DAQ를 활용하여 산업 부문 동작 제어에서 고속으로 정밀도 실현하기

로봇 공학이나 자동화 컨베이어와 같은 현대 산업 시스템은 성능 최적화, 효율성 향상, 예측 유지 보수를 위해, 고속으로 동기화되는 데이터에 많이 의존합니다. 그러나 밀리초 단위의 정밀도로 위치 및 동작 데이터를 캡처하고 조정하는 것은 상당히 까다로운 일입니다. 표준 데이터 수집(DAQ) 시스템에는 일반적으로 인코더 및 타이머와 실시간으로 정확하게 인터페이스하기 위해 필요한 특별 기능이 없기 때문에, 시스템 신뢰성을 저하시키고 성능 병목 현상을 유발할 수 있습니다.

이 기사에서는 까다로운 산업 응용 분야에서 고속의 위치 및 타이밍 측정을 구현하기 위한 요구 사항을 알아봅니다. 그런 다음 Advantech의 인코더 카운터/타이머 모듈을 소개하고, 이 모듈의 다중 인코더 모드와 4개의 고속 채널이 로봇 공학 및 동작 제어 응용 제품에서 복잡한 동기화 문제를 해결하는 데 어떻게 활용될 수 있는지 설명합니다. 제대로 된 시스템 구성 그리고 호환되는 소프트웨어 도구를 갖추면 통합에 필요한 과정을 분명하게 확인할 수 있습니다.

산업 공정에 있어 정확한 동작 및 타이밍의 중요성

현대 산업 시스템은 복잡하고 순차적인 움직임에 의존하며, 이 과정에서 원활한 조율이 이루어지는 것이 매우 중요합니다. 움직이는 컨베이어에서 부품들을 집어내는 작업을 수행하는 로봇 암을 생각해 보세요. 시스템이 정상적으로 작동하려면, 로봇의 움직임이 컨베이어의 속도 및 위치와 동기화되어야만 합니다. 이를 위해서는 밀리초 단위의 정밀도로 다중 소스에서 데이터를 수집하고 조정해야 하는데, 이는 기술적으로 매우 까다로운 요구 사항입니다.

DAQ 시스템은 이 문제를 해결하는 데 핵심적인 역할을 합니다. 이 시스템은 컨베이어의 구동 모터와 로봇 암의 관절에서 인코더 데이터를 수집하며, 이 측정값을 다중 채널에서 동기화하여 정확한 교차 시점을 계산합니다.

처리량을 증가시키기 위해 컨베이어의 속도가 빨라지면, DAQ 시스템은 오류 발생을 방지하기 위해 위치 및 타이밍 데이터를 신속하게 샘플링해야 합니다. 센서 신호가 지연되거나 누락되면 기계 부품 간의 타이밍 오류나 충돌이 발생할 수 있으며, 이는 예정되지 않은 다운타임과 생산성 손실로 이어질 수 있습니다.

정밀 DAQ 시스템은 예측 유지 보수도 지원합니다. 예를 들어, 속도 이상이나 위치 오류가 있는 경우, 마모된 베어링이나 벨트 미끄러짐 같은 문제가 있음을 암시할 수 있습니다. 이러한 신호를 분석함으로써, 설계자는 운영에 차질이 발생하기 전에 잠재적인 고장을 미리 파악할 수 있습니다.

고속 DAQ를 위해 필요한 사항

이러한 과정을 지원하기 위해서는, 다음과 같은 엄격한 성능 특성을 충족하는 DAQ 시스템이 필요합니다.

• 고속, 고해상도 샘플링: 미세한 움직임의 세부적인 사항, 예를 들어 서브밀리미터 단위의 위치 변화 등을 포착하려면 높은 샘플링 속도와 정확한 해상도 모두가 필요합니다. 메가헤르츠(MHz) 범위에서의 샘플링은 고속 환경에서도 중요한 이벤트가 누락되지 않도록 보장합니다.
• 동시 다중 채널 샘플링: 로봇 암과 컨베이어를 조정하기 위해서는 각각의 위치 및 타이밍 데이터를 순차적으로가 아니라 동시에 캡처해야 합니다. 순차적으로 캡처된 데이터 스트림의 상관관계 분석을 시도하면 오류가 발생할 수 있으며, 이 경우 잘못된 물품이 선택되거나 완전히 누락되는 결과로 이어질 수 있습니다.
• 유연한 인코더 지원: 산업 시스템은 종종 다양한 벤더의 부품을 사용하기 때문에, 여러 인코더 신호 유형이 혼합됩니다. DAQ 시스템은 다양한 인코더 모드를 지원하여 추가 인터페이스 논리가 필요 없도록 해야 합니다.
• 견고성: 산업 환경에서는 전자 장치가 전자파 장해, 진동, 열에 노출됩니다. 시스템 장애를 방지하고 신뢰성 있는 작동을 보장하려면, 이러한 조건에 맞는 DAQ 하드웨어를 정확히 선정해야 합니다.
• 확장성: DAQ 시스템은 모듈식이어야 하며, 설계자가 추가 채널이나 다양한 입력 유형을 쉽게 추가하여 시스템을 확장할 수 있도록 해야 합니다. 그렇게 되면 자동화 시설이 확장됨에 따라 새로운 로봇, 센서, 생산 라인을 통합하는 데 유리합니다.

