차세대 PLC 하드웨어로 산업 자동화 문제 해결

산업용 사물 인터넷(IIoT)을 기반으로 하는 자동화는 시장 진출 시간 단축, 생산성 향상, 비용 절감, 품질 향상을 약속합니다. 하지만 여전히 장애물은 있습니다. Industry 4.0 혁신을 방해하는 문제에는 업그레이드가 어려운 레거시 시스템, 지나치게 보수적인 엔지니어링 부서, 폐쇄적인 시스템, 전문 지식 부족 등이 있습니다.

적절한 표준 기반 기술은 연결된 작업 현장에서 중추적인 역할을 하지만 대부분의 기존 또는 '일상' 프로그래밍 가능 논리 컨트롤러(PLC) 하드웨어 및 소프트웨어의 경우 기능이 제한적입니다. 따라서 설계자가 IIoT를 최대한 활용하는 데 필요한 업그레이드를 공장 전반에서 빠르게 구현하는 데 어려움이 있습니다. 문제를 더욱 어렵게 만드는 것은 새로운 기술이 도입됨에 따라 엔지니어가 구형이 되거나 더 이상 지원되지 않는 기술을 기반으로 공장 전반에서 값 비싼 업그레이드를 감수해야 한다는 것입니다.

개방형 시스템, 협업 플랫폼, 액세스 가능한 소프트웨어를 통해 미래에 대비한 경쟁력을 갖춘 지능형 솔루션을 손쉽게 구현할 수 있는 스마트 홈과 같은 IoT의 다른 부분에서도 교훈을 얻을 수 있습니다. 산업 자동화 제조업체에서는 이러한 경험과 지식을 받아들이고 있습니다.

이 기사에서는 IIoT 기술 배포 과제에 대해 간략하게 설명하고 개방형 시스템과 공장 자동화 소프트웨어의 발전으로 인해 솔루션이 어떻게 제공되는지를 알아봅니다. Phoenix Contact의 차세대 PLC 하드웨어 및 소프트웨어 구현 예시를 소개하고, 이를 통해 분석 및 자동화된 의사 결정을 위해 데이터를 수집하여 클라우드로 전송하는 과정을 간소화하는 방법을 보여줍니다.

PLC의 중요성

PLC는 이전의 계전기 논리 시스템을 대체하기 위해 1960년대 후반에 발명된 디지털 장치이며 공장의 중심이며 열악한 환경에서 수년 동안 고장 없이 작동하도록 설계되었습니다. 이 신뢰성의 핵심은 단순성에 중점을 두는 것입니다. 드물게 장애가 발생할 경우 PLC는 문제를 해결하고 수정하여 대량 생산을 빠르게 재개할 수 있도록 설계되었습니다.

이 장치는 입력 모듈(키보드, 스위치, 계전기, 센서 등과 같은 디지털 및 아날로그 입력 장치에서 데이터 수신), 전원 공급 장치, 연결된 메모리가 있는 프로그래밍 가능 CPU, 연결된 장치로 정보를 전송하는 출력 모듈로 구성됩니다(그림 1).

그림 1: 견고하고 안정적인 PLC는 공장 자동화에서 중추적인 역할을 합니다. (이미지 출처: Phoenix Contact)

기존 PLC는 IEC 61131-3에 정의된 5개 언어 중 하나로 프로그래밍됩니다. 여기에는 지침 목록(IL), 기호 순서도(SFC), 래더 구성도(LD), 기능 블록 구성도(FBD), 구조화된 텍스트(ST)가 포함됩니다. 가장 널리 사용되는 것은 기호를 사용하여 계전기, 시프트 레지스터, 카운터, 타이머, 수학 연산과 같은 기능을 표시하는 LD 또는 래더 논리입니다. 기호는 원하는 이벤트 순서에 따라 정렬됩니다.

PLC 제조업체는 산업용 이더넷의 구현을 통해 이루어지는 공장 자동화의 진행 상황에 빠르게 적응하고 있습니다. 산업용 이더넷은 IP 상호 운용 가능하고 가장 널리 사용되는 유선 네트워킹 옵션이며 광범위한 공급업체의 지원을 받고 있으며, 러기드 하드웨어와 산업 표준 소프트웨어를 특징으로 하며, 공장 자동화를 위한 검증되고 발전된 기술입니다(그림 2). 하드웨어는 Ethernet/IP, Modbus TCP, PROFINET을 비롯한 산업용 이더넷 프로토콜로 보완됩니다. 각각의 프로토콜은 산업 자동화 응용 분야에 대한 높은 수준의 결정성을 보장하도록 설계되었습니다. ('Design for Rugged IoT Applications Using Industrial Ethernet-Based Power and Data Networks(산업용 이더넷 기반 전력 및 데이터 네트워크를 사용하는 내구성 높은 IoT 응용 제품을 위한 설계)' 참조)

그림 2: 산업용 이더넷은 현대 공장의 통신 백본을 형성합니다. (이미지 출처: Phoenix Contact)

