샤인머스켓 포장을 위한 데이터베이스 기반 조합형 저울 설계

2.1 하드웨어 설계

하나의 저울을 이용하여 계량 및 조합을 실시하는 기존의 방식을 개선하기 위한 조합형 저울의 하드웨어를 그림 1과 같이 설계하였다.

Fig. 1.

Hardware system diagram

조합형 저울은 각각의 로드셀로부터 전달받은 신호를 처리하는 신호처리부와 측정된 신호를 통해 최적의 조합을 산출하고 상태 알림 인터페이스를 제어하는 제어부로 나뉘어 있다.

신호처리부는 신호 처리를 위한 계측용 증폭기, Low Pass 필터, 멀티플렉서, ADC 등으로 구성되어 있으며, 중량 측정을 위한 로드셀의 허용 무게는 10kg으로 선정하였다. 로드셀에서 출력되는 두 미세 신호는 차동 증폭기를 통해 전압차를 증폭시키고, 충격 혹은 진동으로 인한 흔들림을 최소화하기 위하여 10Hz의 차단 주파수를 가진 4차 Low Pass 필터를 적용하였다.

여기서 필터를 통과한 신호는 멀티플렉서를 이용하여 각 채널별로 로드셀 신호를 수집하게 된다. 최종적으로 출력된 아날로그 신호를 이용하여 5kg±2g까지 측정할 수 있도록 설계하였으며, 16bit ADC의 전압 해상도는 100uV/1LSB으로 설정하여 최소 0.1g 까지 측정이 가능하도록 하였다. 이들 신호는 Cortex –M3 코어에서 각 채널마다 100Hz로 샘플링 되며 시리얼 통신을 통하여 라즈베리파이로 전달한다. 여기서 라즈베리파이와 연결된 터치형 LCD에서는 구현된 사용자 인터페이스를 사용하여 샤인머스켓 중량을 조합하기 위한 여러 가지 기능들을 제어한다.

추가적으로 LCD를 조작하는 터치 동작에서 사용자들이 오류를 범할 수 있기 때문에 부저를 이용하여 청각적인 피드백을 줄 수 있도록 설계하였다[11]. 또한, 각 로드셀 위에 놓여지는 샤인머스켓의 송이 무게가 설정된 중량 범위 밖으로 측정되거나 조합이 완성되는 경우 시각 자극을 주어 직관적으로 표현하기 위해 각 저울의 헤드에 LED를 배열하였다.

2.2 소프트웨어 설계

조합형 저울의 소프트웨어 구현은 C++기반의 QT Creator 프레임워크를 사용하였으며 다수의 사용자 인터페이스(User interface)로 구성하였다. 데이터베이스는 서버를 사용하지 않고 적용이 간편한 SQLite3으로 구성하였으며, 전체적인 소프트웨어 구성도는 그림 2와 같다. 소프트웨어는 세부적으로 제품 설정 화면, 측정 화면, 조정 화면, 통계 화면으로 구분하였다.

Fig. 2.

Schematic for user interface and database

조합을 구성하는 3가지 요소는 완성된 조합의 총 중량, 조합을 이루는 송이의 개수, 샤인머스켓 한 송이의 중량으로 사용자 인터페이스에서는 각각 조합 무게, 조합 개수, 개당 무게로 표현하였다. 이것은 제품 설정 화면에서 사용자가 설정하고자 하는 조합 무게, 조합 개수, 개당 무게를 각각 설정하여 포장 단위로 등록할 수 있다. 또한 사용하지 않는 포장 단위의 경우 삭제가 가능하도록 하였다.

조정 화면에서는 각 로드셀 출력 전압의 ADC 값을 무게(g) 단위로 변환해주기 위한 각 Scale factor는 로드셀 위에 아무것도 없는 상태를 영점으로 설정하고, 500g 분동에 대한 전압의 ADC값과의 변화량으로 계산된다. 또한, 로드셀이 외부 충격으로 인해 데이터가 비정상적으로 수집되어 조합이 생성되지 않을 경우, 문제가 발생한 로드셀의 데이터 수집은 조합에서 제외 할 수 있도록 하였다.

