견고한 어플리케이션에서 시스템 비용을 절감하기 위한 적절한 하드웨어 선택

견고한 어플리케이션의 경우 극단적인 온도 범위에서 테스트를 실시하는 경우가 많으며, 하드웨어에 제약이 추가될 수 있습니다. 예를 들어, 냉 시작 엔진 테스트는 -40 °C로 떨어질 수 있는 테스트 셀을 사용하며 온도, 압력 및 기타 다양한 측정에 대한 연속적인 데이터 수집이 필요합니다. 이러한 범위를 견딜 수 없는 하드웨어를 엄격한 환경에 놓으면 하드웨어 내의 구성요소가 잘못 작동하여 부정확한 데이터를 생성하거나 하드웨어가 손상될 수 있습니다.

그림 1. 테스트 셀은 극한 온도에서 엔진을 포함한 다양한 테스트를 수행하는 데 사용됩니다.

하드웨어는 두 가지 방법으로 이러한 극단적인 온도 범위를 견딜 수 있습니다. 첫 번째 방법은 하드웨어를 보호하기 위해 외부 케이스를 생성하는 것입니다. 하드웨어를 사용하는 극한 온도 범위의 어느 측면에 따라, 구성요소를 안전한 작동 온도로 유지하려면 케이스에 가열 또는 냉각 요소를 구현해야 할 수도 있습니다. 또한 쉴드를 사용하여 케이스의 색을 평가하여 열을 반영하는 것이 좋습니다. 케이스를 설계할 때 고려해야 할 사항이 많을수록 비용이 많이 들고 시간이 많이 소요될 수 있습니다.

또는 극한 온도 조건에 견딜 수 있는 하드웨어를 선택할 수 있습니다. NI 하드웨어는 이러한 한계 내에서 구성요소가 올바르게 작동하도록 하여 극단적인 온도 범위를 견딜 수 있습니다. 케이스는 선택한 구성요소가 스펙 내에서 작동하는지 확인하기 위해 광범위한 온도 테스트 및 검증을 수행합니다. 또한 이 테스트를 통해 하드웨어가 온도 범위 내에서 작동하는 국제 표준을 준수할 수 있습니다.

견고한 어플리케이션을 개발할 때 다른 일반적인 고려사항은 테스트에 대한 충격과 진동 스펙과 견딜 수 있는 설정을 만드는 것입니다. 버킷 휠 탐색기 전원 전송 시스템의 주요 기어박스를 모니터하는 것부터 수식 SAE 레이싱카 내부에서 아날로그 및 디지털 측정을 수행하는 것까지 다양한 어플리케이션의 경우, 테스트 하드웨어에서 발생하는 진동과 충격 값을 고려해야 합니다. 하드웨어가 높은 진동 또는 충격 값이 발생하는 까다로운 환경 내에 배치되어 있고 이러한 값을 처리할 수 없는 경우, 하드웨어 구성요소가 손상되고 수리 또는 교체 비용이 많이 들 수 있습니다.

그림 2. 이 고 진동 응용 프로그램은 KWK1500s 탐색기의 버킷 휠의 주요 기어박스를 모니터링하고 있습니다.

견고한 환경에서 테스트 설정을 설계할 때, 비교할 수 있는 몇 가지 옵션이 있습니다. 진동 및 충격을 위한 케이스를 설계하여 하드웨어 내의 구성요소가 주어진 스펙 내에서 작동하도록 할 수 있습니다. 하나의 방법은 진동 상태로부터 하드웨어를 절연시키는 케이스를 만드는 것입니다. 이렇게 하면 진동이나 충격 상태에서 하드웨어가 올바르게 작동하는지 확인하기 위해 많은 테스트가 필요할 수 있습니다.

또는 이러한 스펙을 충족하는 하드웨어를 선택할 수 있습니다. NI 하드웨어는 하드웨어 문서에 따라 장착되었을 때 충격 값이 최대 100 g이고 진동 값이 10 grms인 경우 충격 및 진동 레벨을 견딜 수 있습니다. 문서에 따라 NI 하드웨어를 장착하면 국제 표준을 완전히 준수하고 제품이 스펙에 맞게 인증됩니다. NI는 광범위한 테스트를 통해 이러한 하드웨어 스펙을 검증했습니다. 

