테스트벤치에서 요구되는 토크 측정 - PMX가 그 적용 가능성을 확대해 드립니다.

 토크, 회전 속도, 회전 각도 측정 및 이들 변수에서 도출된 값은 산업환경에 사용되는 신형 테스트벤치 설계에 어느 때보다도 큰 역할을 담당하고 있습니다. 이제는 고도의 정확도와 속도는 물론, 자동화와 운전효율 옵션이 결정적인 선택기준이 됩니다. 이를 모두 달성하는 방안은 무엇일까요? 

  1. 테스트벤치에서 요구되는 조건이 무엇입니까?
  2. 토크 센서는 어떻게 설계되어야 합니까?
  3. 토크 측정 성능을 더욱 향상시키기 위해서는 어떻게 해야 합니까?
  4. 데이터 수집 및 자동화 시스템은 어떤 성능 특징이 있어야 합니까?
  5. 어떤 업무 자동화 개념을 선택할 예정입니까?
  6. 서비스 개념의 특징은 무엇입니까?

1. 테스트벤치의 요구조건이 무엇입니까?

 오늘날 성공의 필수요인은 시장의 요구에 부응하여 빛과 같이 빠른 속도로 신제품을 내놓는 것입니다. 그러면서도 완성도 높은 제품이라야 합니다. 이를 위해 제작사들은 개발기간을 더 단축시키고 효율성과 신축성을 모두 갖춘 시험방법으로 대응해야 합니다. 이는 결국 시험 업무를 준비하고 수행할 때 조직적으로, 또한 시간적으로 업무를 분리시켜야 함을 의미합니다. 여기서 효율을 10배 단위로 개선시킬 수 있습니다. 자동차와 항공산업에서 에너지효율은 중요한 문제입니다. 이제 초점은 점차 엔진 개발, 구름저항(rolling resistance), 에너지 변환효율 쪽으로 옮겨가고 있습니다.

Modern power test stand with integrated torque measurement and test bench control

첫째, 테스트 구조를 신속하게 실행시킬 수 있어야 합니다. 이는 TEDS 센서 데이터 감지기법을 이용한 상호통신, 시스템구성 데이터 교환 방식의 지능형 센서 및 측정 앰프 시스템을 통해 달성할 수 있습니다. 이를 위한 필수 전제조건은 측정값의 높은 품질과 정확도입니다. HBM의 T12 및 T40 시리즈 토크 플랜지 (torque flange)는 고도의 다이나믹 (high dynamics)과 회전 속도, 거기에 고정밀도라는 전제조건을 모두 충족 시킵니다.

HBM 의 토크센서

 아울러 측정 앰프 및 제어장치는 측정 데이터를 실시간으로 심층 분석할 수 있어야 하며, 이를 통해 테스트벤치의 조정이 가능해야 합니다. 분석을 위해 측정 데이터를 고해상도로 시현하고 그 결과를 저장할 수 있게 만드는 것도 필수 요소입니다. 진정한 효율성 개선을 위해서는 이들 기능을 하나의 장치에 모두 결합해야 합니다. PMX 측정 앰프 시스템은 이 같은 요구조건을 바탕으로 HBM에서 개발한 시스템입니다. PMX는 각종 시험장/주행시험장에 사용되며, 생산분야의 측정 및 자동화 시스템에도 사용할 수 있습니다. PMX 시스템을 측정 및 출력 채널에 유연하게 통합함으로써 다양한 용도로 구현이 가능하게 된 것입니다. 자동화 수준에 따라 아날로그 또는 이더넷 기반의 필드버스 인터페이스(fieldbus interface)를 실시간으로 사용할 수 있습니다.

사용자는 이처럼 뛰어난 하드웨어 유연성으로 인해 초고속 데이터 전송속도 및 해상도에서의 데이터 기록 가능성과 결합하여 최대 30배의 효율 증대효과를 달성할 수 있습니다.

PMX modular measuring amplifier and automation system from HBM

2. 토크센서는 어떻게 설계 되어야 합니까?

 HBM의 현대적인 T12 및 T40 시리즈 토크 트랜스듀서는 까다로운 기능시험 요구조건을 충족시키기 위해 디지털 데이터를 사용하여 고속의 샘플링 속도로 작동합니다. 이 때 입수 가능한 출력 신호에는 토크뿐 아니라 회전 속도와 회전 각도도 있습니다. HBM에서 생산하는 다운스트림(downstream) PMX 자동화 시스템에서 파워, 에너지 변환효율 등의 양을 계산하려면 이들 모두가 중요한 값입니다.

