Turbocharger Burner RIG 테스트 장비
원고 제공:한국내쇼날인스트루먼트
개발: SFA 서재수
사용한 NI 제품 : LabVIEW , FPGA Module, Real-Time Module, cRIO 9704, NI 9217, NI 9211, NI 9203, NI 9265, NI 9425, NI 9476, NI 9423
해결 과제
선박의 엔진 성능 향상은 Turbocharger의 출력 성능에 의하여 결정된다. 그러므로 Turbocharger에 대한 성능을 배에 장착되기 전에 미리 검증하여 Turbocharger에 대한 문제점을 파악하고, 개선점을 파악하여야 한다. 이를 위해서는 정확한 성능 검증과 분석적인 기능 등, 기존 시스템이 갖지 못한 빠른 반응 시간과 정확한 데이터 검증을 확보하기 위한 방안을 모색해야 했다.
솔루션
본 시스템은 정확도를 높이기 위해 기존 PLC 시스템을 적용하던 장비를 NI의 FPGA 기반의 지능형 임베디드 시스템으로 변경한 경우이다. 정밀한 밸브 제어, 정확한 온도, 압력 및 RPM 측정 등, 기존 PLC 시스템에서는 구현이 어려운 부분을 보완하기 위해서 NI CompactRIO를 적용하여 성능 향상을 이룰 수 있었다. 또한Turbocharger의 선 성능 검증을 통해서 제품에 대한 신뢰성을 확보하고 정확한 정보 분석을 통해서 제품의 안정성을 갖추게 되었다.
- 개발 기간: 하드웨어 설계 및 구현, 2개월/1명
- SW 개발 기간: 3개월/1명
- 디버깅/검증 기간: 1개월/1명
어플리케이션 요약
본 시스템은 선박 엔진 구동을 위해서 사용되는 Turbocharger의 성능을 측정하기 위한 시스템이다. Turbocharger의 성능을 측정하기 위해서는 Local에 설치되어 있는 밸브를 이용하여 GAS, AIR, OIL의 투입량을 조절하고, 조절된 양에 따라서 Turbocharger에 연계되어 측정되는 압력, 온도, 속도 값을 이용하여 Turbocharger의 효율, Turbine Map, Compressor Map 등을 측정해야 한다.
개발 배경
성능측정용 시스템이기 때문에 각 측정 UNIT의 정밀도가 요구된다. 따라서 각 측정 UNIT에 대한 정밀도를 확보하기 위해서 기존의 PLC를 NI 시스템으로 대체하게 되었다. 각 측정 UNIT에 대한 DATA RANGE BITS 수가 기존 PLC 시스템 보다 크기 때문에 데이터에 대한 해상도가 증가하게 되고, 이에 따라 각 측정 UNIT의 정밀도가 증가하는 원리이다.
본론
1. 시스템 구성
Turbocharger의 입/출력 부분에서 측정되는 온도, 압력, 유량, RPM에 관한 본 시스템의 구성은 다음과 같다.
시스템의 블록 구성도
■NI CompactRIO
Turbocharger에 부착되어 있는 Unit로부터 입력되는 온도/압력/RPM 데이터를 획득한다. 온도/압력 데이터를 변경하기 위해서 밸브를 통해 Gas Burner에 투입되는 Gas의 양을 조절하고, 외부로 출력되는 공기의 양을 조절한다. 이러한 과정 하에 Turbocharger의 성능을 측정하게 된다. 게다가 Turbocharger의 파손을 막기 위해서 특정 압력은 일정한 값으로 유지해야 하는데 이러한 알고리즘을 통한 자동 컨트롤 기능을 추가할 수 있었다.
- 통신 부분 (이더넷 통신) - Unit 자동 컨트롤 부분
- 데이터 획득 부분 - 외부 인터페이스 부분
■유저 인터페이스
Turbocharger의 성능 검증을 위한 온도/압력을 변화시키고, NI CompactRIO로부터 입력되는 데이터를 취합하여 유저에게 보여준다. 또한 전체적인 시스템에 대한 컨트롤을 한다.
- 성능 모니터링
- 외부 인터페이스 부분
2. NI CompactRIO 프로그램
Turbocharger의 성능을 결정하는 가장 중요한 요소는 온도, 압력, RPM이다. 따라서 NI CompactRIO 9203에 RTD 온도 측정을 위한 9217 모듈, Thermocouple 온도 측정을 위한 9211 모듈, 그리고 압력 측정과 전류 측정을 위한 9203 모듈 및 RPM 측정을 위한 9423 모듈을 사용하였다. 또한 시스템의 외부 인터페이스와 아날로그 출력값을 위해서 9265 모듈과 디지털 입/출력값을 위해서 9425 모듈 및 9476 모듈을 채택하였다.
3. PC 프로그램
시스템 오퍼레이터와의 인터페이스를 통해서 Turbocharger의 성능을 검증할 수 있게 구현한다. 또한 외부 시스템을 모니터링을 통해서 전체 시스템을 제어, 관리를 할 수 있게 한다.
결론 및 솔루션 개발 후 얻게 된 이점
엔진의 성능은 Turbocharger의 성능과 직결된다. 그래서 Turbocharger의 성능 검증을 보다 정확하게 구현하기 위해 기존에 PLC로 운영하던 시스템을 FPGA 기반의 지능형 임베디드 시스템인 NI CompactRIO로 대체 적용하였다. 이로 인하여 성능의 향상뿐 아니라 공간 활용적인 면도 만족스러웠다. 또한 개발자에게 익숙한 개발 방법을 제시해 줌으로써 개발에 대한 부담을 줄일 수 있었으며, 검증된 시스템을 이용하여 보다 안정적인 개발을 할 수 있었다.