다중 프로토콜 원격 I/O가 기계 제어를 간소화하고 OEE를 지원하는 방법

원격 I/O를 사용한 기계 제어 간소화는 작업 현장에서 시작하여 제어 네트워크를 거쳐 최종적으로 제어 캐비닛 및 클라우드에 이릅니다. 이러한 과정에서 통합은 핵심적인 고려 사항이며 다중 프로토콜 I/O 블록을 사용하여 지원할 수 있습니다.

이더넷, IO-Link, Modbus RTU와 같은 다양한 프로토콜은 특정 응용 분야를 위해 최적화되었습니다. 각각의 기계, 센서, 액추에이터에 개별 케이블을 사용해 중앙 컨트롤러까지 연결하는 대신, 원격 다중 프로토콜 I/O 시스템은 서로 다른 프로토콜을 사용하는 다양한 현장 장치의 데이터를 단일 네트워크 케이블을 통해 집계할 수 있습니다. 이러한 통합은 배선을 대폭 줄이고 비용을 낮추며 시스템 유연성, 확장성, 유지보수를 향상시킵니다.

통합으로 가능해지는 데이터 집계는 전체 장비 효율성(OEE) 계산의 구현을 간소화하는 데에도 필요합니다. OEE는 가용도, 성능, 품질을 결합하는 제조 프로세스 효율성에 대한 포괄적인 측정 지표입니다. OEE는 정보와 데이터에 기반한 결정을 내리는 데 매우 중요한 데이터를 제공하여 생산 프로세스를 최적화하므로, 비용을 낮추고 생산량을 늘릴 뿐만 아니라 제품의 품질 및 수익성을 향상시킬 수 있습니다.

이 기사에서는 기계, 센서 및 기타 작업 현장에서 사용되는 장치부터 제어 캐비닛 및 클라우드에 이르기까지, Banner Engineering 다중 프로토콜 블록이 원격 I/O 연결성과 OEE를 지원하는 방법을 검토합니다.

OEE 메트릭은 공장 성능에 대한 명확한 데이터 기반의 인사이트를 제공합니다. 이를 통해 생산성 향상, 비용 감소, 품질 개선을 제공하고 전반적으로 더욱 정보에 기반한 결정을 내릴 수 있습니다.

OEE는 간단하지만 강력한 영향을 가진 방정식을 기반으로 합니다(그림 1).

• 가용도 - 계획된 생산 시간 중 장비가 실제로 작동하는 시간이 차지하는 비율을 측정합니다(실제 작동 시간 / 계획된 생산 시간). 기계가 24시간(1440분) 작동하도록 예정되었지만 예기치 않은 중지로 인해 20시간(1200분)만 작동한 경우, 가용도는 1200/1440 = 83.3%입니다.
• 성능 - 최대 속도와 비교하여 실제 생산 속도를 측정합니다((최대 주기 시간 x 총 생산 수량) / 작동 시간). 기계의 최대 주기 시간과 작동 시간이 각각 1분/개 및 1200분인데, 생산 수량이 1000개라면 성능은 (1분/개 x 1000개) / 1200분 = 83.3%입니다.
• 품질 - 양호한 장치의 비율을 측정합니다(양호 장치 개수 / 총 생산 장치 개수). 예를 들어, 기계에서 1000개의 장치를 생산했는데 그 중 20개를 폐기했거나 재작업이 필요한 경우, 품질은 980 / 1000 = 98%로 계산됩니다.
• OEE = 83.3%(가용도) × 83.3%(성능) × 98%(품질) = 68.0%

그림 1: OEE의 기초가 되는 수학은 간단하지만 OEE가 암시하는 바는 깊고 광대합니다(이미지 출처: Banner Engineering).

작업 현장에 OEE를 구현하는 데 수반되는 문제점

OEE를 구현하는 데 필요한 데이터를 획득하는 것은 어려울 수 있습니다. 모든 기계에서 정확한 실시간 데이터를 수집하는 것이 중요한 과제입니다. 이는 노후된 기계나 고립된 자동화 장비의 경우에 특히 그렇습니다.

수동으로 데이터를 입력하면 데이터 수집 속도를 늦출 뿐만 아니라 데이터 입력 오류 및 부정확성을 일으켜(예: 다운타임 및 결함 오분류), 잘못되거나 왜곡된 OEE 측정값이 제공될 수 있습니다.