그림 3. 이 진동 테스트는 NI CompactDAQ 플랫폼을 사용합니다.

온도 범위와 충격 및 진동 스펙은 견고한 어플리케이션을 개발할 때 매우 중요하지만, 이러한 테스트를 수행하는 환경을 고려하는 것도 중요합니다. 이는 특히 비정상적인 작동 조건에서 폭발 가능성이 있는 가스나 증기가 있는 위험 환경인 경우에 해당합니다. 위험 환경의 예로는 화학 공장이나 정제공장이 있습니다. 이러한 위험한 환경에서 어플리케이션을 위한 테스트 설정을 개발할 때, 적절한 인증을 받는 것이 프로세스의 중요한 부분입니다.

위험 환경에서 작동하는 경우, 지역별로 UL 위험 환경 또는 유럽 연합 위험 환경 인증을 받습니다. 두 제품 모두 폭발성 환경이 있는 위험한 환경에서 사용할 수 있도록 인증합니다. UL 인증은 각 등급의 클래스와 분할로 구분됩니다. 클래스는 위험한 위치의 타입을 나타내고, 나누기는 조건을 나타냅니다. 제공되는 클래스는 클래스 1부터 클래스 3까지이며, 각각 가스 또는 증기에서 먼지, 섬유, 폭발 가능성이 있는 환경에서 날아가는 곳까지 다양합니다. 클래스는 다음 두 가지로 나누어집니다. 분류 1은 일반 작동 조건의 물질, 분류 2는 비정상적인 조건의 물질입니다.

일반적으로, 모든 인증 테스트를 통해 전체 테스트 설정을 실행해야 하며, 어려운 환경에서 사용하기에 적합합니다. 모든 하드웨어를 테스트하는 것은 비용이 많이 들고 집약적인 프로세스일 수 있지만 이러한 타입의 환경에서 작동해야 합니다.

그림 4. 이 파이프라인 테스트에는 위험 위치 인증이 필요합니다.

견고한 어플리케이션에 일반적으로 사용되는 또 다른 인증은 Lloyd’s Register Type Approval입니다. 이 인증은 제 3자가 제품이 국내외 표준을 따르는지 평가하고 제조 업체의 생산 품질 시스템을 검증합니다. 해양 형식 승인(Marine Type Approval)은 선박 및 해양 어플리케이션, 공장 및 산업 공정 및 IT 부문의 제품에 적용됩니다. 해양 형식 승인(Marine Type Approval)은 제품이 해양 환경 조건에서 제품의 성능이 지속되는지 여부를 검증합니다.

이 인증을 받으려면, 하드웨어가 하드웨어를 평가하는 타사에 의해 설정된 전체 프로세스를 거쳐야 합니다. 먼저 타사 그룹은 하드웨어의 설계가 특정 스펙 및 코드에 부합하는지 확인해야 합니다. 그 후, 검사 및 테스트를 수행하고 검사 및 검증을 위해 이를 보내야 합니다. 모든 것이 승인되면, 하드웨어가 검증되고 Lloyd의 레지스터 타입 승인 마크를 사용할 수 있습니다. 하드웨어 인증 과정은 집약적이고 비용이 많이 들기 때문에, 하드웨어의 인증을 받아야 합니다.

또한 환경의 고체 입자 및 액체로부터 보호가 필요할 수도 있습니다. 이러한 경우, 공통적인 인증은 먼지와 물의 침입에 대한 보호의 정도를 분류하는 IP 등급입니다. IP 코드는 두 개의 숫자로 구성되어 있습니다. 첫 번째 숫자는 견고한 객체에 대한 보호를 나타내며, 0 (보호 없음)부터 6 ( 먼지 침입 없음)까지의 스케일로 분류됩니다. 두번째 숫자는 케이스의 액체에 대한 보호를 계산하고 0 (보호 없음)부터 9 (다른 각도에서의 고압 뜨거운 물)까지의 스케일을 사용합니다. 예를 들어, IP65 등급은 하드웨어가 먼지를 방지하고 수압으로부터 보호되어 있음을 의미합니다. IP67 등급은 하드웨어가 먼지 방지 및 일시적인 물에 삽입의 영향으로부터 보호된다는 것을 의미합니다. 제품이 더 높은 2진수 IP 등급(예를 들어 IP67 등급)을 가지면, 하드웨어가 더 낮은 2진수 IP 등급(예를 들어 IP65 등급)으로부터 보호되지는 않습니다. IP67 등급 디바이스가 자동으로 IP65가 되지 않는 물 보호 등급을 결정하는 다양한 테스트가 있습니다.

