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FieldPoint 및 Compact FieldPoint 적용 사례 FieldPoint 및 Compact FieldPoint 적용 사례 관리자 기자입력 2006-10-26 10:35:02

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FieldPoint를 사용한 가정용 연료전지 발전시스템 원격제어 및 감시

제출자 성명 : 오성진
직책 : 선임연구원
소속 : ㈜퓨얼셀파워
사용한 NI 제품명 : LabVIEW 7 Express (한글판), FP-2000, FP-1601, FP-TC-120, FP-AI-110, FP-AO-210, FP-DI-300, FO-DO-401

요약
가정용 연료전지 발전시스템(RPG, Residential Power Generator)의 제어, 원격감시 및 데이터 수집을 위하여 LabVIEW와 FieldPoint를 사용하였다. RPG시스템 제어에 필요한 복잡한 알고리즘은 일반 PLC와 Ladder 프로그램을 사용하여 구현하기는 매우 어려웠으나, FieldPoint를 사용함으로써 다양한 알고리즘을 LabVIEW를 통해 쉽게 구현할 수 있었으며, Web Publishing을 통해 원격지에서도 Web Browser를 통해 제어 및 모니터링이 가능하였다.

개발 배경
가정용 연료전지 발전시스템(이하 RPG, Residential Power Generator)은 연료의 에너지를 전기화학반응을 통해 직접 전기에너지로 변환시키는 장치인 연료전지를 가정용 발전기로 응용 개발한 시스템으로서 연료는 주로 도시가스 혹은 LPG를 사용한다. RPG 내부는 연료전지 이외에 연료 개질기, 전력변환기 및 기타 부속장치들로 이루어져 있으며 이를 제어하기 위하여 다수의 온도, 전압, 전류 등의 아날로그 입출력 및 밸브 및 전동기 구동을 위한 디지털 입출력이 요구되었다.
또한 다른 계측기 제어를 위하여 RS485통신 프로그램도 필요하였다. 개발초기에 이러한 기능들을 구현하기 위하여 다양한 제어 플랫폼을 검토한 결과 PLC로는 원하는 기능의 프로그램을 구현하기가 매우 어려웠고, Micom 기반으로 구축하기에는 비용 및 시간이 많이 소요될 것으로 예상하였다.
NI에서 PAC의 개념으로 개발된 FieldPoint는 이러한 고민을 해결해 줄 좋은 대안이었다. 프로그래밍을 LabVIEW로 할 수 있어서 개발기간이 상당히 단축되었으며 자체 컨트롤러를 통해 PC없이 Stand Alone으로 운전이 가능하였으며 PLC 이상의 신뢰성을 보장하였다.



본론
RPG 시스템은 아래의 그림 1과 같이 크게 연료전지 스택, 연료 개질기, 전력변환기 및 부속장치의 4가지로 구성되어 있으며 시스템 제어기는 이들 구성부품이 유기적으로 작동할 수 있도록 설계된 알고리즘에 따라 아날로그 입출력 및 디지털 입출력을 수행할 수 있어야 하며 외부 PC 연결 없이 자체 컨트롤러를 통해 이러한 기능을 수행할 수 있는 능력이 요구되었다.



특히 원격 감시를 위해 이더넷 통신기능이 필요하였으며 전력변환기와는 RS485통신을 사용해 제어를 수행해야만 하였다. 이를 위하여 이더넷 인터페이스를 갖고 있는 FP-2000 컨트롤러를 사용하였으며, 컨트롤러에 기본으로 내장되어 있는 RS232 포트에 신호변환기를 장착하여 전력변환기와의 RS485통신을 구현하였다. 그림 3에 통신 관련 블록다이어그램을 나타내었다.
제어기를 구성하면서 부딪친 또 다른 어려움은 FP-2000 컨트롤러에 부착할 수 있는 모듈 수의 제한이었다.
개발 중인 RPG시스템은 프로토 타입 수준이므로 제어에 필요한 센서 이외에도 성능평가를 위한 수많은 센서들이 장착되어있다. 따라서 아날로그 및 디지털 I/O의 수가 상당히 많이 요구되었는데, FP-2000 컨트롤러에 부착할 수 있는 최대 모듈의 개수는 8개가 한계였고 실제 필요한 모듈의 수는 10개였다.
해결책으로 이더넷 인터페이스 모듈인 FP-1601을 적용하여 8개의 I/O 모듈은 FP-2000 컨트롤러에 장착하고 나머지 2개의 I/O 모듈을 FP-1601 쪽에 장착하였다. FP-1601에 장착된 I/O모듈의 입출력은 그림 4와 같이 데이터소켓 방식을 사용하여 해결하였다.



RPG 시스템 제어에 있어서 또 하나의 요구사항으로는 다수의 온도제어가 필요하며, 특히 단순 ON/OFF 제어가 아닌 PID 제어 알고리즘을 통해 빠르고 정확한 제어기법이 요구되었다.
PLC Ladder프로그램으로는 구현이 어려운 이러한 문제는 LabVIEW를 사용하여 그림 5와 같이 쉽게 해결할 수 있었으며 결과는 아주 만족할 만한 수준이었다. 


