우 직접적으로도 사용된다. IEC 61508을 참조하는 몇몇 표준은 다음과 같다:

• EN 50128 – 철도
• IEC 60601 – 의료 장비
• IEC 61511 – 프로세스 산업
• ISO 13849/ IEC 62061 – 산업 기계
• IEC 60880 – 원자력 산업
• IEC 50156 – 용광로

이러한 특정 산업 표준에서 기능 세이프티를 위한 SafeTI-61508 설계 패키지는 IEC 61508:2010에 대한 구성품 수준 적합성을 포함하며 SIL-1에서 SIL-3까지의 SIL 레벨과 SIL-4에 대한 시스템 수준 적합성을 지원한다. 위의 표준은 부담스러울 수도 있지만 SafeTI 기능 세이프티 설계 패키지는 엄격한 세이프티 요구조건을 충족하고 설계 및 인증 프로세스를 쉽게 할 수 있는 확신을 제공한다.

오토모티브 제품 설계자들은 SafeTI-26262 설계 패키지를 이용해 부품 차원에서 ISO 26262 표준을 준수하고 스티어링, 제동, 트랜스미션, 전기차 배터리 관리, 첨단 운전자 지원 시스템(ADAS, Advanced Driver-assistance Systems) 같은 다양한 전장용 제품을 위한 ASIL-A부터 ASIL-D까지의 인증을 지원한다. TI는 ISO26262의 US 및 국제 협력 멤버이다

가전기기 개발자들은 SafeTI-60730 설계 패키지를 이용해 세탁기, 냉장고, 가정용 전기 제어 등과 같은 가전기기 설계 시 요구되는 IEC 60730/UL 1998 표준을 준수할 수 있다. 이 설계 패키지는 IEC 60730 표준을 준수하는 소프트웨어를 포함, 클래스 A에서 클래스 C까지의 요구를 충족할 수 있도록 한다.

 

SafeTI 설계 패키지를 위한 개발 툴 및 소프트웨어

설계 및 인증 프로세스를 간소화하기 위해 SafeTI 설계 패키지의 일부로 제공되는 여러 개발 툴과 소프트웨어를 이용할 수 있다.

하드웨어 세이프티 기능으로 표준 기반 SIL (Safety Integrity Level)을 지원하며 이를 통해 설계자는 시스템을 확실히 구축할 수 있다.

•  세이프티 문서는 개발 및 인증 시간을 단축시킨다.

세이프티 컴파일러: SafeTI ARM 컴파일러 검증 패키지로 개발 툴에 대한 자신감을 얻을 수 있다. SafeTI ARM 컴파일러 검증 패키지는 ISO 26262 및 IEC 61508 규격 준수를 위한 TI ARM 컴파일러 사용을 문서화, 분석 및 검증이 가능하다.

GUI 기반 주변장치 구성 툴: SafeTI HALCoGen 그래픽 사용자 인터페이스는 주변장치, 인터럽트, 클록, 기타 마이크로컨트롤러 파라미터를 구성하고 주변장치 및 드라이버 코드를 생성한다. 개발자는 이 툴을 통해 새로운 프로젝트의 개발 시간을 단축하고, 이 작업을 TI의 CCS(Code Composer Studio) 통합 개발 환경(IDE) v.5로 이동하거나 또는 서드파티 IDE를 선택할 수 있다.

ISO 26262 표준을 준수하는 MCAL 및 Safe AutoSAR 지원: TI의 MCAL(Microcontroller Abstraction Layer)와 TTTech/Vector의 AutoSAR(Safe Automotive Open System Architecture)가 지원되며, ISO 26262 AutoSAR 지원은 백터 및 일렉트로비트(Elektrobit)를 통해 이용 가능하다.

IEC 61508 표준을 위한 인증된 RTOS 지원: 비텐스타인 하이 인티그리티 시스템(Wittenstein High Integrity System)의 SAFERTOS, 미크리엄(Micrium)의 mC/OS, 익스프레스 로직(Express Logic)의 ThreadX 및 SCIOPTA RTOS을 통해 실시간 운영체제 지원된다.

 

모터 컨트롤 시스템에 세이프티 통합

일반적인 모터 컨트롤 시스템 블록 다이어그램은 인버터의 전압 및 전류 측정(전략적으로 결정론적으로)뿐만 아니라 모터 회전자 센서(rotor sensor)의 피드백 처리로 구성되며 이 데이터를 토크, 속도 및 위치 제어 루프의 보정을 조절하기 위한 입력으로 사용하여 최종적으로 인버터에 적합한 펄스폭 변조기(PWM) 출력을 생성한다(그림 1). 이러한 폐쇄 루프는 표준적이며 다양한 부품과 하드웨어 및 소프트웨어에 따라 다르다. SafeTI 설계 패키지에 있는 TI의 임베디드 프로세서(이 경우 마이크로컨트롤러)는 이러한 과정에서 기능 세이프티를 지원한다.


그림 1. 세이프티 점검을 통한 모터 컨트롤 시스템 블록 다이어그램               그림 1. 세이프티 점검을 통한 모터 컨트롤 시스템 블록 다이어그램

 

인버터 전압 및 전류를 측정할 때, 설계자는 아날로그 디지털 컨버터(ADC)가 기능하며 올바른 결과를 생성하는지 알아야 한다. 일반적인 방법은 필터를 통해 PWM출력을 ADC입력으로 연결하는 것이다. 이후 최대 규모 ADC 범위를 테스트할 수 있다. 일부 TI 마이크로컨트롤러는 디지털 아날로그 컨버터(DAC)를 이러한 목적에 부합하도록 통합하기도 한다. 세이프티 보장 범위를 얻기 위한 한 가지 방법은 동일한 제어 신호를 변환하는 여러 개의 ADC를 장착하는 것이다. 이를 통해 제어 프로세스에서 사용되는 실제 신호에 대한 비교를 생성할 수 있다. 여러 SafeTI MCU는 다양한 ADC를 제공하기 때문에 2개의 별도 ADC로 동일한 센서 신호를 변환하여 공통적으로 발생하는 장애를 줄일 수 있다.

