CompactRIO로 대용량 자동화 제조 테스트 개발하기

서문

한 Tier 1 밸브트레인 부품 공급업체는 복잡한 파워트레인 부품 조립 및 기계 가공을 위해 최종 라인 기능 및 성능 테스트를 수행하는 안정적인 시스템이 필요했습니다. 생산량 요구사항을 만족하려면 안정성과 최대 총 처리량은 핵심이었습니다. Signal.X사는 CompactRIO를 사용하여 PAC (프로그램 가능 자동화 컨트롤러)에 전원을 공급하여 과거에는 여러 컨트롤러 또는 PLC가 필요했던 많은 기능을 수행하는 시스템을 구축했습니다.

두 개의 독립적인 CompactRIO 장치가 단일 테스트 셀 내에서 테스트 스테이션을 실행합니다. Windows PC 한 대가 각 CompactRIO 시스템의 데이터를 구성하고 표시하는 데 사용되지만 테스트 작동에는 필요하지 않습니다. 데이터가 수집되면 CompactRIO에서 PC로, PC에서 Signal.X DataManager 소프트웨어를 실행하는 서버로 전송되어 최종 저장, 보관 및 데이터베이스 작업이 수행됩니다. 

모션 제어

우리는 설정 가능한 PID (비례 적분 미분) 파라미터, 한계값 및 인터록으로 4개의 제어 축을 관리하기 위해 다축, 다중 속도 모션 제어 서브시스템을 개발했습니다. 8ms의 실시간 업데이트 속도로 CompactRIO 필드 프로그램 가능 게이트 배열(FPGA)에서 축에 따라 125µs에서 8ms 사이의 스플라인 보간을 수행합니다.

데이터 수집 및 처리

테스트 사이클은 짧지만 (~25초), 그 데이터에 대해 계산된 지표는 대략 30~40개이므로 즉시 처리할 수 있게 준비되어야 합니다. 우리는 동시 파일 읽기 및 쓰기로 이 처리를 구현하여 효율성을 극대화하면서 테스트를 수행하는 동안에도 데이터를 사용할 수 있도록 했습니다.

시스템이 실제 테스트와 병렬로 데이터를 처리하기 때문에 고객은 지표가 실패를 나타낼 경우 테스트를 조기에 중단하도록 구성할 수 있어 전체 처리량이 증가하고 실패한 부품을 테스트하는 데 낭비되는 시간이 최소화됩니다. 우리는 필터링, 트리거링과 추적성을 위한 버전 관리를 포함하여 이 처리 과정을 정의하기 위해 사용자 지정 한계값 정의 편집기를 만들었습니다.

개별 부품 처리

우리는 CompactRIO 컨트롤러를 PAC로 사용하여 전통적 이산 제어를 수행하는 아키텍처를 개발했습니다. 이 시스템의 핵심은 사용자가 구성할 수 있고, 자연적으로 유연하며, 효율적인 래더 로직 스타일 프로그램을 에뮬레이션하는 유한 상태 머신입니다. 이는 주로 공압 슬라이드 설치, PLC/로봇 상호 작용, 결함 및 에러 처리에 사용되었습니다. 사용자가 슬라이드 모션, PLC 부품 운송, 인터록 및 안전 시퀀스를 편집할 수 있도록 간단한 편집기가 개발되었습니다.

이 프로그램의 기능에는 분기, 반복, 내부 메모리 저장, 점프 및 상태 강제가 포함됩니다. 전원 켜기, 수동 및 자동과 같은 다양한 작동 모드에 대한 논리가 구축되어 있으며 결함, 에러 로직 및 복구는 모든 모드에서 수행됩니다. 이는 PLC 개발자에게 익숙한 전통적이고 검증된 제어 개념이 유한 상태 머신에서 구현된다는 것을 의미합니다. 이 접근 방식은 기존 래더 로직의 모든 기능과 단순성을 유지하고 복잡한 부동 소수점 계산, 영숫자 조작, 화면 표시 및 GUI 상호 작용에 대한 지원을 향상합니다.

통신

우리는 NI Labs에서 시작된 산업 통신용 EtherNet/IP 드라이버를 사용하여 Allen-Bradley ControlLogix PLC와 직접 통신했습니다. Simple Messaging Reference Library 프로토콜을 사용하여 라이브 데이터와 명령을 CompactRIO와 PC 간에 스트리밍하고 통신했습니다. 우리는 간단하고 안정적으로 외부 디바이스를 연결하는 방법을 제공하여 통신을 단순화했습니다.

