Development of the Winch System Model for HILS of the Winch Control System

해상크레인용 윈치 제어시스템 HILS 구축을 위한 윈치 시스템 모델 개발

Abstract

The floating crane is used to lift the heavyweight on the ocean. The floating crane has a winch system for lifting the heavyweight and the system is controlled by the winch control system. The heavyweight is lifted safely by control of the winch control system. Before the make the control system and controller, there are many restricted conditions to test and validate at design and development steps. In order to solve the problems, commonly use the HILS (Hardware-In-the-Loop-Simulation). HILS is the method of test and validation for the hardware control system. It can be composed of the control system in hardware with surrounding environments which is a virtual model. In this study, we developed the winch system model for HILS of the 150t winch control system in a floating crane. Through this simulation and winch model, it can be applied to HILS for the winch control system.

1. 서론

해상크레인 (Floating crane)은 바지선(Barge)이 나 반잠수식, 고정식 해양구조물에 설치되어 해상에서 무거운 중량물을 이동, 하역하기 위해 사용되는 크레인을 말한다. 해상크레인은 해상 건설현 장, 조선소, 심해 구조물 설치 작업 등 폭넓은 영역에서 활용되고 있으며 육상크레인보다 규모가 크고, 더 무거운 중량물을 이동시킬 수 있기 때문에 그 중요도가 증가하고 있다. 조선소의 경우 육 상크레인인 골리앗 크레인을 사용하는 것보다 규모가 큰 해상크레인 사용 시 작업속도와 생산성을 높일 수 있는 효과를 가진다[1-4].

이처럼 해상크레인의 활용 범위가 다양해지고 중요도가 증가함에 따라 해상크레인 구성 장비들의 개발, 설계, 제작의 완성도와 중요도가 높아지고 있다. 특히, 해상크레인에서 중량물을 들어올 리거나 내려놓기 위해, 필요한 동력을 제공하는 핵심 장비인 윈치 시스템 (Winch System)의 중요도가 가장 높다. 윈치 시스템은 전동기 (Motor), 전 력변환기 (Power converter), 감속기 (Reducer), 제동장치 (Brake) 등으로 구성된 윈치 구동부시스템 (Winch driving system)과 구동부 제어를 위한 윈 치 제어시스템 (Winch control system)으로 구성되어 있다. Fig. 1은 윈치 시스템의 윈치 구동부를 나 타낸다. 제어시스템을 통해 구동부의 전력변환기, 제동장치가 제어되어 전동기를 운전 (Driving)하며 전동기의 정, 역회전 운전 상태에 따라 윈치의 로프 (Rope)가 감기거나 풀려 중량물을 이동시킨다.

Fig. 1 Winch driving system

윈치 시스템의 제어시스템이 실제 해상크레인에 탑재되었을 때 안정적으로 동작하는지에 대한 확인은 엔지니어에겐 매우 중요한 문제이다. 따라서, 제어시스템 제작 전 단계에서 제어 성능을 시험, 검증, 평가 (Test & Validation) 할 수 있어야 한다. 윈치 시스템 구동부의 용량과 규모가 커지고 제어 로직이 고도화될수록 제어시스템 설계, 개발 엔지니어에게 시스템 제작 전 단계에서 제어 성능 시험, 검증, 평가에 대한 필요성이 더욱 높아지고 있다. 하지만, 제어시스템 제작 전 설계, 개발 단계에서 시험, 검증, 평가를 수행하기에 많은 제약이 따른다. 시험을 위해 많은 시간과 비용이 요구되며 극한의 환경 조건에서 시험 수행과 많은 반복횟수의 시험 과정이 요구된다. 이러한 과정들을 통해 제어시스템을 실제 시스템에 탑재하여 운영하기 위한 안정성, 신뢰성을 확보해야 한다.

이런 문제의 해결책으로 HILS (Hardware-In-theLoop-Simulation) 또는 HIL-test 라는 방법을 이 용한다[5-12]. 해상크레인과 관련된 연구는 부유체에 설치된 크레인의 동역학적 모델링, 제어기설계 및 시뮬레이션과 해상크레인을 이용한 중량물 탑재 및 설치 시뮬레이션, 해상크레인 구조 안정성에 관한 연구가 주를 이루고 있어 해상크레인의 윈치 제어시스템의 성능시험, 검증, 평가를 위한 HILS 연구가 필요하다[13-23].

