새로운 IO-Link 마스터로 인더스트리 4.0 공장에서 클라우드 연결과 로컬 제어의 이점 간에 균형을 유지하는 방법

산업용 네트워크에서 프로그래밍 가능 논리 컨트롤러(PLC)를 사용하여 클라우드 연결과 로컬 제어에 대한 요구 사항을 조율하는 것이 훨씬 쉬워졌습니다. 인더스트리 4.0 네트워크는 복잡하며, 작업 현장의 IO-Link부터 기계와 PLC, 클라우드까지 연결되는 OPC UA(Open Platform Communications Unified Architecture) 인터페이스를 연결하는 필드 버스(예: 이더넷/IP 및 PROFINET)까지 다양한 수준의 연결을 포함합니다.

기존 인더스트리 4.0 네트워크의 센서, 액추에이터 및 기타 장치는 IO-Link 마스터를 사용하여 필드 버스 네트워크와 연결하고, 필드 버스 네트워크의 장치는 OPC UA 및 기타 프로토콜을 사용하여 클라우드와 연결합니다.

이제 기계 및 공장 네트워크 설계자는 일반적인 이더넷/IP, PROFINET 및 기타 필드 버스 연결과 OPC UA 인터페이스를 결합하여 클라우드에 직접 연결할 수 있는 새로운 도구인 IO-Link 마스터를 사용할 수 있습니다. 이를 통해 연결을 평면화하고 중요한 데이터를 최상위 수준 네트워크에 빠르게 전송할 수 있습니다.

이 기사에서는 우선 기존 네트워크 아키텍처에서의 로컬 제어 및 클라우드 연결의 용도를 검토합니다. 그런 다음 필드 버스 및 OPC UA 연결을 포함하고 여러 병렬 연결을 지원할 수 있는 Pepperl+Fuchs의 새로운 IO-Link 마스터를 통해 사용할 수 있는 평면형 아키텍처를 소개합니다. 또한 새로운 이더넷 APL(Advanced Physical Layer) 기술이 적용되는 방식을 고찰합니다.

마지막으로 네트워크 확장을 위한 OPC UA 연결 및 호환 가능한 IO-Link 허브를 지원하는 새로운 IO-Link 마스터와 몇 가지 대표적인 IO-Link 장치, IO-Link 장치의 구성, 커미셔닝 및 문제 해결을 위한 IO-Link USB 마스터 사용 등에 대해 자세히 설명합니다.

인더스트리 4.0 공장에서는 로컬 제어와 클라우드 연결을 다양하게 조합해야 합니다. 각 기능은 고유한 이점이 있습니다. 최상의 솔루션에는 보통 반응형 로컬 제어를 위해 PLC와 에지 컴퓨터를 결합하는 동시에 클라우드를 사용하여 복잡한 데이터를 분석하는 경우가 많습니다.

PLC는 견고하며 산업 환경에서 사용하도록 설계되었습니다. 일반적으로 모듈식이며 인더스트리 4.0 공장의 변화하는 요구 사항을 수용할 수 있습니다. PLC는 계전기 기반 시스템보다 더 콤팩트하고 안정적이며, 이를 대신하여 쓰이는 경우가 많습니다. 가장 중요하다고 말할 수 있는 점은 PLC가 연결된 기계와 센서의 직접적인 피드백을 통해 중요한 응용 제품에서 실시간 제어를 지원할 수 있다는 점입니다.

클라우드 연결은 기본적으로 무제한 저장 공간과 계산 기능을 제공합니다. 개별 PLC로 제어되는 다양한 응용 제품의 데이터를 연결하고, 전체 공장 운영을 조율하고 최적화할 수 있습니다. 클라우드 연결은 PLC의 관리 작업을 오프로드하고 클라우드 컴퓨팅 서비스를 신속하고 경제적으로 확장할 수 있습니다.

기존 IO-Link

IO-Link는 필드 버스가 아닌 지점 간 프로토콜입니다. 기존 인더스트리 4.0 네트워크에서 IO-Link 마스터는 작업 현장의 IO-Link 장치와 필드 버스 네트워크 사이에서 중개 장치 역할을 합니다. IO-Link 마스터의 각 포트는 단일 IO-Link 장치에 연결됩니다. IO-Link 마스터는 연결된 IO-Link 장치의 통신을 통합하고 변환하여 필드 버스 네트워크로 전송합니다.

IO-Link 마스터는 제어 캐비닛 내부에 설치할 수 있습니다. IP20 환경 등급의 원격 연결 지점으로서 필드 버스 네트워크에 연결하거나 IP65/67 등급으로 작업 현장에서 사용할 수 있습니다(그림 1). 기존 IO-Link 마스터와 클라우드는 서로 직접 연결할 수 없으며, 클라우드에 대한 모든 통신은 필드 버스에 있는 장치를 채널로 사용하여 해당 장치에 의해 제어됩니다.

