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.
실제 지게차 설계 프로젝트에서의 SAE J1939 구현 경험과
오랜 기간의 현장 노하우를 공유하고 싶어서
정리 해 보았습니다.
목차
- 서론: 산업용 지게차와 통신 프로토콜의 중요성
- 지게차 설계에서의 SAE J1939 선택 배경
- 프로젝트 초기: 네트워크 아키텍처 설계
- 부품 선정과 통합의 도전 과제
- 실제 구현 사례: ECU 간 통신 구성
- 발생했던 문제점과 해결 방법
- 장기적 운영에서 얻은 교훈
- 미래 지게차 설계를 위한 제언
- 결론: 산업용 장비 설계에서 통신 프로토콜의 역할
서론: 산업용 지게차와 통신 프로토콜의 중요성
현대 산업용 지게차는 단순한 기계 장비를 넘어 첨단 전자 시스템의 복합체라고 할 수 있습니다. 엔진, 트랜스미션, 유압 시스템, 조향 장치, 마스트 제어, 안전 시스템, 운전자 인터페이스에 이르기까지 다양한 구성 요소가 유기적으로 작동해야 합니다. 이러한 복잡한 시스템을 효율적으로 통합하기 위해서는 견고하고 표준화된 통신 프로토콜이 필수적입니다.
제가 수년 동안 산업용 지게차 설계 프로젝트에 참여하면서 깨달은 가장 중요한 교훈 중 하나는, 통신 프로토콜의 선택이 장비의 성능, 신뢰성, 유지보수성, 그리고 최종적으로는 제품의 성공을 좌우한다는 것이었습니다. 특히 SAE J1939 프로토콜은 이러한 요구사항을 충족시키는 이상적인 솔루션으로 입증되었습니다.
지게차 설계에서의 SAE J1939 선택 배경
처음 지게차 설계 프로젝트를 시작했을 때, 통신 프로토콜 선택은 중요한 의사결정 중 하나였습니다. 당시 CAN 기반의 여러 프로토콜(CANopen, DeviceNet, 독자적인 CAN 프로토콜 등)이 검토 대상이었습니다. 최종적으로 SAE J1939를 선택한 이유는 다음과 같았습니다:
1. 엔진 및 트랜스미션 공급업체와의 호환성
대부분의 디젤 엔진 및 파워트레인 공급업체가 이미 SAE J1939를 기본 프로토콜로 채택하고 있었습니다. 우리가 사용하려던 Cummins 엔진과 ZF 트랜스미션 모두 J1939 인터페이스를 제공했기 때문에, 이 프로토콜을 선택하면 통합 과정이 훨씬 수월해질 것으로 예상했습니다.
2. 표준화된 파라미터 세트
지게차의 모든 주요 기능에 대한 파라미터가 이미 J1939 표준에 정의되어 있었습니다. 엔진 속도, 토크, 온도부터 유압 압력, 하중 감지, 위치 데이터에 이르기까지 필요한 대부분의 파라미터가 SPN(Suspect Parameter Number)으로 표준화되어 있었습니다.
3. 진단 기능의 우수성
산업용 장비의 진단 기능은 유지보수와 가동 시간에 직접적인 영향을 미칩니다. J1939의 포괄적인 진단 메시지 세트(DM1, DM2, DM3 등)는 효과적인 문제 해결과 예방적 유지보수를 가능하게 했습니다.
4. 미래 호환성
당시 업계의 추세를 볼 때, SAE J1939가 산업용 장비 분야에서 계속해서 지배적인 위치를 유지할 것이라고 판단했습니다. 이는 향후 부품 조달, 시스템 확장, 서비스 도구 개발에 있어 중요한 고려사항이었습니다.
프로젝트 초기: 네트워크 아키텍처 설계
지게차 네트워크 아키텍처를 설계할 때, 단순히 모든 ECU를 하나의 버스에 연결하는 방식은 피했습니다. 대신, 기능적 중요도와 통신 요구사항에 따라 여러 개의 세그먼트로 나누는 접근 방식을 채택했습니다:
주(Primary) J1939 네트워크
- 엔진 ECU
- 트랜스미션 컨트롤러
- 차체 제어 모듈(BCM)
- 메인 디스플레이 유닛
- 진단 커넥터
이 네트워크는 250 kbps로 운영되며, 차량의 핵심 기능을 제어했습니다.
