스마트 잔디 수확기를 통한 생산성 향상과 비용 절감

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"FireFly는 LabVIEW RIO 아키텍처의 강점을 활용하고 최신 기술을 통합하여 절반의 연료로 20% 빨리 수확할 수 있는 스마트 잔디 수확기 ProSlab 155를 개발하였습니다."

- Steve Aposhian, FireFly Equipment

The Challenge:
스마트 잔디 수확기는 다양한 수확 환경에서도 안정적이고 효과적으로 잔디를 팔레타이즈(palletize)함과 동시에 생산성을 높이고 운영 비용을 낮추면서 잔디 수확기를 원격으로 모니터링하고 제어할 수 있는 안전한 인터넷 게이트웨이를 제공합니다.

The Solution:
LabVIEW 소프트웨어와 CompactRIO 하드웨어를 통해 설계된 ProSlab 155는 다른 잔디 수확기에 비해 절반에 불과한 연료로 20% 빨리 수확할 수 있습니다.

Author(s):
Steve Aposhian - FireFly Equipment

스마트 잔디 수확기 제조사인 FireFly Equipment는 LabVIEW RIO 아키테처를 기반으로한 기계적, 전기적 및 소프트웨어 시스템을 통합하여 혁신적인 잔디 수확기 ProSlab 155를 설계하였습니다. NI 플랫폼을 통해 메카트로닉스 도메인 전문가들은 설계 과정을 머신 자동화 프로그래밍과 빠르고 긴밀하게 통합하였고, 이를 통해 완전히 새로운 스마트 머신을 신속하게 프로토타이핑하고 시장 출시를 위한 제품 배포 시간을 대폭 줄였습니다.

기존 방식

수동 잔디 수확은 아직도 업계에서 널리 사용되고 있습니다. 농업 기계 제조업체들은 생산성을 높이기 위해 수년 간 잔디판 커팅과 스태킹을 자동화할 수 있는 머신 구축에 힘써왔지만, 기존 방식을 통해 설계된 머신들은 일관되지 않은 성능을 보여주거나 미미한 생산성 증가만을 가져다 주었습니다. 이러한 머신들은 유체 동력을 유압 실린더로 보내고 모션 제어를 위해 모터를 컨트롤하는 전기 동작 벨브 등과 같은 일반적인 모바일 장비를 장착하고 있습니다. 이러한 구성요소는 단순한 시스템에서는 안정적으로 사용될 수 있지만 다른 절차들과 긴밀하게 동기화되어 다수의 병렬 작업을 수행하고 고급 신호 처리 및 고속 모션 제어 궤도 생성에 필요한 복합 수학을 구현하는데에는 비효율적입니다. 또한 제한된 데이터 처리 능력과 폐쇄형 시스템 아키텍처는 고급 기능의 사용과 원격 모니터링 및 진단을 제한합니다. 

FireFly 방식

이와 같은 단점들을 이해하여 FireFly는 잔디판 커팅 및 스태킹을 자동화하기 위해 다수의 병렬 프로세스를 관리하고 동기화할 수 있는 스마트 머신을 구축하는데 지속적인 노력을 기울여 왔습니다. 먼저 커터는 잔디를 땅에서 들어올려 슬래브로 자른 후, 컨베이어를 통해 기계 후면으로 슬래브를 옮깁니다. 간트리에 부착된 스태커는 커팅된 슬래브를 컨베이어로부터 팔레트로 옮깁니다. 잔디판이 팔레트에 층층이 쌓이면, 팔레트 포크는 잔디판을 바닥에 가까워지도록 낮춥니다. 원하는 높이까지 스택되면, 깔끔하게 쌓여진 잔디판은 바닥으로 옮겨지고, 동시에 빈 팔레트를 보관하고있는 팔레트 매거진은 새로운 팔레트를 지게차에 삽입하여 커팅 및 스태킹 프로세스가 중단 없이 지속될 수 있도록 해줍니다. 자체 추진되는 트랙터는 필드내에서 전체 자동화 시스템을 움직입니다. 스마트 머신이 잔디 수확 및 스태킹 작업을 안정적이고 효율적으로 수행할 수 있도록, 이와 같은 시스템들은 지속적으로 동기화된 흐름에 따라 구동되어야 합니다. 스마트 머신은 대략 80개의 아날로그 및 디지털 센서와 100개의 출력을 포합하고 있습니다.