이 다양한 요구 사항을 충족시키는 것은 중요한 설계 과제입니다. 일반적인 데이터 수집에 적합한 DAQ 시스템은 많지만, 고속 동기화 동작이 필요한 응용 분야에는 특수한 하드웨어가 필요합니다.

동작 제어 시스템을 위한 고급 위치 및 타이밍 측정

Advantech의 iDAQ-784 고정밀 인코더 카운터/타이머 모듈(그림 1)은 이러한 요구 사항을 충족하도록 특별히 설계되었습니다. 이 모듈은 산업 시스템 내에서 동기화된 위치 및 타이밍 측정을 지원하는 4개의 범용 32비트 인코더 채널을 갖추고 있습니다. 이 장치는 인코더 신호의 정확한 타이밍을 위해 최대 입력 주파수 10MHz를 지원합니다.

그림 1: iDAQ-784 인코더 카운터/타이머 모듈은 복잡한 산업용 동작 응용 프로그램에서 4개의 32비트 채널을 통해 동시 데이터 수집을 할 수 있도록 합니다. (이미지 출처: Advantech)

내장형 디지털 신호 필터링은 iDAQ-784가 향상된 신호 명확도와 측정 정확도를 제공하도록 도와줍니다. 이 기술은 산업용 로봇 공학, 동작 제어, 고속 컨베이어 시스템 등 고급 자동화 응용 분야에 대한 고정밀 시스템 특성화를 지원합니다.

인코더 입력, 측정 및 출력 모드

iDAQ-784는 다양한 입력 신호 유형과 측정 모드를 지원하여 다양한 산업용 동작 제어 요구 사항을 충족시킵니다. 각 4개의 카운터 채널은 단일 종단 및 차동 입력을 모두 지원하며, ±15볼트 DC(VDC)의 공통 모드 범위를 갖습니다. 이 모듈은 위치 측정을 위해 세 가지 산업 표준 인코더 유형을 지원합니다.

• 사분면 (A/B 위상): 위상이 서로 반대인 두 채널(A와 B)을 사용하여 위치와 방향을 동시에 결정합니다. 특정 인코딩 방식(X1, X2 또는 X4)은 상승 및/또는 하강 에지를 계산하여 해상도를 결정하며, X4는 X1의 4배 해상도를 제공합니다.
• 두 개의 펄스(CW/CCW): 시계 방향(CW) 및 반시계 방향(CCW) 펄스를 위해 별도의 입력 라인이 사용됩니다. 카운터는 CW 펄스에서 증가하고, CCW 펄스에서 감소합니다.
• 펄스 방향(부호화된 펄스): 하나의 신호는 펄스를 나타내며, 두 번째 신호는 방향을 표시합니다. 카운터는 방향 신호의 상태에 따라 증가하거나 감소합니다.

각 인코더 입력은 단일 종단 또는 차동 방식으로 연결할 수 있으며, 위치 리셋을 위한 Z 신호 입력이 제공됩니다. 각 카운터 채널은 타이밍 및 펄스 생성을 위해 다중 기능 모드를 지원합니다.

• 이벤트 카운팅: 입력 신호의 상승 또는 하강 에지를 카운팅하며, 선택적으로 게이트 처리 가능합니다.
• 주파수 측정: 주기 역전 방법 또는 펄스 계수 방법을 사용하여 신호 주파수를 측정합니다.
• 펄스 폭 측정: 디지털 신호의 고전압 상태와 저전압 상태의 지속 시간을 측정합니다.
• 위치 측정: 위에서 지원되는 입력 모드를 사용하여 인코더의 위치를 추적합니다.
• 연속 비교(위치 비교): 위치 임계값에 도달하면 출력 펄스 또는 인터럽트를 트리거합니다.
• 원샷(지연 펄스 생성): 게이트 트리거 후 지정된 지연 시간 후에 단일 펄스를 출력합니다.
• 타이머/펄스 생성: 연속적인 펄스 트레인을 출력하며 인터럽트를 지원합니다.
• 펄스 폭 변조(PWM): 프로그래밍 가능한 고전압 및 저전압 지속 시간을 가진 파형을 출력합니다. 유한 또는 연속적인 생성 지원을 제공합니다.

이 다양한 범위의 모드는 산업 시스템에서 일반적으로 사용되는 다양한 장치와의 호환성을 보장합니다.

