순천향대학교 - 실시간 모니터링 및 제어기능을 가진 자동 세차 시스템 설계

Author(s):
심필섭 대학생 - 순천향대학교

Industry:
Machines/Mechanics

Products:
LabVIEW, Data Acquisition

The Challenge:
자동 세차 시스템의 설계에서 세차 공정의 실시간 모니터링과 함께 원격제어를 수행할 수 있는 설계 방법을 도입하여 시스템 운영의 효율성과 편의성 그리고 안전성을 높이는데 연구의 목표를 두었다.

The Solution:
본 시스템은 자동세차의 전 공정을 LS산전의 GLOFA GM3 PLC장비와 프로그램을 통해 구현하였다. 크게 여섯 개 공정(물 세척 공정, 거품 물 공정, 브러시 공정, 헹굼 공정, 건조 공정, 회전 공정)으로 이루어진다.

요약:
본 시스템은 자동세차의 전 공정을 LS산전의 GLOFA GM3 PLC장비와 프로그램을 통해 구현하였다. 크게 여섯 개 공정(물 세척 공정, 거품 물 공정, 브러시 공정, 헹굼 공정, 건조 공정, 회전 공정)으로 이루어진다. 또한 컴퓨터를 기반으로 LabVIEW 프로그램과 DAQ(데이터 수집 장치) Devices를 설치하여 현재 진행되고 있는 공정 상황을 모니터링 하였고, 네트워크를 기반으로 TCP/IP, Web 등을 통하여 원거리에서도 시스템의 상태를 파악하고 시동 및 정지를 제어할 수 있도록 하여 보다 현실적인 자동 시스템을 구현하였다.

개발 배경 :
자동 세차 시스템의 설계에서 세차 공정의 실시간 모니터링과 함께 원격제어를 수행할 수 있는 설계 방법을 도입하여 시스템 운영의 효율성과 편의성 그리고 안전성을 높이는데 연구의 목표를 두었다.

본론 :

자동 세차 시스템 구성도

그림 1. 자동 세차 시스템 구성도

PLC(세차 시스템) 설계

그림 2. PLC (세차 시스템) 설계

세차기에 PLC를 연결하여 세차 시스템이 자동으로 구동되게끔 설계하였다. PC에서 PLC 프로그램(GM-WIN)을 프로그래밍하여 RS/232 통신을 통해 PLC로 업로드 하여 시스템을 구동하였다. 본 시스템의 동작은 시동 스위치(PB1)를 누르면 컨베이어가 동작하게 된다. 그리하여 차량은 각 공정 앞에 있는 포토 센서를 통해 차량의 진입유무가 검출되고 PLC 프로그램을 통해 각종 수중 펌프와 모터가 작동하여 차량의 세차가 이루어졌다. 그러나 컨베이어의 정지에 있어 약간의 Delay가 발생하여 PLC 프로그램을 수정함으로써 이 문제를 해결할 수 있었다. 컨베이어 구동 출력에 관련된 타이머를 조정해서 해결하였다.
여섯 개의 공정(세척부, 거품부, 브러시부, 헹굼부, 건조부, 출차부)을 모두 순차적으로 이송하여 설계 한데로 연속적인 차량의 세차가 가능하였다. (그림 2)

LabVIEW Real-Time Monitoring

그림 3-1. LabVIEW 실시간 모니터링 실험

LabVIEW 실시간 모니터링 실험을 위해 Power Supply, 멀티미터, 데이터 수집 장치 DAQ 보드 (DAQ PAD, LP-68 Terminal Block), LabVIEW를 가지고 LabVIEW Monitoring 상에 입/출력 여부를 확인해야 한다.
우선 아날로그 입력을 LabVIEW 상에서 각 공정의 Monitoring 여부를 확인하기 위해서 Power Supply로 전압을 인가한다. DAQ 보드는 아날로그 입력으로 DC -10V~+10V의 전압 값을 받아 측정할 수 있다. 그러나 포토센서에서 나오는 출력은 DC +24V 이므로 DAQ 보드에 입력으로 직접 연결할 수 없다. 그래서 Relay를 사용하여 포토센서의 출력전압을 9V로 바꾸어 DAQ 보드에 인가하였다. PLC 시스템과 연결하지 않고 하는 실험이므로 포토센서의 출력을 Power Supply에서 9V의 전압을 인가해주는 방법으로 LabVIEW 모니터링 실험을 하였다. DAQ 보드의 입력채널에 각각 9V의 전압을 인가하여 공정 별 모니터링여부를 확인할 수 있었다.
아날로그 출력을 LabVIEW 프로그램 상에서 출력신호로 내보내는지를 확인하기 위해서 LabVIEW 프로그램 상에서 출력신호를 내보내고 이를 멀티미터를 이용하여 전압 값을 측정하였다. DAQ 보드의 출력단자를 멀티미터 이용하여 전압 값을 측정하여 LabVIEW 프로그램에 의해 DC +9V의 전압이 출력되는 것을 확인하였다. 그러나 아날로그 출력 값이 DAQ 보드에 가해지면 DAQ 보드상에 전압이 그대로 남아 있어서 프로그램수정을 통해 0V로 RESET시켜 올바른 동작을 할 수가 있었다. 이로써 LabVIEW 프로그램으로 모니터링이 가능함을 실험을 통하여 확인할 수 있었다.(그림 3-1)