HILS는 검증대상 하드웨어 (Hardware) 제어시 스템과 제어시스템을 제외한 주변 환경을 가상의 모델 (Virtual model)로 구현하여 제어시스템의 성능을 시험, 검증, 평가하는 방법이다. 이 방법을 이용하면 제어시스템을 실제 해상크레인에 탑재하여 실선 테스트를 하지 않고도 가상의 환경에서 제어기 성능을 시험, 검증, 평가할 수 있다 [24]. HILS를 위해서는 3가지 구성요소인 HILS 대상 제어시스템, RT (Real-time) 장비, HIL-simulator가 필요하다. 여기서 HIL-simulator는 제어시스템의 주변 환경을 모사하는 모델로 만들어지며 RT 장비를 통해 제어 시스템과 연결된다. HIL-simulator는 제어시스템이 실제 장비를 제어한다고 착각하게 만들어 제어시스 템의 성능시험, 검증, 평가를 할 수 있게 한다. 이러한 HILS는 검증대상 하드웨어인 제어시스템의 주변 환경을 모사하는 HILS 모델 구현이 중요하다.

따라서, 본 논문에서는 윈치 제어시스템 HILS를 위해 필요한 HIL-simulator용 윈치 시스템 모델 (Winch system model) 개발을 수행하였다. 윈치 시스템 모델을 구동부 모델 (Driving model)과 제어기 모델 (Controller model)로 구성하였고, 실제 윈치 제어시스템 로직 일부를 제어기 모델에 구현하여 구동부 모델을 제어한다. 윈치 시스템 모델의 제어기 모델 신호에 따른 구동부 모델의 정상 동작 유/무를 확인하는 모델 시뮬레이션을 수행하였다. Fig. 1, 2는 개발 중인 실제 윈치 구동부시스템과 제어시스템이다.

Fig. 2 Winch control system

2. 윈치 시스템 모델 개발

본 연구에서 개발한 윈치 시스템 모델은 구동부 모델과 제어기 모델로 구성된다. Table 1에는 구 동부 모델에 포함되는 전동기, 전력변환기, 제동장치, 감속기 & 드럼 (Reducer & Drum)과 주전원 (Main power)의 제원을 나타낸다. Table 2에는 제어기 모델의 입력 신호 (Input signals)와 제어 신호인 출력 신호 (Output signals)를 나타낸다.

Table 1. Components of the winch driving model

Table 2. Input and output components of the winch controller mode

구동부 모델은 윈치의 동력공급을 위한 전동기, 전동기가 필요로 하는 전력 공급을 위한 주전원, 전동기 토크와 회전수 제어를 위한 전력변환기, 전동기 제동을 위한 제동장치, 전동기 고속의 회 전속도와 낮은 토크를 저속의 회전속도와 높은 토크로 변환하기 위한 감속기 & 드럼 모델로 구성되어 있다. 제어기 모델은 구동부 모델들의 신호를 받아 각 구동부 모델 제어를 위한 제어 신호를 생성한다. 제어기 모델의 입력 신호는 전동기 회전속 도, 전동기 온도, 중량물 하중, 운전자 조작 신호, 중량물 위치가 있으며, 출력 제어 신호로는 전동기 On/Off 신호, 제동장치 On/Off 신호가 있다.

윈치 시스템 모델들은 Matlab/Simulink를 활용하여 모델링하였다. 특히, 구동부의 전동기 모델은 d-q axis를 사용한 유도전동기 (Induction motor, Asynchronous motor) 모델이며 Matlab/Simulink 의 라이브러리 모델을 기반으로 본 연구에 맞는 내부 파라메터와 크기, 용량에 대한 값을 조절하여 모델을 구성하였다[25-26]. 모델링에 2대의 유 도전동기가 사용되었으며 전동기 1대당 644 kW 정격출력을 나타낸다. 식(1)은 전동기 모델에 사용된 계산식으로, 전동기 토크 T_e를 통한 전동기 회전자 (Rotor)의 각속도 (Angular velocity) w_m 의 계산식이다.

