정원메카트로닉스 - 기상청 풍향풍속 보정 및 검정 시스템

Author(s):
안병호 과장 허철준 팀장 - 정원메카트로닉스, 삼덕엔지니어링

Industry:
Machines/Mechanics

Products:
LabVIEW, Report Generation Toolkit

The Challenge:
수동 측정방식을 수동/자동측정방식으로, 구형 및 신형 풍향/풍속계를 측정 할 수 있도록 시스템을 구성하여야 한다.

The Solution:
기상청의 풍동제어 시스템을 사용해서, 아날로그 출력(0~+10v)으로 서보모터를 제어, 풍속을 0m/sec~70m/sec로 가변제어하고, 차압센서의 아날로그 출력(0~+10V)을 입력 받아 풍동의 풍속을 유지하며, 풍향/풍속계의 신호를 받아 측정값을 성적서로 작성한다.

요약 :
기상청의 풍동제어 시스템을 사용해서, 아날로그 출력(0~+10v)으로 서보모터를 제어, 풍속을 0m/sec~70m/sec로 가변제어하고, 차압센서의 아날로그 출력(0~+10V)을 입력 받아 풍동의 풍속을 유지하며, 풍향/풍속계의 신호를 받아 측정값을 성적서로 작성한다.
기상청의 구형 풍향/풍속계등과 신형풍향/풍속계의 성능을 검증 및 보정, 보고서 작성을 목적으로 제작하였다. 이는 정확한 기상정보를 얻기 위해서이다.

개발 배경 :
한일국교정상화의 일본차관으로 구성된 풍동 시스템은 장비의 노후와 측정방식의 낙후, 풍속의 부정확성과 최대풍속 50m/sec의 측정범위 한계 등으로 노후된 풍동 시스템을 교체하면서, 수동 측정방식을 수동/자동측정방식으로, 구형 및 신형 풍향/풍속계를 측정 할 수 있도록 시스템을 구성함.

본론 :
기상청 풍동 시스템은 회류형 풍동으로 그림 1과 같은 모양이다. 바람을 만드는 2대의 서보모터와 풍속감지용 차압센서 2대, 풍향 및 풍속계의 위치를 잡는 시리얼 통신제어 가능한 스텝모터콘트롤러 2대로 구성되어 있으며, 서보모터와 차압센서는 NI PCI-6259의 아날로그 입출력으로 제어 및 풍속정보를 인식한다. 제어 프로그램 LabVIEW 7.1 (한글판)으로 작성하였다.

그림 1. 회류형 풍동

그림 2. 풍향계 설치 모습

본 풍동 시스템은 풍동제어 콘솔에서의 수동제어와 컴퓨터에서의 수동/자동측정 방식으로 나누어진다.

콘솔에서의 수동 제어는 바람을 만드는 서보모터를 가변저항을 이용하여, 직접제어하며, 별도의 수동측정 차압센서로 풍속을 감지한다, 보고서작성도 사람이 직접 작성하는 방식이다. 이 방식은 한일국교정상화의 일본차관으로 설치되었던 구형 풍동 시스템의 측정방식과 동일하다.

컴퓨터로의 제어는 수동과 자동 측정으로 구분된다. 수동 측정은 위의 콘솔제어 방식을 프로그램으로 구현한 것이다. 단 보고서는 자동으로 엑셀파일로 작성한다.

자동 측정은 풍속을 자동으로 가변하여, 측정점에서 데이터를 받아, 보고서 작성까지 자동으로 구현하는 기능이다. 실행파일을 구동하면, 초기화면이 동작하며, 내부적으로는 초기값을 설정한다. 설정이 완료되면, 풍향검사화면으로 전환된다.

그림 3. 풍동설정 및 수동제어화면

그림 3은 풍동 제어 프로그램의 수동 제어부이다. 보고서 작성에 필요한 정보입력과 풍동 각각의 기기를 수동으로 제어할 수 있다.

그림 4. 메인 블록다이어그램

그림 5. 아날로그 출력 자동변경 Sub VI 블록다이어그램

그림 6. 수동 풍속 측정 Sub VI 블록다이어그램

결론 및 솔루션 개발 후 얻게 된 이점 :
짧은 개발기간과, 아날로그 제어로 많은 어려움이 예상되었으나 LabVIEW와 NI PCI-6259로 쉽게 해결되었다. 특히 LabVIEW를 사용하여, 실행버튼 및 인디케이터를 만들지 않아서 좋았으며, 개발기간 중 측정방식 및 변동되는 사항들을 쉽게 해결 할 수 있었다.

아날로그 입출력을 위해서 각각 2개의 채널을 사용하였으나 별도의 노이즈 대체 없이도 정확한 데이터를 만들고, 입력 받아다. 서보모터에서 노이즈가 많이 발생하여 많은 영향을 미치는 경우가 많은데, 현재 까지 별다른 버그는 발생하지 않고 있다.

풍동 시스템은 일상적으로 볼 수 있는 자연현상 중 공기 흐름에 의한 물리적 현상을 규명하기 위한 시험 장비이다. 풍동 시스템은 유속의 범위에 따라 아음속 풍동, 천음속 풍동, 초음속 풍동으로 구분되며, 형태별로는 흡입형 풍동, 토출형 풍동, 회류형 풍동으로 나눌 수 있다.

풍동 시스템은 환경, 기계, 토목, 자동차, 항공우주공학 등 여러 분야에서 필요한 기본장비이다. 기상청 풍동 제어 시스템은 풍향 및 풍속계 검증, 보정에 사용하지만, 환경, 기계, 토목, 자동차, 항공우주공학 등 이런 여러 분야에 적용 및 응용이 가능하다.

NI 솔루션이 채택된 이유
1) 짧은 개발기간.
2) 우수한 DAQ성능.
3) 확장이 용이한 구조.
4) LabVIEW사용.

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안병호 과장 허철준 팀장
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