그림 3-2. LabVIEW 프런트패널 및 블록다이어그램

PLC와 LabVIEW를 연동한 자동 세차 시스템

그림 4. PLC와 LabVIEW를 연동한 자동 세차 시스템

LabVIEW 모니터링 실험은 아무 문제없이 각 공정을 모니터링 하여서 PLC와 LabVIEW를 연동한 자동 세차 시스템 실험도 쉽게 되리라 생각을 하고 실험을 하였다. 그렇지만 막상 두 장비를 연동해서 실험을 하니 제대로 모니터링이 되질 않았다. PLC장비는 아무 문제없이 작동하여 세차 시스템은 정상적으로 작동을 하였지만 LabVIEW 프로그램에서 모니터링 공정이 겹치며 계속 오류가 뜨며 LabVIEW 프로그램이 중단 돼 버렸다. 그래서 여러 가지 에러가 될 만한 요인을 하나하나 수정해가며 재 실험을 하였다.
(1) LabVIEW 프로그램의 루틴이 잘못 되었는가?
LabVIEW의 재 프로그래밍을 하고 LabVIEW 전문가에게 자문요청도 해보았지만 LabVIEW 프로그램에는 이상이 없었다.
(2) LabVIEW DAQ 보드에 원인 모를 에러 요인이 존재 하는가?
LabVIEW DAQ 보드의 Self-Test를 해보았지만 이상 없었다.
(3) LabVIEW의 DAQ 보드에서 센서의 검출신호를 입력으로 받을 때 노이즈가 발생하는가?
각 공정 센서의 검출신호가 입력으로 들어올 때 각각의 DAQ 보드의 입력 단자를 오실로스코프로 측정해보았지만 특별한 노이즈는 발견할 수 없었다.
(4) 전체 시스템 중 노이즈가 발생하는 곳이 있는가?
시스템을 작동시켜서 시스템 전체를 일일이 오실로스코프로 파형을 측정하였다. 전체적으로 약간의 노이즈는 발생을 하였다. 그렇지만 시스템의 영향을 줄만한 정도는 아니었다. 각 공정이 작동할 때마다 모터와 펌프 등을 측정하다 결국 문제점을 찾게 되었다. 문제점은 바로 노이즈였다. 제 3공정 브러시 부에서 노이즈가 발생하는 것이었다. 이 공정은 DC모터가 동시에 2개가 작동하는 공정이다. 고가형의 DC모터는 노이즈가 적게 끼거나 내부나 외부에 커패시터가 달려 있지만 브러시 직선부에 사용된 DC모터는 저가형이라 노이즈도 많이 발생하고 커패시터도 달려 있지 않아 노이즈가 발생하여도 제거할 수가 없었던 것이다. 그렇다면 PLC(시스템)와 LabVIEW 모니터링의 각각의 실험에서는 문제가 없다가 PLC와 LabVIEW를 연동한 실험에서 이런 노이즈가 문제를 일으킨 것인가? 이것에 대한 해답은 바로 PLC는 노이즈에 상당히 강하지만 LabVIEW는 PLC에 비해 노이즈에 약하다는 것이다. PLC는 모터의 노이즈를 견뎌낼 수 있지만 LabVIEW는 모터의 노이즈에 프로그램이 에러가 발생한 것이다. 그래서 각각의 실험에서는 정상적으로 작동을 했던 것이다.
결국 모터 구동 시 전원 노이즈가 발생해서 노이즈 필터링을 위해 커패시터를 달았다. 커패시터는 고주파 신호의 노이즈를 감소시킬 때 쓰이는 104 커패시터를 사용하였다.
모터의 노이즈 문제를 해결한 후 재 실험을 하여 PLC와 LabVIEW를 연동한 자동 세차 시스템 실험을 끝마칠 수 있었다. (그림4)

결론 및 솔루션 개발 후 얻게 된 이점 :
LS산전의 GLOFA GM3 PLC와 내쇼날인스트루먼트의 LabVIEW를 이용하여 자동 세차 시스템을 제작하였다.
각 공정에서 센서를 통해 차량의 위치와 진입유무가 검출되면 PLC 프로그램을 통해 각종 수중 펌프와 모터가 작동하여 차량의 세차가 이루어지도록 설계하였다. 뿐만 아니라 가상 계측장치를 설치하여 현재 진행되고 있는 공정 상황을 모니터링 함으로서 원거리에서도 시스템의 상태를 파악하고 시동 및 정지 제어가 가능토록 하였다.
이 연구는 PLC와 LabVIEW를 접목함에 있어 가장 많은 어려움이 있었다. PLC는 노이즈에 강한 반면 LabVIEW는 노이즈에 약하여 센서 출력을 검출해내는데 있어 많은 실행착오를 겪었다. 결국 LabVIEW 시스템의 문제점이었던 모터에서 나오는 노이즈를 찾아내어 보완 함으로써 자동 세차 시스템을 완성할 수 있었다.

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