한국기초과학지원연구원 - Compact FieldPoint를 이용한 KSTAR 진공제어기 구축

Author(s):
김명규 선임연구원 - 한국기초과학지원연구원 제어개발팀

Industry:
Energy/Power

Products:
Compact FieldPoint, LabVIEW, Real-Time Module

The Challenge:
Compact FieldPoint를 EPICS에서 활용할 수 있도록 EPICS 드라이버를 개발하였으며, 또한 Compact FieldPoint에는 EPICS를 위한 통신프로그램을 자체 제작하여 탑재하였다.

The Solution:
Compact FieldPoint를 이용하여 KSTAR 진공제어기를 구축하였다.

요약 :
Compact FieldPoint를 이용하여 KSTAR 진공제어기를 구축하였다. KSTAR 제어 시스템은 EPICS(Experimental Physics and Industrial Control System) 분산제어시스템 Package를 이용하여 구축하고 있으며, EPICS 환경하에서 사용하기 위하여, Compact FieldPoint는 EPICS와 통신이 가능하도록 한 임베디드 프로그램을 Compact FieldPoint의 CPU에 탑재하여 진공펌프 및 밸브의 제어 및 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 모니터링 하도록 구축하였다. 그림 1은 현재 구축이 완료되어 시험중인 극저온용기 진공시스템의 실제 컨트롤러와 제어의 구조도를 보여주고 있다.

그림 1. 극저온용기 진공시스템 컨트롤러 및 제어 구조도

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 EPICS상에서 사용하기 위하여, LabVIEW RT를 이용하여 TCP Server 기능을 Compact FieldPoint가 하도록 만들었으며, 이때 EPICS는 Client로 Compact FieldPoint에 접속하여 EPICS와 Compact FieldPoint간의 정보의 교환이 이루어 지도록 설계하였다. 아래의 그림 2는 Compact FieldPoint에 탑재된 LabVIEW 프로그램의 블록다이어그램으로서 그 기능은 다음과 같다.

그림 2. EPICS와의 통신을 위한 LabVIEW 블록다이어그램

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 구축완료 된 KSTAR 전체 진공시스템중의 일부인 Cryostat 진공시스템을 원격에서 운전되는 상황을 보여주는 운전자 화면(OPI, Operator Interface)을 이다. 이 경우 LabVIEW는 Linux 환경하에서 동작되고 있으며, EPICS의 Simple Channel Access Library를 이용하여 구현하였다.

그림 3. EPICS 운전자 화면

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 데로 잘 작동 중이며, 비용 면에서도 EPICS에서 지원되는 고가의 PLC와 비교했을 때도 충분히 경쟁력이 있는 솔루션이다.

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김명규 선임연구원
한국기초과학지원연구원 제어개발팀

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