CompactRIO를 이용한 대량 생산 자동화 테스트 시스템 개발

Robert Hoffman, Signal.X Technologies, LLC

"Signal.X는 CompactRIO를 이용하여 여러 기능을 실행하는 시스템을 구축했습니다. 이전까지만 해도 이런 시스템을 구축하려면 여러 다른 컨트롤러나 PLC가 필요했었습니다."

- Robert Hoffman, Signal.X Technologies, LLC

과제:

파워트레인 컴포넌트를 위한 맞춤형 end-of-line 기능 및 성능 테스트 시스템을 제작합니다. 시스템 제작에는 두 개의 독립적인 테스트 셀을 이용하며 이 셀들은 개별 부품 처리, 모션 제어, 데이터 수집 및 분석, PLC 통신을 포함한 시스템의 모든 부분을 담당합니다.

솔루션:

NI CompactRIO 하드웨어를 이용하여 완전히 자동화된 테스트 시스템을 제작합니다. 이 시스템은 플랜트 환경에서 계속해서 운영하여 일당 1,000개의 부품을 테스트하고 2GB 데이터를 생성할 수 있습니다.

 

소개

티어 1 밸브 트레인 컴포넌트 공급업체는 복합적인 파워트레인 컴포넌트의 조립과 기계가공이 제대로 이루어졌는지 확인하기 위해 end-of-line 기능 및 성능 테스트를 실행하는 신뢰할 수 있는 시스템이 필요했습니다. 요구되는 생산량을 충족하기 위한 핵심은 신뢰성과 최대 총 처리량이었습니다. Signal.X는 ComapctRIO를 이용한 시스템을 구축하여 여러 기능을 수행했습니다. 이전에 이와 동일한 작업을 진행하려면 여러 대의 다른 컨트롤러나 PLC가 필요했었습니다.

 

 

두 개의 독립적인 CompactRIO 유닛은 단일 테스트 셀 내부의 테스트 스테이션을 실행합니다. 각CompactRIO 시스템의 데이터를 설정하고 디스플레이하기 위해 Windows PC가 사용되었지만, 이 PC는 테스트 운영에는 필요하지 않습니다. 데이터가 수집되면, CompactRIO에서 PC로 전송된 후 PC에서 Signal.X DataManager 소프트웨어를 실행하고 있는 서버로 전송되어 최종적으로 저장되고, 백업되며, 데이터베이스 운영을 위해 사용됩니다.

 

모션 제어

설정 가능한 PID 파라미터와 리밋, 인터록을 이용하여 4개의 제어 축을 관리하기 위해 다축, 다중속도 모션 제어 서브시스템을 개발했습니다. 내쇼날인스트루먼트 LabVIEW NI SoftMotion Module을 기반으로 제작된 이 서브시스템은 CompactRIO FPGA에서 스플라인 보간으로 8 ms의 리얼타임 업데이트 속도를 이용합니다. 축에 따라 속도는 125 µs ~ 8 ms 사이가 됩니다.

데이터 수집 및 처리

테스트 주기는 짧지만 (~25초), 이 주기 동안 생성된 데이터에서 약 30 ~ 40 메트릭스가 연산됩니다. 따라서 반드시 이 데이터는 바로 처리를 위해 사용할 수 있어야 합니다. 효율성을 최대화하기 위해 현재의 파일 읽기 및 쓰기를 사용하여 처리를 구현하는 동시에 테스트가 수행되는 중에 데이터를 사용할 수 있도록 했습니다.

 

시스템은 데이터를 실제 테스트와 동시에 처리하기 때문에 만약 메트릭이 실패했을 경우 고객이 테스트를 초기에 취소하도록 설정할 수 있어 전체 처리량이 높아지고 불량 부품을 테스트하는 데 낭비되는 시간을 최소화할 수 있습니다. 이러한 처리를 진행할 수 있도록 필터링, 트리거링, 추적을 위한 버전 관리가 포함된 처리를 정의할 수 있는 사용자 정의 편집기를 직접 제작했습니다.

 

개별 부품 처리

기존의 개별 제어용 아키텍처는 PAC인 CompactRIO 컨트롤러를 이용하여 개발했습니다. 이 시스템에서 핵심은 유한 상태 머신으로, 이 머신은 사용자가 설정할 수 있는 기본적으로 유연하고 효율적인 래더로직 유형의 프로그램을 에뮬레이션합니다. 머신은 pneumatic slide, PLC/로봇 연동, 오류 및 에러 처리를 위한 설치에 주로 사용되었습니다. 사용자들이 슬라이드 모션, PLC 부품 이동, 인터록 및 안전 시퀀스를 편집할 수 있도록 간단한 편집기가 개발되었습니다.

 

이 프로그램의 기능으로는 브랜칭, 루핑, 내부 메모리 스토리지, 점핑 및 상태 강제변환이 있습니다. 파워업, 매뉴얼, 자동, 오류, 에러 로직과 같은 다른 운영 모드를 위해 로직이 구축되었고 복구는 모든 모드를 통해 가능합니다. 즉, PLC 개발자에게 익숙한 기존의 입증된 제어 개념이 유한 상태 머신에 구현되었습니다. 이 방식은 기존 래더로직의 모든 기능과 간단함을 유지하였고 복합 부동소수점 연산, 알파뉴메릭 조작, 스크린 디스플레이, GUI 연동에 대한 지원을 강화했습니다.

 

통신

Allen-Bradley ControlLogix PLC와 직접 통신하기 위해 NI Labs에서 개발한 EtherNet/IP Driver for Industrial Communication을 사용했습니다. CompactRIO와 PC간에 실시간 데이터 스트리밍과 명령을 통신하기 위해 Simple Messaging Reference Library를 이용했습니다. 외부 디바이스에 연결하기 위해 간단하고 신뢰할 수 있는 방법을 제공함으로써 통신을 간단하게 구현하였습니다.

