스마트 잔디 수확기를 통한 생산성 향상과 비용 절감

Steve Aposhian, FireFly Equipment

"FireFly는 최신 기술을 통합하고 LabVIEW RIO 아키텍처의 성능을 활용하여 수확 속도를 20% 향상하고 디젤 연료 소비를 50% 절감하는 “스마트” ProSlab 155 잔디 수확기를 개발했습니다."

- Steve Aposhian, FireFly Equipment

과제:

다양한 농업 환경에서 농업 생산성을 향상하고, 기계 운영 비용을 줄이고, 원격 모니터링과 제어에 적합한 보안 기능을 갖춘 인터넷 게이트웨이를 제공하면서 안정적이고 효율적으로 잔디를 팔레트에 쌓는 고성능의 자동 잔디 수확기를 제공합니다.

해결책:

LabVIEW 소프트웨어와 CompactRIO 하드웨어로 설계된 ProSlab 155는 다른 기계보다 잔디를 20% 빠르게 수확하고 디젤 연료 사용량은 절반에 불과합니다.

스마트하고 효율적인 자동 잔디 수확 장비 제조업체인 FireFly Equipment는 LabVIEW RIO 아키텍처에 기반한 최첨단 기계, 전기 및 소프트웨어 시스템을 결합한 혁신적인 새로운 잔디 수확기인 ProSlab 155를 설계했습니다. NI의 메카트로닉스 분야 전문가는 NI 플랫폼을 사용하여 설계 프로세스를 기계 자동화 프로그래밍과 빠르고 원활하게 통합하여 완전히 새로운 스마트 머신을 신속하게 프로토타입으로 제작하고 제품을 시장에 배포하는 데 필요한 시간을 크게 단축했습니다.

 

기존 접근 방식                                                 

잔디 수확은 여전히 업계에서 수작업으로 이루어지는 경우가 많습니다. 농기계 회사는 생산성을 향상하기 위해 수년간 잔디 판 절단 및 적재를 자동화하는 기계를 만들려고 노력했지만, 기계의 전통적인 작업 방식으로 인해 성능이 일관되지 않거나 수동으로 쌓을 때보다 생산성이 약간 향상될 뿐이었습니다. 이런 기계에는 유체 동력을 제어하는 전기 구동 밸브에서 동작을 제어하는 유압 실린더와 모터까지, 일반적인 이동 장비가 포함되어 있습니다. 이런 부품은 더 간단한 시스템에 사용할 때는 신뢰할 수 있지만, 다른 프로세스와 긴밀하게 동기화된 채로 많은 병렬 작업을 수행하거나 고급 신호 처리와 고속 모션 제어 궤적 생성에 필요한 복잡한 수학을 구현하는 데는 덜 효과적입니다. 또한, 제한적인 데이터 처리 성능과 폐쇄 시스템 아키텍처로 인해 첨단 기능과 원격 모니터링 및 진단이 제한됩니다.

 

FireFly 접근 방식

우리는 이러한 단점을 인식해, 여러 병렬 프로세스를 관리하고 동기화하여 잔디를 자르고 쌓는 작업을 자동화하는 더욱 스마트한 기계를 만드는 작업에 들어갔습니다. 먼저 절단기가 잔디를 땅에서 들어 올려 판 형태로 절단하면 컨베이어가 기계 후면으로 운반합니다. 그 후 갠트리에 부착된 적재 장치가 절단된 잔디 판을 컨베이어에서 팔레트로 옮깁니다. 각 잔디 판이 팔레트에 쌓이면서, 여러 팔레트 포크가 팔레트를 땅에 더 가깝게 내립니다. 일단 원하는 높이까지 쌓이면, 잔디 판이 깔끔하게 쌓인 팔레트가 땅에 놓이고 빈 팔레트가 들어 있는 팔레트 통에서 새 빈 팔레트가 팔레트 지게차로 옮겨져 절단하고 쌓는 작업을 쉬지 않고 계속할 수 있습니다. 자동 추진식 트랙터가 들판을 가로지르며 완전 자동 시스템을 이동시킵니다. 기계가 잔디를 수확하고 쌓는 작업을 안정적이고 효율적으로 수행하려면 이러한 시스템이 연속적이고 동기화된 흐름으로 동작해야 합니다. 이 기계에는 거의 80개의 아날로그 및 디지털 센서와 100개의 디지털 출력이 포함되어 있습니다.