측정 화면에서는 중량을 측정하고 포장 단위로 조합이 수행되어진다. 또한, 저울을 사용하는 동안 발생하는 로드셀 값의 드리프트 현상을 제거하기 위하여 측정하는 동안 영점 조정도 이루어진다. 이 영점 조정은 각 헤드에 제품이 없을 때 기존 영점과 비교하여 ±5g 이상의 오차가 발생하였을 경우, 자동으로 조정되도록 하였다. 조합은 사용자가 등록한 포장 단위의 조합 무게 범위, 조합 개수 범위, 개당 무게 범위를 기준으로 범위 내에 조건을 만족하면 이루어진다. 이 생성된 조합의 정보는 데이터베이스에 저장하여 통계 화면에서 활용할 수 있도록 하였다.

마지막으로 통계 화면은 연/월별로 조합이 완료된 제품들의 정보들을 보여준다. 제품들의 정보는 표로 제공되며, 포장을 완료한 시점의 연/월 단위의 날짜, 포장을 완료한 횟수, 포장한 샤인머스켓 송이의 총 개수, 포장을 완료한 샤인머스켓 송이들의 총 중량과 개당 무게의 평균, 하나의 포장 박스에 들어간 샤인머스켓 송이의 평균 개수로 구성되어 있다. 이는 각각 사용자 인터페이스에서 날짜, 총 포장 수, 총 생산 수, 총 무게, 평균 무게, 평균 조합 개수로 표현하였다. 표에 나타난 날짜를 두 번 누르게 되면 해당 기간에 포장한 샤인머스켓의 개당 무게와 조합 무게에 대한 분포가 그래프로 나타나도록 하였다.

2.3 최적 조합 알고리즘

최적 조합 알고리즘은 사용자가 설정한 포장 단위의 3가지 범위를 기준으로 각 로드셀로부터 획득한 중량 데이터를 이용하여 조합이 이루어지며, 설정한 포장 단위 내에서 가장 적은 조합 무게를 추출하도록 구성되어 있다.

먼저 각 로드셀에서 측정된 중량이 개별 무게 범위를 만족하는 로드셀들로 구성된 리스트 L이 만들어지고, 이 리스트가 중량에 따라 오름차순으로 정렬되도록 구성한 것을 그림 3(a)에서 보여주고 있다.

Fig. 3.

Optimized combination algorithm

그림 3(b)에서 3~5개의 조합 개수로 조합을 탐색하는 과정의 예를 보여준다. 여기서 depth는 조합을 이루는 로드셀의 개수로, depth가 3인 3개의 로드셀들로 구성된 조합을 탐색하는 과정을 step 1과 step i를 통해 보여주고 있다. step 1은 초록색으로 표현된 1, 2, 3으로 구성된 조합이 설정한 조합 무게 범위를 만족하는 경우로, 이를 조합들을 저장하는 새로운 조합 리스트 CL(Combination-List)에 저장한다. 이후 최소의 조합 무게가 되지 않는 1, 2, n(n>3)번 조합은 탐색하지 않는다. 반면에 step i는 주황색으로 표현된 4, 5을 포함한 1, 4, 5로 구성된 조합이 조합 무게를 만족하지 못하였을 경우로, 이전 단계로 돌아오게 되며, 리스트의 다음 순서인 6을 포함한 조합을 탐색하게 된다. 이와 같이 반복하면서 3가지 범위를 모두 만족하는 3개의 조합, 4개의 조합, 5개의 조합에 대하여 각각 실행함으로써 모든 조합들은 리스트 CL에 저장된다.

