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현대케피코, 차량제어 기능시험기 제작 기간 83% 단축내쇼날인스트루먼트 PXI 기반 모듈화된 CP 테스터 플랫폼으로 효율성 향상
고민석 현대케피코 생산기술1팀 매니저 | 승인 2019.02.15 08:01

현대자동차 계열사이자 자동차 전자제어시스템 전문기업인 현대케피코는 내쇼날인스트루먼트(이하 NI)의 PXI를 사용해 설계-개발-검증-양산의 모든 단계를 단일 플랫폼으로 관리해 효율성을 높일 수 있도록, 차량 제어기 계측 표준화 플랫폼인 CP(Common Platform) 테스터를 개발했다. NI의 PXI 기반 모듈화된 표준 플랫폼을 도입함으로써, 제품별 전용 계측 보드를 설계하고 제작하는 대신 다양한 제품 생산에 적합한 테스트 환경을 구축할 수 있었다.
현대케피코는 CP 테스터를 활용해 200여 개에 달하는 Pin-Out을 가진 차량 제어기의 다양한 기능 테스트를 수행하고, 장비 전체의 수정이 아닌 제어기 요구 조건을 프로그램 수준에서 변경해 각기 다른 요구 조건의 제품도 신속하고 유연하게 측정할 수 있게 됐다. 차량 제어기의 기능을 테스트하기 위해 NI 자동화 테스트 플랫폼을 활용함으로써, 이전 시스템 대비 개발 시간이 1/6 수준으로 단축됐고, 테스트 시간이 15% 단축됨에 따라 시스템 비용을 70% 절감할 수 있었다.

현대케피코는 타 회사에 비해 다양한 제품을 생산한다. 특히 차량 제어기는 차량 전자제어의 핵심 부품으로, 안전에 관여하는 중요한 역할을 하기 때문에 우수한 품질을 유지할 수 있도록 다양한 테스트를 통해 검증이 이뤄져야 한다. 그러나 제어기의 종류와 기능이 다변화되고 최신 기술이 빠르게 적용되고 있어 테스트 환경도 보다 유연하고 신속해져야 하는 상황이다. 따라서 현대케피코는 제어기 기능 시험을 표준화해 R&D, 생산, 품질 파트에서 공통으로 사용할 수 있는 환경을 구성해 시험기 제작기간과 시험기간을 단축하고 제품 품질과 수익성을 향상시키고자 했다.
차량 제어기의 복잡성을 고려할 때 NI PXI 플랫폼이 적합한 이유는 ▲NI PXI 기반 솔루션의 유연성 ▲더미 로드와의 저항과 인덕턴스(Inductance) 테스트 재구성이 가능한 입출력(I/O) 기술 ▲I/O 유연성 증대를 위한 NI 스위치(NI-SWITCH)의 활용 용이성 ▲SENT(Single Edge Nibble Transmission)과 SAE J2716 등의 표준을 준수한 NI FPGA를 통한 I/O 맞춤화 등에 기인했다.
NI의 장비는 글로벌하게 사용되고 있기 때문에, NI 솔루션 기반의 CP-테스터는 전세계 생산공장의 차량 제어기 검사라인에서 활용할 수 있었고, 동기화가 가능한 NI PXI 플랫폼의 적용으로 테스트 시간을 절감하고 신뢰도가 향상됐다. 최초로 적용한 17개의 CP 테스터의 활용으로 현대케피코는 45% 향상된 프로젝트 ROI를 달성했고, 이전 솔루션 대비 약 10억 원(100만 달러)의 비용을 절감할 수 있었다.

