산업용 어플리케이션용 NI 디지털 I/O 고안정성 구성요소 세트 사용하기

절연은 회로의 두 부분을 물리적으로나 전기적으로 분리하며 여러 가지 장점을 제공합니다. 접지 루프를 깨고, 공통 모드 전압 및 노이즈 제거를 향상시키고, 회로의 두 부분이 서로 다른 전압 레벨로 유지되도록 합니다. 절연은 또한 컴퓨터 회로를 보호합니다. 산업용 어플리케이션에서는 전자 장비를 과도 전압 스파이크로부터 보호하고 기계 및 인덕터 로드가 있는 전기적으로 노이즈가 많은 환경에서 공통 모드 노이즈를 더 잘 제거하기 위해 절연이 필요합니다. 채널 대 채널 절연 I/O의 경우, 각 채널에는 고유한 접지 터미널이 있습니다. 뱅크 절연 디바이스에서, 각 뱅크(또는 그룹)는 같은 접지를 공유하지만 다른 뱅크로부터 절연된 여러 채널로 구성됩니다.

화학적 색소 혼합기

화학 안료 혼합은 안료 및 염료용 무기 화학 물질을 혼합하는 공정입니다. 화학 유량 펌프와 유압 컨트롤 밸브는 사용되는 두 화학물질의 유량을 조절합니다. 펌프와 밸브는 각각 고유의 접지 참조를 가지며, 펌프는 같은 접지 참조를 가진 비상 정지 스위치에 연결됩니다. 또한 두 접지 참조의 차이는 5 V입니다.

절연이 없는 경우(그림 1) 세 개의 디바이스는 서로 직접 연결되어 있어야 하며, 접지 참조의 전압 차이로 인해 접지 루프가 발생합니다.

그림 1. 절연되지 않은 연결

이러한 전류 흐름으로 인해 펌프와 밸브 회로가 손상될 수 있습니다. 또한 디바이스의 신호 출력에 대한 로드가 증가하여 측정값이 올바르지 않을 수 있습니다. 뱅크 절연 디지털 제품(그림 2)을 사용하면, 디바이스는 큰 전압 차이에서도 자체 접지 참조를 사용하여 작동할 수 있습니다.

그림 2. 뱅크 절연 연결

이러한 산업 환경은 전기적으로 매우 노이즈가 많은 경향이 있습니다. 노이즈 소스의 예로는 전원 케이블, 전기 모터, 릴레이 등이 있습니다. 이러한 노이즈가 많은 환경에서, 절연은 I/O 디바이스의 디지털 회로를 일반 작동 범위를 초과하는 전압으로부터 보호합니다.

큰 자동화된 시스템에서 장애가 발생하는 경우, 장애가 발생한 시점에 시스템의 상태를 되돌아 볼 수 있어야 합니다. 또한 실패 시점까지 진행되는 상태도 중요합니다.

전력 공장 모니터링

2003년 8월, 북동 아메리카의 여러 도시에 전기 차단이 발생하여 수백만 명의 사람들이 전원을 공급받지 못했습니다. 이후의 조사 과정에서, 공무원은 블레이크아웃의 원인을 파악하려고 시도했습니다. 이런 경우, 블랙아웃 이전의 시스템 상태(분, 시간, 심지어 며칠 전)를 볼 수 있는 기능은 매우 유용합니다.

시스템은 간헐적으로 변경될 수 있으므로 항상 모니터링해야 합니다. 반면, 일정한 간격으로 지속적으로 시스템을 측정하면 대량의 데이터가 발생할 수 있으며, 그 중 대부분은 반복적이고 관련이 없습니다. 변경 감지는 중요한 시스템 이벤트를 기록하면서 반복적인 데이터를 제거하여 두 가지 중 가장 좋은 기능을 제공합니다. 변경 감지를 사용하면, 데이터는 지정된 입력에서 상승 또는 하강 에지가 감지된 경우에만 수집됩니다. 예를 들어, 릴레이가 열리거나 닫힐 때마다 모든 릴레이의 상태는 나중에 필요한 경우 수집되고 저장됩니다.

NI-DAQmx에서는 변경 감지를 사용하는 프로그램을 쉽게 생성할 수 있습니다. NI-DAQmx 타이밍 VI에는 다른 버퍼가 있는 NI-DAQmx 입력 작업과 마찬가지로 변경 감지를 처리하는 새로운 다형성 인스턴스가 있습니다(그림 3). 프로그래머는 변경을 감지하기 위해 어떤 라인을 사용할지 완전히 컨트롤합니다. 상승 에지 라인과 하강 에지 라인 컨트롤은 디바이스에 물리적으로 존재하는 모든 입력 라인의 조합으로 채울 수 있습니다. 다음 섹션에서는 디지털 입력 필터링과 함께 사용할 때 변경 감지가 더욱 유용한지 설명합니다.