그림 3(c)의 조합 리스트에서 중량들의 합을 기준으로 오름차순 정렬하여 총 중량이 가장 적은 첫 번째 인덱스의 조합을 추출하는 것을 보여주고 있다.

3.1 하드웨어 설계 결과

완성된 조합형 저울은 그림 4와 같으며, 샤인머스켓를 올려 측정과 조합하기 위한 헤드는 모두 12개로 구성되어 있다.

Fig. 4.

Manufactured combination weigher

조합 알림 인터페이스 중 하나인 LED는 12개의 헤드들 중 개당 무게의 합이 설정 범위 내에 최적으로 조합되는 헤드의 파란색 LED가 점등이 되어 사용자에게 조합이 완성되었음을 알려준다. 이와 반대로 중량이 정해진 기준에서 벗어나게 되면 빨간색 LED가 점등되고, 만약 조합에는 포함되지 않지만 정해진 중량 기준 내에 들어오거나 10g 미만의 중량이 측정되면 LED가 점등되지 않도록 하였다.

조합 취소 버튼은 조합이 완료되었지만 손질이 필요한 경우 샤인머스켓을 헤드에서 내린 후에 누르며, 새로운 조합이 생성되도록 한다. 그리고 이전 조합은 데이터베이스에 저장하지 않는다. 또한, 소음이 있는 작업 환경에서의 문제점 해결과 능률 향상을 위해 조합이 완료되면, LED와 부저를 통해 다감각적인 피드백을 제공함으로써 조합 상태를 알려주도록 설계하였다.

3.2 오차 실험 결과

본 연구에서 제작된 조합형 저울의 조합 무게에 대한 신뢰성을 확보하기 위해 중량 오차를 확인하였다. 그 방법으로 50g, 100g, 200g, 500g, 1000g으로 구성된 M1급 분동을 사용하여 각 헤드에 올려놓고 3회씩 측정한 결과를 표 1과 같이 나타냈다. 여기서 2, 3, 6채널의 경우 0.6g 이상의 오차가 측정되었고, 나머지 채널에서는 0.3g 이하의 오차가 발생하였다. 이것은 설계 시 고려한 최소 오차 범위인 2g보다 적은 값으로 사용하는데 문제가 없을 것으로 판단하였다.

Table 1.

Weight measurement error of combination weigher

3.2 소프트웨어 설계 결과

구현된 소프트웨어의 사용자 인터페이스 중 측정 화면, 조정 화면, 제품 설정 화면과 제품을 등록하는 제품 추가 화면은 그림 5와 같다.

Fig. 5.

Implemented user interface

그림 5(a)는 측정 화면으로 사용자가 설정한 제품 포장 단위인 2.5kg는 상단에 보여주며 포장 단위의 조건인 조합 무게, 조합 개수, 개당 무게를 화면 우측에 보여준다. 화면 좌측에는 각 로드셀의 번호와 중량을 표시하는 텍스트 상자가 나타나며 1g단위로 표현하였다. 텍스트 상자는 조합이 완성될 경우 3, 4, 8, 11번과 같이 파란색으로 표시된다.

그리고 설정된 개당 무게의 범위를 초과하거나 미달되면 1, 2, 9, 10번과 같이 빨간색으로 보여주며, 조합은 포함되지 않고 개당 무게의 조건을 만족할 경우 5, 6, 7, 12번과 같이 변화를 주지 않는다. 파란색으로 나타낸 조합의 총 중량은 좌측 하단의 합계로 보여주고 완성된 조합의 제품을 모두 포장하기 위해 저울에서 제거하면 총 포장 수, 총 생산 수, 총 무게, 평균 무게, 평균 조합 개수에 대한 정보가 갱신된다. 마지막으로 우측 상단에 위치한 초기화 기능을 통해 갱신된 정보들을 제거하거나, 저장 기능을 통해 조합된 정보들을 데이터베이스에 저장할 수 있다.