대부분의 모터 시스템에서 모터의 정확한 회전자 위치를 알고 있어야 한다. 리졸버, 인코더 또는 홀 센서를 이용하는 세이프티 중심 시스템을 위해, TI는 전기기계 센서로 측정된 각도를 비교하기 위해 회전자 각도를 측정하는 소프트웨어를 제공한다. SafeTI 설계 패키지의 마이크로컨트롤러는 퍼포먼스 헤드룸을 제공하여 “자율 감지” 각도 측정 루틴을 손쉽게 포함할 수 있도록 하드웨어 (그림 2) 대 소프트웨어의 세이프티 특성을 포함한다. 모터의 회전자 각을 얻기 위해 2개의 분리된 여러 채널을 통해 설계자는 고가의 SIL-3 리졸버나 표준 버전의 인코더를 교체하여 시스템 비용을 줄일 수 있다.

다음 단계는 이러한 신호를 처리하는 것이다. 상업용 록 스텝(lock step) 마이크로컨트롤러 아키텍처를 선도하는 SafeTI 마이크로컨트롤러는 CPU에 대한 사이클별 진단을 제공한다. 2개의 CPU가 동일한 코드를 실행하는 동안 비교 로직은 각각의 지시가 CPU에서 동일하게 실행되고 있는지 보장하며, 일치하지 않는 경우 이를 즉시 시스템에 통보하도록 한다. 또한 이러한 CPU의 모든 로컬 플래시 및 RAM 액세스는 단일 비트 오류 보정과 이중 비트 오류 감지(SECDED) 오류 코드 보정 컨트롤러(EEC)로 확인된다. 보장 범위를 확장하기 위해 CPU와 메모리는 시동 시 기능을 검증할 수 있는 하드웨어 BIST(내장형 자율 테스트)를 갖추고 있다. 또한 임베디드 진단은 세이프티 중심 작동을 시작하기 전에 적절한 동작을 돕는 자율 테스트 기능을 포함한다.

프로세싱이 완료되었으면, 다음 단계는 적절한 PWM을 인버터로 출력이다. 이러한 출력을 입력 캡처로 연결하여 검증할 수 있다. SafeTI 마이크로컨트롤러는 eCAP 및 고급 타이머 모듈을 통해 이러한 목적에 부합하는 추가 입력 캡처를 제공한다. 시스템 적용 범위를 확장하기 위해 설계자는 전환이 기대치 내 있는지 검증하기 위해 적절한 신호 조건화를 이용하여 모터 페이즈를 입력 캡처로 연결할 수 있다.

 

그림 2. 하드웨어 세이프티 기능을 포함한 TI 세이프티 마이크로컨트롤러의 블록 다이어그램

그림 2. 하드웨어 세이프티 기능을 포함한 TI 세이프티 마이크로컨트롤러의 블록 다이어그램

 

산업, 의료 및 에너지 기능 세이프티 모터 컨트롤 SafeTI 설계 패키지

SafeTI-61508 설계 패키지의 최신 마이크로컨트롤러는 세이프티가 중시되는 설계의 모터 컨트롤에 최적화되었다. 이 패키지는 산업 자동화, 의료 모니터링 및 에너지 애플리케이션에서 모터 컨트롤를 위해 설계된 Hercules™ RM46x와 RM42x ARM® 코어텍스™-R4 세이프티 마이크로컨트롤러를 포함하고 있다. Hercules RM46x/RM42x 세이프티 마이크로컨트롤러는 15개의 디바이스를 포함하며 USB 및 CAN을 제공하며 전체 산업 온도 범위에서 동작한다. Hercules RM46x 부동소수점 세이프티 마이크로컨트롤러(그림 3)는 추가 메모리 및 성능 구성과 향상된 모터 컨트롤 성능을 제공하며, 생산에 적합한 Hercules RM48x 세이프티 마이크로컨트롤러과 핀 호환이 가능하다. 새Hercules RM42x 세이프티 마이크로컨트롤러(그림 4)는 세이프티 표준을 충족하면서 모터 컨트롤 인터페이스를 통합하여 한층 소형화된 패키지로 저렴한 가격대의 보급형 솔루션을 제공한다.

 

그림 3. Hercules RM46x 세이프티 마이크로컨트롤러

패키지: LQFP: 144핀 -20×20; nfBGA: 337 pin-16×16, 0.8mm; -40C ~ 105C 온도 범위

그림 3. Hercules RM46x 세이프티 마이크로컨트롤러

 

 그림 4. Hercules RM42x 세이프티 마이크로컨트롤러

패키지: LQFP: 100핀 -40C ~ 105C 온도 범위

 그림 4. Hercules RM42x 세이프티 마이크로컨트롤러

 

오토모티브 및 트랜스포테이션 기능 세이프티 모터 컨트롤 SafeTI 설계 패키지

오토모티브 및 트랜스포테이션의 설계 및 인증을 가속화하기 위해, TI는 SafeTI-26262 및 SafeTI-61508 설계 패키지에 12종의 새로운 Hercules TMS570 ARM 코어텍스-R4 세이프티 마이크로컨트롤러를 새롭게 출시 했다. 최신 디바이스와 함께 추가된 플렉스레이(FlexRay, 오토모티브에 주로 사용되는 세이프티 중심 프로토콜)는 레일 추진 컨트롤, 항공기 미끄럼 방지 컨트롤, 전동 파워 스티어링, 에어백 배치, 하이브리드 및 전기차, 펌프, 컴프레셔 등과 같은 트랜스포테이션 모터 애플리케이션에 적합하도록 –40°C ~ +125°C 온도범위에서 작동하며, AEC-Q100과 호환된다.

최신 Hercules TMS570 세이프티 마이크로컨트롤러는 제품 라인이 36개로 확장해 고객들은 각자의 특정 애플리케이션 요구에 적합한 제품을 편리하게 선택할 수 있게 되었다. 새 Hercules TMS570LS12x/11x 부동소수점 세이프티 마이크로컨트롤러(그림 5)는 확장된 모터 컨트롤 기능과 함께 추가 메모리 및 성능 구성을 제공하는 반면 Hercules TMS570LS04x/03x 세이프티 마이크로컨트롤러(그림 6)는 통합 모터 컨트롤 인터페이스와 함께 소형화된 패키지의 보급형 솔루션을 제공한다.