오늘날의 PLC는 대부분 내장된 이더넷 연결을 제공합니다. 이더넷 인터페이스를 제공하지 않는 기존 장치의 경우 게이트웨이를 통해 이더넷 인터페이스와 PLC 사이의 격차를 해소합니다. ('How to Connect Legacy Factory Automation Systems to Industry 4.0 without Disruption(기존 공장 자동화 시스템을 중단 없이 Industry 4.0과 연결하는 방법)' 참조)

차세대 PLC

최신 시스템과 기존 시스템이 혼합된 공장에서는 엔지니어가 Industry 4.0에서 보장하는 이점을 최대한 활용하는 데 어려움이 있습니다. 하지만 스마트 홈, 물류 부문과 같은 IoT의 다른 부분에서 얻은 교훈에 따르면 개방형 시스템, 협업 플랫폼, 액세스 가능한 표준 기반 소프트웨어를 통해 미래에 대비한 경쟁력을 갖춘 지능형 솔루션을 손쉽게 구현할 수 있다는 것을 알 수 있습니다.

이러한 다른 부분에서 얻은 지식에 따라 PLC 및 관련 시스템 제조업체는 기존 하드웨어 및 소프트웨어의 제약 없이 기존 PLC처럼 작동하는 차세대 제품을 도입하는 것이 좋습니다. 차세대 제품의 예로는 Phoenix Contact의 PLCnext Control 기술이 있습니다.

소프트웨어의 관점에서 Phoenix Contact 1069208 PLCnext 컨트롤러와 같은 제품은 IoT의 다른 영역을 지배하기 시작한 개방형 솔루션으로의 중요한 전환을 나타냅니다. 예를 들어 PLCnext는 광범위한 소프트웨어와 호환되므로, 스마트폰 앱과 같은 혁신적인 공장 자동화 앱을 인터넷으로 쉽게 다운로드하여 PLC에 설치할 수 있습니다.

PLCnext는 Linux 운영 체제(OS)를 사용합니다. PLCnext는 여전히 IEC 61131-3에 정의된 언어로 프로그래밍할 수 있지만, Linux를 사용하면 엔지니어가 상위 언어인 C++, C#, Java, Python, Simulink를 사용하여 PLC를 쉽게 프로그래밍할 수 있습니다. 사용하기 쉬운 이러한 언어를 사용하면 훨씬 더 많은 엔지니어가 현대 공장 자동화에 접근할 수 있습니다. 또한 PLCnext는 다양한 출처의 프로그램 루틴을 기존 PLC 코드로 실행할 수 있는 작업 처리 기능을 제공하며, 상위 언어 프로그램은 자동으로 결정적인 요인이 됩니다(그림 3).

그림 3: PLCnext는 다양한 출처의 프로그램 루틴을 기존 PLC 코드로 실행할 수 있는 작업 처리 기능을 제공합니다. (이미지 출처: Phoenix Contact)

산업용 이더넷 하드웨어를 통해 연결되고, 제어 시스템은 IP 상호 운용 가능한 PROFINET 프로토콜에서 실행되며 클라우드 컴퓨팅 지원을 위해 PROFICLOUD IoT 플랫폼을 사용합니다. 또한 PLC는 http, https, FTP, SNTP, SNMP, SMTP, SQL, MySQL, DCP와 같은 다른 개방형 표준 프로토콜을 지원합니다.

하드웨어는 1.3GHz에서 실행되는 Intel Atom 마이크로 프로세서를 기반으로 합니다. PLC는 1GB 플래시 메모리와 2048MB RAM을 제공합니다. IEC 61131 런타임 시스템에는 12MB 프로그램 메모리와 32MB 프로그램 데이터 스토리지가 있습니다. 이 장치는 최대 63개의 로컬 버스 장치를 지원할 수 있으며 최소 전류 소모가 504mA인 24V 공급 전압이 필요합니다(그림 4).

그림 4: PLCnext PLC는 Linux 운영 체제를 사용하며 IEC 61131-3에 정의된 기존 언어와 상위 언어를 지원합니다. (이미지 출처: Phoenix Contact)

Phoenix Contact의 PLCnext 범위에는 PLC와 산업 자동화 시스템의 다른 중요한 요소(예: 통신 모듈 및 관리형 스위치)가 포함됩니다. 구체적인 예로는 2403115 통신 모듈 및 2702981 관리형 NAT(Network Address Translation) 스위치가 있습니다. 통신 모듈은 추가 기가비트급 산업용 이더넷 인터페이스를 PLC에 추가합니다. 이 모듈은 독립 MAC 주소를 사용하고, PROFINET 지원을 제공하며, 이더넷 인터페이스와 논리 간 전기적 분리를 포함합니다.

관리형 스위치는 이더넷에서 전송되는 정보를 저장 및 전달하는 데 사용되며 이더넷 RJ45 포트 4개, 소형 폼 팩터 플러그형(SFP) 포트 2개, 콤보 포트(RJ45/SFP) 2개를 제공합니다. 이 스위치는 PROFINET 규격 B급 제품입니다.