스마트 머신에는 복잡한 스태킹 프로세스를 수행하는데 필요한 빠르고, 효율적이고, 정확하고, 부드러운 모션 제어를 제공하기 위한 다축 궤도 생성기를 포함한 서보 전기 시스템이 장착되어 있습니다. 스마트 머신은 잔디판을 스태킹하는 프로세스를 매년 수백만 번 지속적으로 반복할 수 있으며, 이를 통해 속도와 안정성을 대폭 향상시킬 수 있습니다. 커터, 지게차, 팔레트 매거진 및 추진 시스템을 운영하는 것과 같이 비교적 덜 복잡한 작업에는 기존 유체 동력 시스템이 사용됩니다. 새로운 스마트 머신의 전 세계적 배포라는 궁극적인 목표 아래, 설계 및 프로토타이핑을 위한 개방적이고 유연하며 강력한 플랫폼은 미래에도 지속 가능한 개발의 필수요소입니다.

LabVIEW RIO 아키텍처

당사는 LabVIEW CompactRIO 플랫폼을 통해 기존 유체 동력 시스템과 서보 전기 시스템을 단일 머신에 결합하여 복잡한 병렬 작업을 수행할 수 있도록 만들었습니다. CompactRIO의 모듈형 I/O를 통해 사용자는 다양한 센서 종류와 산업용 연결을 유연하게 사용할 수 있습니다. CompactRIO 리얼타임 컨트롤러와 재구성 가능한 FPGA 섀시는 복잡하고 고도로 동기화된 컨트롤 시스템을 사용할 수 있게 해주는 맞춤형 플랫폼을 제공합니다. LabVIEW의 FPGA와 리얼타임 컨트롤러에 다수의 병렬 루프를 실행할 수 있는 능력과 다양한 연산 함수 세트, 그리고 LabVIEW SoftMotion Module 과 Kollmorgen AKD 드라이브 및 모터와의 통합 기능 등의 장점은 LabVIEW를 스마트 머신의 모든 측면을 제어하는데 가장 적합한 소프트웨어로 만들어 줍니다. 또한, LabVIEW는 유연성을 갖춘 개방형 소프트웨어로써 현지 운영자 인터페이스, 중앙집중 방식의 리소스 관리, 진단 및 원격 업데이트를 위한 안정적인 통신 아키텍처를 사용할 수 있도록 도와줍니다. 이러한 기능들은 스마트 머신이 전 세계에 배포되고, 그에 따라 유지보수가 필요할 때 필수적입니다.

그림 1. LabVIEW의 편리한 사용과 유연성은 네 명의 기계 엔지니어들이 단 6개월이라는 시간안에 FireFly 스마트 머신을 설계하는 것을 가능하게 했습니다.

그림 2. CompactRIO는 40개의 유압 벨브, 5개의 고성능 모션 축, 150개 이상의 아날로그 및 디지털 I/O 채널, 그리고 30개가 넘는 병렬 제어 루프를 포함한 기계의 모든 것을 제어하므로 별도의 서브시스템이 필요하지 않습니다.

솔루션의 장점

FireFly는 LabVIEW RIO 아키텍처의 강점을 활용하고 최신 기술을 통합하여 절반의 연료로 20% 빨리 수확할 수 있는 "스마트" 잔디 수확기 ProSlab 155를 개발하였습니다. 이러한 장점들은 농부들에게는 수입 증가와 비용 절감을 의미합니다. 2014년 ProSlab 155가 출시된 후, FireFly는 시장에서 뜨거운 반응을 얻었으며 현재 증가하고 있는 수요를 충족하기 위한 시설 확장을 진행중이며, 산업용 사물 인터넷 (IIoT)를 활용할 수 있는 방안에 대한 연구 및 개발에 지속적으로 투자하고 있습니다. 산업용 사물 인터넷이 진화함에 따라, FireFly는 LabVIEW RIO 아키텍처를 적절히 활용하여 더욱 큰 가치를 고객들에게 전달할 수 있는 위치를 선점하고 있습니다.

그림 3. FireFly는 한 때 수동적으로 수행되었던 잔디 수확 작업을 성공적으로 자동화하여 생산성과 안정성을 증가시켰습니다.

그림 4. FireFly 스마트 머신의 자동화는 다수의 병렬 프로세스에 대한 관리 및 동기화로 이루어져 있습니다.

Author Information:
Steve Aposhian
FireFly Equipment

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