시기 적절하고 정확하며 포괄적인 데이터는 OEE 프로그램을 효과적으로 구현하는 데 있어 매우 중요합니다. 이는 작업 현장을 넘어 확장되며 기존 시스템(예: ERP(전사적 자원 관리) 또는 CMMS(전산화 유지보수 관리 시스템), 예지 보전 프로그램 및 기타 고급 인더스트리 4.0 시스템)과의 통합을 포함합니다. 특히 에지 처리 기능을 포함하는 원격 I/O 솔루션은 OEE를 구현하기 위한 중요한 도구일 수 있습니다.

원격 I/O 솔루션

원격 I/O 허브는 단일 네트워크 버스를 통해 컨트롤러에 연결하는 방식으로 위치 I/O 모듈을 현장 장치(예: 센서 및 액추에이터)에 더 가까이 배치합니다. 이렇게 하면 배선 비용이 줄고, 통합이 간소화되며, 가용도가 더욱 개선됩니다.

다중 프로토콜 원격 I/O 솔루션을 지원하는 주요 네트워크 장치에는 다중 프로토콜 이더넷 블록, IO-Link 허브, Modbus RTU I/O 블록 등이 포함됩니다(그림 2).

그림 2: Banner Engineering에서 제공하는 여러 원격 I/O 구성의 예(이미지 출처: Banner Engineering)

이러한 원격 I/O 장치 중 대부분은 까다로운 산업 환경에 사용할 수 있는 IP67 등급이며 마스터 및 컨트롤러에는 OEE 응용 제품으로의 통합을 간소화할 수 있는 에지 처리 및 데이터 저장이 포함됩니다. 그 예는 다음과 같습니다.

• DXMR90-X1의 독립적인 4개 Modbus 마스터 포트는 여러 장치를 연결하고 Modbus 데이터를 일반 산업용 이더넷 프로토콜(예: EtherNet/IP 및 PROFINET)로 변환하는 데 사용할 수 있습니다.
• DXMR90-4K를 마스터 및 컨트롤러로 사용하여 최대 4개 IO-Link 장치(예: 센서, 허브, 조명)를 지원할 수 있습니다. DXMR90-4K는 EtherNet/IP, PROFINET, Modbus/TCP, Modbus RTU를 포함한 다양한 산업 제어 시스템과 통신할 수 있도록 프로토콜 변환 기능이 내장되어 있습니다. 최대 8개 IO-Link 장치를 사용하는 응용 제품의 경우 설계자는 동일한 프로토콜 변환 기능을 제공하는 DXMR110-8K를 선택할 수 있습니다.
• 연결된 센서 및 장치의 개별 신호를 Modbus 프로토콜로 변환하는 R95C-8B21-MQ를 사용하여 8포트 개별 I/O를 지원할 수 있습니다.

센서 연결을 위한 컨버터도 중요합니다. S15C-I-KQ 인라인 컨버터를 사용하여 4mA ~ 20mA 아날로그 전류 출력을 가진 레거시 센서를 IO-Link 네트워크에 연결할 수 있습니다. 개별 NPN 또는 PNP 출력을 생성하는 센서는 Modbus 네트워크에 연결하기 위해 S15C-B22-MQ 인라인 컨버터를 사용할 수 있습니다.

허브를 사용하여 작업 현장에서 신호를 통합할 수 있습니다. R90C-4B21-KQ는 비 IO-Link 개별 장치를 IO-Link 시스템에 연결할 수 있는 4포트 개별 IO-Link 허브로, 해당 신호를 통합하여 IO-Link 마스터로 전송합니다. 이는 IP65, IP67, IP68 등급을 제공합니다.

캐비닛 내 IO-Link 허브

캐비닛 내 IO-Link 허브는 OEE를 구현하고 데이터 수집을 개선하며 다운타임을 줄이고 유지보수를 간소화할 수 있는 또 다른 강력하고 비용 효과적인 도구를 제공합니다. 이 허브는 여러 개별적인 아날로그 센서를 중앙 집중식으로 처리하여 배선을 간소화하고 OEE를 구현하는 데 필요한 세부적인 성능 및 진단 데이터에 실시간으로 직접 액세스할 수 있도록 합니다.

캐비닛 내 IO-Link 허브가 필요한 경우 설계자는 Banner의 IC70 계열을 시도해 볼 수 있습니다. 이러한 허브는 개별 센서 및 액추에이터를 제어 시스템으로 통합하는 과정을 간소화하여 추가적인 I/O 모듈의 필요성을 제거합니다.

통합된 지연 모드와 포트 모니터링 기능은 시스템의 PLC(프로그래밍 가능 논리 컨트롤러)에 의존하지 않고 기본 논리 기능을 구현할 수 있으므로 설치 속도를 높이고 프로그래밍을 간소화할 수 있습니다. 상태 LED는 실시간 진단을 지원하여, 빠르고 정확한 문제 해결을 보장하고 다운타임을 최소화합니다.