[그림 1] 현대케피코 CP 테스터 프로세스 구조

차량 제어기 기능시험 표준화 위한 CP 테스터 플랫폼 개발
현대케피코는 자동차 전자제어시스템 전문 기업으로서, 자동차 파워트레인 제어시스템을 개발하고 생산하고 있다. 주요 생산제품은 차량제어기, 연료분사기, 센서, 모듈이다. 최근 친환경 차량용 제어시스템, 바디와 안전 제어시스템 등 다양한 분야로 사업영역을 확장하며 자동차 전자제어시스템 토털 솔루션 기업으로의 성장 도약을 이행하고 있다.
현대케피코는 한해동안 생산라인에서 수백 종의 제어기를 400만 대 이상 생산하고 있다. 이런 생산라인 설비 중 라인의 효율화, 투자 비용, 제품 품질에 가장 직접적인 영향을 미치는 요소가 기능 시험기다. 이 기능 시험기를 지금까지는 특정 제품에 의존해 사용해 왔다. 하지만 이로 인해 수익성 악화, 과도한 제작 기간, 시험 자유도 부족 등의 문제가 발생해 전사 차원의 표준화된 시험 설비 도입이 필요했다. 뿐만 아니라 장기적인 관점에서 향후 차량 기술의 발전에도 유연하게 대응할 수 있어야 한다는 점을 고려해 다음과 같은 문제에 주목했다.

• 제어기 기능시험의 방대한 영역에 따르는 오류와 데이터 손실과 변형
• 전용 시험기 사용으로 인한 비용 증가와 유연성 저하
• 성능 개선 위한 신기술 도입이 생산 시스템 안정성에 끼치는 영향

이에 현대케피코는 설계-개발-검증-양산의 모든 단계를 하나의 플랫폼으로 관리해 효율성을 높일 수 있도록 차량 제어기 계측 표준화 플랫폼인 CP 테스터를 개발하게 됐다.

품질 향상과 비용 절감을 위한 NI PXI 기반 CP 테스터 플랫폼
현대케피코는 제어기 기능시험의 특성을 고려해 CP 테스터의 다양한 기능을 구상했다. 첫째, 제어기 기능시험은 200개 이상의 I/O 접점과 접점 조합들의 기능 적합여부를 검사하기 위해 방대한 시험 영역이 필요하다. 따라서 시험이 계획, 설계, 검증되고, 생산라인에 적용하는 과정에서 인적, 시스템적 오류에 따라 데이터가 손실되고 변형되는 문제를 해결해야 한다(CP Editor).
둘째, 제품에 특화된 전용 시험기를 사용하면 초기 프로토타입 개발에서 양산까지 과정 에서 발생하는 다양한 설계 변화를 빠르게 시험에 반영할 수 없다. 또한, 전용 시험환경이 구성되면 다품종 생산 라인의 유연성이 떨어지며 이로 인해 관리와 보전 비용이 증가되므로 표준화된 환경이 필요하다(CP 테스터 표준화 보드).
셋째, 방대한 시험 항목을 빠르고 안정적으로 시험하는 것은 제품 품질이나 회사 수익과 직결되는 문제다. 이를 실현하기 위해 생산설비에 신기술을 적용함으로써 지속적인 성능 개선 노력을 기울이고 있다. 하지만 이런 시도가 기존 생산 시스템에 불확실한 영향을 미칠 수 있기 때문에 안정성을 확보해야 한다(CP 테스터 성능 측면, C/T, PXI).
이를 바탕으로 현대케피코는 차량 제어기 기능시험에 최적화된 플랫폼인 CP 테스터를 구축하게 됐다. CP 테스터는 설계-개발-검증-양산의 각 단계에서 시험 사양(Test List)을 하나의 플랫폼으로 관리하고 각 제품의 시험 사양 관리를 CP 서버가 담당한다.
이 때 제어기를 치구(Fixture)에 결합한 후, 서버로부터 제품 시험 사양을 받아 CP 테스터 하드웨어에서 제품별 기능시험을 실행하도록 설계했다. 제품별 시험 사양은 개별 시험 스탭으로 구성되며, 여기에 맞게 애플리케이션이 시험 스텝을 순차적으로 진행한다. 이때 각 시험 스탭은 ①차량 부하 연결 ②차량 통신 ③측정의 과정으로 구성되며 시험의 모든 결과는 다시 서버(CP-Server)에 저장, 관리된다.
과거에는 제어기 기능시험을 위해 각 제품 시험 사양을 분석하고 제품별로 전용 계측 보드를 설계하고 제작해야 하기 때문에 시간과 비용 효율성이 낮았다. 또한 구성 보드 제어를 통합하는 중추적 데이터 흐름이 아날로그 신호에 의존해 진행됐기 때문에 인적, 시스템적 오류에 대응하고 다양한 설계 변화를 빠르고 안정적으로 반영하는 데 어려움이 많았다.
하지만 NI 솔루션을 도입해 통합된 단일 플랫폼을 구축함으로써 이와 같은 문제들을 해결할 수 있었다. NI의 솔루션을 통해 현대케피코는 ROI 46% 증가, 시험기 개발 시간 83% 단축, 가용 측정 범위 15% 증가라는 성과를 달성했으며, 시스템 비용을 이전보다 30% 절감할 수 있었다.

