전기지게차 시스템에서의 CANopen 설계 및 적용 경험: 15년간의 전문 여정

안녕하세요. 라이선스쩐입니다.

저는 간단히는 지게차 설계를 오래했던 엔지니어입니다. 지금도 비슷한 종류의 업무를 하고 있지만, 오랜 기간의 업무 내용과 경험을 정리하고 싶어서 차근차근 정리 해 보고 있습니다.

 

서론: CANopen과의 만남

산업용 전기지게차 제어 시스템 개발 분야에서 15년간 일하면서, 저는 자동화 시스템의 신경망이라 할 수 있는 CANopen 프로토콜의 발전과 적용 과정을 가까이에서 지켜봤습니다. 2008년 처음 이 분야에 발을 들였을 때만 해도 대부분의 지게차 시스템은 독자적인 CAN 프로토콜을 사용했고, 상호 호환성은 꿈도 꾸기 어려웠습니다. 그 시절 제가 참여했던 첫 프로젝트는 3톤급 전기지게차의 제어 시스템을 재설계하는 것이었는데, 여기서 저는 CANopen의 가능성을 처음 발견했습니다.

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CANopen 도입 이전: 독자 프로토콜의 한계

초기 경력 시절인 2008년부터 2010년까지, 저는 주로 독자적인 CAN 프로토콜을 사용하는 시스템을 다루었습니다. 당시 우리 회사의 전기지게차는 다음과 같은 문제점들을 안고 있었습니다:

1. 호환성 부재: 각 부품 공급업체마다 다른 통신 프로토콜을 사용해 통합이 어려웠습니다.
2. 개발 효율성 저하: 새로운 기능 추가시 매번 통신 프로토콜을 수정해야 했습니다.
3. 유지보수 복잡성: 문제 발생 시 진단이 어렵고 시간이 많이 소요되었습니다.
4. 확장성 제약: 새로운 구성요소를 추가하거나 시스템을 확장하는 데 많은 제약이 있었습니다.

특히 기억에 남는 사례는 2009년 겪었던 심각한 현장 문제입니다. 당시 대형 물류센터에 공급한 15대의 지게차에서 간헐적인 통신 오류가 발생했는데, 독자 프로토콜의 특성상 문제 원인을 찾는 데만 3주가 소요되었습니다. 이 경험은 표준화된 통신 프로토콜의 필요성을 절실히 느끼게 한 계기가 되었습니다.

 

CANopen 도입 과정: 첫 번째 전환 프로젝트

2010년, 우리 팀은 회사 최초로 CANopen 기반 지게차 제어 시스템 개발 프로젝트를 시작했습니다. 당시 5톤급 신형 리튬배터리 지게차 개발이 목표였고, 저는 통신 아키텍처 설계를 담당했습니다.

 

초기 설계 단계에서의 도전

CANopen 도입 초기에는 여러 어려움에 직면했습니다:

1. 전문 지식 부족: 팀 내 CANopen 전문가가 없어 학습 곡선이 가파랐습니다.
2. 적합한 개발 도구 선정: 당시 시장에 있던 CANopen 개발 도구들은 대부분 자동차 산업용이었고, 산업용 장비에 맞는 도구를 찾기 어려웠습니다.
3. 레거시 시스템과의 통합: 기존 독자 프로토콜 시스템과의 호환성 유지가 필요했습니다.

 

첫 CANopen 시스템 구현

첫 CANopen 시스템은 다음과 같은 구조로 설계되었습니다:

• VCU (Vehicle Control Unit): NMT 마스터, SYNC 생성, 전체 시스템 조율
• 모터 드라이브: 구동 모터 제어 (CiA 402 프로파일 적용)
• 유압 시스템 제어 모듈: 리프트 및 틸트 제어
• BMS (Battery Management System): 배터리 상태 모니터링
• 디스플레이 유닛: 운전자 인터페이스
• IO 확장 모듈: 각종 센서 및 스위치 인터페이스

이 프로젝트에서 가장 어려웠던 부분은 PDO 매핑 최적화였습니다. 처음에는 모든 데이터를 빠른 주기로 전송하도록 설계했으나, CAN 버스 부하가 70%를 넘어 안정성 문제가 발생했습니다. 문제 해결을 위해 데이터 특성에 따른 차별화된 전송 주기 설정과 이벤트 기반 전송 방식을 도입했고, 결과적으로 버스 부하를 35% 수준으로 낮추는 데 성공했습니다.

