[인더스트리뉴스 최종윤 기자] 차체 특성은 차량의 성격을 형성하고 궁극적으로 브랜드의 정체성을 결정한다. Mercedes-Benz(메르세데스 벤츠)는 개발 중 여러 테스트 벤치에서 차체 특성을 확인하면서 모든 것을 철저히 검토한다. Mercedes-Benz와 시스템 통합업체인 DynoTec Prüfstandstechnik(이하 DynoTec)은 레트로핏을 위해 Beckhoff의 EtherCAT, TwinCAT 및 ELM 시리즈 정밀 측정 터미널을 활용했다.

독일 Sindelfingen(진델핑겐)에 위치한 메르세데스 기술 센터(MTC)의 차축은 도로 테스트 및 시뮬레이션과 병행해 네 개의 테스트 벤치에서 최고 정밀도로 검사한다. 목적은 프로세스를 검증하고 차량 특유의 이상 현상을 분석하며, 이를 유발하는 부품을 식별하는 것이다. 이를 위해 개발자들은 힘·변위 및 토크를 가할 때 차량의 반응을 고정밀도로, 재현 가능한 방식으로 측정한다. 이로써 차체의 서스펜션, 운동학 및 엘라스토 운동학을 신속하고 신뢰성 있게 기록할 수 있다. 추가적으로 이 데이터를 특징 그래프, 특징 곡선 및 특징 데이터 세트의 형태로 객관적으로 설명할 수 있다. 약 90개의 매개변수를 차량의 디지털 트윈과 비교한다. 이는 중요한 주행 특성 영역에서 개발 차량·프로토타입과 디지털 개발 프로세스를 보호한다.

Mercedes-Benz 차체 분석팀 Uwe Lochner 매니저는 “테스트 벤치는 Mercedes-Benz 차량 개발 프로세스의 필수적인 부분이며, 우리는 부품 설계, 시뮬레이션, 테스트 벤치 및 도로가 조화를 이루도록 보장한다”고 강조했다.

차체를 검사하기 위해 차량은 프론트 액슬 잭을 사용해 테스트 벤치에 설치된 후, 네 개의 유압잭 위에 위치시키고 고정한다. 그런 다음 차량의 액슬을 매우 정밀하게 로드하고 측정한다.

DynoTec의 Walter Selg 레트로핏 설계 및 구현 책임자는 “우리가 정밀성에 대해 이야기할 때는 0.1mm의 거리와 0.1° 이하의 각도를 2Hz 미만의 고샘플링 속도로 측정하는 것을 의미한다”고 설명했다. 자극 과정 동안 많은 센서가 변위, 각도, 힘 및 토크를 기록한다. 모든 데이터는 Beckhoff의 PC 기반 제어를 사용해 수집되며, 테스트 벤치의 모니터에 실시간으로 표시돼 운영자가 확인할 수 있게 하고, 동시에 데이터베이스 시스템으로 전송된다.

Walter Selg은 “테스트가 종료된 후, 모든 측정값은 자동으로 처리되며, 모든 한계 초과는 결과에 표시된다”고 전했다. 이러한 결과를 바탕으로 Mercedes-Benz 차체 분석팀은 차량이 추가 테스트를 위해 승인될지, 아니면 추가 분석이나 기계적 수정이 필요한지를 결정한다.

여러 단계로 개조 진행

Daimler에서 개발한 신호 처리 컴포넌트인 하이드로맷(Hydromat)을 사용해 선택된 테스트 벤치의 일부를 반복적으로 업데이트한다. 하이드로맷은 설정값 입력, 측정값 처리, 출력 단계 및 모니터링 기능을 갖춘 정교한 테스트 벤치를 위한 모듈형 제어 시스템이다. 2000년대 초반, 테스트 벤치의 제어 기능은 dSpace의 RCP(rapid control prototyping) 시스템으로 아웃소싱됐다. 이후 남아있는 하이드로맷 기능에 대한 내부 개발이 중단되고, 제어 시스템의 예비 부품을 조달하는 것이 이전과 마찬가지로 어려워지자, Mercedes-Benz는 DynoTec에 테스트 벤치를 위한 통합 자동화 솔루션의 설계 및 구현을 의뢰했다. 현대화의 중심 전제는 테스트 벤치의 모듈식 개념을 유지하는 것이었다.

Uwe Lochner는 “우리의 첫 번째 접근 방식은 가능한 많은 하이드로맷 기능을 포함한 시리즈 제품을 시장에서 찾는 것이었다”고 말했다. 또 최대 30m 길이의 아날로그 신호선을 교체할 필요가 있었다. Uwe Lochner는 “하이드로맷을 대체할 시리즈 제품은 찾지 못했지만, Beckhoff에서 EtherCAT 터미널, 제어장치 및 개발 환경으로 구성된 유망한 개방형 자동화 플랫폼과 생태계를 발견했다”고 전했다. 다른 중요한 기준은 EtherCAT 프로토콜의 개방성이었다. 이는 부품을 위해 Beckhoff에만 의존할 필요가 없다는 것을 의미했다.

또한 RCP 시스템과의 EtherCAT 인터페이스도 존재했다. DynoTec의 Rainer Fischer 매니징 디렉터는 “우리는 분산형 데이터 로깅과 디지털 측정 신호 전송을 제공하는 테스트 벤치 개념을 구현할 수 있는 기회를 얻었으며, 배선 및 신호 품질 측면에서 가능한 모든 이점을 누릴 수 있었다”고 강조했다. 이 개념을 검증하고 검토하는 과정에서 DynoTec은 여러 가지 문제를 조사했다. 구체적으로 △RCP 시스템을 통합하기 위한 이상적인 결합 방법은 무엇인가? △다양한 제조업체의 AD/DA 변환기의 신호 품질은 현재 시스템과 어떻게 비교되는가? △구성에 따른 RCP 시스템 작업 런타임은 어떻게 되는가? 등이다.

