한국해양연구원 - 심해저 집광기의 제어 계측 임베디드 시스템의 설계

Author(s):
박성재 연수생 - 한국해양연구원

Industry:
Basic Materials - Steel/ Lumber/ Construction

Products:
Developer Suite, PXI/CompactPCI, Real-Time Module

The Challenge:
집광기의 제어, 계측을 위한 임베디드 시스템에 있어서 각 계측기들은 모듈화 될 수 있어야 하며, 컨트롤러 및 데이터 수집을 위한 시스템으로서 충분한 프로세서의 성능을 갖추어야 한다.

The Solution:
본 연구는 심해저의 망간단괴를 채집용 집광기의 설계를 위한 제어 및 운영 임베디드 시스템(Embedded System)에 대한 것이다. 집광기의 최종 성능은 단괴의 채집량으로 결정되는데, 채집방식의 특수성과 채광 및 선상 시스템과의 통합 등의 문제로 집광기의 성능은 쉽게 보장되지 않는다. 이러한 문제점들은 집광기의 상태에 따라서도 영향을 받고 각 장치들의 성능을 계측하고 이를 효과적으로 제어하지 않으면 해결되기 힘들다. 따라서 본 솔루션은 효과적인 성능의 임베디드 시스템의 설계를 통하여 집광기 제어에 필요한 성능 값들을 계측하고 제어할 수 있도록 한다.

개발 배경 :
임베디드 시스템은 집광기의 컨트롤러로서의 역할과 데이터 수집, 신호 처리, 신호 입출력 및 모선과의 통신 등의 역할을 담당한다. 더욱이 채광 시스템과 같은 대규모 시스템에서는 각 하부 시스템들을 모듈화 시키고 제어하기 쉽도록 컨트롤러를 구성하며, 각 장치들이나 모니터링 장치 사이의 인터페이스 문제를 원활하게 해주는 해결책으로 작용한다. 임베디드 시스템은 PC 기반의 제어 및 계측의 리얼타임 임베디드를 구현하기 위하여 설계된다.
집광기의 제어, 계측을 위한 임베디드 시스템에 있어서 고려할 설계 조건들은 다음과 같다.
1. 각 센서 및 엑추에이터, 계측기들과의 다양한 신호와 인터페이스를 지원할 수 있어야 한다.
2. 내압용기의 크기를 효율적으로 활용하기 위하여 각 계측기들은 모듈화 될 수 있어야 한다.
3. 수상선과 원격의 통신을 위한 광대역의 통신 방식을 지원할 수 있어야 한다.
4. 심해의 열악한 환경에 대한 충분한 내구성 및 전기적 안정성을 가져야 한다.
5. 컨트롤러 및 데이터 수집을 위한 시스템으로서 충분한 프로세서의 성능을 갖추어야 한다.
6. 독립운영과 실시간 운영의 구현이 요구된다.

본론 :
망간단괴를 채광하기 위한 심해저 채광 시스템은 심해저면의 집광기, 양광관과 펌프 시스템 및 버퍼, 해상의 채광선으로 구성된다. 그 중에서 집광기는 채광선에서 진수되어, 광구에 해당하는 해저면에서 주행을 하면서, 탑재된 채집장치에 의해 망간단괴를 채집하는 자항식의 무한궤도형 주행 차량이다. 집광기의 채집장치에서 채집된 망간단괴는 파쇄기를 거쳐 유연관을 통해 버퍼로 송출된다.

집광기의 구조는 크게 기능별로 제어부, 동력부, 기계부로 볼 수 있는데 여기에는 센서를 포함한 신호처리와 제어장치 등의 제어부와 전기부, 유압부로 다시 나뉜다.

로컬과 원격의 임베디드 컨트롤러가 미디어 컨버터를 거쳐 Umbilical Cable의 광통신 라인을 이용하여 통신하면서 선상에서는 집광기의 제어, 계측과 운영을 수행하고 집광기에서는 각종 센서들과 엑추에이터에 관련된 신호와 데이터를 처리하여 선상과 통신한다. 임베디드 컨트롤러를 로컬과 원격에 수용하여 독립 운영 및 실시간 운영을 구현할 수 있도록 설계되었다. PXI 플랫폼을 채택한 집광기의 임베디드 시스템은 다음과 같다.

그림 1. 집광기의 제어, 계측을 위한 임베디드 시스템

그림 2. PXI 플랫폼을 채택한 집광기의 임베디드 시스템

결론 및 솔루션 개발 후 얻게 된 이점 :
NI의 PXI 플랫폼을 이용한 심해저 집광기의 제어, 계측 임베디드 시스템은 현재 제작중인 시험 모델 집광기에 채택되어 성능 시험을 거쳐 근해역과 실해역에서 시험될 집광기의 제어, 계측 시스템의 설계를 위한 연구에 활용되고자 한다.
NI의 다양한 솔루션 중에서 LabVIEW를 이용한 GUI의 개발과 모듈형 계측기의 확장성과 재사용성은 현재 하드웨어의 설계와 제작을 수행하고 있는 과정에서 발생할 수 있는 설계 변경과 시행 착오에 대한 유연한 임베디드 컨트롤러의 설계와 실현을 가능하게 한다.

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박성재 연수생
한국해양연구원

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