보조(Secondary) J1939 네트워크
- 유압 시스템 컨트롤러
- 마스트 제어 모듈
- 하중 감지 시스템
- 보조 I/O 모듈
- 게이트웨이(주 네트워크와 연결)
이 접근 방식은 네트워크 부하를 분산시키고, 중요한 파워트레인 통신이 덜 중요한 시스템의 메시지로 인해 지연되는 것을 방지했습니다.
부품 선정과 통합의 도전 과제
지게차 설계 프로젝트에서 가장 시간이 많이 소요된 부분 중 하나는 적절한 J1939 호환 부품을 선정하고 이를 통합하는 과정이었습니다. 다음은 이 과정에서 직면했던 주요 도전 과제와 해결 방법입니다:
1. 부품 선정의 복잡성
시장에는 "J1939 호환"이라고 표시된 다양한 부품이 있었지만, 실제로 호환성 수준은 크게 달랐습니다. 일부 제품은 기본적인 PGN만 지원했고, 일부는 고급 기능(예: 전송 프로토콜, 네트워크 관리)이 제한적이었습니다.
해결책: 초기 프로토타이핑 단계에서 각 주요 부품의 실제 J1939 구현을 철저히 테스트했습니다. 공급업체로부터 상세한 J1939 구현 문서를 요청하고, 주요 PGN과 SPN의 지원 여부를 확인했습니다.
2. 주소 할당 전략
J1939 네트워크에서는 각 ECU가 고유한 주소를 가져야 합니다. 초기에는 일부 공급업체의 ECU가 동일한 기본 주소를 사용하여 충돌이 발생했습니다.
해결책: 모든 ECU에 대한 명확한 주소 할당 계획을 수립했습니다. 가능한 경우 공급업체에 특정 주소를 사용하도록 요청했고, 그렇지 않은 경우 자체 게이트웨이를 통해 주소를 변환했습니다. 또한 주소 클레임 프로세스를 활용하여 동적으로 문제를 해결할 수 있는 시스템을 구축했습니다.
3. 프로프라이터리 확장 관리
일부 부품 공급업체는 표준 J1939 PGN 외에도 독자적인 메시지를 사용했습니다. 이러한 비표준 메시지는 문서화가 부족하고 통합이 어려웠습니다.
해결책: 공급업체와의 비공개 계약(NDA)을 통해 독자적인 메시지에 대한 상세 문서를 확보했습니다. 중요한 기능에 대해서는 가능한 한 표준 PGN을 사용하도록 요구했고, 불가피한 경우에만 독자적인 메시지를 허용했습니다.
실제 구현 사례: ECU 간 통신 구성
지게차의 핵심 기능 중 하나인 부하 감지 및 유압 제어 시스템의 구현 사례를 통해 실제 SAE J1939 적용 방법을 살펴보겠습니다:
부하 감지 및 유압 제어 시스템
이 시스템은 다음과 같은 구성 요소로 이루어졌습니다:
- 하중 센서(로드 셀)
- 유압 압력 센서
- 유압 제어 밸브
- 마스트 위치 센서
- 유압 제어 ECU
- 메인 BCM(Body Control Module)
통신 흐름
- 하중 데이터 수집 및 전송:
- 하중 센서에서 측정된 데이터는 유압 제어 ECU에서 처리
- ECU는 PGN 65276(하중 정보)을 사용하여 J1939 네트워크에 데이터 브로드캐스트
- 데이터는 100ms 간격으로 전송되어 실시간 모니터링 가능
- 유압 제어 로직:
- BCM은 하중 데이터를 수신하고 운전자 입력과 결합하여 적절한 유압 명령 생성
- PGN 65275(유압 제어 명령)을 사용하여 유압 제어 ECU로 명령 전송
- 명령에는 목표 압력, 속도 제한 등의 파라미터 포함
- 진단 및 안전 기능:
- 유압 시스템은 고압 상태, 과부하, 온도 초과 등의 상황을 DM1 메시지(PGN 65226)를 통해 보고
- 심각한 오류 발생 시, BCM은 이를 감지하고 자동으로 시스템 보호 모드 활성화
이 구현에서 SAE J1939의 강점은 표준화된 메시지 형식을 통해 복잡한 하중-유압 제어 로직을 여러 ECU에 분산시킬 수 있다는 점이었습니다. 또한 진단 메시지를 통해 시스템 상태를 실시간으로 모니터링하고 문제를 신속하게 해결할 수 있었습니다.