이 첫 프로젝트는 2011년 중반에 완료되어 시장에 출시되었고, 예상보다 훨씬 안정적인 성능을 보여주었습니다. 특히 진단 기능이 강화되어 현장 문제 해결 시간이 평균 60% 단축되는 성과를 거두었습니다.

 

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CANopen 시스템 고도화: 2012-2015

첫 프로젝트의 성공을 바탕으로, 2012년부터는 CANopen 시스템을 더욱 고도화하는 작업에 착수했습니다. 이 시기에 저는 R&D 팀의 CANopen 아키텍처 책임자로 승진하여 다음과 같은 개선 작업을 주도했습니다:

 

SDO 접근 최적화

초기 시스템에서는 구성 변경을 위한 SDO 접근이 비효율적이었습니다. 제가 개발한 SDO 접근 최적화 방식은 다음과 같습니다:

• 블록 전송 도입: 대용량 파라미터 업데이트 시 블록 전송 방식 적용
• 부트로더 개선: SDO를 활용한 효율적인 펌웨어 업데이트 시스템 구현
• 접근 제어 메커니즘: 중요 파라미터에 대한 무단 변경 방지 시스템 구현

실제 사례로, 2013년에는 현장에서 운용 중인 50대 지게차의 파라미터를 원격으로 업데이트하는 프로젝트를 진행했습니다. 최적화된 SDO 접근 방식 덕분에 기존 방식보다 75% 빠른 속도로 업데이트를 완료할 수 있었습니다.

 

NMT 상태 관리 고도화

시스템 안정성 향상을 위해 NMT 상태 관리 시스템을 개선했습니다:

• 단계적 시작 시퀀스: 중요도에 따른 노드 시작 순서 최적화
• 오류 복구 메커니즘: 일부 노드 오류 발생 시에도 제한적 기능 유지 가능하도록 설계
• 자가 진단 시스템: 시동 시 각 노드의 상태를 자동 점검하는 메커니즘 구현

이 개선으로 시스템 초기화 시간이 평균 3.2초에서 1.8초로 단축되었고, 부분적 오류에도 작동을 유지하는 견고성이 크게 향상되었습니다.

 

EMCY 처리 시스템 구축

응급 상황 대응을 위한 포괄적인 EMCY 처리 시스템을 구축했습니다:

• 계층적 오류 분류: 심각도에 따른 오류 코드 체계 확립
• 특화된 복구 프로세스: 오류 유형별 자동 복구 프로세스 구현
• 로깅 시스템: 시간 순서에 따른 오류 기록 시스템 구현

2014년 겨울, 극한 저온 환경(-25°C)에서 운용 중인 지게차 플릿에서 간헐적 제어 오류가 발생했을 때, EMCY 로그 분석을 통해 특정 센서의 저온 오작동 패턴을 발견하여 빠르게 대응할 수 있었습니다. 이는 개선된 EMCY 시스템의 가치를 입증한 사례였습니다.

 

다중 공급업체 환경에서의 CANopen 통합: 2015-2018

2015년부터는 다양한 공급업체의 부품을 통합하는 과제에 직면했습니다. 이 시기에 저는 여러 공급업체와 협력하여 CANopen 호환성 문제를 해결하는 경험을 쌓았습니다.

 

EDS 관리 시스템 개발

각 부품의 Electronic Data Sheet(EDS) 관리를 위한 시스템을 개발했습니다:

• 중앙 EDS 저장소: 모든 구성요소의 EDS를 관리하는 데이터베이스 구축
• 호환성 검증 도구: 새로운 부품 도입 시 자동 호환성 검증 시스템 개발
• DCF(Device Configuration File) 자동 생성: 시스템 설정에 따른 DCF 자동 생성 도구 개발

이 시스템 덕분에 새로운 공급업체 부품을 시스템에 통합하는 시간이 평균 15일에서 3일로 단축되었습니다.

 

인터페이스 레이어 개발

서로 다른 공급업체의 CANopen 구현 차이를 흡수하기 위한 인터페이스 레이어를 개발했습니다:

• 적응형 PDO 매핑: 다양한 PDO 구조에 대응하는 유연한 매핑 메커니즘
• 프로토콜 변환 모듈: CANopen과 독자 프로토콜 간 변환 지원
• 표준화된 API: 애플리케이션 레이어에 일관된 인터페이스 제공

2016년에 진행한 대형 프로젝트에서는 5개 다른 공급업체의 구성요소를 통합해야 했는데, 인터페이스 레이어 덕분에 예상 개발 기간보다 30% 빠르게 프로젝트를 완료할 수 있었습니다.