 

그림 5. Hercules TMS570LS12x / LS11x 세이프티 마이크로컨트롤러

패키지: LQFP: 144pin -20×20; nfBGA: 337 pin-16×16, 0.8mm; -40C ~ 125C 온도 범위

그림 5. Hercules TMS570LS12x / LS11x 세이프티 마이크로컨트롤러

 그림 6. TMS570LS04x / LS03x 세이프티 마이크로컨트롤러

패키지: LQFP: 100핀 -40C ~ 125C 온도 범위

그림 6. TMS570LS04x / LS03x 세이프티 마이크로컨트롤러

 

TI의 SafeTI-61508 및 SafeTI-26262 패키지에 포함된 Hercules RM4x 세이프티 마이크로컨트롤러를 이용하면 손쉽게 개발을 시작할 수 있다.

세이프티 매뉴얼과 세이프티 분석 보고서를 포함한 세이프티 자료 제공: 이들 자료에서는 세이프티 애플리케이션에서의 Hercules 마이크로컨트롤러 구현 방법과 결함 모드, 결함이 미치는 영향, 세이프티 표준을 충족하기 위해서 요구되는 결함 비율 정보를 제공하는 진단 분석(FMEDA)에 대한 설명되어 있다.

Hercules 개발 키트 – 저렴함 USB 스틱으로 Hercules RM4x 마이크로컨트롤러 (TMDXRM48USB) 또는 Hercules TMS570 마이크로컨트롤러 (TMDXLS31USB)를 신속하게 작동할 수 있다. Hercules RM4x 마이크로컨트롤러 (TMDXRM42HDK 또는TMDXRM46HDK) 및 Hercules TMS570 마이크로컨트롤러 (TMDXLS04HDK 또는 TMDXLS12HDK)를 위한 전 기능 개발 키트 개발 보드, TI의 Code Composer Studio통합 개발 환경 IDE), HALCoGen 주변 장치 구성 툴, BIST 실행 및 오류 강제 모드를 보여주는 세이프티 데모를 포함한다.

•  Hercules 모터 컨트롤 키트 – Hercules RM46x 모터 컨트롤 키트 (DRV8301-RM46-KIT) 또는 Hercules TMS570 모터 컨트롤 키트 (DRV8301-LS12-KIT)로 보다 안전하게 모터를 구동할 수 있다. 이 키트에는 RM46x controlCARD (TMDXRM46CNCD) 또는 TMS570 controlCARD (TMDXLS12CNCD)가 포함되며 TPS65381-Q1 전원 공급장치, DRV8301 EVM 및 테크닉(Teknic) 서보 모터와 함께 독립적으로 이용할 수도 있다. 또한 TI의 MotorWare™ 소프트웨어를 제공하며, 이 소프트웨어는 위치 선서에 대한 중복적/세이프티 채널로서 “자율 감지” 피드백을 지원하는 FOC(Field-Oriented-Control) 알고리즘과 ARM® CMSIS DSP 라이브러리 및 내장 세이프티 지원을 갖춘 HALCoGen 주변장치 라이브러리를 이용한 예제 프로젝트를 포함한다.

•  SafeTI ARM® 컴파일러 검증 키트 – TI의 새로운 컴파일러 검증 키트를 이용함으로써 개발 툴에 대한 확신을 높일 수 있다. ISO 26262 및 IEC 61508 인증에 대한 요구를 충족하기 위해 TI ARM 컴파일러 사용에 대해 문서화, 분석 및 검증이 가능하다. 시제품(early adopter release)은 판매 중이며, 2013년 1분기에 정식 출시 될 예정이다.

•  ISO 26262를 준수하기 위한 AutoSAR® 소프트웨어 – TTTech/Vector를 통해 ASIL D를 충족하는 보호 메커니즘을 제공하는 AutoSAR(Safe Automotive Open System Architecture) 지원 및 벡터(Vector)와 일렉트로비트(Elektrobit)가 제공하는 ISO 26262 AutoSAR 지원을 이용할 수 있다.

 

가전기기 모터 컨트롤 SafeTI 설계 패키지

SafeTI-60730 설계 패키지는 세이프티 매뉴얼, 관리자 소프트웨어 기능 및 추가 세이프티 기능 위한 라이브러리를 포함한다. 비용 효과적인 C2000™ Piccolo™ 마이크로컨트롤러를 대상으로 하는 이 패키지를 통해 설계자는 실시간 모터 컨트롤 성능을 잃지 않고도 IEC 60730 요구사항을 보다 쉽게 충족할 수 있다.

 

보조적인 아날로그

SafeTI-61508 및 SafeTI-26262 설계 패키지 중 일부인 보조 멀티레일 전원 공급장치 TPS65381-Q1 PMIC(그림 7)는 단일 디바이스에 여러 대의 전원 공급장치와 전압 모니터링과 같은 세이프티 기능을 결합해 설계 시간과 보드 공간을 절약한다. PMIC의 기능 세이프티 아키텍처는 질의-응답 와치독, MCU 오류 신호 모니터, 내부 오실리에이터에 대한 클록 모니터링, 클록 모니터에 대한 자가 검사, 비휘발성 메모리에 대한 CRC, 마이크로컨트롤러에 대한 리셋 회로 등의 기능을 통합하였다. 그외에도 BIST 기능으로 스타트업시 디바이스 기능을 모니터링 할 수 있으며, 전용 진단 기능으로 마이크로컨트롤러가 PMIC 세이프티 기능을 검사 할 수 있다.

 

그림 7. TPS65381-Q1 멀티 레일 세이프티 PMIC

그림 7. TPS65381-Q1 멀티 레일 세이프티 PMIC

 

이러한 임베디드 세이프티 기능으로, 모니터링 마이크로컨트롤러를 추가할 필요가 없으며 비용, 보드 공간 및 소프트웨어 개발 시간을 단축할 수 있다.