노이즈 없는 전송을 위하여 측정신호는 주파수 신호로 변환됩니다. 전자기장을 방출하는 대형 엔진이나 주파수 인버터가 측정품질에 악영향을 미쳐서는 안 되기 때문에, 흔히 직면하는 가혹한 주변환경을 고려했을 때 이는 없어서는 안 될 요소입니다. 토크 센서의 가장 중요한 계량규정상의 성능은 다음과 같습니다.:

  • 정확도 (Accuracy class)
  • 감도 오차 (Sensitivity tolerance)
  • 온도 안정성(Temperature stability)
  • 선형편차 및 히스테리시스 (Linearity deviation and hysteresis)

HBM 토크 센서 개발 시, 작동 데이터의 품질 및 데이터 준수에 특히 중점을 두었습니다.

다만, 사용자는 아래와 같이 적용 분야 및 부하 한계 도 고려해야 합니다.

  • 회전 속도 한계
  • 허용 진동 진폭
  • 가로방향 한계 및 세로방향의 힘
  • 최대 온도

3. 토크 측정 성능을 더욱 향상시키기 위해서는 어떻게 해야 합니까?

토크 센서에서 오는 측정신호는 PMX의 플러그인 모듈인 PX 460 주파수 계측 카드에 의해 수신됩니다.  PX 460은 0.01%의 정확도로 작동하며, T12 또는 T40 시리즈 토크 센서를 최대 4개까지 작동시킬 수 있습니다. 혼합 모드로도 작동이 가능합니다. PMX 측정 앰프 시스템은 계측 데이터를 더욱 최적화시키기 위해 특별히 토크 트랜스듀서의 작동·사용을 위해 설계된 일련의 내부 계산 채널이 내장되어 있습니다.  내부 계산 채널은 계측 채널과 동일하게 정확히 50 마이크로초의 연산 속도로 작동합니다.

  • · 성능 향상에는 토크 센서용 트랜스듀서의 21 포인트 선형 특성곡선도 같은 기능도 포함됩니다. 이는 PMX® 센서의 원신호(raw signal)가 데이터시트에 명시된 정확도 이상으로 개선되는 결과로 나타납니다. 개선된 계측 신호는 그 후 추가적인 처리가 가능하므로, 이를 통해 테스트벤치의 계측 품질을 향상시킵니다.
  • · 또 한 가지 중요한 기능은, 필터링(filtering)에서 볼 수 있는, 원계측값(raw measurement value)의 병렬, 독립처리 기능으로, 이는 테스트벤치 조정과 자동화에 요구되는 신호 조정을 가능하게 해 줍니다. 이처럼 아날로그 출력과 PMX 실시간 이더넷 필드버스를 조합함으로써 효율적인 테스트벤치 자동화가 가능하게 된 것입니다. 
  • · 연소기관 테스트를 위한 특수 필터: 실린더 압축·팽창 사이클 및 이 때의 연소 시점 불규칙 변동으로 인해 엔진에서 발생하는 토크는 상당한 동적 거동을 나타냅니다. 이는 많은 계측 시스템에서 노이즈(또는 급격한 변화)로 나타납니다. 이 때 CASMA 필터(각도 동기화 필터)를 사용하면 노이즈를 제거할 수 있습니다. 아래 도표는 CASMA 필터 타입을 적용한 결과를 보여줍니다. CASMA 필터가 토크 측정에서 엔진 속도와 상관관계를 가지며(물론 시간이 흐름에 따라 변동됨) 탁월한 안정성을 제공했음을 분명히 보여주고 있습니다. 필터의 폭이 넓으면 넓을수록, 결과도 더 좋아집니다.
  • · 이 밖에도 테스트 한계 결정·문서화를 위한 계측 신호 최대값/평균값 판정 기능이 있습니다. 궁극적으로 이러한 제어수치들은 한계값 또는 허용오차 밴드(band)와 함께 실시간으로 모니터링 되어 테스트벤치의 제어를 가능하게 해 줍니다.
  • · 토크와 속도 같은 토크 측정 원값(raw value)이 있을 경우, 수학적인 계산 채널을 사용하여 그 값으로 실시간 토크 응용을 계산, 출력할 수 있습니다. 연결 가능한 시간 요소를 사용하면 추가적으로 계측 신호의 런타임 편차를 보정할 수 있습니다. 런타임 편차는 트랜스듀서 측의 고성능 로드 케이스(load case)에서 발생하며, 계측 결과에 부정적인 효과를 미칠 수 있습니다.
  • · 테스트 신호: PMX는 사용자가 테스트벤치를 완전히 가동시키지 않고서도 시동 중에 미리 신호 및 시스템 상태를 시뮬레이션하면서 기능 수행 능력을 테스트할 수 있는 편리한 옵션을 제공합니다. 이는 센서 측에서 "션트 신호(shunt signal)"를 활성화시키면 실행할 수 있습니다. 이 때 토크 트랜스듀서가 공칭(정격) 신호의 50%를 방출하여, 이 기능은 "드라이 런(Dry-run)" 상태에서 미리 테스트가 가능합니다. 또한 PMX는 내부 신호발생기가 있으므로 테스트 결과를 정적 및 동적으로 시뮬레이션 할 때도 활용이 가능합니다.

