I2S사, CompactRIO를 사용하여 제철소 내 PLC 자동화 최적화

Clark Hummel, I2S

"고성능의 CompactRIO를 활용하여 컨트롤 속도를 늦추지 않고 감마 센서에 사용자 정의된 측정 및 분석을 추가하였습니다."

- Clark Hummel, I2S

과제:

상용 프로그래밍 가능한 컨트롤러 (PAC) 하드웨어를 사용하여 PLC 아키텍처 업데이트

솔루션:

효율성 및 정확도 증대를 위해 NI CompactRIO 프로그래밍 가능한 자동화 컨트롤러 (PAC)를 사용하여 제철소의 생산과 품질 개선

 

Intergrated Industrial Systems (I2S)사는 수 년간 프로그래밍 가능한 로직 컨트롤러 (PLC)를 사용하여 제철소를 자동화하고 컨트롤 해 왔습니다. 제철소의 효율성과 품질을 개선하기 위해 감마 게이지 시스템을 실행하여 금속의 두께를 보다 정확하게 컨트롤 하였습니다. 감마 게이지 시스템은 지난 수 년간 I2S 제품군의 핵심이었으며 앞으로도 인정받을 제품입니다. 그러나, 하드웨어와 소프트웨어의 여러 기능을 업그레이드 해야 하는 실정입니다. 제철소의 효율성을 최적화하기 위해서는 정확한 아날로그 I/O가 있는 사용자 정의 측정 디바이스가 필요했으며, 센서의 신호로 정밀한 금속 두께를 도출하기 위해 고급 프로세싱이 필요했습니다. 그러나, 제철소의 자동화에 사용되었던 PLC는 요구되는 고속 아날로그 I/O와 고급 프로세싱을 제공하지 못했습니다. 그러나 NI CompactRIO PAC 하드웨어는 본사의 어플리케이션을 위한 우수한 사용자 정의 측정/분석 솔루션을 제공하였습니다. 여러 개의 CompactRIO 시스템을 기존의 PLC 하드웨어와 편리하게 통합하여, 제철소의 품질과 효율성을 신속하게 개선할 수 있었습니다.

 

고속 아날로그 I/O와 고급 프로세싱을 제공하는 CompactRIO

CompactRIO PAC는 거친 환경에도 사용 가능한 PLC의 신뢰성과 견고함을 제공하며, 컨트롤 시스템의 핵심적인 특징을 제공할 뿐 아니라, 우리에게 필요한 고속 아날로그 I/O와 신호 프로세싱도 제공하였습니다. NI LabVIEW 그래픽 기반의 프로그래밍 가능한 툴과 내장된 LabVIEW FPGA 및 LabVIEW Real-Time 함수 블록을 사용하여, CompactRIO에서 FPGA와 리얼타임 프로세서를 신속하게 프로그래밍할 수 있었습니다. CompactRIO의 아날로그 입력 모듈이 감마 두께 측정 센서에 연결되므로, 우리는 CompactRIO의 임베디드 FPGA로 I/O 속도와 동기화를 직접 설정할 수 있습니다. CompactRIO 아날로그 I/O 및 디지털 I/O 모듈은 감마 두께 측정 센서에 연결되며, CompactRIO의 임베디드 FPGA를 사용하여 I/O 속도 및 동기화를 직접 설정할 수 있었습니다. 그 후 센서에서 수집된 데이터는 내장된 NI LabVIEW Real-Time 부동점 함수 블록을 사용하여 CompactRIO 리얼타임 프로세서에서 처리되어, 센서의 데이터를 정확한 두께 값으로 변환합니다. LabVIEW Real-Time은 FPGA에서 수신된 데이터에 대해 결정성 있는 고급 로그 처리 (등식 1과 2)를 수행하여 두께 측정을 계산합니다.

 

Equation 1: log I = log I0 γ/μ  = (γ/μ) log I0

Equation 2: μ = γ log I0 / log I = γ log (I0 – I)

 

CompactRIO 시스템은 FPGA와 리얼타임 프로세서에서 모든 I/O와 신호 처리를 수행하며, 기존 PLC 컨트롤 루프 속도를 늦추지 않고 고정밀 두께 측정을 PLC로 전송합니다.  고성능 CompactRIO 활용하여 컨트롤 속도를 떨어뜨리지 않고 감마 센서에 사용자 정의된 측정 및 분석을 추가하였습니다.

 

기존 PLC 아키텍처에 편리하게 연결되는 CompactRIO

각 제철소에는 네트워크 연결된 3개의 CompactRIO 시스템이 있습니다. 3개 CompactRIO 시스템은 산업 표준 Modbus/TCP, TCP/IP 및 UDP 프로토콜을 사용하여 여러 컨트롤러와 통신하는 지능형 노드입니다. 2개의 CompactRIO 시스템은 감마 센서에 연결되어 있으며, 아날로그 입력 측정과 고급 처리를 함께 수행하여 정밀한 두께 측정을 계산합니다.  3번째 CompactRIO 시스템은 2개 시스템에서 측정한 두께 값을 수집하며, 제철소를 컨트롤하는 PLC에 대한 아날로그 출력 측정을 수행합니다.  3개의 CompactRIO 시스템은 이더넷을 통해 연결되며 UDP 이더넷 메시지 프로토콜을 사용하여 두께 측정 계산을 전송합니다. 처리된 데이터는 이더넷을 통해 CompactRIO 시스템 사이에서 20 밀리초 이하의 간격으로 전송됩니다. CompactRIO의 측정 수집, 처리 및 전송은 충분히 빠른 속도로 수행되므로, 컨트롤 루프 속도를 저하하지 않고 정확한 두께 측정을 PLC 컨트롤 루프로 보내게 됩니다. 10/100 Mbps 이더넷 포트가 있는 LAN 기반 CompactRIO 시스템을 사용하면, 시스템을 표준 TCP/IP 프로토콜을 통해 Allen Bradley PLCS와 휴먼 머신 인터페이스 (HMI) 시스템에 편리하게 연결할 수 있습니다. 제철소 내의 모든 계측기는 이더넷 기반이므로, 전기 노이즈가 많은 환경에서 아날로그 신호가 장거리를 이동하지 않습니다. 그림 1에서 시스템의 다이어그램을 확인하십시오.

 

Gamma Gauge에 대해

Gamma Gauge는 항 방사성 소스 (이 경우는 아메리슘)를 사용하는 디바이스입니다. 소스는 "C" 프레임 어셈블리의 아래 부분에 있으며, 프레임의 윗 부분에는 리시버와 전치 증폭기가 위치합니다. 소스와 리시버 사이의 금속 스트립은 금속 스트립의 두께와 밀도를 반영하여 방사량의 일부를 흡수하게 됩니다.  남은 방사량을 리시버에서 측정한 후 스트립 두께를 계산합니다.

 

필자 정보:

Clark Hummel
I2S
475 Main Street
Yalesville, CT 06492
United States
Tel: (203) 265-5684
clark@i2sworld.com

Figure 1. NI CompactRIO PAC hardware proved to be an excellent custom measurement and analysis solution for our application.