 

그림 8. DRV3201-Q1 세이프티 모터 드라이버

그림 8. DRV3201-Q1 세이프티 모터 드라이버

 

DRV3201-Q1 세이프티 모터 드라이버(그림 8)는 기능 세이프티 오토모티브 및 트랜스포테이션 모터 컨트롤 설계에도 사용될 수 있다. 업계 최초로 스타트/스탑(start/stop) 기능을 지원하는 모터 드라이버로서, 실용적인 세이프티 아키텍처로 다양한 기능을 통합했다. 통합된 기능에는 VDS(Voltage Drain-to-Source) 모니터링, 페이즈 컴퍼레이터(phase-comparator), 슛 스루(shoot through) 보호, 데드 타임 컨트롤, 온도 경고 및 보호 기능, 저/과전압 보호를 위한 배터리 전압 검출 등이 있다. 모터 드라이버는 오토모티브 3페이즈 브러시리스 DC 모터에 이용 가능한 브리지 드라이버를 포함하며, 최대 250nC 전하에 이르는 정상 레벨 N채널 MOSFET 트랜지스터를 구동할 수 있는 6개의 전용 드라이버를 제공한다.

 

결론

세이프티에 대한 인식의 확대와 산업 표준이 더욱 엄격해지고 있는 시점에서, 설계는 더욱 복잡해지며, 인증은 더욱 까다로워지고 있다. 그러나 www.ti.com/safeti의 SafeTI 설계 패키지를 통해 클릭 한 번만으로 이 모든 기능 세이프티 설계를 쉽게 만들 수 있다. 본 웹사이트는 애플리케이션 또는 산업 표준 별 검색을 통해 모터 컨트롤 기능 세이프티 설계를 위한 모든 정보를 제공한다. 또한 대규모의 지원 네트워크를 통해 많은 정보를 공유할 수 있다. 자세한 사항은 www.ti.com/safeti 에서 확인할 수 있다.

 

출처. 아이씨엔 www.icnweb.kr

 

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업무 단순화를 통한 효율성 증가

IO-Link는 설치 및 배선을 위한 균일하고 표준화 된 효율적인 기술이다. IO-Link 디바이스는 간단하고 편리하게 파라미터화할 수 있으며, 엔지니어링 소프트웨어 툴없이 교체 직후에 바로 작동 상태로 되돌릴 수 있다.

IO-Link 마스터를 통해 지능형 센서 및 액추에이터의파라미터를 쉽게 설정하고 재할당 할 수 있다. IO-Link를 통한 복잡하지 않고 표준화된 센서-액추에이터 조합의 배선은 자재 비용을 절감하고, 물류의 단순화가 가능해지며 시간을 절약할 수 있게 된다. 이로 인해 설치를 훨씬 편리하게 할 수 있다.

전동 실린더 EPCO, 서보 스텝 모터 EMMS-ST, 모터 컨트롤러 CMMO-ST 및 필요한 모든 케이블이 있는 OMS(Optimised Motion Series) 패키지는 기존의 전기 위치 시스템보다 훨씬 저렴하다.

전동 실린더 EPCO, 서보 스텝 모터 EMMS-ST, 모터 컨트롤러 CMMO-ST 및 필요한 모든 케이블이 있는 OMS(Optimised Motion Series) 패키지는 기존의 전기 위치 시스템보다 훨씬 저렴하다.

향상된 경쟁력

Festo라는 단일 공급원을 통해 다양한 마스터, 압력 및 유량 센서, 변위 엔코더/위치 센서, 5 개 밸브 터미널 시리즈, 비례 압력 제어 밸브, 스텝 모터 컨트롤러 및 연결 케이블과 같이 IO-Link를 위한 포괄적인 제품 제공이 가능하다. 또한 Festo는 공장 자동화 및 프로세스 오토메이션에 대한 풍부한 어플리케이션과 산업 종사자를 위한 기본 및 심화 교육을 제공한다.

IO-Link 마스터와 CECC/CPX-E 컨트롤러

4 개의 IO-Link 마스터 포트가 있는 소형 컨트롤러 CECC를 사용하여 경쟁력 있고 일관된 분산 설치가 가능하며, 전기 및 공압 드라이브를 제어한다. 이 소형 컨트롤러는 지능형 센서 및 밸브 터미널의 설치 및 네트워크 비용을 줄여 줄뿐만 아니라, 제어 캐비닛 내부 및 외부의 유용한 진단 옵션을 제공한다.

Festo는 크고 복잡한 어플리케이션을 위한 모듈형 모션 컨트롤러인 CPX-E를 제공한다. I/O 모듈은 모듈 당 4 개의 IO-Link 마스터를 사용할 수 있다. CPX-E는 EtherCAT® 마스터가 장착되어 있으며 독립형 CoDeSys 컨트롤러로 사용하거나 PROFINET 또는 EtherNet/IP 네트워크로 서브 시스템 및 슬레이브를 통합할 수 있다.

CPX 터미널

리모트 I/O로 사용하거나 밸브 터미널 MPA 또는 VTSA와 함께 사용하면 IO-Link 디바이스에 하나 이상의 마스터 인터페이스를 통합 할 수 있다. 기능 통합 덕분에 공압 및 전기 드라이브를 제어하는 것이 CPX 터미널에서 매우 용이하다. PROFINET 또는 Sercos 지원 CPX 터미널은 2 채널 IO-Link의 I-Port 인터페이스를 갖추고 있다. 따라서 개별 IO-Link 타사 디바이스를 밸브 터미널의 근접한 곳에 바로 연결할 수 있다.

밸브 터미널

MPA-L, VTUG, VTUB, VTOC 또는 기존 CPV와 같은 밸브 터미널과 비교하여 경제적이며 효율적인 설치가 가능하다. 밸브 터미널용 멀티 핀 연결 케이블은 표준 M12 케이블과 IO-Link로 대체된다. 이렇게 하면 자재 비용이 절감되고 특히 유연하고 쉬운 설치, 특히 까다로운 작업 조건에 대한 적응과 같은 기술적 장점을 제공한다.

4 개의 IO-Link 마스터 포트가 있는 소형 컨트롤러 CECC를 사용하여 경쟁력 있고 일관된 분산 설치가 가능하다.