NI는 다양한 산업 환경 인증을 받은 다양한 하드웨어를 제공하며, 이는 해당 국제 표준을 준수합니다. 하드웨어는 어플리케이션의 인증에 필요한 엄격한 테스트를 이미 완료하였습니다. 인증은 하드웨어가 위험한 환경에서 사용하기에 적합한지부터 해양 환경에서 사용하기에 적합하고 먼지 및 물 침입을 방지하도록 인증된지에 이르기까지 다양합니다.

견고한 어플리케이션의 하드웨어를 결정할 때, 전체적인 폼 팩터를 고려해야 합니다. 테스트 시스템의 위치는 덱, 해양 오일 리그 또는 사막의 중간에서와 같이 까다로운 환경에서 어떤 하드웨어를 사용할지 결정할 때 중요합니다. 하드웨어가 만들어진 재료가 어려운 환경에 견딜 수 없고 보호용 케이스가 필요한 경우, 시스템의 공간이 크게 증가할 수 있습니다. 하드웨어를 보호하기 위해 필요한 케이스의 공간이 너무 크면, 테스트를 수행할 수 있는 곳을 제한할 수 있습니다. 배포형 및 원격 어플리케이션의 경우, 하드웨어의 크기를 최소화하려고 합니다.

그림 5. 엔진 테스트 셀은 견고한 하드웨어를 필요로 하는 어플리케이션의 또 하나의 예이며, 그 공간은 작습니다.

또한 하드웨어가 자체적으로 어떻게 냉각되는지 생각해 봅니다. 하드웨어는 여러 가지 방법으로 냉각이 가능합니다. 주요한 두 가지 방법은 수동 냉각과 활성 냉각입니다. 수동으로 냉각하는 하드웨어는 이동 부분이 없기 때문에 더 견고할 수 있습니다. 테스트 시 팬과 같은 이동 부분이 적절히 냉각되어야 하는 경우, 이로 인해 테스트를 수행할 수 있는 위치가 제한될 수 있습니다. 활성 냉각 디바이스의 경우, 작동할 수 있는 온도 범위나 작동 중에 충격과 진동을 견딜 수 있는 스펙과 같은 다른 견고한 고려사항을 고려하여 에너지를 소비하는 기계적 구성요소가 있습니다.

어플리케이션이 어떤 환경에 들어갈지 그리고 추가적인 외부 요소가 설치에 어떤 영향을 미치는지 알면 시스템용 엔클로저를 개발할 것인지 아니면 견고하게 만든 하드웨어를 선택할 것인지를 결정합니다.

어떤 하드웨어를 사용할지 결정하는 것은 어플리케이션에 따라 다릅니다. 예를 들어, 다양한 측정을 모니터하거나 컨트롤 및 모니터링 어플리케이션을 수행하고 있습니까? 내장된 FPGA에서 작업을 수행하거나 컨트롤 시스템에서 컨트롤러로 사용할 수 있는 유연성이 필요한 경우, NI CompactRIO 사용하는 것이 가장 좋습니다.

NI CompactDAQ

CompactDAQ은 내장된 신호 컨디셔닝과 다양한 I/O 옵션을 갖춘 혼합 신호 측정을 위한 모듈형 플랫폼입니다. 불필요한 기능을 구매하지 않고도 분산 측정 요구사항에 최적화된 시스템을 구축할 수 있으며, 시간이 지나면 변화하는 요구사항에 적응할 수 있는 유연성을 제공합니다. CompactDAQ과 모든 C 시리즈 I/O 모듈은 -20°C~55°C의 작동 온도와 최대 30g의 충격을 견디도록 A380 주조 알루미늄으로 제조되어 있습니다. 보다 견고한 CompactDAQ 섀시 버전의 경우, NI cDAQ-9185 및 NI cDAQ-9189는 -40 °C ~ 70 °C의 작동 온도 및 최대 50 g의 충격을 견딜 수 있습니다. 