결론 및 솔루션 개발 후 얻게 된 이점
리얼타임 컨트롤러를 내장한 FieldPoint를 사용하여 다수의 아날로그 및 디지털 I/O를 갖는 가정용 연료전지 발전시스템(RPG)의 제어기를 구축하였으며, 이를 통하여 PC 연결 없이 자체적으로 온도 및 유량제어에 필요한 복잡한 알고리즘을 구현할 수 있었고 RS485통신으로 다른 장비 제어가 가능하였다. 또한 LabVIEW에서 기본으로 지원하는 Web Publishing 기능을 이용하여 실제 RPG가 설치된 곳이 아닌 원격지에서 LabVIEW 없이 Web Browser만으로 RPG의 성능을 모니터링 할 수 있었으며 제어도 가능하였다.
위에서 서술한 기능들은 기존의 PLC와 Ladder 프로그램으로는 구현하기 매우 어려운 기능들이었으며, Micom 기반으로 제작하기에는 개발기간과 비용 면에서 불합리하였다.
특히 RPG 시스템과 같이 개발이 진행 중인 경우, LabVIEW와 FieldPoint로 구축한 현재의 솔루션은 관련 엔지니어들이 쉽게 제어 프로그램을 수정 및 평가할 수 있어 개발 기간 단축에 많은 도움을 줄 수 있었다.

2. Compact FieldPoint를 이용한 KSTAR 진공제어기 구축

제출자 성명 : 김명규
직책 : 선임연구원
소속 : 한국기초과학지원연구원 제어개발팀
사용한 NI 제품명 : LabVIEW 7.1 (한글판), LabVIEW Real-Time Module, Compact  FieldPoint

요약
Compact FieldPoint를 이용하여 KSTAR 진공제어기를 구축하였다. KSTAR 제어 시스템은 EPICS(Experimental Physics and Industrial Control System) 분산제어시스템 Package를 이용하여 구축하고 있으며, EPICS 환경 하에서 사용하기 위하여, Compact FieldPoint는 EPICS와 통신이 가능하도록 한 임베디드 프로그램을 Compact FieldPoint의 CPU에 탑재하여 진공펌프 및 밸브의 제어와 모니터링을 하도록 시스템을 제작하였다.

개발 배경
EPICS는 국제 공동연구를 통하여 제작된 Open Source의 분산제어용 소프트웨어 Package이다. 대형 가속기장치 등에서 널리 활용되고 있고, 초기에는 VME로 구성된 하드웨어만 지원했지만, 이제는 다양한 하드웨어 및 OS를 지원하고 있다. 하지만 아직도 일부의 하드웨어만을 사용할 수 있기 때문에 고품질의 분산시스템을 지향하는 EPICS의 활용에 걸림돌이 되고 있다. 본 시스템은 이러한 걸림돌을 제거하는 하나의 방법을 제시하고 있다. Compact FieldPoint를 EPICS에서 활용할 수 있도록 EPICS 드라이버를 개발하였으며, 또한 Compact FieldPoint에는 EPICS를 위한 통신프로그램을 자체 제작하여 탑재하였다.

본론
KSTAR 진공제어기는 총 3대의 Compact FieldPoint를 이용하여 12대의 TMP(Turbo Molecular Pump), 4대의 CRP(Cryo-Pump), 5대의 MBP(Mechanical Booster Pump) 및 40대의 Gate Valve를 제어 및 모니터링하도록 구축하였다. 그림 1은 현재 구축이 완료되어 시험 중인 극저온용기 진공시스템의 실제 컨트롤러와 제어의 구조도를 보여주고 있다.



본 시스템에서 Compact FieldPoint는 DI/O 모듈만으로 구성을 하였으며, 이렇게 시스템을 구성하게 된 결정적인 이유는 모든 제어가 접점의 ON/OFF만으로 가능하기 때문이며 또한 이 경우 제어의 속도 면에서도 충분한 성능(<50msec)을 얻기 위해서이다. Compact FieldPoint를 EPICS 상에서 사용하기 위하여, LabVIEW RT를 이용하여 TCP Server 기능을 Compact FieldPoint가 하도록 만들었으며, 이때 EPICS는 Client로 Compact FieldPoint에 접속하여 EPICS와 Compact FieldPoint 간의 정보의 교환이 이루어지도록 설계하였다. 아래의 그림 2는 Compact FieldPoint에 탑재된 LabVIEW 프로그램의블록다이어그램으로서 그 기능은 다음과 같다.



1. Connection Server : Client로부터 Connection이 발생하면 Connection ID를 생성한다.

2. 명령 처리 Routine : EPICS Driver나 기타 Network Connection의 요청에 따라 작업을 수행하고 그 결과를 전달하는 역할을 한다.

3. Error 처리 Routine : 각종 Network 관련 Error를 처리하는 역할을 한다.

4. Time Synchronization : NTP(Network Time Protocol)를 이용하여 Compact FieldPoint의 System Time을 NTP server와 동기화한다.

또한 아래의 그림 3은 EPICS로 구축완료된 KSTAR 전체 진공시스템중의 일부인 Cryostat 진공시스템을 원격에서 운전되는 상황을 보여주는 운전자 화면(OPI, Operator Interface)이다. 이 경우 LabVIEW는 Linux 환경 하에서 동작되고 있으며, EPICS의 Simple Channel Access Library를 이용하여 구현하였다.

결론 및 솔루션 개발 후 얻게 된 이점
Compact FieldPoint는 산업용 솔루션에 걸맞은 적절한 성능을 보여주고 있다. 장시간의 접점 조작 시에도 오류 없이 잘 동작하고 있으며, 접점의 조작 시간(<10ms)면에서도 만족할 만한 성능을 나타내고 있다.
LabVIEW를 통하여 프로그램을 작성하기 때문에 업그레이드가 손쉬우며, 또한 제어 로직의 구현이 명쾌한 이점이 있다. Open Source인 EPICS에서 설계된 대로 잘 작동 중이며, 비용 면에서도 EPICS에서 지원되는 고가의 PLC와 비교했을 때도 충분히 경쟁력이 있는 솔루션이다.


관리자 기자
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