4. 데이터 수집 및 자동화 시스템은 어떤 성능 특징이 있어야 합니까?

수집할 계측 신호의 범위는 저주파수(예, 서서히 변하는 온도값)에서 수집되는 단순 신호에서부터 고주파 대역 계측 주파수에서 동시 측정을 요하는 복잡한 계측 데이터(예, 회전 신호 및 회전 속도의 각도를 동시에 측정해야 하는 토크 신호)에 이르기까지 매우 폭이 넓습니다. 

여기서 결정적인 요소는 튼튼하고 정확한 센서뿐 아니라 안정되고 정확한 측정 데이터 획득입니다. 두 요소는 동일한 오차 계급이어야 하며 적어도 0.1%, 또는 0.01%이면 더 좋습니다. 신호의 샘플링 속도 또한 계측 정확도 못지 않게 중요합니다. 빠른 변화, 혹은 미세한 부분 변화까지 안정적으로 분석하여 표시될 수 있도록 샘플링 속도가 빨라야 합니다. 획득한 최대값을 다루려면, 연산 속도와 조정 품질, 그리고 일체의 계측 및 계산 채널이 50 마이크로초의 계측 및 연산 그리드(grid), 즉 적어도 20 kHz의 속도로 병렬 샘플링 처리되어야 합니다. PMX는 토크 측정을 위해 PX460 플러그인 보드를 제공합니다. PX460은 38.4 kHz에서 작동하므로 토크 센서의 계측 신호 대역폭을 100% 활용할 수 있습니다.

사용자는 프로세스 데이터뿐 아니라 표준 시스템구성의 다양한 진단 정보를 얻을 수 있습니다. 실시간 하드웨어 설계의 PMX는 실시간 이더넷 인터페이스로 버스 사이클 시간 ≤ 10 kHz까지 지원할 뿐 아니라 메시지 전송 레이턴시(latency)를 최소화시킵니다.

자동화 적용 정도에 따라 아래와 같은 실시간 이더넷 인터페이스를 선택할 수 있습니다.

  • EtherCAT
  • PROFINET (IRT protocol)
  • Ethernet/IP

상기 필드버스는 계측 및 제어신호를 생성함과 동시에, PMX에서 병렬 운용이 가능합니다. 이 경우 PMX는 테스트벤치의 제어 마스터(control master)와 함께 "슬레이브"로 작동합니다. 이 때의 시스템은 고도의 다이나믹 드라이브(dynamic drive) 및 부하 사이클의 시뮬레이션 실행에 요구되는 다이나믹을 제공할 수 있습니다.  

5. 어떤 업무자동화 개념을 선택할 예정입니까?

PC 기반의 시스템과 임베디드 시스템(Embedded Sysem)간에는 근본적인 차이가 있습니다. 이에 따라 계측 데이터의 입수, 제어/조정 및 시각화에 차이가 있습니다. 만일 조정을 위해 고도의 실시간 처리(결정요인)가 요구될 경우에는 임베디드 시스템(Embedded Sysem)이 사용됩니다. 이 때 관여하는 데이터량은 매우 적지만 한편으로 대단히 시간에 민감합니다.

Real-time data acquisition in automation concepts; PMX is responsible for measuring, regulating and automating

경성(hard) 실시간 조정(regulation)은 PC 기반의 시스템에는 적용이 불가능합니다. 모든 구성요소에 걸쳐 자원이 균일하게 분산되어 있기 때문에, 경우에 따라서는 제어 태스크가 "대기(wait)" 후 실행됩니다. 따라서 사이클 타임이 50 ms 이상 소요되는데, 이는 고속, 고신뢰성 테스트벤치 조정에는 결코 적합하지 않습니다.

임베디드 시스템은 내장 CPU에 조정 업무 전용 자원을 확보하고 있기 때문에 이럴 경우에 강점을 유감없이 발휘합니다. 소프트 PLC 솔루션을 계측 시스템에 통합시킨 점도 마찬가지입니다. PMX는 이 용도를 위해 CODESYS 소프트 PLC를 탑재할 수 있으므로, 이를 통해 테스트 시퀀스를 전체적으로 제어할 수가 있습니다.