[그림 2] 기존 개발 프로세스와 NI 솔루션이 적용된 CP 테스터 개발 프로세스 비교

전용 시험기 사용에 따른 호환성 문제 해결
차랑 제어기 생산업체는 특정 제품이나 특화된 장비를 사용하는 경우가 대부분이다. 제품 맞춤형 전용 시험기를 사용할 경우, 초기 프로토타입 개발에서 양산 단계까지의 과정에서 발생하는 다양한 설계 변화를 빠르게 시험에 반영하는 데 한계가 있다. 또한 전용 시험환경 구성은 유연성이 낮고, 높은 관리와 보전 비용이 요구된다. 현대케피코는 NI PXI 소프트웨어로 정의되는 모듈화된 표준 플랫폼으로 다양한 제품에 적합한 테스트 환경을 구축했다.
현대케피코는 기존에 전용보드를 사용하면서 개발 소요시간 증가, 호환부품 부재로 인한 기술과 재고 문제, 내부 펌웨어 사용으로 인한 개발 알고리즘 블랙박스화 등의 문제를 겪고 있었다. 이에 NI PXI 기반 하드웨어를 사용하게 되면서, 개발 소요시간을 단축하고 호환성을 증가시키며, API 기반 소프트웨어 개발을 통한 알고리즘 화이트박스화를 달성할 수 있었다.
CP 테스터에는 NI PXI 상 크게 5가지 하드웨어 제품군을 총 24개 사용했으며, 각 하드웨어는 NI에서 제공하는 소프트웨어 .NET API를 통해 제어된다. 이 때, 시험기 중앙제어는 PC를 통해 이뤄지며 PC는 PXI에 장착된 각 보드를 MXI 보드를 통해 제어한다. 여기에 NI PXI와 MXI를 사용함으로써 PXI 내 각 보드를 용이하게 제어할 수 있다. PXI 버스는 다양한 장비들 간의 통신과 아날로그 신호 연결을 동기화해 수천, 수만 번에 달하는 테스트 시간을 줄이는 데 크게 기여하고 신뢰도를 향상시켰다.
또한 NI MAX를 통해 물리적, 논리적으로 연결된 매트릭스(Matrix) 상태를 직관적으로 이해할 수 있게 됐다. PXI에 다중 매트릭스를 삽입하면 간편한 확장이 가능하다. NI SMU는 신뢰할 수 있는 고해상도 SMU 성능을 보장하며, NI FPGA를 통해 고속 신호를 고해상도로 출력할 수 있어 외부 조건 생성을 제공한다. 제어기 통신을 위한 NI CAN은 CAN과 CAN FD를 지원하며, CAN 버스 내 신호 모니터링을 가속화한다. NI DAQ는 고해상도 신호 트리거링을 수행하며, DMM을 통해 넓은 범위의 신호를 측정한다.