모델 IC70-16P-K(그림 3)는 PNP 장치용으로 설계되었고 IC70-16N-K는 NPN 장치용으로 설계되었습니다. 둘 모두 16개 채널이 있고, 제어 캐비닛에서 사용하는 데 적합한 IP20 환경 등급을 갖추고 있으며, 표준 35mm DIN 레일에 실장할 수 있습니다.

그림 3: 이 캐비닛 내 IO-Link 허브는 IP20 등급이며 최대 16개 PNP 장치에 연결할 수 있습니다(이미지 출처: Banner Engineering).

무선 연결 및 OEE

OEE 구현 시 제어 캐비닛 및 클라우드에 대한 무선 연결은 중요할 수 있습니다. 유선 시스템의 제한을 없앤 무선 연결은 작동 유연성, 확장성, 효율성을 높일 수 있습니다.

Banner는 PLC, HMI 또는 기타 로컬 호스트 간 통신을 위한 Modbus/TCP, Modbus RTU, EtherNet/IP 등 다양한 자동화 프로토콜을 수용하는 무선 I/O 솔루션을 제공합니다. 이러한 무선 컨트롤러는 로컬 직렬 포트, 로컬 I/O 포트, 로컬 ISM 무선 장치와 인터페이스하고, 셀룰러 연결 또는 유선 이더넷 네트워크 연결을 사용하여 인터넷에 연결할 수 있습니다.

DXM700-B1 및 DXM1200-B2R1 컨트롤러는 장거리 통신에 사용할 수 있는 900MHz 또는 2.4GHz ISM 대역을 지원하는 Banner의 Sure Cross DX80 무선 게이트웨이 또는 MultiHop 라디오를 사용하여 무선 통신을 제공합니다. 이 두 장치는 모두 산업 표준 RS-485, 이더넷, USB 통신 포트를 갖추고 있습니다.

또한 동작 규칙과 ScriptBasic 프로그래밍 기능을 갖춘 내부 논리 컨트롤러를 포함하고 있어, 여러 무선 라디오와 센서에서 오가는 데이터를 처리, 기록, 제어하기 위한 단순하거나 복잡한 솔루션을 구현할 수 있습니다. 추가적으로, 이러한 제품은 통합된 프로그래밍 가능 LDC 스크린 및 LED 표시기 조명을 갖추고 있습니다(그림 4).

그림 4: DXM1200-B2 컨트롤러(왼쪽) 및 DXM700-B1 컨트롤러(오른쪽)(이미지 출처: Banner Engineering)

두 컨트롤러 모두 데이터 시각화 및 분석을 위해 Banner의 CDS(Connected Data Solutions)와 같은 클라우드 서비스에 연결할 수 있으며, 300MHz M7 프로세서와 16MB 온보드 메모리를 활용합니다. 또한 이메일 및 문자 메시지 알림을 전송할 수 있고, 최대 8GB의 외부 microSD 카드에 대한 데이터 로깅을 지원하며, 동일한 12V_DC ~ 30V_DC 전원 공급 장치에서 작동합니다.

두 제품의 주요 차이점은 응용 환경에 있습니다. DXM700은 IP20 등급의 하우징을 갖추고 있어 실내 설치를 위한 보통 수준의 보호 성능을 제공하며 DIN 레일 실장 방식을 활용합니다. DXM1200은 IP67 등급 인클로저를 갖추고 있어 먼지와 물로부터 강력한 보호 성능을 제공하며, 열악한 실외 환경에서 사용하기에 적합하고 패널 또는 벽면 실장이 가능합니다.

이 두 장치는 이더넷 연결 방식도 다릅니다. DXM700은 RJ45 잭을 갖추고 있으며 표준 이더넷 케이블을 사용합니다. DXM1200은 진동 및 환경 스트레스를 견디도록 설계된 더욱 견고한 산업용 M12(D-코드) 커넥터를 사용합니다.

결론

Banner Engineering의 다중 프로토콜 원격 I/O 마스터 및 컨트롤러, 특히 DXMR 유선 계열 및 DXM 무선 솔루션에는 로컬에서 데이터를 통합하고 처리할 수 있는 에지 처리 기능이 내장되어 있어, OEE 및 기타 IIoT(산업용 사물 인터넷) 응용 제품을 구현하는 데 매우 중요합니다. Banner는 또한 인라인 프로토콜 컨버터와 캐비닛 내 IO-Link 허브를 제공하여 원격 구성 및 모니터링을 실현하고 비용을 줄일 수 있도록 합니다. 이러한 제품을 통해 레거시 장치와 최신 장치 모두를 효율적으로 통합할 수 있습니다.

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