\(\begin{aligned} \frac{d}{d t} \omega_{m} &=\frac{1}{2 H}\left(T_{e}-F \omega_{m}-T_{m}\right) \\ \frac{d}{d t} \theta_{m} &=\omega_{m} \end{aligned}\)       (1)

T_e는 전동기 1대의 토크, w_m은 전동기 회전 자의 회전 각속도, H는 전동기 회전자와 부하의 관성 상수이다. F는 전동기 회전자와 부하의 마찰계수, T_m은 전동기에 걸려 있는 부하 토크이다. 주전원은 필요로 하는 전력을 제한 없이 공급 가능한 이상적인 전원으로 모델링 하였고, 전력변 환기의 인버터와 DC 전원 생성을 위한 정류기는 일반적인 3상 (3 Phase, 3 φ) IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) 인버터와 전파 정류기를 이용하여 모델링 하였다[26-27]. 인버터는 SVPWM (Space vector pulse width modulation) 제어를 통해 전동기의 회전수와 토크를 조절한다[28-29]. 이러한 SVPWM은 구조가 간단하고 견고하며 가격이 저렴한 유도전동기에 많이 적용되는 제어 방식이다[29]. 제동장치와 감속기는 제동 토크와 감속비를 적용하여 모델을 구성하였다. 감속비가 적용된 드럼의 토크 계산식은 식(2)와 같다.

\(T_{\text {drum }}=2 T_{e} N_{\text {red } 1} N_{\text {red } 2} \eta_{\text {red } 1} \eta_{\text {red } 2}\)       (2)

T_drum는 드럼 토크이고, T_e는 전동기 1대의 토크이며, 계산식에 사용된 유도전동기는 2대이다. N_red1과 N_red2는 감속기 1과 감속기 2의 감속비이고, \(\eta_{red1}\)과 \(\eta_{red2}\)는 감속기1과 감속기2의 감속 효율이다. 제동장치는 전동기 제동용 캘리퍼 브레 이크 (Caliper brake)와 드럼 제동용 밴드 브레이 크(Band brake)가 사용되었다. 전동기 1대당 2개 의 캘리퍼 브레이크가 사용되었고, 드럼은 2개의 밴드 브레이크가 사용되었다. 식(3)은 캘리퍼와 밴드 브레이크의 제동력 계산식이다. T_c는 캘리퍼 브레이크 1개의 제동력이고, F_b는 캘리퍼의 공칭 (Nominal) 제동력, D는 캘리퍼 디스크의 지름, B는 캘리퍼 브레이크 패드의 폭이다. T_b는 밴드 브레이크 1개의 제동력이고, T_{d, max}는 드럼의 최대 토크이다. 라쳇 (Rachet)은 정지된 드럼이 더 이상 회전하지 않게 고정하는 걸쇠 역할을 하는 제동장치이다.

\(\begin{aligned} &T_{c}=F_{b} \frac{(D-B)}{2} \\ &T_{b}=1.75 T_{d, \max } \end{aligned}\)       (3)

Fig. 3은 윈치 제어시스템과 윈치 구동부시스템 구조를 간략히 나타낸 것이다. 제어시스템은 5개의 입력을 받고 2개의 출력 제어 신호를 생성한다. 입력 신호 중 2개의 신호인 중량물 하중, 전 동기 회전속도 신호를 각 장비에서 피드백으로 받는다. 출력 제어 신호 중 전동기 On/Off 신호는 사용자 제어 입력 신호와 함께 전력변환 장치의 입력 신호로 사용된다. 전력변환 장치는 주전원으 로부터 전력을 공급받아, 입력 신호에 맞게 전력을 변환하여 전동기에 공급한다. 이때 전동기는 제동장치의 제동력, 중량물 하중으로 인한 전동기 부하에 맞는 회전속도와 토크를 생산한다.

Fig. 3 Simplified overview of the winch control system

실제 제어시스템의 제어 로직은 PLC (Programmable logic controller)를 이용하여 구현되었고, 조이스틱을 통한 사용자의 윈치 조작이 가능하다. 제어 신호와 각 장비의 상태 신호들은 Ethernet 통신을 사용한다. 통신 모듈에는 장비들의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환해주는 변한장치가 포함되어 있다. 이러한 통신 모듈의 역할을 RT 장비를 통해 구현하므로 본 연구에서는 제외하였다.

Fig. 4는 제어기 모델에 구현한 제어알고리즘을 간단히 나타낸 것이다. 제어기 모델은 Fig. 3의 제어시스템과 같이 5개의 신호를 입력으로 받는다. 이중 전동기1, 2의 회전속도를 이용하여 전동기 2대의 회전속도 차를 제어 로직에 사용한다.