 

필드 테스트 자동화

CANopen 시스템의 현장 검증을 위한 자동화된 테스트 시스템을 개발했습니다:

• 자동 노드 검색: 네트워크의 모든 노드를 자동으로 식별하고 검증
• 통신 부하 테스트: 다양한 부하 조건에서 시스템 안정성 검증
• 오류 주입 테스트: 의도적 오류 주입을 통한 복원력 검증

이 테스트 시스템은 2017년부터 모든 신규 지게차 모델의 출하 전 검사에 적용되어, 현장 문제 발생률을 85% 감소시키는 성과를 거두었습니다.

 

고급 응용: 2018-현재

최근 몇 년간은 CANopen의 고급 기능을 활용한 혁신적인 시스템 개발에 집중했습니다.

 

분산 제어 아키텍처

기존의 중앙집중식 제어에서 벗어나 분산 제어 아키텍처를 구현했습니다:

• 자율 서브시스템: 각 서브시스템이 자체적으로 결정을 내리는 구조 구현
• 동적 자원 할당: 부하에 따라 통신 자원을 동적으로 할당하는 메커니즘
• 협력적 제어: 여러 제어기 간 협력을 통한 최적 제어 구현

실제 적용 사례로, 2019년에 개발한 AGV(Automated Guided Vehicle) 지게차 시스템은 이 아키텍처를 바탕으로 구현되었으며, 기존 시스템 대비 20% 향상된 에너지 효율성을 달성했습니다.

 

CANopen Safety 구현

EN ISO 13849를 준수하는 CANopen Safety 프로토콜을 구현했습니다:

• 안전 PDO: 중복 및 교차 검증을 통한 안전한 데이터 전송
• 상태 모니터링: 모든 안전 관련 노드의 지속적 상태 모니터링
• 안전 상태 전환: 위험 감지 시 신속하게 안전 상태로 전환하는 메커니즘

2020년 출시된 고소작업용 전동지게차는 이 시스템을 적용하여 SIL 2 인증을 획득했으며, 작업 안전성을 크게 향상시켰습니다.

 

에너지 최적화 시스템

CANopen을 활용한 정교한 에너지 관리 시스템을 개발했습니다:

• 실시간 에너지 프로파일링: 작업 조건에 따른 에너지 소비 패턴 분석
• 예측적 에너지 관리: 작업 패턴 예측을 통한 에너지 사용 최적화
• 회생 제동 최적화: 상황에 따른 최적 회생 제동 제어

이 시스템을 적용한 최신 리튬 배터리 지게차는 동일 조건에서 기존 모델 대비 작업 시간이 15% 연장되는 효과를 보였습니다.

 

기술적 문제 해결 사례

15년의 경력 동안 많은 기술적 문제를 해결했는데, 그 중 몇 가지 인상적인 사례를 공유하고자 합니다:

 

사례 1: 간헐적 통신 오류 해결

2013년, 대형 물류센터에 설치된 지게차 플릿에서 간헐적인 통신 오류가 발생했습니다. 특정 작업 패턴에서만 발생하는 이 문제는 재현이 어려워 원인 파악이 쉽지 않았습니다.

문제 해결을 위해 다음과 같은 접근법을 사용했습니다:

1. 데이터 로깅 시스템 개발: 모든 CAN 메시지와 시스템 상태를 지속적으로 기록
2. 패턴 분석: 수집된 데이터에서 오류 발생 패턴 분석
3. 환경 요인 검토: 전자기 간섭, 전압 변동 등 외부 요인 조사

분석 결과, 특정 유형의 작업(고부하 리프팅)에서 전력 소비가 급증할 때 CAN 트랜시버의 전원이 불안정해지면서 오류가 발생한다는 사실을 발견했습니다. 전원 안정화 회로를 개선하고 CANopen 노드의 오류 복구 메커니즘을 강화하여 문제를 완전히 해결했습니다.

 

사례 2: 다중 공급업체 통합 문제

2016년, 새로운 리튬 배터리 지게차 개발 과정에서 서로 다른 세 공급업체의 모터 드라이브, BMS, 유압 제어 모듈을 통합해야 했습니다. 각 공급업체가 CANopen을 지원한다고 했지만, 실제로는 각자 다른 방식으로 구현되어 있었습니다.

