OEM 장비 확장성 및 브라운필드 통합을 위한 통합 플랫폼 방식

기계의 제어 시스템은 설계 및 시장 전략에 있어 매우 중요한 요소입니다. 다양한 기계 가격대에 여러 PLC 제품군을 활용하고, 레거시 시스템의 통합을 위해 타사 게이트웨이에 의존하는 파편화된 접근 방식을 사용하는 엔지니어링 팀이 많습니다. 이로 인해 엔지니어링, 재고 및 현장 지원과 관련된 비용이 증가하여 운영 민첩성이 저하될 수 있습니다. 대안은 응용 전반에서 확장 가능하고 최신 프로토콜 및 레거시 프로토콜과 모두 통신할 수 있는 단일 통합 플랫폼에서 표준화하는 것입니다.

단절된 전략을 사용하는 것은 비효율적일 수 있습니다. 여러 PLC 제품군을 관리하면 교육 및 재고 관리에서 물류 문제가 발생하고 시스템에 불필요한 하드웨어, 복잡성 및 잠재적 장애 지점이 추가됩니다. 하지만 단일 플랫폼이 이러한 문제를 완전히 없앨 수 있다면 어떨까요? 이 기사에서는 확장성 및 연결성 요구 사항을 해결하기 위한 사례 연구로 Siemens SIMATIC S7-1200 에코시스템을 사용하여 이러한 접근 방식을 살펴봅니다.

OEM의 확장성 과제

OEM 제품 라인은 종종 '양호, 우수, 최상' 모델을 사용하며, 여기에는 포함된 기능에 따라 기계의 복잡성이 달라집니다. 하지만 엔트리급 모델에는 비용 효율적이면서도 하이엔드 버전에도 충분한 성능을 제공하는 제어 시스템을 지정하는 것이 과제입니다. 이를 위해 일반적으로 사용되는 몇 가지 방법은 다음과 같습니다.

1. 여러 제어 플랫폼 사용: 각 기계 계층마다 다른 PLC를 사용하면 단위당 비용 효율이 높아 보일 수 있지만 교육, 프로그래밍 및 예비 부품 재고에서 다운스트림 비용이 발생할 수 있습니다. 이러한 접근 방식은 엔지니어가 여러 프로그래밍 환경에 능숙해져야 할 뿐만 아니라, OEM과 최종 사용자 모두를 위해 더 크고 복잡한 예비 부품 인벤토리가 필요합니다.
2. 대형 및 고정 I/O PLC: 하나의 대형 PLC를 선택하면 프로그래밍이 간소화되지만 미사용 용량에 대한 BOM(부품 명세서) 비용으로 인해 엔트리급 모델의 경쟁력이 떨어질 수 있습니다. 이 접근 방식은 또한 향후 수정에 대한 유연성을 제한할 수 있습니다. 고객에게 추가 센서가 하나만 필요하고 모든 고정 I/O 포인트가 할당된 경우, 많은 비용과 시간이 소요되는 재설계가 필요할 수 있습니다.

각 기계 변형에 필요한 I/O로 정밀하게 구성할 수 있는 중앙 프로세서를 갖춘 모듈식 제어 플랫폼이 실용적인 해결책이 될 수 있습니다.

브라운필드 연결성 문제 해결

지난 세대 기술을 기반으로 구축된 공장 현장에서 최첨단 기계가 어떻게 효과적으로 통신할 수 있을까요? 이는 시스템 통합업체의 브라운필드 딜레마의 핵심으로, PROFINET과 같은 최신 프로토콜을 사용하는 새로운 장비가 Modbus RTU와 같은 직렬 프로토콜에 의존하는 기존 장비와 통합해야 하는 경우가 많습니다. 이를 위해서는 새로운 시스템이 RS-485 직렬 통신을 통해 레거시 VFD, 스케일 및 기타 장치와 통신해야 합니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 일반적으로 두 가지 방법이 사용됩니다.

1. 타사 프로토콜 게이트웨이: 외부 게이트웨이를 사용하면 PROFINET과 Modbus RTU 간에 변환할 수 있지만 추가 하드웨어 비용이 발생하고, 잠재적인 장애 지점이 존재하며, 구성을 위한 별도의 소프트웨어 도구가 필요합니다. 두 시스템 간의 데이터 매핑은 번거로울 수 있으며, 통신 문제 해결을 위해 종종 서로 다른 제조업체의 두 장치를 진단하는 복잡한 작업이 필요할 수 있습니다.
2. 맞춤형 코드가 적용된 산업용 PC(IPC): 맞춤형 통신 소프트웨어를 실행하는 IPC는 성능은 우수하지만 비용이 많이 들고 복잡한 솔루션으로, 작업 현장에 PC 운영 체제 유지 관리의 부담이 발생합니다. 이 전략에는 기존 자동화 팀에는 항상 존재하지 않는 전문화된 IT 및 소프트웨어 개발 기술이 필요하므로, 취약성이 높고 유지 관리가 어려워질 수 있습니다.