데이터 관리

각 CompactRIO 시스템에서 수집된 데이터의 양은 개발 과제를 제시했으며 신뢰성과 장기적인 안정성을 보장하기 위해 계획이 필요했습니다. 각 테스트는 대략 12개 채널의 데이터를 25초 동안 저장하므로 대략 1.5MB의 기술 데이터 관리 스트리밍 (TDMS) 파일이 생성됩니다. 최대 생산 속도에서 각 CompactRIO 시스템은 하루에 대략 2GB의 데이터를 생성합니다. 이러한 대용량 때문에 데이터를 저장하기 위해 외부 USB 하드 드라이브가 CompactRIO에 연결되었습니다. 연결되면 데이터가 자동으로 PC에 업로드되지만 CompactRIO 드라이브는 PC 또는 네트워크가 다운된 경우에 대비해 로컬 버퍼를 갖고 있습니다. 마찬가지로, 서버가 연결되면 자동으로 데이터가 PC에서 DataManager로 전송됩니다. PC는 서버 연결이 끊긴 경우 빠른 접근 및 저장을 위해 자체 데이터 버퍼를 유지합니다.

NI 파트너 Signal.X DataManager

이 프로젝트는 TestStand 데이터를 저장, 쿼리, 보고 및 보관하는 데 Signal.X 기성 제품을 사용했습니다. 표준 쿼리 언어 데이터베이스를 기반으로 하는 DataManager는 미리 정해진 일정에 따라 구성된 모든 스테이션을 스캔하고 데이터 파일을 검색 및 보관하며 테스트 결과를 데이터베이스에 삽입하는 서버에 위치합니다. 사용자는 데이터베이스를 쿼리하여 프로덕션 데이터 서브셋을 반환하고, 이러한 쿼리를 기반으로 보고서를 생성하고, 해당 보고서가 자동 생성되고 추세에 대한 경고를 받을 수 있도록 자동화할 수 있습니다. 또한 사용자는 새로운 지표 및 "가정" 시나리오를 평가하기 위한 새로운 한계값을 기반으로 서버에서 기록 데이터를 분석할 수 있습니다.

전체 패키지

CompactRIO 시스템은 완전하고 안정적이며 빠르고 재구성 가능한 자동화 테스트 시스템 컨트롤러를 구성합니다. 빠른 사이클 시간과 효율적인 데이터 사용은 전체 생산 처리량을 극대화하여 궁극적으로 비용을 절감하고 프로세스를 개선합니다. Signal.X는 완전한 데이터 관리 솔루션을 추가함으로써 보증 반환을 절연하고, 어셈블리 결함을 이해하며, 테스트 절차와 한계값을 정밀화함으로써 업스트림 프로세스에 긍정적인 영향을 미칩니다.

NI 솔루션의 이점

과거에는 이러한 프로세스가 개별 컨트롤러와 PLC로 분리되어 복잡성과 비용이 증가했습니다. CompactRIO 플랫폼은 모든 기능을 단일 프로세스로 관리되는 하나의 하드웨어 구성요소로 통합합니다. 또한 LabVIEW 프로그래밍 유연성은 하나의 소스 코드 세트 또는 구성 화면에서 이러한 모든 프로세스를 조정할 수 있음을 의미합니다.

결론

이 프로젝트에 사용된 몇 가지 핵심 기술은 다음을 포함하여 명확하고 가시적인 프로세스 개선 및 효율성을 가져왔습니다.

• 중요한 생산 경로에서 Windows PC를 제거하여 가동 중단 시간을 줄이고 CompactRIO 시스템에 내장된 Real-Time OS를 통해 신뢰성을 향상했습니다.
• 시스템이 테스트와 동시에 데이터를 처리하기 때문에 전체 테스트를 완료한 후가 아니라 더 빠르게 합격/불합격 결정을 내리고 실패 시 부품을 불합격시킵니다.
• 장애 즉시 부품을 불합격시키고 다시 테스트함으로써 처리량이 평균 5% 증가했습니다.
• 자동화된 보고, 일괄 처리 및 데이터 보관을 통해 모든 데이터를 DataManager로 가져와 엔지니어와 관리자에게 최신 생산 프로세스 정보를 제공하고 이전에는 수동으로 수행했던 작업을 자동화함으로써 공장 불만의 주요 원인을 제거했습니다.

고객의 말에 따르면 “우리의 제조 환경과 24/7 생산 요구사항은 최고의 품질을 유지하면서 최대의 효율성과 신뢰성을 요구합니다. Signal.X Technologies가 우리 회사의 최종 라인 테스트 시스템에 적용한 아키텍처가 바로 그것을 제공했습니다. 그 결과로 처리량이 증가하고, 가동 중단 시간이 줄고, 전반적인 신뢰성이 향상되었습니다.”

저자 정보:

Robert Hoffman
Signal.X Technologies, LLC
15800 Centennial Dr., Suite A
Northville, MI 48168
United States
전화: (734) 417-8236
Hoffman@signalxtech.com

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