4 개의 IO-Link 마스터 포트가 있는 소형 컨트롤러 CECC를 사용하여 경쟁력 있고 일관된 분산 설치가 가능하다.

전기 자동화

구성 및 진단을 위한 통합 웹 서버가 있는 모터 컨트롤러 CMMO-ST도 IO-Link 인터페이스를 지원한다. CMMO-ST는 스텝 모터를 위한 폐 루프 서보 컨트롤러이며 Festo의 OMS (Optimized Motion Series)의 중요한 부분이다. OMS 시스템은 포지셔닝을 매우 쉽게 만든다. 전기 실린더 EPCO, 서보 기능이 있는 스텝 모터 EMMS-ST, 모터 컨트롤러 CMMO-ST 및 필요한 모든 케이블은 기존의 전기 위치 제어 시스템보다 훨씬 저렴하다.

EPCO가 있는 Festo의 OMS는 두 가지 방법으로 구성할 수 있다. 웹 구성 및 서버의 파라미터 클라우드를 사용하여 매우 간단하고 빠른 구성을 할 수 있다. 컨트롤러는 자체 IP 주소를 가지며 사전 정의 및 테스트 된 조합에 필요한 모든 데이터가 포함된 카탈로그가 제공된다. 즉, 사용자가 많은 시간을 절약 할 수 있다.

비례 압력 제어 밸브 VPPM

IO-Link에 연결된 비례 제어 밸브 VPPM은 차폐된 아날로그 케이블이 필요하지 않아 신호 레벨이 간섭을 받을 확률이 감소된다. 파라미터는 IO-Link 마스터에서 설정되고 데이터가 저장된다. 이는 실용적이며 부품을 교체한 후 바로 재시작 할 수 있다. IO-Link는 점대점 연결 덕분에 짧은 사이클 시간이 가능하다. 압력 제어, 테스트, 미터링, 프레스 및 피팅 어플리케이션은 주로 특수 기계, 식품 및 음료, 인쇄 및 종이, 자동차 및 전자 산업에서 적용된다.

위치 센서 SDAT

IO-Link의 균일한 인터페이스는 개별 센서 연결을 대체하므로 복잡한 센서를 쉽게 통합할 수 있다. 즉, 위치 센서 SDAT 및 파라미터화 가능한 압력 및 유량 센서를 통합하여 저렴한 비용으로 설치할 수 있다. 예를 들어, 위치 센서 SDAT는 스크루 드라이빙, 리벳팅, 초음파 용접, 가압 및 클램핑을 위한 프로세스 모니터링에서부터 물체 감지에 이르기 까지 높은 반복 정밀도로 피스톤 위치를 감지한다. [제공. 훼스토]

더 자세한 내용보기 http://www.festo.com/cms/en-gb_gb/15646.htm

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칼럼

엣지 노드와 센서 설계의 더 높은 수준을 요구하는 디지털 트위닝

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포뮬러 1 경주 (이미지. 마우저 일렉트로닉스)

디지털 트윈 모델은 센서 설치와 관련하여 꽤 까다로운 요건들을 수반한다. 레거시 애플리케이션들은 특히 그렇다. 이에 따라 디지털 트윈 시스템 설계자는 최적의 솔루션을 구할 때까지 센서 성능과 대역폭 제한에 각별한 주의를 기울일 필요가 있다.

디지털 트윈(digital twins, DT) 모델이 제조를 비롯한 산업 분야로 빠르게 도입되고 있다. 사물인터넷(IoT)의 연결성과 저렴한 가격대의 센서를 사용할 수 있게 된 덕분이다. 하지만 디지털 트윈을 구현하려면 신호 체인의 모든 측면에서 더 높은 성능이 요구된다. 디지털 트윈을 적용하고자 하는 해당 장비 또는 그 가까이에 설치되는 엣지 노드의 경우는 특히 더 하다. 이 글에서는 센서와 엣지 노드 아키텍처에 대한 개요를 비롯하여, 엣지 노드의 중요성과 엣지 노드 통신에 대해서 설명한다.

 

센서와 엣지 노드 아키텍처
디지털 트윈 아키텍처는 3가지 차원의 IoT 아키텍처와 매우 비슷하게 닮았다(그림 1):

• 엣지 노드 – 엣지 노드 상의 센서들은 기능 유닛(산업용 로봇, 항공기 엔진, 풍력 터빈 등)의 동작에 대한 실시간 정보를 수집하고, 이 정보를 유선 또는 근거리 무선 통신망(LAN)을 통해서 전송한다.
• 게이트웨이 노드 – 게이트웨이 노드는 다양한 프로토콜을 사용하는 여러 개의 엣지 노드와 통신하고 이 정보를 취합해서 광역 통신망(WAN)으로 전송한다.
• 엔터프라이즈 노드 – 엔터프라이즈 노드는 게이트웨이 데이터를 수신하고, 디지털 모델을 적용하고, 그 결과를 통신한다.

정확한 모델과 고품질 데이터를 활용한다면 DT 모델을 통해 결함을 예측하고 효율을 높일 수 있을 뿐 아니라, 심지어는 가상이 아닌 실제 세계에서의 동작까지도 변경할 수 있다.

 

이러한 데이터 수집을 위해서는 엣지 노드가 핵심적인 역할을 한다. 실제 세계로부터 동작과 환경에 관한 데이터를 수집하는 센서와, 이렇게 센서들이 수집한 정보를 상위 레벨로 전송하는 통신 링크들이 엣지 노드에 포함되어 있기 때문이다.

 

엣지 노드의 중요성
DT는 물리적 기계를 가상으로 모델링하기 위해 실제 세계로부터 지속적으로 수집한 고품질 데이터를 필요로 한다. 그렇지 않다면 실제 세계와 가상 세계의 차이가 점점 더 벌어져, DT를 적용한 계산이나 예측이 쓸모 없어질 것이다.

그림 1: 디지털 트윈(DT) 아키텍처는 IoT 아키텍처와 마찬가지로 엣지 노드 상의 센서, 게이트웨이 노드, 엔터프라이즈 노드로 이루어진다.

