농업기계, 정밀 제동을 위한 고속 통신 버스

High-speed bus for precision braking
enders 팀과 B&R의 Gunnar Gubisch (좌측 두 번째 열). 작동 중인 로드 카를 바라보고 있으면 비가 내리는 날에도 뜨거운 팀워크는 식지 않는다.

오늘날의 농업 기기는 자동화 수준이 대단히 높아져서, 현대식 트랙터의 운전석은 최신 기술 제어실로 착각할 지경이다. 처리되는 데이터의 양은 종래의 버스 시스템이 더 이상 제공할 수 없는 성능 수준을 요구한다. enders는 자사의 새로이 개발된 로드 카(load car)를 위해 농업 기기의 특수한 수요를 충족시킬 수 있는 통신 프로토콜을 찾고 있었다 – 그리고 찾아냈다.

거의 모든 자동차 제조사는 어떤 형태로든 자동 운전 기술에 손을 대고 있고, 실질적인 시험의 제 1회전 경쟁 소식이 업계 전체를 통해 신문의 1면 제목을 장식하고 있다. 반면에 농업용 차량의 경우에, 자율 운전 기술은 이미 잘 확립되어 있는 현실이다. 현대식 트랙터가 농장을 가로 질러 움직일 때, 흔히 자체에 장착된 기구에 의해 운전되며 – 운전자는 프로세스를 감독하는 정도의 작업만 하면 된다. 예를 들어서 감자 수확용 기계는, 통합된 센서를 이용하여 감자 밭의 이랑 위치를 검출하고 운전자의 조종을 받지 않아도 자동적으로 이랑을 따라 움직이도록 트랙터에 명령을 전송한다.

수확용 기계는 또한 자체의 용량 활용을 최적화하기 위해 얼마나 빨리 움직여야 하는지를 계산하고 이 정보를 트랙터에 보낸다. 전체 집합체의 속도는 장치의 현재 생산 속도에 따라서 자동적으로 조정된다1. 이것은 모두 농업 전자 공학 재단(Agricultural Industry Electronics Foundation: AEF)에 의해 개발된 트랙터 기구 관리(Tractor Implement Management: TIM)라 불리는 표준에 의해 가능하게 되었다.

필수적인 고성능 필드버스
TIM 표준은 현재 트랙터와 기구 사이에서 명령을 교환하기 위한 통신 기반 구조로써 ISOBUS를 정의한다. 이것은 기구로 하여금 동력 인출 장치, 링크 시스템, 운전 속도, 조향 각 및 유압식 밸브와 같은 특정 트랙터 기능을 제어할 수 있도록 한다. 농부의 이점은 명확하다. 지능형 기기는 작업을 완료하기 위해 가장 효율적인 방식을 자동으로 찾아내고 운전자에 대한 부담을 현저히 경감시킨다2.

전형적인 기계 시스템 구조
전형적인 기계 시스템 구조3: 여러 가지 컴포넌트는 광범위한 케이블 배선이 요구되는 상이한 프로토콜로 통신한다. POWERLINK는 모든 것을 단일 프로토콜로 처리하기 때문에, 케이블 배선은 크게 단순화된다.

지속적으로 증가하는 요구 사항에 직면하여, CAN 기반의 ISOBUS 시스템은 그의 잠재력의 한계에 도달하였다. 상황은 점점 더 많은 수의 제조사들이 중기와 농업용 차량에 분산식 전기 드라이브 기술을 설치하고 있다는 사실에 의해서도 조금도 나아지지 않는다. 성능 병목 현상을 완화하기 위해, AEF는 현재 표준형 이더넷을 기반으로 하는 고속 ISOBUS를 연구하고 있다.

그러나 운반 기기가 직면하고 있는 도전의 전체적 범위는, 버스 성능의 문제를 벗어난다. 이러한 어플리케이션의 전형적인 시스템 구조는 30대의 제어 장치, 복수의 운전원 터미널 및 100개 이상의 센서가 관련될 수 있고, 이들은 모두 7개의 상이한 필드버스 네트워크 상에서 통신한다. 여기에는 3,000 미터 이상의 케이블이 요구되고, 무게가 100킬로그램도 넘는다. 케이블 배선만 줄여도 생산성, 신뢰성, 내구성 및 연료 소비에서 큰 향상을 달성할 수 있다.

고속 백본(backbone) 네트워크로써 이상적인 POWERLINK
차량과 운반 기기가 필드버스에 대해 갖는 요구는 산업용 기계류의 요구와 크게 다르지 않다. 기본적인 것은 최대 대역폭, 밀리 초 미만의 정밀도를 갖는 실시간 능력, 다중 마스터 구조 및 자유로운 토폴로지의 선택이다. 그 밖에 핫 플러깅(hot plugging)과 SIL 3 / PL e까지의 안전 관련 신호의 전송과 같은 기능도 있다.