최신 컨트롤러는 아키텍처를 간소화하고 구성을 중앙 집중화하기 위해 레거시 통신을 기본 기능으로 지원해야 합니다.

통합 솔루션: SIMATIC S7-1200 플랫폼

완전 통합 자동화(TIA) 포털 내에 구성된 Siemens SIMATIC S7-1200 계열은 이러한 문제를 해결하도록 설계되었습니다. 다양한 기능과 성능 특성을 제공하는 부품을 갖춰 일원화된 플랫폼을 제공합니다. 그림 1은 PLC 모듈 컨트롤러의 예를 보여주며, 포함된 다양한 부품을 볼 수 있습니다.

그림 1: 내장형 CPU, 온보드 I/O 핀, 상태 LED 및 커넥터로 구성된 Siemens의 SIMATIC S7-1200 PLC 모듈 컨트롤러(이미지 출처: Siemens).

핵심: 성능이 우수하고 강력하며 유연한 CPU

S7-1200 시스템의 중심에는 콤팩트한 CPU가 있습니다. 예를 들어 CPU 1214C는 명령어당 0.08µs의 부울 실행 속도와 100/150KB의 작업 메모리로 빠른 프로그램 실행이 가능합니다. 여기에 전체 프로젝트(심볼 및 주석 포함)를 저장하는 넉넉한 4MB의 로드 메모리와 전원 주기 동안 중요한 머신 데이터를 안전하게 저장하는 14KB의 리텐션 메모리가 더해집니다. 그림 2와 같이 통합된 PROFINET 포트는 최대 16개의 이더넷 연결을 지원하여 최신 필드 장치 네트워크의 I/O 컨트롤러로 작동합니다.

그림 2: SIMATIC CPU를 사용하는 PROFINET IO 컨트롤러 및 IO 디바이스 토폴로지 예시(이미지 출처: Siemens).

로직 외에도 CPU는 최대 100kHz에서 펄스 트레인을 처리할 수 있는 6개의 독립적인 고속 카운터를 통합하여 엔코더를 사용한 정밀 측정 및 위치 지정 작업에 이상적입니다. 또한 CPU 1214C는 2개의 온보드 아날로그 입력(0V ~ 10V)을 갖추고 있어 추가 모듈 없이도 기본 아날로그 감지를 위한 내장 기능을 제공합니다. 이 장치의 물리적 설계는 산업 현실에 맞게 제작되어 -20°C ~ +60°C의 정격 작동 온도 범위와 최대 2g(벽면 장착)의 진동을 견딜 수 있어 까다로운 환경에서도 안정적인 작동을 보장합니다.

CPU는 모든 전력 인프라에 맞게 여러 가지 변형으로 제공됩니다. 6ES7214-1AG40-0XB0은 표준 24VDC 시스템용 DC/DC 모델이며, 6ES7214-1BG40-0XB0(AC/DC/계전기)은 120/230VAC 전원에서 전원을 공급받을 수 있어 별도의 전원 공급 장치가 필요하지 않아 공간과 비용을 절약할 수 있습니다. 또한 6ES7214-1AG40-0XB0은 스테퍼 모터의 오픈 루프 속도 및 위치 제어를 위한 4개의 펄스 트레인 출력을 갖추고 있어 비교적 간단한 응용 제품에서는 특수 모션 컨트롤러의 필요성을 줄여줍니다.

세분화된 고성능 I/O로 확장성 해결

S7-1200의 핵심 기능은 모듈식입니다. CPU는 사소한 추가를 위한 신호 기판(SB)과 더 큰 I/O 요구 사항을 위한 신호 모듈(SM)로 확장할 수 있으므로 상황에 맞게 BOM을 최적화할 수 있습니다.

기본 모델: CPU 1214C의 온보드 14개의 디지털 입력과 10개의 디지털 출력은 엔트리 레벨 머신에 충분하며, 비용 최적화된 시작점을 제공합니다.

중간 계층 모델: 가변 주파수 드라이브 제어를 위한 0V ~ 10V 아날로그 신호를 추가하려면 그림 3에 표시된 신호 기판 SB 1232 >6ES7232-4HA30-0XB0을 사용할 수 있습니다. CPU에 직접 연결하여 12비트 해상도의 단일 아날로그 출력과 300µs의 인상적인 변환 시간을 제공합니다.