그림 5(b)는 조정 화면으로 각 로드셀의 영점 조정과 교정을 진행할 수 있도록 채널 별로 구분하였다. 측정 화면에서 특정 로드셀의 오차가 발생할 경우, 로드셀과 매핑된 번호의 우측에 0SET으로 표시된 버튼을 눌러 영점을 조정한다. 그리고 500g의 분동을 헤드 위에 올리고 측정으로 표시된 버튼을 사용하여 Scale factor를 재조정한다. 교정이 완료되면 우측 하단에 있는 저장 기능을 통해 Scale factor를 갱신한다. 또한 문제가 발생하여 정상적인 데이터가 수신되지 않는 로드셀의 경우 좌측에 위치한 숫자 기호를 터치하여 로드셀의 데이터 수집을 차단한다. 차단 기능이 활성화된 로드셀은 9번 같이 빨간색으로 변경되며 측정 화면에서 N/A로 표시되며 조합을 구성하는 집합에서 제외된다. 로드셀을 교체하여 정상적인 동작이 수행되면, 다시 숫자 기호를 눌러 데이터 수집을 허용하여 조합을 구성하는 집합으로 포함시킬 수 있다.

제품 설정 화면은 그림 5(c)와 같이 사용자가 포장 단위를 설정하기 위해 사용하는 조합 무게의 범위, 조합 개수의 범위, 개당 무게의 범위를 추가와 삭제를 통해 저장하여 측정 화면에서 선택할 수 있도록 하였다. 사용자가 포장하는 조합 무게의 범위나 조합 개수의 범위, 개당 무게의 범위를 변경할 경우는 그림 5(d)와 같이 제품 설정 화면을 통해 제품 등록 화면으로 이동하여 값을 조절하고 설정하는 것이 가능하다. 또한 사용하지 않는 조합은 제품명을 누른 후에 삭제 버튼을 사용하여 제거할 수 있다.

마지막으로 통계 화면은 연/월별로 데이터베이스에 저장된 총 무게, 조합 무게, 개당 무게 등의 데이터를 기반으로 생성한 그래프를 사용자에게 보여준다. 그림 6(a)에 나타난 막대그래프는 20년도 9월에 포장된 샤인머스켓들의 총 개수에 대한 개당 무게 분포이며, 우측 상단에는 평균 무게 및 표준 편차가 나타난다. 이러한 데이터베이스 기반의 시스템을 사용하여 포장된 샤인머스켓의 과방중에 대한 균일성을 판단할 수 있다.

Fig. 6.

Distribution graph using database

그림 6(b)는 그림 6(a)의 우측 상단에 나타난 화살표 버튼을 통해 화면 이동이 가능하며, 마찬가지로 20년도 9월에 반복적인 포장으로 추출된 조합 무게를 데이터베이스에 저장한 후 시각화한 그래프이다.

이를 통해 사용자는 조합을 이루는 샤인머스켓들의 무게 합에 대한 분포 정보를 알 수 있고 평균 무게와 표준 편차가 나타남으로써 중량에 따른 손실을 최소화하기 위한 최적의 조합이 잘 이루어졌는지 확인할 수 있다.

최적 조합 알고리즘이 적용된 조합형 저울과 기존의 단일 저울을 이용하여 조합을 완성하는데 소요되는 시간을 비교하기 위하여 비숙련자 3명이 실험을 수행하였다. 실험 방법은 3개의 포장 박스를 조합 개수, 개당 무게, 조합 무게에 대하여 각각 5~10개, 300~600g, 2.5kg~2.7kg 조건으로 포장하는 것을 1회로 총 10회 반복 포장하였다. 결과는 단일 저울의 경우 74 ± 19초, 조합형 저울은 23 ± 7초로 나타났으며, 이는 비숙련자가 조합형 저울을 사용하였을 경우, 포장 과정에 소요되는 시간과 개별적인 편차가 단축되는 것을 확인할 수 있다.

Table 2.

Combination time using single weigher and combination weigher