발생했던 문제점과 해결 방법
수년 간의 지게차 개발 과정에서 다양한 문제에 직면했습니다. 가장 기억에 남는 몇 가지 문제와 해결 방법을 공유하겠습니다:
1. 메시지 타이밍 문제
초기 프로토타입에서 간헐적인 통신 지연이 발생했습니다. 특히 높은 부하 상황에서 일부 중요한 메시지가 지연되어 시스템 응답 시간이 느려졌습니다.
해결책: 네트워크 트래픽 분석을 통해 문제의 원인을 파악했습니다. 일부 ECU가 너무 높은 빈도로 불필요한 메시지를 전송하고 있었습니다. 메시지 우선순위 조정, 전송 빈도 최적화, 그리고 앞서 언급한 네트워크 세그먼테이션을 통해 문제를 해결했습니다. 중요한 것은 각 메시지의 실제 필요성과 최적의 전송 빈도를 결정하는 것이었습니다.
2. 온도 관련 통신 장애
극한 환경(특히 저온)에서 테스트할 때 간헐적인 통신 오류가 발생했습니다. CAN 버스 신호가 일시적으로 왜곡되는 현상이 관찰되었습니다.
해결책: 하드웨어 수준에서의 문제로 판명되었습니다. 고품질 차폐 케이블로 교체하고, 종단 저항의 온도 안정성을 개선했습니다. 또한 극한 조건에서도 안정적인 작동을 보장하기 위해 모든 커넥터를 산업용 고급 제품으로 교체했습니다.
3. 멀티패킷 메시지 처리 오류
일부 복잡한 구성 데이터와 소프트웨어 업데이트는 J1939 트랜스포트 프로토콜(TP)을 통해 전송되었습니다. 초기에는 이 프로세스가 간헐적으로 실패했습니다.
해결책: J1939-21 트랜스포트 프로토콜 구현을 철저히 검토했습니다. 타임아웃 매개변수 조정, 재전송 로직 개선, 그리고 버퍼 크기 최적화를 통해 안정성을 크게 향상시켰습니다. 또한 모든 ECU가 TP를 올바르게 구현했는지 확인하기 위한 철저한 테스트 프로세스를 개발했습니다.
4. 부품 공급업체 간 호환성 문제
다양한 공급업체의 부품을 통합할 때, 모두 J1939를 지원한다고 주장했지만 실제로는 구현 세부사항에서 차이가 있어 호환성 문제가 발생했습니다.
해결책: 자체 J1939 게이트웨이 모듈을 개발했습니다. 이 모듈은 서로 다른 공급업체의 장치 간에 메시지를 변환하고 조정하는 역할을 했습니다. 이는 단기적으로는 추가 비용이 들었지만, 장기적으로는 시스템 통합의 유연성을 크게 높였습니다.
장기적 운영에서 얻은 교훈
여러 세대의 지게차를 개발하고 필드에서 운영한 경험을 통해 얻은 중요한 교훈은 다음과 같습니다:
1. 철저한 초기 설계의 중요성
SAE J1939 네트워크는 프로젝트 초기에 충분한 시간을 투자하여 신중하게 설계해야 합니다. 주소 할당, 메시지 우선순위, 네트워크 로드 등을 미리 계획하면 나중에 발생할 수 있는 많은 문제를 예방할 수 있습니다.
2. 확장성을 고려한 설계
초기 모델에서는 필요한 최소한의 기능만 구현했지만, 추후 새로운 기능이 계속 추가되었습니다. 처음부터 확장성을 고려한 설계 덕분에 새로운 ECU와 기능을 비교적 쉽게 통합할 수 있었습니다.
3. 진단 도구의 중요성
강력한 J1939 진단 도구에 투자한 것은 최고의 결정 중 하나였습니다. 이를 통해 필드에서의 문제 해결 시간이 크게 단축되었고, 원격 진단 기능을 통해 서비스 비용도 절감되었습니다.