 

 

데이터 관리

각 CompactRIO 시스템에서 수집한 데이터 양은 개발에 걸림돌이 되었고 신뢰성과 장기 안정성을 보장하기 위한 계획 수립이 필요했습니다. 각 테스트가 완료되면 약 12개 채널의 데이터를 25초 동안 저장하고, 결과적으로 1.5 MB의 TDMS (Technical Data Management Streaming) 파일들을 생성했습니다. 최대 생산 속도에서 각 CompactRIO 시스템은 매일 약 2GB의 데이터를 생성합니다. 이렇게 많은 데이터 생성되기 때문에 데이터를 저장하기 위해 외부 USB 드라이브를 CompactRIO에 연결했습니다. USB가 연결되면 자동으로 데이터가 PC에 업로드되지만, CompactRIO 드라이브는 PC 또는 네트워크가 작동하지 않을 경우 로컬 버퍼를 하우징합니다. 이와 비슷하게 서버가 연결되면 데이터는 PC에서 DataManager로 자동 전송됩니다. 서버의 연결이 해제되면, PC는 신속한 접근을 위해 고유의 데이터 버퍼와 스토리지를 유지합니다.

 

 

Signal.X DataManager

이 프로젝트는 Signal.X 상용 제품을 이용하여 저장, 쿼리, 보고서 생성 및 항목 데이터를 백업했습니다. 표준 쿼리 언어 데이터베이스를 기반으로 하는 DataManager는 한 서버에 상주하고 있으며, 이 서버는 사전에 정해놓은 일정에 따라 설정된 모든 스테이션들을 스캔하고, 데이터 파일을 불러오고 백업하며, 테스트 결과 값을 데이터베이스에 삽입합니다. 사용자는 데이터베이스를 쿼리하여 생산 데이터 서브셋을 반환하고, 이 쿼리들을 기초로 보고서를 생성하며, 이 보고서들이 자동 생성되고 트렌딩을 위해 경보 신호를 보내도록 자동화할 수 있습니다. 추가적으로, 사용자는 새로운 매트릭과 “what-if” 시나리오를 평가하기 위한 새 리밋과 비교하여 히스토리 데이터를 서버에서 실행할 수 있습니다.

 

완성 패키지

CompactRIO 시스템을 이용하여 신뢰할 수 있고 신속하게 재설정 가능한 자동화 테스트 시스템 컨트롤러가 완성됩니다. 신속한 주기 시간과 효율적인 데이터 사용을 통해 전체 생산 처리 속도가 최대화되고, 궁극적으로 비용을 절감하며 프로세스를 개선합니다. 완성된 데이터 관리 솔루션을 추가한 Signal.X는 결함 제품의 유입을 차단시키고, 조립 결함을 이해하며, 테스트 절차와 리밋을 개선하여 업스트림 프로세스에 긍정적인 영향을 미쳤습니다.

 

NI 솔루션의 장점

이전까지 동일한 프로세스를 진행하려면 여러 개별 컨트롤러와 PLC들을 사용해야 했기 때문에 절차가 복잡해지고 비용도 높아졌습니다. CompactRIO 플랫폼은 모든 기능들을 하나의 하드웨어 컴포넌트에 통합하고, 이 모든 기능들은 단일 프로세스로 관리합니다. 또한, LabVIEW 프로그래밍은 유연하기 때문에 여러 프로세스들 중 어떤 프로세스든 한 소스 코드 세트 또는 설정 화면에서 조정할 수 있습니다.

 

 

최종 결과

이 프로젝트에서 사용된 여러 핵심 기술들은 결과적으로 아래 사항을 포함한 프로세스와 효율성을 눈에 띠게 체감할 수 있을 정도로 개선하였습니다:

  • 중요한 생산 환경에서 Windows PC를 없애고 CompactRIO 시스템에 임베디드된 리얼타임 OS를 통해 가동 중단시간을 줄이고 신뢰성을 높였습니다.
  • 시스템은 테스트와 동시에 데이터를 처리하기 때문에 전체 테스트를 완료하지 않아도 정상/불량 결정을 더욱 신속하게 내림으로써 불량 시 부품을 사출합니다.
  • 불량 시 곧바로 부품을 사출하고 다시 테스트함으로써 처리량이 평균 5 퍼센트까지 상승했습니다.
  • DataManager에 모든 데이터를 가져와 보고서를 자동화하고, 일괄 처리하며, 데이터를 백업하여 엔지니어와 관리자에게 최신 생산 프로세스 정보를 제공하고 이전에 수동으로 완료한 태스크를 자동화함으로써 플랜트의 핵심 문제 소스들을 해결했습니다.

 

“일년 내내 생산이 이루어지는 제조환경의 특성상 최상의 품질을 유지하면서 효율성과 신뢰성을 최대화해야 했습니다. 이 고민거리는 Signal.X Technologies가 제공하는 아키텍처를 end-of-line 테스트 시스템에 적용하여 해결했습니다. 결과적으로 처리량이 높아졌고, 가동 중지시간은 줄어들었으며, 신뢰성이 전반적으로 향상되었습니다."

 

필자 정보:

Robert Hoffman
Signal.X Technologies, LLC
15800 Centennial Dr., Suite A
Northville, MI 48168
United States
Tel: (734) 417-8236
Hoffman@signalxtech.com

그림 1: 메인 패널의 CompactRIO 시스템
그림 2: 완성된 테스트 셀 구성
그림 3: Signal.X DataManager 샘플 화면
그림 4: Signal.X DataManager 블록도
그림 5: 메인 스테이션 패널