이화전기공업 - LabVIEW를 이용한 UPS 제어 보드 테스트 자동화 시스템

Author(s):
나정훈 연구원 - ㈜이화전기공업

Industry:
ATE/Instrumentation

Products:
LabVIEW, PXI/CompactPCI

The Challenge:
임베디드 디자인이 이렇게 복잡해지자 기존 방법(많은 시간을 투자하여 수동적으로 검사)만으로는 충분히 하드웨어나 소프트웨어를 신뢰도 높게 테스트할 수 없게 되었다. 그래서 NI의 버추얼 인스트루먼트 기술을 이용하여 테스트 시간, 표준화, 그리고 테스트 방법의 완전 자동화를 이루어, 신뢰도 높은 제품을 생산하고자 한다.

The Solution:
최신 디지털 방식 UPS(Uninterruptible Power Supply)에 사용하는 DSP 제어 보드의 기능을 자동으로 테스트 할 수 있도록 한다. 테스트는 DIO(Digital Input Output), ADC(Analog to Digital Conversion), PWM(Pulse Width Modulation) 블록의 입출력 신호를 제어하거나 감시하는 것이다.

요약 :
최신 디지털 방식 UPS(Uninterruptible Power Supply)에 사용하는 DSP 제어 보드의 기능을 자동으로 테스트 할 수 있도록 한다. 테스트는 DIO(Digital Input Output), ADC(Analog to Digital Conversion), PWM(Pulse Width Modulation) 블록의 입출력 신호를 제어하거나 감시하는 것이다.

개발 배경 :
UPS는 상용 전원에서 발생할 수 있는 전원 장애들을 극복하고, 양질의 안정된 전력을 공급하기 때문에 산업 현장, 금융, 방송 등 신뢰성이 중요한 시스템에 적용되고 있다. 따라서 실제 UPS가 운용 중일 때에는 절대로 고장이 나서는 안 된다. 결국 UPS의 신뢰성은 생명과도 같은 것이다. 그런데 10여 년 전의 아날로그 UPS에 비해 최근 UPS는 많은 설계 요인들로 인해 점점 더 복잡해지고 있다. 고속, 고성능의 DSP(Digital Signal Process)를 비롯하여 다수의 I/O를 위한 FPGA(Field-Programmable Gate Array), 다기능 사용자 인터페이스 그리고 다양한 통신 등이 그 예라고 할 수 있다. 임베디드 디자인이 이렇게 복잡해지자 기존 방법(많은 시간을 투자하여 수동적으로 검사)만으로는 충분히 하드웨어나 소프트웨어를 신뢰도 높게 테스트할 수 없게 되었다. 그래서 NI의 버추얼 인스트루먼트 기술을 이용하여 테스트 시간, 표준화, 그리고 테스트 방법의 완전 자동화를 이루어, 신뢰도 높은 제품을 생산하고자 한다.
기존 수동 환경의 시스템에서는 DSP 제어 보드를 UPS 장비에 조립하기 전에 여러 가지 장비(오실로스코프, 펑션 제너레이터, 컴퓨터, ZIG 등)로 많은 요소들을 테스트하였다. 이는 오랜 시간과 절차를 필요로 하고 여러 사람이 각각 진행하는 테스트로 인해 데이터의 오차가 발생하며 수동으로 테스트를 하다가 제어 보드를 파손하는 경우도 발생한다. 또한 새로운 UPS의 제어 보드를 설계하면, 반드시 테스트 장치와 비용이 발생하게 된다. 이러한 문제들을 해결하기 위해 새로운 시스템이 필요하게 되었다.

그림 1. 수동 환경 테스트 시스템

본론 :

하드웨어
자사 UPS의 DSP 제어 보드는 크게 아날로그 신호를 검출하여 전압, 전류 등을 제어한다. 따라서 IGBT 스위치를 구동하는 PWM을 사용하고, 외부의 많은 스위치들을 제어하고 감시하기 위한 디지털 입출력 인터페이스로 구성되어 있다. 그리고 RS-232, RS-485, CAN(Controller Area Network) 등의 통신 블록을 가지고 있어 외부 장치와 통신한다.

그림 2. VI를 이용한 DSP 제어 보드 자동 시험 장치 구성도

소프트웨어
디지털 입출력 테스트에서는 PXI-6515를 이용하여 MC(Magnetic Circuit), CB(Circuit Breaker), Thyristor, 사용자용 입출력 접점 그리고 퓨즈 융단 등을 테스트하여 정상적인 신호가 보드에서 발생하여 입출력 되는지를 판단한다.

그림 3. 디지털 입출력 테스트 프런트 패널 및 블록다이어그램

1. ADC(Analog to Digital Conversion) 테스트
PXI-6723을 이용하여 가상의 아날로그 신호를 제어 보드에 공급하면 UPS가 없는 상태에서 마치 실제 UPS가 있는 것처럼 시뮬레이션 한다. 이 테스트를 통해 모든 아날로그 신호 검출을 하는 부품들의 동작을 정확히 판단할 수 있다.

그림 4. ADC 테스트 프런트 패널 및 블록다이어그램

2. PWM(Pulse Width Modulation) 테스트
PXI-6602 카운터 타이머를 통해 IGBT를 구동하는 PWM 신호를 검출하여 PWM 신호와 데드 타임이 정상인지 판단한다. 또한 비정상적인 신호를 IGBT 스위치에 임의적으로 발생시켰을 때, UPS가 고장을 검출하여 부하 전압을 차단하는지를 판단한다.

그림 5. PWM 테스트 프런트 패널 및 블록다이어그램

결론 및 솔루션 개발 후 얻게 된 이점
버추얼 인스트루먼트 기술을 이용하자 UPS의 많은 수동 테스트를 값비싼 측정 장비 없이 간단한 하드웨어와 소프트웨어만으로 자동화 시스템화 하였다. 모든 기술이 자동적인 소프트웨어로 구축되었기 때문에 테스트의 시간이 혁신적으로 단축되었으며, 개선과 유지 보수가 용이하고, 다른 시스템에도 프로그램 변경만으로 전이가 어렵지 않게 되었다.
앞으로 자동화된 버추얼 인스트루먼트 기술을 자사의 모든 시스템에 적용하여 이전보다 더욱 신뢰도 높은 시스템을 개발할 수 있을 것으로 판단한다.

1. 정량적 효과
테스트 시간을 3시간에서 10분으로 단축

2. 정성적 효과
완제품 생산 이전에 불량 보드에 대한 조기 검출
테스트 장비의 간소화
수동 테스트 환경의 완전 자동화
다양한 제품군에 적용
테스트 데이터의 신뢰도 향상

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나정훈 연구원
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