산업용 환경을 위해 설계

iDAQ-784 및 주변 에코시스템은 까다로운 산업 환경에서 신뢰할 수 있는 성능을 제공하도록 설계되었습니다. 이 모듈은 –40°F에서 158°F의 넓은 작동 온도 범위와 최대 90%의 상대 습도(응축되지 않은 상태)에서 사용 가능합니다.

이 모듈은 공장 환경에서 흔히 발생하는 전자기 잡음을 억제하기 위해 설계되었습니다. 내장형 디지털 신호 필터링 기능을 통해 신호 명확도를 향상시키며, 각 채널은 공통 모드 잡음 차단 성능이 우수한 차동 신호 입력을 지원합니다.

이러한 설계 철학은 산업용 캐비넷 내부에 안전하게 설치될 수 있도록 DIN 레일 표준에 따라 견고하게 설계된 에코시스템 부속품에도 적용됩니다. 이 환경적 내구성, 잡음 내성, 그리고 견고한 물리적 통합의 조합은 고급 자동화 응용 분야를 위한 고정밀 시스템 특성화를 지원합니다.

고속·고정밀 DAQ 시스템 구축

DAQ 시스템을 구축하는 첫 번째 단계는 센서를 물리적으로 연결하는 것입니다. 이 공정은 센서 케이블을 단자대에 연결하는 것으로 시작됩니다. Advantech ADAM-3937-BE 인터페이스 모듈(그림 2)은 이러한 목적에 알맞은 완성형 솔루션입니다. 이 37핀 블록은 DIN 레일 마운팅을 위해 설계되었으며, 87.2mm × 112.5mm × 51mm의 크기로 표준 DB37 호환 산업 인프라와 쉽게 통합 가능합니다.

그림 2: ADAM-3937-BE DIN 레일 배선 기판은 DB37 호환 하드웨어를 위한 보편적인 인터페이스 솔루션을 제공합니다. (이미지 출처: Advantech)

이 단자대에서, 신호는 PCL-10137-1E와 같은 케이블 조립품 통해 iDAQ-784로 전송될 수 있습니다(그림 3). 이 3.28피트, 37핀 D 서브 케이블은 견고한 연결을 위해 나비 나사 패스너로 고정됩니다. 알루미늄/마일러 포일과 편조 구리로 된 이중 차폐 구조는 전자기 심한 산업용 모션 환경에서도 신호의 무결성을 보장합니다. 더 긴 버전도 제공됩니다.

그림 3: PCL-10137-1E 케이블 조립품은 iDAQ-784와의 인터페이스를 위한 37핀 D 서브 커넥터를 갖추고 있습니다. (이미지 출처: Advantech)

iDAQ 모듈형 에코시스템은 다양한 전문 I/O 모듈과 단자대를 포함하여, 설계자가 특정 요구 사항에 맞는 견고하고 확장 가능한 DAQ 시스템을 구축할 수 있도록 지원합니다.

iDAQ 소프트웨어 도구

하드웨어가 조립되면, iDAQ 시스템은 DAQNavi 소프트웨어 개발 키트(Figure 4)를 사용하여 프로그래밍됩니다. DAQNavi는 무료 개발 환경입니다. DAQNavi는 Advantech Navigator라는 유틸리티를 제공하며, 이 유틸리티를 통해 설계자는 프로그래밍 없이 iDAQ 장치를 구성하고 기능 테스트를 수행할 수 있습니다. 이 기술은 또한 장치를 시뮬레이션하는 데 사용할 수 있어, 설계자가 물리적인 DAQ 장치 없이 응용 제품을 프로그래밍하고 실행할 수 있도록 하여 유연한 시스템 개발을 지원합니다.

그림 4: 무료 DAQNavi 소프트웨어 환경은 iDAQ 시스템과 함께 사용됩니다. (이미지 출처: Advantech)

DAQNavi는 32비트 및 64비트 Windows 운영 체제를 실행하는 호스트 시스템과 널리 사용되는 여러 Linux 배포판을 지원합니다. 두 플랫폼 모두에서 API 기능이 동일하게 유지되기 때문에, 프로그램 수정 없이 마이그레이션이 가능하며 미래에 대비한 경쟁력을 갖춘 통합을 지원합니다. DAQNavi는 C#, C++, Visual Basic, Java, MATLAB, LabVIEW 등 널리 사용되는 다양한 프로그래밍 언어와 호환되어 사용자의 편의성을 높입니다.

결론

고급 로봇 및 산업 운영에서는 정확한 타이밍과 동기화가 필수적이며, 이를 통해 공정 최적화가 실현되고 장비 가동 시간이 극대화되며 생산 효율성이 높아집니다. Advantech iDAQ-784 모듈은 완전한 iDAQ 에코시스템과 함께 고성능 요구 사항을 충족시키기 위한 견고하고 확장 가능한 솔루션을 제공합니다.