[그림 3] NI PXI와 NI MXI 구조

유연한 테스트 환경 구축과 신기술 도입 안정화
다종의 제어기 하드웨어를 단일 시스템에서 유연하게 시험할 수 있는 일반화된 플랫폼을 개발하는 일은 매우 까다로운 과정이다. 예를 들어 가솔린, 디젤, 수소전기차의 제어기는 그 특성에 따라 차량 부하나 출력 신호 특성이 상이하다. 현대케피코는 과거 방대한 시험 기록을 수집, 분석해 표준 차량 부하를 선정하고, 이를 기준으로 시험 사양을 구축하도록 개발했습니다. 또한, 제어기 생산라인에서 제품 변경에 따라 시험 환경이 빠르게 변경될 수 있도록, 이를 구조화화 제품 변경에 소요되는 시간을 최소화했다.
이 과정에서 NI FPGA를 통해 차량 제어기에 인가될 수 있는 고속의 다변파형(Waveform) 생성과 적용에 성공했다. 과거에 아날로그 출력보드를 사용할 때는 사양에 대한 검토와 개발 시간이 오래 소요됐으나, 유연한 FPGA 처리와 해당 API를 통해 단시간에 문제를 해결했다.
NI FPGA는 차량외부에서 제어기로 인가되는 임의 파형(CKP, CMP, SENT)을 생성한다. 제어기 기능 시험에 사용되는 파형의 일반화된 수식과 계수를 변수화해, NI FPGA 컴파일러로 C 언어 인터페이스를 생성한다. 그리고 이를 .NET에서 호출할 수 있도록 모듈화할 수 있다. 이처럼 새롭게 적용이 요구되는 기술에 대해 일반화된 방식으로 시스템을 개발하게 됐다.

[그림 4] NI FPGA 구조


그리고 차량 제어기는 종류에 따라, 입출력이 다양하게 할당된다. 따라서 200개 이상의 제품 Pin-Out을 임의의 시점에 +/- 로 연결할 수 있는 매트릭스가 필요하다. NI MAX는 NI .NET API와 드라이버를 사용해 제어기 핀의 입출력 매트릭스 주소를 할당하고 제품별로 설정하고 관리한다. 즉, 매트릭스가 사전에 정의된 각 시험 단계의 연결 정보를 기반으로 전환되기 때문에 스위칭 연결 시간 감소, 실시간 연결 정보 모니터링과 제품 기종 변경에 따른 설정 시간을 감축해 효율성과 유연성 모두를 확보할 수 있게 됐다.

[그림 5] 매트릭스 구조

표준화 플랫폼의 적용 분야 확대로 기업 생산성 증대 기여
현대케피코는 차량 제어기 검사라인에 도입해 ‘기술 내재화’와 ‘비용 절감’이라는 목표를 달성한 CP 테스터 플랫폼을 앞으로는 차량 센서와 액츄에이터 양산 검사라인에도 확대 적용할 예정이다. 즉, 현대케피코 부품 생산라인에 표준화된 플랫폼 도입을 확대 적용할 계획이며, 향후 개별 양산 검사라인을 넘어 회사 전체에 도입해 회사 전체의 생산성 증대를 추구할 계획이다.
또한 CP 테스터 플랫폼 내에서 제품 테스트 리스트를 설계-개발-검증-양산 과정으로 공유하는 것뿐만 아니라, 빅데이터 기법을 적용해 생산성과 품질 확보에도 집중하면서 개발-검증-분석의 큰 플랫폼을 완성할 계획이다. 이와 더불어 보다 안정되고 더욱 향상된 제품 테스트와 분석을 위해 NI 소프트웨어와 PXI 플랫폼을 보다 다양하게 활용할 예정이다. 이에 지속적으로 NI와 지속적으로 협업함으로써 양사 간의 상호 협력 관계를 추구해 나갈 계획이다.

글 | 고민석 현대케피코 생산기술1팀 매니저, minsuk.ko@kefico.co.kr

#현대케피코#내쇼날인스트루먼트#NI#PXI#테스터#공장자동화#시험기

고민석 현대케피코 생산기술1팀 매니저  minsuk.ko@kefico.co.kr

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