차량 어플리케이션이 다른 점은 확장된 온도 범위, 내습성 및 ESD 보호와 같은 혹독한 운전 조건에 대한 까다로운 요건이다. 그것이 바로 BroadR-Reach 표준에 대한 지원 또한 필수적인 이유이다. 이것은 그의 단일 트위스티드 페어(twisted pair) 구조로 케이블 배선 중량 감소에 결정적 역할을 한다. 이러한 요건들 하나하나는 POWERLINK에 의해 충족되며, 그 결과 차량 자동화를 위한 이상적인 솔루션이 된다4.

POWERLINK의 잠재력을 입증한 로드 카(load car)
트랙터 시험을 위해 새로이 설계된 로드 카를 가지고, 독일 바바리아에 기반을 둔 개발 서비스 제공사 enders는 POWERLINK를 특징으로 하는 차량 자동화 솔루션이 어떠한 모습을 보일 수 있는지에 대한 시범을 보였다. ‘가시적 개발 결과’는 enders의 약속이며 – 이 회사가 무(無)에서부터 고객의 규격을 개발하고 구축한 완전한 기능을 발휘하는 원형(prototypes)을 가리킨다. 이 회사의 임베디드 시스템(embedded system) 사업 부서를 이끄는 Thomas Rogalski는 말한다. “우리의 선도적 농업 기기와 상업용 차량 제조사들과의 다년간에 걸친 협력을 통해 이 분야에서 귀중한 전문 지식을 쌓을 수 있었습니다.”

로드 카와의 통신을 위해, enders는 POWERLINK에 의존한다.
로드 카와의 통신을 위해, enders는 POWERLINK에 의존한다. (자료 제공: enders)

트랙터 제조사들을 위해, enders는 최근 시험 중에 복잡한 부하 시나리오를 시뮬레이션하는 데 이용되는 차세대 로드 카를 개발하였다. 이전 세대 제품은 고정된 부하 설정의 수동 조정으로 제한된 데 비해, 신형 로드 카는 실시간으로 견인 장치의 거동을 시뮬레이션하기 위해 빈틈 없이 자동화된 부하 조정을 제공한다. 이것은 자립형 견인 차량 상에 완전한 기반구조와 함께 장착되어 있는 500 kW의 와류 제동기(eddy current brake)에 의해 가능해진 것이다. 시험 중 생성된 데이터는 트랙터 성능의 모든 측면을 최적화하는 데 이용될 수 있다.

모든 시스템에 대한 완전한 접근성을 갖춘 사용자 인터페이스
“필드버스를 선정할 때, 우리의 주요 관심사 중 하나는 운전석의 기사가 로드 카에 의해 제공되는 모든 관련된 측정과 제어 파라미터에 접근할 수 있음을 보장하는 것입니다.” Rogalski는 설명한다. 그 밖의 고려사항에는 비상 정지 신호와 같은 안전 관련 데이터의 직접 통합과 함께 센서가 추가로 필요한 곳마다 센서를 추가할 수 있는 유연성이 포함된다.

POWERLINK는 또한 enders가 추가할 것을 계획하고 있는 백업 카메라의 통합도 용이하게 한다. 프로토콜의 비동기 상(相)에 전송되는 카메라의 데이터 패킷은, mapp 기술을 이용하여 동일한 디스플레이 상에서 비디오 스트림으로써 표시될 수 있다. 추가적인 디스플레이나 추가적인 케이블 배선은 필요하지 않다. 이 실례에서 명확히 알 수 있는 바와 같이, POWERLINK와 같은 단일 고성능 필드버스는 이동형 어플리케이션에서 요구되는 장치의 수와 케이블 배선의 양을 극적으로 감소시킬 수 있다.

 
[자료 제공]
1 Horstmann, Jan: Moderne Kommunikationssysteme in der Landtechnik. In: Frerichs, Ludger (pub.) Jahrbuch Agrartechnik 2013. Braunschweig: Institut für mobile Maschinen und Nutzfahrzeuge, 2014. – p. 1–7; http://www.digibib.tu-bs.de/? docid=0055002 (검색 일자 2016-02-21)

2 기능을 발휘하는 ISOBUS; www.aef-online.org/AEF_handfan_EN_10-15_lr, (검색 일자 2016-02-23)
3 캐터필러(Caterpillar), VeCo12_5_HeavyDutyVehicle_2_Weck_Lecture; 전형적인 기계 시스템 구조(Typical Machine System Architecture); http://www.vector.com/portal/medien/cmc/events/commercial-events/VectorCongress 2012/VeCo12 5 HeavyDutyVehicle 2 Weck, (검색 일자 2016-02-23)
4 이동형 기기에 대한 높은 속도(High speed for mobile equipment), automotion 3/16

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