특히 문제가 되었던 부분은:

1. 타이밍 차이: 각 모듈이 기대하는 통신 타이밍이 달랐습니다
2. 객체 딕셔너리 불일치: 유사한 기능에 대해 서로 다른 인덱스 사용
3. SYNC 응답 차이: SYNC 메시지에 대한 응답 방식이 달랐습니다

이 문제를 해결하기 위해 "CANopen 통합 레이어"라는 소프트웨어 계층을 개발했습니다. 이 레이어는 각 모듈의 특성을 파악하고 적절히 변환하여 일관된 방식으로 통신할 수 있게 해주었습니다. 또한 각 공급업체와 협력하여 펌웨어 업데이트를 통해 호환성을 개선했습니다.

결과적으로 예상보다 3개월 빠르게 시스템 통합을 완료할 수 있었고, 이 경험을 바탕으로 "다중 공급업체 CANopen 통합 가이드라인"을 작성하여 이후 프로젝트에 활용했습니다.

 

사례 3: 극한 환경에서의 신뢰성 문제

2018년, 냉동창고(-30°C)에서 운용되는 특수 지게차를 개발하는 과정에서 저온 환경에서 CANopen 통신이 불안정해지는 문제가 발생했습니다.

문제 해결을 위한 접근법:

1. 환경 챔버 테스트: 다양한 온도 조건에서 시스템 검증
2. 하드웨어 최적화: 저온 환경에 적합한 CAN 트랜시버 및 케이블 선정
3. 프로토콜 파라미터 조정: 저온 환경에 맞게 비트 타이밍 및 재시도 파라미터 최적화

결과적으로 -40°C까지 안정적으로 작동하는 CANopen 시스템을 개발했으며, 이 기술은 이후 극지 작업용 특수 장비 개발에도 활용되었습니다.

CANopen를 활용한 산업용 지게차 설계 경험과 통찰

 

미래 발전 방향

15년간의 경험을 바탕으로, 앞으로의 CANopen 기술 발전 방향에 대한 제 견해는 다음과 같습니다:

CANopen FD 적용

현재 진행 중인 프로젝트에서는 CANopen FD(Flexible Data-rate)를 도입하고 있습니다:

• 더 큰 데이터 패킷 지원으로 복잡한 센서 데이터 처리 개선
• 가변 데이터 속도로 효율성 향상
• 더 정교한 진단 및 모니터링 기능 구현

 

IoT 연동

산업용 IoT와 CANopen의 통합을 위한 연구를 진행 중입니다:

• CANopen-이더넷 게이트웨이 개발
• 클라우드 기반 원격 모니터링 및 제어 시스템 구축
• 빅데이터 분석을 통한 예측 유지보수 시스템 개발

 

자율 주행 지원

자율 주행 지게차를 위한 CANopen 기반 제어 시스템 개발:

• 실시간 센서 데이터 통합을 위한 최적화된 PDO 구조
• 안전 중심 설계로 ISO 3691-4 준수
• 인공지능 알고리즘과의 효율적인 인터페이스

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15년간 전기지게차 시스템에서 CANopen을 설계하고 적용해 온 경험을 통해, 저는 이 프로토콜이 단순한 통신 수단을 넘어 산업용 장비의 근간을 이루는 핵심 요소라는 점을 깊이 이해하게 되었습니다. 처음 독자 프로토콜에서 CANopen으로 전환할 때 겪었던 어려움, 다양한 공급업체의 시스템을 통합하며 마주한 도전, 그리고 극한 환경에서의 문제 해결 경험은 모두 값진 자산이 되었습니다.

 

CANopen의 강점은 단순히 기술적 우수성에 있지 않습니다. 그것은 개방성, 유연성, 그리고 강건함의 균형을 통해 다양한 산업 환경에 적응할 수 있는 능력에 있습니다. 앞으로도 CANopen과 그 발전된 형태인 CANopen FD는 산업용 장비 제어 시스템의 중추적 역할을 계속할 것이며, 저는 이 기술의 발전과 적용에 기여할 수 있어 자부심을 느낍니다.

 

15년의 여정을 거쳐 깨달은 가장 중요한 교훈은, 성공적인 CANopen 구현의 핵심은 기술적 세부사항을 넘어 시스템 전체를 바라보는 통합적 시각과 실제 현장의 요구를 깊이 이해하는 것에 있다는 점입니다. 이러한 접근법은 앞으로도 제 전문 분야에서 계속 적용해 나갈 원칙이 될 것입니다.

 

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지게차 설계자로 16년간 지내온 발자취 노트를 작성하고 있습니다. 다른 페이지라서 좀 서툴지만 계속해서 발전해 나가는 페이지를 만들어 보려고 합니다. 네이버와는 다른 형태에 익숙해 지고 깔끔하게 만들어 보려고 하고 있습니다.

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