그림 1: 디지털 트윈(DT) 아키텍처는 IoT 아키텍처와 마찬가지로 엣지 노드 상의 센서, 게이트웨이 노드, 엔터프라이즈 노드로 이루어진다. (이미지. 마우저 일렉트로닉스)

 

이러한 데이터 수집을 위해서는 엣지 노드가 핵심적인 역할을 한다. 실제 세계로부터 동작과 환경에 관한 데이터를 수집하는 센서와, 이렇게 센서들이 수집한 정보를 상위 레벨로 전송하는 통신 링크들이 엣지 노드에 포함되어 있기 때문이다. 또한 물리적인 프로세스까지 변경할 수 있는 DT 모델이라면 액추에이터도 엣지 노드에 포함된다.

센서 측정은 두 가지 범주로 구분할 수 있다:
• 동작 측정(기계 또는 장비의 물리적 동작): 장력, 속도, 유량, 변위, 토크, 동작 온도, 진동 등
• 환경 데이터(물리적 동작에 영향을 미침): 주변 온도, 기압, 습도 등

엣지 노드에는 다양한 형태의 센서들이 사용될 수 있다. 온도 센서, 압력 센서, 로드 셀, 가속도계 같은 다양한 센서들이 실제 세계의 특성을 측정하고 수치적 정보를 제공한다. 센서 퓨전 시스템은 여러 센서 측정 결과를 조합해서 단일 센서로는 할 수 없는 통찰을 제공할 수 있다. 카메라와 마이크로폰은 복잡하고 구조화되지 않은 정보를 사용해서 비디오 및 오디오 스트림을 발생시키므로 이를 해석하려면 별도의 프로세싱이 필요하다.

 

기존 장비를 개조할 때의 어려움

 

DT 설계는 실제 설치물을 위한 모델 역할을 하는 디지털 설계에서 시작한다. 따라서 실시간 데이터를 제공하는 센서들이 이 모델에 포함되어 최종 버전까지 계속해서 기능을 수행할 수도 있다. DT는 석유 및 가스, 핵 에너지, 항공우주, 자동차 같은 하이테크 애플리케이션에 주로 사용된다. 여기에 사용되는 기계들은 가상 모델이 도입되기 훨씬 전에 설치되었을 수 있다. 그러므로 디지털 트윈이 가능하도록 엣지 노드를 업그레이드하기에는 많은 어려움이 따른다.

기존 산업 분야에 DT를 도입하기 위해서 DT에 대한 현실 세계 버전을 완전히 처음부터 설계하는 경우는 거의 없다. 수 년 또는 수십 년 동안 잘 작동해온 기존 설비를 가지고 어떻게든 해보아야 한다. 다시 말해서 기존 시스템을 DT가 가능하도록 개조해야 하는 것이다. 디지털 트윈 시스템을 아무리 잘 설계한다 하더라도, 기존 장비의 성능을 모니터링하기 위한 센서가 부족하거나 아예 설치되어 있지 않다면 통합 과정은 엄청나게 복잡해질 것이다. 이러한 기술을 수용할 수 있도록 전혀 설계되지 않은 기계에 수십 혹은 수백 개의 센서들을 설치해야 하기 때문이다.

이미 센서들이 설치되어 있는 경우라도, 센서의 정확도가 디지털 모델에 유용한 데이터를 제공하기에 미흡할 수 있다. 예컨대 온도 센서가 설치되어 있기는 하지만 과열 결함만 감지할 수 있을 뿐, 결함을 조기에 예측하는데 필요한 온도 스트레스 패턴까지는 식별하지 못할 수 있다.

통신 네트워크의 용량 또한 문제가 될 수 있다. 기존에 설치된 IoT는 다양한 유선 및 무선 표준을 사용해서 엣지 노드를 해당 게이트웨이로 연결한다. 이러한 통신 기술에는 다음과 같은 표준 기술들이 포함된다:
• 지그비 – 저전력 메시 애플리케이션용
• 서브 1GHz – 저전력 및 장거리용
• 와이파이 – 고속의 직접 인터넷 연결
• 블루투스 – 가장 낮은 전력
• 기타

설계자는 각 표준들이 디지털 트윈 데이터로 인해서 가중되는 부담을 처리할 수 있는지 면밀히 검토해야 한다.

 

수십 배 증가해야 하는 센서 수

 

디지털 트윈은 많은 산업 분야에서 아직은 초기 단계에 있지만, 많은 제품들이 첫번째 시제품을 세상에 선보이기 위해 가상 세계에서 설계, 테스트, 검증 과정을 거치고 있다. 이러한 제품들 역시 특수한 실시간 센서들에 의해 엄청난 양의 데이터가 수집되고 있다. 항공기 엔진과 포뮬러 1 경주용 차는 대표적인 두 가지 사례이다.

항공기 엔진
항공기 엔진은 이미 고도로 계장화 되어 있다. 전통적인 터보팬 엔진(그림 2)은 압력, 온도, 유속, 진동, 속도를 측정하기 위한 센서들을 포함한다. 또한 각 범주별로 여러 특수 센서들이 사용되어 보다 세분화된 기능들을 담당한다. 압력 측정을 예로 들면 터빈 압력, 오일 압력, 오일 또는 연료-필터 차동 압력, 스톨 감지(stall detect) 압력, 엔진 제어 압력, 베어링실 압력 등을 측정하기 위해 각각의 센서들을 사용할 수 있다.

그림 2: 항공기 터보팬 같은 엣지 노드는 이미 수백 개의 센서들을 포함한다. 여기에 DT를 도입하려면 센서 수가 지금보다 수십 배 늘어나야 한다.