Fig. 4 Control logic of the winch controller model

제어 로직은 5개의 신호인 사용자 조작 신호, 중량물 위치, 중량물 하중, 전동기 회전속도 차이, 전동기 온도를 이용한다. 5개 신호가 각 조건을 모두 만족하면 AND 게이트를 거쳐 전동기 On, 제동장치 Off 신호가 생성되어 전동기가 회전한다. 반대로 5개 신호 중 1개라도 각 조건을 만족하지 못한다면, OR 게이트를 거쳐 전동기 Off, 제동장 치 On 신호가 생성되어 전동기가 정지한다.

제어기 모델은 Matlab/Simulink의 Stateflow 라이브러리를 이용하여 구동부 모델을 제어하기 위한 Fig. 3, Fig. 4 로직을 모델링하였다. Fig. 5는 제어기 모델의 로직을 나타내며, 제어기 모델은 Table 2의 입력 신호를 받아들여, 제어 연산을 거쳐 출력 신호인 제어 신호를 생성한다.

Fig. 5 Winch controller model using Stateflow in Matlab/Simulink

실제 제어시스템 기능 중 일부분을 제어기 모델에 구현하여 구동부 모델의 성능과 정상 동작 유/ 무 확인을 위한 시뮬레이션을 수행하였다. Fig. 6의 윈치 시스템 다이어그램과 시스템 구성 모델들을 이용하여 Fig. 7의 윈치 시스템 모델을 구성하였다.

Fig. 6 Single line configuration diagram of the winch system for the floating crane

Fig. 7 Winch system model with driving and controller model

Fig. 6의 다이어그램에서 점선은 전력의 흐름을 나타내고, 실선은 기계적 출력과 제동장치의 제동력 흐름을 나타낸다. 전동기 2대의 동력은 감속기를 거쳐 드럼으로 전달되며 드럼은 중량물을 들어 올리기에 충분히 큰 토크와 낮은 회전수를 생성한다. 드럼에 감겨있는 로프를 통해 중량물이 이동한다.

윈치 시스템 모델은 2개의 전동기 모델을 포함하고 있으며, 전동기 모델은 서로 동기된 (Synchronous) 상태로 동작해야 하는 특성을 가진다. 동일한 회 전속도, 토크를 생성해야 하기 때문에 두 전동기의 회전속도가 1 rpm 이상 차이나면 제어 로직에 의해 전동기 모델이 정지하게 되어 있다. 또한, 극한 환경 조건에 대한 시험을 수행하기 위해 제어기의 제한조건 등을 모델 사용자가 조절하거나 풀 수 있게 모델링 되었다. 해상에서 사용되는 윈치는 내연기관, 유압 펌프를 이용한 유압 전동기 등을 주로 사용하지만 본 연구에서 개발한 윈치 시스템 모델은 전동기 2대 로 드럼을 직접 구동하는 방법을 사용한다. 또한, 윈치 드럼 제동을 위해 전동기 제동용 캘리퍼 브레이크와 드럼 제동용 밴드 브레이크를 각각 사용하여 제동장치가 2중으로 구성된 특징이 있다. 또한, 개발된 윈치 시스템 모델은 HILS 목적으로 개발되었기 때문에 RT 장비를 이용한 Ethernet 통신을 고려하여, 각 모델의 In/Out은 통신 In/Out 단자로 사용할 수 있다.

3. 시뮬레이션

3.1 시뮬레이션 시나리오

윈치 시스템 모델을 시뮬레이션하기 위해 시나리오를 설정하여 모델에 적용 후 시뮬레이션을 수행하였다. Fig. 8과 같이 전동기 구동 시험을 위 한 전동기 회전수 신호를 윈치 제어기 모델에 입력하여 그에 따른 제어 신호와 윈치 구동부 모델들의 동작을 확인하였다.

Fig. 8 Motor speed scenarios for simulation of the winch system model

전동기 운전조건의 시나리오는 0∼1초 동안 1192 rpm 으로 정회전, 1∼2초 동안 정지, 2∼3초 동안 –1192 rpm 으로 역회전, 3∼4초 동안 500 rpm 정회전, 4초 이후 정지이다. 각 상태에서 전동기 운전조건이 제어기 모델에 입력되면 제어기 모델은 전동기 On/Off 신호, 제동장치 On/Off 신호, 전력변환기 제어 신호를 생성한다. 전동기는 주어진 제어 신호에 따라 회전수와 중량물에 맞는 토크를 생성한다. 시나리오에서 드럼의 로프에 연결된 중량물의 하중은 100 ton 으로 고정하였다.