그림 3. NI-DAQmx에서 변경 감지 설정하기

앞서 설명한 바와 같이, 산업 환경은 전기적으로 노이즈가 많을 수 있습니다. 이 노이즈로 인해 여러가지 문제가 발생할 수 있으며, 이 중 원하지 않는 값이 나타납니다. 모든 디지털 입력 디바이스는 하나 또는 두 개의 전압 임계점을 사용하여 입력이 하이인지 로우인지 결정합니다. 입력 전압이 높은 임계점을 초과하면, 디바이스는 논리적 하이를 읽습니다. 반대로, 전압이 로우 임계점보다 낮을 경우, 디바이스는 로직 로우를 읽습니다. 노이즈가 있는 경우, 입력 전압이 예상치 못하게 임계값을 초과하여 올바르지 않은 하이 또는 로우 값을 생성할 수 있습니다. 다른 경우에는 신호가 여러 번 상태를 변경하는 것처럼 보일 수 있지만, 실제로는 한 번만 변경되었습니다.

오일 정리소

오일 리파이너리에서는 키 스위치를 사용하여 원유의 흐름을 정제실로 활성화할 수 있습니다. 그러나 스위치가 많은 신호가 반전되는 경향이 있습니다. 단단한 표면에서 볼이 반전하는 것과 마찬가지로, 금속 접점 중 하나는 다른 접점으로 강제 변환될 때 반전하는 경향이 있습니다. 신호의 반복적인 토글링으로 인해 컨트롤하는 펌프가 빠르게 켜지고 꺼지고, 이로 인해 펌프의 마모가 가속화되고 결국에는 조기적인 오류가 발생할 수 있습니다. 또한, 변경 감지가 있는 NI 디바이스를 사용하여 이 신호를 수집하는 경우, 입력 버퍼가 불필요하게 채워집니다.

NI 디바이스에서 입력 필터를 활성화하면, 바운싱 스위치로 인한 에러 값이 제거됩니다. 이것은 너무 작은 폭의 펄스를 무시하여 수행합니다. 그 후 NI 디바이스는 필터된 신호를 펌프에 출력할 수 있습니다. 프로그램 가능한 입력 필터를 사용하면, 프로그램적으로 전달할 최소 펄스 폭을 선택할 수 있습니다(그림 4).

그림 4. NI-DAQmx에서 입력 필터 설정하기

지정된 최소 펄스보다 큰 펄스는 반드시 전달되며, 지정된 펄스 폭의 절반보다 작은 펄스는 필터링됩니다. 펄스 폭의 절반과 전체 펄스 폭 사이에 있는 펄스는 통과할 수도 있고 통과하지 않을 수도 있습니다.

컴퓨터의 전원이 켜지면, 다양한 구성요소는 전원 가동 루틴을 시작하여 작동하고 예상되는 상태가 되도록 합니다. 컴퓨터 내부에서 디지털 출력 디바이스를 사용하여 기계 또는 산업 프로세스를 컨트롤하는 경우, 디지털 출력도 알려진 상태로 초기화되어야 합니다. 출력을 변경하려면 일반적으로 어플리케이션이 실행 중이지만, 어플리케이션을 시작하기 전에 디바이스가 몇 분 동안 켜져 있을 수 있습니다. 디지털 디바이스의 전원이 켜지면 바로 출력을 설정할 수 있는 방법이 있어야 합니다.

롤링 밀

롤링 밀의 경우, 가열된 강철이 강제로 롤링 기계를 통과하여 다양한 폭의 강철 막대를 생성합니다. 롤링 모터는 디지털 I/O 디바이스의 디지털 출력 라인이 컨트롤합니다. 컴퓨터의 전원이 켜지면, 시작하는 동안 강철이 낭비되는 것을 방지하려면 롤링 모터의 전원을 끄어야 합니다. 디지털 I/O 디바이스가 초기 출력을 보장할 수 없는 경우, 채널에 알려진 상태가 출력되기 전에 컴퓨터를 완전히 부팅하고 컨트롤 프로그램을 시작해야 합니다. 이러한 컨트롤이 부족하면 비용이 많은 원료와 장비가 손상될 수 있습니다. 글리치가 없는 전원 가동 상태는 디바이스의 전원이 켜질 때마다 모든 디지털 출력이 알려진 상태에서 시작되도록 합니다. 어떤 머신도 예상치 못하게 켜지지 않기 때문에, 아무런 강철도 낭비되지 않습니다.

새로운 NI 디지털 제품에서는 디바이스의 EEPROM에 프로그램 가능한 전원 가동 상태가 구현됩니다. EEPROM의 전원 가동 상태는 두 가지 방법 중 하나를 사용하여 프로그램적으로 변경할 수 있습니다. A) LabVIEW NI-DAQmx Power-Up 상태 설정 VI를 실행할 수 있습니다(그림 5). VI가 실행되면 셋팅이 EEPROM에 다운로드됩니다.