이 속도는 비례 밸브나 기타 아날로그 액추에이터의 반응형 제어가 필요한 경우에 매우 중요합니다. 이 모듈은 최대 100m의 차폐 케이블 길이에 걸쳐 최소 임피던스 1000Ω의 부하를 구동할 수 있어 컨트롤러의 설치 공간을 늘리지 않고도 중요한 기능을 추가할 수 있습니다.

그림 3: SIMATIC S7-1200 CPU용 추가 I/O를 위한 SB 1232 - 6ES7232-4HA30-0XB0 신호 기판(이미지 출처: Siemens).

하이엔드 모델: 16포인트 밸브형 매니폴드 제어를 위해 신호 모듈 SM 1222 6ES7222-1BH32-0XB0(그림 4)은 각각 정격 0.5A의 강력한 16개의 트랜지스터 디지털 출력을 제공합니다. 모듈에 유도 차단 전압이 (L+)-48V의 일반적인 값으로 제한되어 솔레노이드 같은 유도 부하 전환 시 출력을 역 EMF로부터 보호하는 제한 기능이 내장되어 있어 엔지니어 입장에서는 매우 장점이 됩니다.

그림 4: 유도 차단 전압 제한 기능이 있는 16개의 트랜지스터 출력을 갖춘 SM 1222 - 6ES7222-1BH32-0XB0 신호 모듈(이미지 출처: Siemens).

고급 아날로그 제어를 위해 신호 모듈 SM 1232 - 6ES7232-4HD32-0XB0 (그림 5)은 4개의 고정밀 아날로그 출력 채널을 제공합니다. 각 채널은 전압(14비트 분해능의 +/-10V) 또는 전류(13비트 분해능의 0-20mA) 중 하나로 구성할 수 있습니다. 전선 단선 및 단락과 같은 전기적 결함에 대한 통합 진단 기능이 있어 PLC 프로그램이 배선 결함 및 잠재적인 출력 문제를 감지하여 기계 가동 시간과 안정성을 높일 수 있습니다.

그림 5: 전선 차단 및 단락 오류에 대한 아날로그 제어 통합 진단 기능을 갖춘 SM 1232 - 6ES7232-4HD32-0XB0 신호 모듈(이미지 출처: Siemens).

통합으로 연결성 문제 해결

브라운필드 통합의 경우 통신 기판 CB 1241 RS485 6ES7241-1CH30-1XB0을 CPU에 직접 연결합니다. 그림 6과 같이 시스템 크기를 늘리지 않고도 물리적 RS-485 직렬 포트를 제공합니다.

그림 6: RS-485 통신 네트워크의 종단 및 바이어스 구성(이미지 출처: Siemens)

이 포트는 1000m 거리에서 최대 115.2kbit/s의 통신 속도를 지원하는데, 진정한 통합은 소프트웨어에 있습니다. TIA 포털에는 Modbus RTU(마스터 및 슬레이브)뿐만 아니라 바코드 스캐너와 같은 간단한 장치에 이상적인 Freeport(ASCII) 통신과 Siemens 드라이브와 통신하기 위한 USS 프로토콜에 대한 라이브러리 지침도 포함되어 있습니다.

구성은 전적으로 TIA 포털 프로젝트 내에서 처리되며, 직렬 데이터를 PLC 데이터 블록에 직접 매핑합니다. 따라서 외부 구성 도구가 필요하지 않으므로 네트워크 아키텍처가 간소화됩니다. 유지보수를 위해 기판에는 송신(TxD) 및 수신(RxD) 신호에 대한 진단 LED가 포함되어 있어 통신 활동 상태를 한눈에 파악할 수 있어 현장 문제 해결을 간소화합니다.

결론

자동화 엔지니어의 주요 과제는 복잡성 관리와 민첩성을 위한 설계입니다. Siemens SIMATIC S7-1200과 같은 제어 플랫폼으로 표준화하면 이러한 문제를 해결할 수 있습니다. CPU 1214C와 같은 우수한 프로세서와 SB 1232부터 SM 1222 및 SM 1232에 이르는 유연한 모듈식 I/O 에코시스템을 결합하여 OEM은 다양한 장비 가격대에 적합한 확장 가능한 단일 제어 아키텍처를 구축할 수 있습니다.

시스템 통합자는 CB 1241과 같은 통합 통신 옵션을 사용하여 외부 게이트웨이의 복잡성을 줄일 수 있습니다. TIA 포털 환경 내에서 구성된 이 통합 접근 방식은 엔지니어링 시간을 단축하고 재고를 최소화하며 강력하고 유연한 자동화 솔루션을 제공할 수 있습니다.