공장 내 의사 결정 향상

제조 과정에서는 정밀성과 반복성이 요구되므로 공장 생산을 최적화해야 합니다. 공정 제어는 높은 수준의 정밀성과 반복성을 보장하는 데 핵심적인 역할을 합니다. 현대 공장에서 IIoT 센서와 카메라를 통해 기계를 모니터링하고 완성된 부품을 측정하고 제품의 사소한 편차를 포착하여 공정을 적절히 수정할 수 있습니다. 다른 센서로 기계의 상태를 추적하여 손상된 기계가 고장 나기 이전에 유지 보수 요구 사항을 예측하고 더 많은 센서로 공장의 온도, 습도, 공기질을 추적합니다.

PLCnext Control의 주요 특징은 기존 PLC와 달리 공장 데이터를 활용할 수 있다는 점입니다. Phoenix Contact에 따르면 PLC를 시스템의 아날로그 및 디지털 입/출력(I/O)의 3% ~ 5%에만 연결해도 작업자의 큰 개입 없이 제조 공정을 포괄적으로 매핑할 수 있다고 합니다.

그런 다음 PLCnext Control을 Phoenix Contact Proficloud.io, Amazon AWS, Microsoft Azure를 비롯한 클라우드 서비스에 연결할 수 있습니다. 그러면 공장 시스템에서 강력한 컴퓨팅 리소스에 액세스하여 운영 관리 및 유지 보수 공정을 최대한 효율적으로 실행할 수 있습니다. 따라서 생산성과 제품 품질이 향상되고 비용이 절감됩니다.

PLCnext 시작하기

PLCnext 컨트롤러 및 관련 장치 작업은 상대적으로 간단합니다. PLC 프로그래밍 프로젝트를 시작하도록 돕기 위해 Phoenix Contact는 1188165 PLCnext 기술 시험용 키트를 도입했습니다. 이 키트는 2404267 PLCnext 제어 모듈(PLC), 모듈 캐리어, 엄선된 아날로그 또는 디지털 모듈로 구성됩니다.

시험용 키트를 사용하려면 먼저 PLC 및 아날로그/디지털 모듈 장치를 24VDC 공급 장치에 연결해야 합니다. 그런 다음 PLC와 PC 사이에 이더넷 케이블을 연결하면 PC의 IP 주소가 설정되고 PLC의 IP 주소를 PC의 브라우저 창에 입력합니다. PLC는 사용자가 사용자 이름과 비밀번호로 로그인하면 작동됩니다. 자세한 지침은 웹 기반 관리 시스템에서 제공됩니다. PLC 프로그래밍은 PLCnext Engineer 소프트웨어를 사용하여 수행됩니다. 엔지니어는 이 소프트웨어를 사용하여 전체 자동화 솔루션을 구성, 진단, 시각화할 수 있습니다.

PLCnext Engineer를 사용하면 IEC 61131-3에 정의된 기존 언어로 프로그래밍 및 구성할 수 있습니다. 또한 C++, C#과 같은 상위 언어로 쉽게 프로그래밍할 수 있습니다. PLCnext Engineer 이외에 Eclipse 또는 Microsoft Visual Studio와 같은 다른 인기 있는 통합 개발 환경(IDE)에서도 코드를 작성할 수 있습니다. 그런 다음 소프트웨어를 PLCnext Engineer에 라이브러리로 가져와서 호환되는 PLC에서 사용할 수 있습니다(그림 5).

그림 5: PLCnext Engineer의 기존 언어 또는 IDE의 상위 언어를 사용하거나 모델 기반 설계 시스템에서 PLCnext PLC를 프로그래밍할 수 있습니다. (이미지 출처: Phoenix Contact)

PLCnext 기술의 주요 이점은 여러 개발자가 단일 PLC 프로그램에서 서로 다른 프로그래밍 언어를 사용하여 독립적으로 또는 병렬로 작업할 수 있다는 것입니다. 이를 통해 복잡한 응용 제품을 빠르게 개발하고 기존 언어 기술을 가진 개발자와 상위 언어 기술을 가진 개발자가 재능을 결합할 수 있습니다.

결론

IIoT는 공장 혁신을 약속합니다. 하지만 엔지니어가 산업용 이더넷을 설치하는 동안 연결이 제한적이고 소프트웨어가 오래된 기존 PLC로 인해 공장 자동화가 최대한 활용되지 못하고 있습니다. Phoenix Contact의 PLCnext 기술은 개방형 시스템, 협업 플랫폼, 액세스 가능한 소프트웨어를 기반으로 합니다. 이 기술은 기존 언어로 코딩된 루틴을 상위 언어로 작성된 루틴과 결합하여 생산성, 수율, 제품 품질이 향상되고 비용이 절감되는 미래에 대비한 경쟁력 있는 솔루션으로 산업 자동화를 확장할 수 있습니다.