그림 2: 항공기 터보팬 같은 엣지 노드는 이미 수백 개의 센서들을 포함한다. 여기에 DT를 도입하려면 센서 수가 지금보다 수십 배 늘어나야 한다. (이미지. 마우저 일렉트로닉스)

 

DT는 기존의 모니터링 애플리케이션보다 훨씬 더 많은 데이터를 필요로 하기 때문에 그만큼 훨씬 더 많은 수의 센서들을 필요로 한다. 오늘날 사용되는 대부분의 항공기 엔진은 약 250개의 센서를 포함하지만, 요즘 나오고 있는 차세대 DT 가능 제품은 5천 개 이상의 센서를 포함한다. 연료 유량, 연료 및 오일 압력, 고도, 대기 속도, 전기 부하, 외부 공기 온도 등을 모니터링하는 센서들로부터 추가적인 데이터가 제공된다. 롤스로이스(Rolls-Royce), GE, 프랫 앤 휘트니(Pratt & Whitney) 같은 회사들은 이미 DT를 사용해서 신뢰성과 효율을 끌어올리고, 제조 비용은 낮추고 있다.

포뮬러 1 경주

그림 3: 포뮬러 1 경주 (이미지. 마우저 일렉트로닉스)

 

DT 기술은 치열한 경쟁이 펼쳐지는 포뮬러 1 경주에서 운전자와 자동차의 성능을 향상시키는 데에도 사용될 수 있다. 맥클라렌-혼다(McLaren-Honda) 팀은 200개 이상의 센서를 사용해서 엔진, 기어박스, 브레이크, 타이어, 서스펜션, 공기역학에 관한 실시간 데이터를 전송한다. 경기가 진행되는 동안, 이 센서들은 영국 워킹(Woking)에 있는 맥클라렌 기술 센터(McLaren Technology Centre)로 100GB에 이르는 데이터를 전송한다. 분석가들은 이 데이터를 분석하고 DT를 적용해서 운전자에게 최적의 경주 전략을 전달한다. 가상의 세계에서 DT가 실제 자동차와 동일한 도로 조건, 날씨, 온도로 동일한 경기를 펼친다.

 

DT 엣지 노드 아키텍처의 미래

 

DT 모델의 잠재력을 최대한 실현하기 위해서는 기존의 엣지 노드 아키텍처에서 다음과 같은 몇 가지 과제들을 해결해야 한다:

스마트 센서와 엣지 노드 프로세싱
센서들이 점점 더 많은 데이터를 수집함에 따라서, 디지털 모델로 데이터를 어떻게 사용할지, 또 데이터를 어디에서 처리해야 할지(노드, 게이트웨이, 클라우드 등) 결정해야 한다. 노드에서 처리하면 네트워크 대역폭은 줄일 수 있으나 정보를 잃을 우려가 있고, 그러면 DT 성능이 떨어질 수 있다.

이 결정에는 사용하는 센서가 어떤 유형인지가 영향을 미친다. 많은 센서들은 예컨대 압력을 나타내는 디지털 전송처럼, 사용하기 편리한 구조화된 포맷으로 정보를 전송한다. 하지만 마이크로폰이나 이미지 센서 같은 것들은 구조화되지 않은 대량의 원시 데이터를 발생하므로 대대적인 프로세싱을 하지 않으면 쓸모가 없다.

향상된 통신 인터페이스
엣지 노드 프로세싱을 늘린다 하더라도, 어마어마하게 늘어나는 데이터 양 때문에 시스템 설계자는 어떻게든 네트워크 대역폭을 늘려야 할 것이다. 예를 들어 항공기 엔진은 엔진 한 대마다 초당 5GB의 데이터를 발생하며, 상업용으로 사용되는 트윈 엔진 항공기는 하루에 최대 844TB의 데이터를 발생한다.
전통적인 산업들은 또 다른 복잡함을 안고 있는 엄청난 양의 데이터를 발생한다. 전통적인 산업용 IoT 애플리케이션에 이용되는 많은 원격지 엣지 노드들은 저전력 소비 특성을 최적화하기 위해 배터리 전원과 저성능 무선 프로토콜을 사용한다. 따라서 이러한 기존 설계에 DT를 사용하려면 통신 병목지점이 어디인지부터 파악할 필요가 있다.

견고한 엣지 노드 보안
기존에 설치된 IoT 네트워크는 엣지 노드 디바이스에서 보안성이 문제가 될 수 있다. 이에 따라 암호화, 보안 하드웨어, 애플리케이션 키, 장치 인증서 같은 보안 조치들이 점점 더 일반화되고 있다. DT 프로그램의 도입이 늘어날수록 이러한 보안 기술들의 중요성은 더욱 강조될 것이다. 특히 인터넷 프로토콜(IP) 연결이 가능한 노드들은 해커들의 공격 대상이 되기 쉽다.

 

맺음말

 

디지털 트윈 프로그램을 구현하려면 신호 체인의 모든 측면에서 더 높은 성능이 필요하다. 디지털 트윈을 적용하고자 하는 해당 장비 또는 그 가까이에 설치되는 엣지 노드의 경우는 특히 더 하다. 엣지 노드는 디지털 트윈을 구현하는 데 있어서 핵심적인 역할을 한다. 실제 세계로부터 동작과 환경에 관한 데이터를 수집하는 센서와, 이렇게 센서들이 수집한 정보를 상위 레벨로 전송하는 통신 링크들이 엣지 노드에 포함되어 있기 때문이다. 현재 디지털 트윈은 주로 항공기와 자동차 같은 분야에 사용되고 있다. 이들 분야에는 이미 많은 수의 센서들이 사용되고 있는데, 여기에서 디지털 트윈이 가능하도록 기존 장비를 개조하려면 지금보다 수십 배 더 많은 센서들을 설치해야 한다. 그 밖에도 엣지 노드 프로세싱, 통신 프로세싱, 엣지 노드 보안 같은 것들을 향상시켜야 한다.

 

글_ 폴 피커링(Paul Pickering) / 마우저 일렉트로닉스

 

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스마트공장

[이슈] 인공지능을 통한 인간-로봇 콜라보레이션

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바이오닉 워크플레이스 (BionicWorkplace): 훼스토는 서로 연결되어 서로 통신하는 수많은 지원 시스템 및 주변 장치와 함께 인간이 생체 로봇 팔과 함께 작동하는 바이오닉 워크플레이스를 통해 인상적인 시연을 보여준다.(사진. 훼스토)

바이오닉 워크플레이스(BionicWorkplace)로 미래 공장을 보다

훼스토(Festo)는 지난 하노버 산업 박람회에서 인간의 팔에서 모티브를 얻은 생체 로봇 팔인 바이오닉 코봇(BionicCobot)과 함께 작동하는 바이오닉 워크플레이스를 통해 수많은 지원 시스템 및 주변 장치와 서로 연결되어 통신하는 인상적인 시연을 선보였다. 작업자는 이러한 바이오닉 코봇의 지원을 받아 작업에서 과중한 업무 강도나 위험한 작업으로부터 벗어날 수 있게 된다.