그림 5. LabVIEW의 전원 가동 상태

B) 이 설정은 NI Measurement & Automation Explorer (MAX)에서 디바이스의 등록 정보 페이지를 열어도 작성할 수 있습니다. 사용자가 확인 버튼을 클릭하면 원하는 셋팅이 작성됩니다(그림 6). 이 두 방법 모두 프로그램 가능한 전원 가동 상태를 구현하는데 사용하기 쉽습니다.

그림 6. MAX에서 전원 구동 상태 설정하기

일반적으로 컨트롤 시스템에는 중복 또는 장애 방지 메커니즘이 필요합니다. 시스템의 일부 구성요소에 예상치 못한 장애가 발생하는 경우, 장애 방지 메커니즘이 시스템을 차지하고 알려진 안전 상태로 놓습니다. 새로운 NI 산업용 디지털 제품의 디지털 I/O 워치독은 시스템 에러를 감지하고 안전하게 복구하는 방법을 제공합니다. NI-DAQmx 워치독 기능은 소프트웨어 에러 및 중단이 발생하지 않도록 시스템을 보호하기 위한 기능입니다. MXI를 통해 원격 컨트롤이 가능한 PXI 시스템의 경우, MXI 연결이 끊기면 워치독의 예상치 못한 작동으로 워치독 상태가 부적절하게 구현될 수 있습니다. 

Candy Factory

풍선껌은 사탕 공장에서 절단되고 포장됩니다. 블레이드는 고무를 조각으로 자르고, 컨베이어는 조각을 포장 머신으로 옮깁니다. 칼날과 컨베이어는 모두 디지털 출력 라인으로 제어됩니다. 컨트롤 어플리케이션이 중단되는 경우, 컨베이어의 움직임이 정지되고 블레이드가 고무에서 벗어납니다. 그렇지 않으면, 기계가 손상되거나 불필요하게 고무가 낭비될 수 있습니다. 디지털 I/O 워치독은 시스템 오류 또는 오류 발생 시 디지털 디바이스의 출력을 알려진 안전 상태로 설정하는 방법을 제공합니다. 디지털 디바이스는 계속해서 컴퓨터가 정상적으로 작동하는지 확인합니다. 프로그램 가능한 타임아웃 내에 이 확인을 받지 못하는 경우, 안전 상태가 출력에 기록됩니다. 아래 그림 7은 정상 작동 중의 정보 흐름을 보여줍니다.

그림 7. 별도의 하드웨어 및 소프트웨어 레벨을 표시하는 워치독 타이머 순서도

워치독이 설정되고 시작되면, 소프트웨어 어플리케이션은 타이머를 연속적으로 리셋하여 만료를 방지해야 합니다. 그림 8과 같이 이 태스크는 NI-DAQmx 컨트롤 워치독 태스크 VI를 사용하여 수행됩니다. 이 리셋은 위에서 설명된 것과 같이 확인됩니다.

그림 8. 워치독 타이머 구성 및 리셋하기

그림 9의 연속 흐름도에서, 컴퓨터가 중단되는 것과 같이 결함이 발생하면, 하드웨어는 타임아웃이 만료될 때까지 계속 카운트 다운됩니다. 이 때, 미리 정의된 안전 상태가 출력에 기록되고, 이후의 모든 쓰기는 무시됩니다.

그림 9. 워치독 타이머 만료 보이기 순서도

디바이스가 하드웨어 명령에 다시 응답하려면, 그림 10과 같이 NI-DAQmx 워치독 태스크 컨트롤 VI를 사용하여 만료 상태를 지워야 합니다.

그림 10. 만료 기간 지우기

디지털 I/O 워치독은 어플리케이션 중단, 컴퓨터 중단, 전체적인 시스템 충돌 등 다양한 타입의 오류를 방지합니다. 위의 설명에서 주목할 점은 워치독이 설정되면 소프트웨어에 의존하여 안전 상태를 출력하지 않는다는 점입니다. 소프트웨어는 타이머를 리셋하는데만 필요합니다. 

새로운 신뢰성 높은 산업용 기능 세트는 산업 프로세스를 조절하고, 노이즈를 줄이고, 머신 손상을 줄이고, 폐기물을 방지하는 강력한 방법입니다. 모든 프로그래밍 가능한 기능은 NI-DAQmx로 쉽게 구현되므로, 공장 공장에 신속하게 배포할 수 있습니다. 절연된 제품은 고전압 디지털 신호를 수집하고 생성하는 방법을 제공하여 I/O 디바이스와 컴퓨터의 내부 회로를 모두 보호합니다. 이러한 종합적인 기능을 사용하면 견고하고 전문적인 산업 시스템을 만들 수 있습니다.