3.2 시뮬레이션 결과

Fig. 9는 전동기 회전속도 (Motor speed) 시나리오에 따른 윈치 제어기 모델의 출력 제어 신호를 나타낸다.

Fig. 9 Output signals of winch controller model for simulation scenarios

Fig. 9의 위에서 아래 방향 순서로 전동기 On/Off 신호, 밴드 브레이크, 캘리퍼 브레이크1, 캘리퍼 브레이크2, 라쳇 제동 신호이다. 캘리퍼 브레이크1, 2는 각 전동기1, 전동기2의 제동장치이다. 각 제동장치 신호들은 Fig. 8의 전동기 운전조건 (정, 역회전) 시나리오에 만족하는 제어 신 호를 생성하였다. 각 신호들의 값은 1 = 제동 On, 0 = 제동 Off를 의미하고, Brake 신호는 3가지 제동장치 중 하나 이상의 장치가 동작하면 1 (On) 신호를 출력한다.

Fig. 10, 11은 전동기 2대 (Motor1, Motor2)의 회전속도와 토크 (Torque)의 결과이다. 회전속도 결과는 Fig. 8의 전동기 회전속도 시나리오와 일치하는 결과를 보인다. 정격 회전속도인 1192 rpm 과 –1192 rpm 에서 각 전동기의 평균 토크 크기 또한 약 2000 Nm 로 전동기 설계 사양서의 정격 토크 데이터와 매우 유사한 값을 나타내었다. 전동기 2대는 동일한 종류와 사양이기 때문에 회전수와 토크의 결과가 서로 일치함을 알 수 있다.

Fig. 10 Speed and torque of the motor 1 model for the simulation

Fig. 11 Speed and torque of the motor 2 model for the simulation

Fig. 12는 드럼의 회전속도와 토크를 나타내며 Fig. 10, 11의 전동기 회전속도, 토크 그래프 분포와 일치함을 보인다. 전동기 회전속도가 1192 rpm 인 구간에서 드럼의 회전속도는 약 3.23 rpm 으로 설계 사양서의 정격회전 속도인 3.26 rpm 에 가까운 회전수를 나타냈다.

Fig. 12 Speed and torque of winch drum model for simulation scenario

드럼의 평균 토크는 3.23 rpm 에서 약 1400 kNm 로 나타났다. 드럼의 회전수는 전동기 회전수가 감속비의 역수인 약 365.4 배 만큼 감속된 값과 일치하였다. 드럼의 토크 또한, 전동기 2대에서 발생된 토크 합이 감속비의 역수만큼 증가된 값과 일치 하였다.

4. 결론

본 연구에서는 해상크레인에 설치되는 150톤급 윈치의 제어시스템 HILS를 위해 필요한 HILS용 윈치 시스템 모델을 Matlab/Simulink를 이용하여 개발하였다. 윈치 시스템 모델은 윈치 구동부 모델과 제어기 모델로 구성하였다. 윈치 시스템 모델의 구동부 모델과 제어기 모델에 전동기 회전속도 시나리오를 적용하여 모델의 정상 동작 확인 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션을 통한 결과는 다음과 같다.

- 100 ton 의 부하 조건에서 모델의 각 전동기 회전속도는 1192 rpm 이고, 정격 회전속 도에서 평균 토크 크기는 약 2000 Nm 로 나타났다.

- 모델의 드럼 회전속도는 3.23 rpm 이고, 정격 속도에서 평균 토크 크기는 약 1400 kNm 로 나타났다.

결과를 통해, 개발된 모델은 실제 전동기와 드럼의 설계 사양서에 제시된 전동기의 정격 회전속도인 1192 rpm, 드럼의 정격 회전속도인 3.26 rpm 과 일치하였다. 또한, 전동기 2대의 평균 토크 합과 드럼의 평균 토크는 감속비율을 만족하였다. 따라서 윈치 시스템 모델은 실제 윈치 시스템과 가까운 거동 상태를 나타내므로 윈치 제어시스템 HILS를 위한 HIL-simulator 모델로 사용이 가능할 것이다.

감사의 글

이 과제는 부산대학교 기본연구지원사업(2년)에 의하여 연구되었음.