오늘날 웹기반의 신기술을 적용한 시각화 시스템(Visualization system)의 수요가 갈수록 늘어나고 있습니다.  시각화 시스템은 최신 웹브라이저 하나면 될 뿐 아니라, PC, 태블릿, 스마트폰 등, 요즘 나와 있는 어떤 단말 장치에도 모두 디스플레이가 가능하다는 절대적 이점이 있습니다. 이들 장치의 기동성, 가용성은 사용자뿐 아니라 유지보수 인력으로부터도 크게 각광받고 있습니다. 또 한 가지 주요 이점으로, 브라우저는 상시 탑재되어 있는 것이기 때문에 단말 장치에 추가 소프트웨어 설치가 필요없다는 점입니다.

 

 

자동화 개념의 실시간 데이터 수집 - PMX가 계측, 조정, 자동화를 담당

테스트벤치의 데이터 저장에 있어서도 PC 기반 시스템과 임베디드 시스템의 차이점에 유의할 필요가 있습니다. 테스트 최종결과를 기록 또는 저장만 하는 경우라도 임베디드 시스템에서 이를 처리할 수 있습니다. 대용량의 데이터와 원자료를 저정해야 한다면 하드디스크와 같은 벌크 저장 옵션으로 인해 PC 시스템이 분명 우위에 있습니다.

이 경우 DAQ 소프트웨어는 계측 및 제어와 병행하여 데이터를 PC에 기록할 수 있습니다. 대역폭 측면에서는 이런 업무유형에 맞게 미리 준비된 기성 표준 소프트웨어에서부터 소프트웨어 드라이버 및 API(응용 프로그래밍 인터페이스)로 수행 가능한 특수 솔루션까지 다양합니다.

테스트 결과의 문서화 역시 다양한 방법으로 수행할 수 있습니다. PC 시스템은 테스트 결과를 개별적으로 쉽게 저장 가능하며, 필요 시에는 pdf 프린터로 보낼 수 있습니다. 하지만, 요즘에는 결과 및 계측 데이터를 대규모 데이터베이스로 보내서 저장하는 등, 데이터베이스 중심으로 문서를 작성하는 추세가 이어지고 있습니다. 이 때 필요한 리포트는 쿼리(Query)를 통해 생성이 가능하며, 상태, 용량 활용 또는 구성요소의 품질을 설명하는 문장도 작성할 수 있습니다.

6. 서비스 개념의 특징은 무엇입니까?

진단 기능과 오류 메모리의 통합을 통한 효율적인 서비스

서비스 요구는 "현장 서비스" 또는 "원격 서비스"로 분류할 수 있습니다. 계측·제어 시스템은 시운전 및 유지보수 기간 동안 "현장" 인력을 적극 지원해야 합니다. 바꿔 말하면, 측정한 값과 장치의 상태에 대해 질문(query) 할 수 있어야 하며, 장치의 LED 디스플레이나 웹브라우저의 메뉴를 통해 원하는 정보를 직접 볼 수 있어야 합니다. 장치 운용과 관련된 모든 오류와 내역을 쉽게 기록/질문하는 데는 로그 파일도 이용됩니다. 특히 산발적인 오류나 결과를 검색하는데 로그 파일이 대단히 유용합니다. 또 한 가지 가능성은 "모니터링 신호"를 사용할 수 있도록 하는 것입니다. 모니터링 신호는 전압 신호로서, 모니터링 목적상 계측 신호 또는 계산 채널을 모니터링 신호와 상호 연결할 수 있습니다. 그런 다음, 서비스 엔지니어라면 누구든지 현장에서 간단한 계측 작업을 수행할 수 있습니다. 로그 파일은 장치의 전원 페일세이프(Fail-Safe) 시스템에 저장되며, 문서화 목적으로 웹브라우저를 통해 다운로드하거나 아카이브에 보관할 수 있습니다.

결론

HBM의 현대적이고 강력한 T12 및 T40 시리즈 토크 센서는 HBM PMX 앰프 플랫폼과 같은 개방형 통신 인터페이스를 내장함으로써 고품질 계측 및 조정 업무에 적합합니다.

이 기사에서 논의된 일반적 경향은 전통적인 계측 기술 시스템이 그 한 가지이고, 자동화 솔루션이 그 어느 때보다 가깝게 다가가고 있다는 점이 또 다른 한 가지입니다. PMX의 첨단 시스템은 이처럼 계측 시퀀스의 제어뿐 아니라 기계 제어 및 현대적이고 미래지향적인 테스트벤치에 적용이 가능합니다.

 

 

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