CompactDAQ과 같은 견고하고 유연한 시스템을 사용하면, 각 랩 또는 테스트 스탠드에 대해 다른 장비를 구입하지 않고도 한 개의 테스트 시스템을 다시 설정하고 각 장소로 이동할 수 있습니다. CompactDAQ 섀시 내에서 사용되는 C 시리즈 I/O 모듈은 견고하고 스프링 로드된 래치로 설계되어 섀시에 설치될 때 고정됩니다. 충격 및 진동 스펙은 모듈이 설치된 CompactDAQ 시스템에서 모두 테스트되어 모듈이 떨어지거나 지정된 조건에서 도킹 해제되지 않도록 합니다. 

또한 CompactDAQ 시스템의 견고한 버전은 이미 엄격한 테스트를 거쳐 UL 및 유럽 연합 위험 환경 인증을 받았습니다. CompactDAQ의 견고한 기능은 테스트를 신속하게 시작할 수 있도록 도와줍니다. 현장 테스트의 어려움에 대한 인스트루먼트 준비 시간이 적기 때문입니다.

그림 6. cDAQ-9189는 -40 °C ~ 70 °C의 온도 범위, 50 g의 충격 및 5 g의 진동을 CompactDAQ 제품군에 제공하므로 어디에서나 모든 측정을 수행할 수 있습니다.

NI CompactRIO

CompactRIO는 NI LabVIEW 재구성 가능한 I/O (RIO) 아키텍처에서 개방형 임베디드 구조와 견고성이 뛰어난 소형의 C 시리즈 모듈을 결합합니다. 크기, 가중치, I/O 채널 밀도는 많은 임베디드 어플리케이션에서 중요한 설계 요구사항입니다. CompactRIO는 FPGA 디바이스의 극단적인 성능과 작은 크기를 활용하여 엄격한 산업용 인증 및 등급을 보유한 컴팩트하고 견고한 패키지로 전례 없는 컨트롤 및 수집 기능을 제공합니다. -40°C – 70°C(-40°F – 158°F)의 확장된 작동 온도 범위, 50g 충격 등급, 다양한 국제 안전, 전자기 호환성(EMC), 환경 인증 및 등급을 취득한 CompactRIO는 여러분의 요구 사항을 충족할 수 있습니다.

그림 7. Ultra 견고한 CompactRIO 시스템은 높은 수준의 성능과 유연성을 제공합니다.

NI FieldDAQ

FieldDAQ는 센서별 신호 컨디셔닝, 연결 및 디지털화를 결합하여 열전쌍, 스트레인 게이지 등과 같은 일반 센서 및 신호에 직접 연결됩니다. FieldDAQ을 사용하면 어떤 환경 조건에서도 최대한 센서에 가깝게 정확한 측정을 수행할 수 있습니다. FieldDAQ 디바이스는 최대 IP67 (IP65/IP66/IP67)의 침투 보호 등급을 가지고 있어 분진, 침수와 강한 물 분사를 견딜 수 있습니다. 이 디바이스들은 팬과 같이 부서지기 쉬운 움직이는 부품을 제거하여 수동 냉각을 통해 -40°C – 85°C 환경에서 작동할 수 있습니다. FieldDAQ은 최대 100g의 충격 및 10grms 조건에서도 작동 중에 케이블이 분리되는 것을 방지하기 위해 표준 M12 커넥터를 사용합니다. FieldDAQ은 내쇼날인스트루먼트의 개방형 소프트웨어 중심 플랫폼 위에서 구축되었으며 NI TSN 제품 생태계를 확장합니다. FieldDAQ은 CompactDAQ 및 CompactRIO와 같은 다른 TSN 제품과 손쉽게 연결, 동기화하여 시스템의 구성을 사용자 정의하고, 실제 신호를 수집, 시각화 및 분석하여 데이터 기반 의사 결정을 내리는 방법을 사용자 정의할 수 있습니다.

그림 7. FieldDAQ 디바이스는 가장 혹독한 환경에 적합한 고성능 DAQ 디바이스입니다.

견고하고 까다로운 환경에서 어플리케이션에 영향을 미치는 외부 요소를 견딜 수 있도록 시스템을 설계하고 구축하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 환경의 온도 범위, 하드웨어가 견딜 수 있는 충격 및 진동 스펙, 필요한 환경 인증, 전체 시스템에 필요한 폼 팩터 및 기능의 타입 등을 조사해야 할 몇 가지 주요 토픽이 있습니다.

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