산업 환경의 변화로 인해 짧은 제품 수명 주기와 다품종 소량 생산의 다양한 사양에 대한 요구가 증가되고 있다. 동시에 직원들이 신속하고 직관적으로 새로운 작업에 적응할 수 있도록 하는 것이 점차 중요해지고 있으며 사람, 기계 및 소프트웨어 간의 새로운 형태의 협력이 요구된다. 여기서 중요한 역할은 로봇 기반의 자동화 솔루션이며 획기적인 작업 환경인 바이오닉 워크플레이스를 통해 인공 지능을 갖춘 자가 학습 시스템과 사람 작업자가 함께 작업하며 서로 네트워크를 형성할 수 있게 된다.

바이오닉 워크플레이스 (BionicWorkplace): 훼스토는 서로 연결되어 서로 통신하는 수많은 지원 시스템 및 주변 장치와 함께 인간이 생체 로봇 팔과 함께 작동하는 바이오닉 워크플레이스를 통해 인상적인 시연을 보여준다.(사진. 훼스토)

바이오닉 워크플레이스 (BionicWorkplace): 훼스토는 서로 연결되어 서로 통신하는 수많은 지원 시스템 및 주변 장치와 함께 인간이 생체 로봇 팔과 함께 작동하는 바이오닉 워크플레이스를 통해 인상적인 시연을 보여준다.(사진. 훼스토)

 

미래 공장을 위한 배치 사이즈 1까지의 유연한 생산
미래 생산은 제품 생산뿐만 아니라 작업장 및 작업 환경의 설계면에서도 유연해야 한다. 인공 지능 및 머신 러닝은 작업장을 지속적으로 개발시키고 요구 사항에 걸맞게 최적의 상태로 자체 적응시키는 최적화 러닝 시스템으로 전환시킨다. 훼스토(Festo)는 지난 하노버 산업 박람회에서 인간의 팔에서 모티브를 얻은 생체 로봇 팔인 바이오닉 코봇(BionicCobot)과 함께 작동하는 바이오닉 워크플레이스를 통해 수많은 지원 시스템 및 주변 장치와 서로 연결되어 통신하는 인상적인 시연을 선보였다. 작업자는 이러한 바이오닉 코봇의 지원을 받아 작업에서 과중한 업무 강도나 위험한 작업으로부터 벗어날 수 있게 된다.

인체 공학적으로 설계된 전체 작업장은 조명에 이르기까지 작업자 맞춤형으로 적용할 수 있다. 센서 및 카메라 시스템은 작업자, 컴포넌트 및 도구의 위치를 등록하여 작업자가 제스처, 터치 또는 스피치를 통해 직관적으로 바이오닉 코봇을 제어 가능하다. 동시에 소프트웨어 시스템은 모든 카메라 이미지를 처리하고 다양한 주변 장치에서 입력하며, 이 정보를 사용하여 최적의 프로그램 순서로 이끌어낸다. 시스템은 각 동작을 인식하고 지속적으로 최적화하고 제어, 프로그래밍 및 시퀀스 설정은 점차 더 자유로운 작업 방법으로 점진적으로 발전시키고 있다.

일단 학습 및 최적화 작업을 거치면, 바이오닉 워크플레이스의 프로세스와 기술은 실시간으로 동일한 유형의 다른 시스템으로 쉽게 이전되고 전 세계적으로 공유 가능하다. 예를 들어, 미래에는 작업 공간의 지식 모듈을 공유하는 글로벌 네트워크를 통합하는 것이 가능하게 될 것이다. 생산은 더욱 유연해질뿐만 아니라 분산화 될 것이다. 작업자는 인터넷 플랫폼을 통해 생산 주문을 하고 개별 고객의 요구 사항에 따라 기계와 협력하여 자율적으로 수행할 수 있으며 작업장의 원격 조작도 가능하게 된다.

핵심 구성 요소로서의 바이오닉 코봇
핵심 구성 요소는 경량의 공압으로 구성된 “바이오닉 코봇” 이다. 이 로봇은 인간의 팔을 모델로 하며 압축 공기의 유연한 움직임으로 사람들과 직접적이고 안전하게 상호 작용할 수 있다. 이것은 디지털화된 공압인 훼스토 모션 터미널(Festo Motion Terminal)으로 가능하다. 바이오닉 코봇과 함께 사용되는 훼스토 모션 터미널은 안전한 인간-로봇 협업을 위한 완전히 새로운 솔루션을 제안하며, 빠르고 강력하고 부드럽고 섬세한 움직임을 수행 가능하다.

지난 하노버 산업박람회에서 훼스토는 바이오닉 워크플레이스의 제품 제조 프로세스를 시연했다. 예를 들어, 개별 모델의 헤드를 만들기 위해 먼저 레이저 커터로 아크릴 유리를 조각 낸다. 스마트 폰을 사용하여 스캔, 저장된 사람의 얼굴 특징을 소프트웨어 프로그램을 통해 CAD 모델로 변환한 다음 별도의 조각으로 나눈다. 그 다음, 레이저 커터는 이 3D 템플릿을 기반으로 아크릴 유리에서 조각을 잘라낸다. 바이오닉 코봇은 레이저 커터에서 직접 조각을 가져와서 올바른 순서로 작업자에게 제공한 다음 조립하여 모델을 만든다.

이 시나리오에서 로보티노®(Robotino®)의 레이저 스캐너를 사용하여 스테이션간에 자율적으로 이동하고, 안전하게 길을 찾게 되며 지속적인 재료 자동 공급이 가능하게 된다. 공압으로 동작되는 부드러운 로봇 구조의 바이오닉 코봇으로 로딩된다.

박은주 기자 news@icnweb.co.kr

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