 

NI는 복잡한 쌓기 과정에 필요한 효율적이고 정확하며 자연스러운 고속 모션 제어를 제공하기 위해 서보 전기 시스템을 동기화된 다축 궤적 생성기와 통합했습니다. 이 기계는 연간 수백만 사이클 동안 지속적으로 잔디 판을 쌓을 수 있으므로 속도와 신뢰성을 크게 향상합니다. 절단기, 지게차, 팔레트 매거진, 추진 시스템 작동을 포함하여 수확기의 덜 복잡한 작업에는 전통적인 유체 동력 시스템을 선택했습니다. 향후 개발을 용이하게 하기 위해, 새로운 기계를 설계 및 프로토타이핑하고 최종적으로 전 세계에 배포하는 데 개방적이고 유연하고 강력한 플랫폼이 필요했습니다.

 

LabVIEW RIO 아키텍처

LabVIEW CompactRIO 플랫폼을 통해 기존의 유체 동력 시스템을 서보 전기 시스템과 결합하여 여러 복잡한 병렬 작업을 수행했습니다. CompactRIO의 모듈형 I/O를 사용하면 다양한 센서 종류와 산업용 연결을 유연하게 구현할 수 있습니다. CompactRIO 리얼타임 컨트롤러와 재구성 가능한 FPGA 섀시는 복잡하고 고도로 동기화된 제어 시스템을 구현하도록 사용자 정의 가능한 플랫폼을 제공합니다. FPGA 및 리얼타임 컨트롤러에서 많은 병렬 루프를 구현할 수 있는 LabVIEW 고유의 기능, 다양하게 제공되는 복잡한 수학 함수, LabVIEW SoftMotion Module, Kollmorgen AKD 드라이브 및 모터와의 통합 덕분에, LabVIEW는 스마트 머신의 모든 측면을 제어할 수 있는 강력한 소프트웨어입니다. 또한, LabVIEW의 개방성과 유연성은 현지화된 운영자 인터페이스와 중앙 집중화된 리소스 관리, 진단 및 원격 업데이트를 위한 신뢰할 수 있는 통신 아키텍처를 구현하는 데 도움이 됩니다. 기계가 전 세계 곳곳에 배포되고 나서 유지보수가 필요할 경우 이런 기능이 필수적입니다.

 

솔루션의 이점

최신 기술을 통합하고 LabVIEW RIO 아키텍처의 성능을 활용하여, 수집 속도를 20% 향상하고 디젤 연료 소비를 50% 절감하는 “스마트” ProSlab 155 잔디 수확기를 개발했습니다. 이러한 장점은 영리 농가의 수익 증대와 비용 절감으로 이어집니다. 2014년 ProSlab 155를 출시한 이래로 시장 반응은 엄청났고 증가하는 수요를 충족하기 위해 시설을 확장하는 동시에 산업용 사물 인터넷을 활용하기 위한 R&D에 지속적으로 투자하고 있습니다. IIoT가 발전함에 따라 FireFly는 LabVIEW RIO 아키텍처를 활용하고 고객에게 추가적인 가치를 제공할 수 있는 좋은 위치에 있습니다.

 

작성자 정보:

Steve Aposhian
FireFly Equipment

그림 1. LabVIEW의 편리성과 유연성 덕분에 네 명의 기계 엔지니어가 단 6개월 만에 FireFly 스마트 머신을 설계할 수 있었습니다.
그림 2. CompactRIO는 40개의 유압 밸브, 5개의 고성능 모션 축, 150개 이상의 아날로그 및 디지털 I/O 채널, 운영자 인터페이스, 30개 이상의 병렬 제어 루프를 포함하는 이 머신의 모든 것을 제어하므로, 설계에서 별도의 서브시스템이 필요하지 않습니다.
그림 3. FireFly는 기존에는 수작업이었던 잔디 쌓기를 성공적으로 자동화해 생산성과 신뢰성을 모두 향상했습니다.
그림 4. FireFly의 스마트 머신 자동화에는 잔디를 지면에서 판 형태로 자르고, 컨베이어로 판을 운반하고, 팔레트에 깔끔하게 쌓아 놓은 다음 완전히 쌓이면 땅으로 내리는 등 여러 병렬 프로세스를 관리하고 동기화하는 작업이 포함됩니다.