4. 공급업체 관계 관리
J1939 구현에서 공급업체와의 긴밀한 협력은 필수적입니다. 명확한 요구사항 문서를 제공하고, 프로토콜 구현에 대한 세부 정보를 요구하며, 통합 테스트를 위한 충분한 시간을 확보해야 합니다.
5. 소프트웨어 업데이트 전략
필드에서 운영 중인 장비의 소프트웨어 업데이트는 항상 도전적인 과제였습니다. J1939 트랜스포트 프로토콜을 사용한 신뢰할 수 있는 업데이트 메커니즘을 개발하는 데 상당한 노력을 기울였으며, 이는 장기적으로 큰 가치가 있었습니다.
미래 지게차 설계를 위한 제언
지금까지의 경험을 바탕으로, 미래의 산업용 지게차 설계자들에게 다음과 같은 제언을 하고 싶습니다:
1. 고속 CAN 채택 고려
표준 J1939는 250 kbps를 사용하지만, 최신 응용 프로그램에서는 이 대역폭이 제한적일 수 있습니다. 고속 CAN(500 kbps 또는 1 Mbps)의 도입을 고려하되, 호환성 문제에 주의해야 합니다.
2. 사이버 보안 고려
최신 지게차는 원격 모니터링, 텔레매틱스, 플릿 관리 시스템에 연결됩니다. 이러한 연결성은 보안 위험을 수반하므로, J1939 네트워크에 적절한 보안 메커니즘을 구현해야 합니다.
3. 하이브리드 네트워크 아키텍처
일부 응용 프로그램에서는 J1939와 이더넷 기반 프로토콜(예: 이더넷/IP)을 결합한 하이브리드 접근 방식이 유용할 수 있습니다. 이는 기존 J1939 장치와의 호환성을 유지하면서도 고급 기능을 위한 고대역폭 통신을 가능하게 합니다.
4. 데이터 분석 기능 통합
현대 장비에서는 데이터 수집과 분석이 점점 더 중요해지고 있습니다. J1939 네트워크에서 수집된 데이터를 효과적으로 저장, 분석, 활용할 수 있는 시스템을 설계에 포함시켜야 합니다.
5. 가상화 기술 고려
최신 트렌드 중 하나는 여러 기능을 단일 강력한 ECU에 통합하는 것입니다. 이 접근 방식은 하드웨어 비용을 절감하고 시스템 복잡성을 줄일 수 있지만, 안전성과 신뢰성에 대한 철저한 검증이 필요합니다.
결론: 산업용 장비 설계에서 통신 프로토콜의 역할
수년 간의 지게차 설계 경험을 통해, SAE J1939가 단순한 통신 프로토콜 이상의 의미를 가진다는 것을 깨달았습니다. 이는 전체 시스템 아키텍처, 개발 프로세스, 심지어 비즈니스 모델까지 영향을 미치는 핵심 요소입니다.
표준화된 프로토콜은 다양한 시스템 구성 요소 간의 원활한 통합을 가능하게 하며, 이는 현대 산업용 장비의 복잡성을 관리하는 데 필수적입니다. SAE J1939는 상용 차량 및 산업용 장비 분야에서 이러한 역할을 성공적으로 수행해 왔습니다.
기술이 계속 발전함에 따라 통신 프로토콜도 진화할 것입니다. 그러나 SAE J1939가 확립한 견고한 기반은 앞으로도 오랫동안 산업에 영향을 미칠 것입니다. 이 프로토콜에 대한 깊은 이해와 효과적인 구현 능력은 산업용 장비 설계자에게 있어 가장 가치 있는 역량 중 하나로 남을 것입니다.
이 글은 실제 산업용 지게차 설계 프로젝트에서의 SAE J1939 구현 경험을 바탕으로 작성되었습니다. 산업용 장비 개발자, 시스템 통합 엔지니어, 그리고 이 분야에 관심 있는 학생들에게 실질적인 통찰력을 제공하고자 합니다.
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.
한 엔지니어의 업무였던 지게차 설계자로서의 정보가 궁금하면 한번 다녀가 보시면 좋을 것 같습니다.
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