기존의 전통적인 중앙집중식 PLC 기술은 네 개의 잭에 EtherCAT 터미널을 장착한 분산형 제어 캐비닛으로 대체했다. 제어 캐비닛에는 x, y, z 방향으로 잭을 조정하고, z축을 중심으로 회전시키기 위한 측정값 취득 및 서보 밸브 제어를 위한 구성요소를 포함했다. PLC 작업과 관련된 HMI는 CX5140 임베디드 PC에서 실행한다. 고성능 하드웨어는 CP2219 멀티터치 내장 패널PC에서 시스템 상태와 오류 이력을 자세히 시각화할 수 있게 한다. 측정은 C5240 19인치 슬라이드인 산업용 PC에서 수행하고 시각화한다. TwinCAT 3 HMI Server(TF2000) 소프트웨어는 시각화 기능을 지원한다. 테스트 벤치에 있는 모든 컴퓨터는 TwinCAT ADS를 통해 상위 운영 컴퓨터에 연결한다. 전체 시스템에서 Beckhoff 제어 시스템은 마스터 역할을 하며, UDP 통신을 통해 RCP 시스템을 트리거해 높은 수준의 시간 정밀도와 제어 품질을 달성한다.

고해상도와 샘플링 속도

DynoTec과 Mercedes-Benz가 결정적인 요인으로 꼽은 것은 ELM3xxx 측정 터미널이 제공하는 높은 샘플링 속도, EtherCAT을 통한 빠른 데이터 전송 속도, 그리고 네 개의 유압 잭에서 직접 간단하고 콤팩트하며 모듈형으로 데이터 로깅을 할 수 있다는 점이었다. Rainer Fischer는 “전반적으로 전통적인 PLC 작업과 정교한 측정 기술을 통합하는 우리의 표준화된 시스템 기술은 상당한 비용 절감을 보장한다”라고 요약했다. 프로젝트를 담당한 Beckhoff Dieter Völkle 매니저도 “이는 테스트 벤치가 측정 기술에 요구하는 높은 대역폭과 해상도 요구 사항을 다룰 때도 마찬가지”라고 덧붙였다.

테스트 실행 중 시스템은 최대 136개의 측정 채널을 각각 5 ksps(옵션으로 10 ksps)로 동기화해 기록한다. 이는 총 샘플링 속도 680ksps에 해당한다. 추가적으로 각각 5 ksps의 36개의 목표값 또는 출력 채널과 100sps로 기록되는 약 300개의 사후 진단 데이터 채널이 있다. 또한 각 테스트 벤치에는 외부 신호를 위한 측정 박스가 있다. 각 박스에는 특수 측정 기술을 위한 16개의 아날로그 입력과 16개의 아날로그 출력이 있다. 이러한 출력은 차량에 설치된 측정 기술과 함께 출력을 동기화해 어떤 측정 채널이든 제공할 수 있다.

테스트 벤치에서의 공간과 시간은 항상 부족하다

콤팩트한 EtherCAT 터미널은 신호 로깅을 더 쉽게 하고 필요한 공간을 줄여준다. 제어 캐비닛은 이제 훨씬 더 명확해져서 신속한 문제 해결과 결함 수정을 용이하게 한다. Uwe Lochner는 “우리는 테스트 벤치에서 다섯 개의 컴퓨터 제어 캐비닛 중 하나를 절약할 수 있었다”라고 말했다. 차량 테스트에 있어서 공간뿐만 아니라 시간 요소 역시 중요하다. 여기서도 PC 기반 제어의 모듈형 시스템 구조는 독특한 이점을 제공한다. 반복 효과 덕분에 다른 테스트 벤치를 전환하는 과정이 훨씬 빨라졌다. DynoTec의 Rainer Fischer는 “첫 번째 테스트 벤치와 비교했을 때, 마지막 테스트 벤치를 전환할 때 가동 중단 시간을 30% 이상 줄일 수 있었다”라고 전했다.

다음 확장 단계로 TwinCAT Analytics Logger를 사용할 계획이기 때문에 네 개의 테스트 벤치에서 측정된 데이터를 향후 후처리를 위해 편리하게 액세스할 수 있게 된다. 실시간 데이터 로거는 구성하기 쉬우며 모든 측정 데이터를 중앙 저장소에 스트리밍한다. 이는 또한 모든 테스트 벤치에서 후처리를 단순화한다. TwinCAT Analytics를 사용하면 기록된 데이터와 실시간 측정 데이터를 온라인에서 분석할 수 있다.

테스트 벤치 전문업체인 DynoTec에게 있어서 이 프로젝트는 매우 까다로운 측정 기술과 제어 작업을 통해 EtherCAT 측정 터미널과 PC 기반 제어로 높은 요구 사항을 충족할 수 있음을 입증했다. Walter Selg는 “확장 가능한 Beckhoff 플랫폼은 표준화된 시스템으로 모든 규모의 프로젝트를 처리할 기회를 제공한다”라고 말했다. 또 다른 프로젝트에서 DynoTec은 ELM3602 EtherCAT 터미널을 사용해 50 ksps 샘플링 속도로 삼축 IEPE 진동 센서의 1/3 옥타브 밴드 분석을 구현했다.

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