그림 1: 필드 버스에 연결된 IO-Link의 기존 네트워크 응용 제품 (이미지 출처: Pepperl+Fuchs)

향상된 IO-Link 및 병렬 네트워크

IO-Link 마스터에 OPC UA 연결을 추가하면 산업용 네트워크 아키텍처의 가능성이 크게 달라집니다. 더 이상 클라우드에 접속하기 위해 채널을 사용하여 필드 버스로 통신을 전송할 필요가 없습니다.

시간이 중요한 데이터는 여전히 실시간 제어를 위해 필드 버스에 저장할 수 있습니다. 시간이 덜 중요한 데이터를 집계하여 클라우드로 직접 전송할 수 있으므로 필드 버스 장치의 통신 오버헤드 부담을 완화할 수 있습니다.

Pepperl+Fuchs는 이 새로운 구조를 표준 산업용 기계 제어 시스템과 병렬로 사용할 수 있기 때문에 '병렬' 아키텍처라고 합니다. 핵심은 산업용 이더넷 필드 버스의 병렬 사용을 지원하는 MultiLink™ 기술이며, 이더넷/IP 및 MQTT(Message Queuing Telemetry Transport)와 같은 프로토콜을 사용하여 PLC와 연결할 수 있습니다. 이 오픈 소스 메시징 프로토콜은 OPC UA를 사용하며 산업용 컴퓨터, 감시 회로 제어 및 데이터 취득(SCADA) 시스템, 클라우드와 같은 산업용 사물 인터넷(IIoT)의 장치와 연결할 수 있습니다.

패키지를 완성하기 위해 MultiLink가 포함된 IO-Link 마스터에는 웹 브라우저를 사용하여 필드 버스 연결 및 연결된 IO-Link 장치의 구성을 지원하는 통합 웹 서버와 IO-Link 장치 설명(IODD) 인터프리터도 포함되어 있습니다(그림 2).

그림 2: 클라우드 직접 연결과 더 평면화된 네트워크 구조를 위해 OPC UA를 사용하는 새로운 IO-Link 네트워크 아키텍처 (이미지 출처: Pepperl+Fuchs)

기타 네트워킹 옵션

OPC UA 및 MultiLink가 포함된 IO-Link 마스터는 위에서 설명한 새로운 병렬 네트워크 아키텍처를 활용하는 것 외에도 다음과 같은 다른 사용 사례에 사용할 수 있습니다.

개조 - 이 기존 IO-Link 마스터를 OPC UA 및 MultiLink 연결 기능이 있는 마스터로 교체하여 기존 네트워크에 병렬 통신이라는 이점을 추가할 수 있습니다.

기존 PLC가 없는 응용 분야 - ERP(전사적 자원 관리) 또는 MES(제조 실행 시스템)와 같은 일부 응용 분야에서는 작업 현장의 센서에서 데이터를 수집하므로 PLC가 필요하지 않습니다. OPC UA가 탑재된 IO-Link 마스터는 데이터를 클라우드로 직접 전송하여 집계 및 분석하고 조치를 취함으로써 생산성을 극대화할 수 있습니다.

여러 PLC를 사용하는 응용 분야 - 복잡한 용접 셀은 여러 PLC와 프로토콜을 사용하며 OPC UA를 추가하여 이점을 얻을 수 있는 응용 분야의 예입니다. 예를 들어 기본 PLC는 PROFINET 통신을 사용하여 전체 공정을 제어할 수 있고, 산업용 PC는 이더넷/IP 통신으로 광 품질 모니터링을 제어할 수 있으며, 다양한 로봇 및 기타 장비는 독점 제어 프로토콜을 사용할 수 있습니다. Pepperl+Fuchs의 MultiLink 기술이 적용된 OPC UA를 사용하면 서로 다른 필드 버스 프로토콜에서도 시스템 간의 통신 및 데이터 교환이 가능하고, 전체 용접 셀을 클라우드에 연결할 수 있습니다.

이더넷 APL을 기반으로 구축

MultiLink 기술은 이더넷 APL(Advanced Physical Layer)을 기반으로 구축되어 이더넷을 장거리 공정 계측을 통한 통신 및 전력에 사용할 수 있습니다. 10BASE-T1L 이더넷 물리층 표준을 기반으로 합니다.

10Mbps 속도와 1,000미터 범위를 지원하는 이더넷 APL을 사용하면 실시간 공정 모니터링 및 제어를 할 수 있으며, 병렬 액세스가 가능합니다. 이더넷/IP, HART-IP, OPC UA, PROFINET 및 기타 상위 프로토콜을 지원합니다. 게이트웨이 또는 기타 프로토콜 변환이 필요하지 않습니다. 개방형 시스템 상호 연결(OSI) 모델의 계층 1에서 특수 이더넷 물리 연결(PHY)을 사용하여 10BASE-T1L을 구현합니다(그림 3).

그림 3: 이더넷 APL은 10BASE-T1L을 기반으로 하는 새로운 PHY입니다. (이미지 출처: Pepperl+Fuchs)

새로운 산업용 네트워킹 도구

Pepperl+Fuchs는 OPC UA MultiLink 병렬 연결을 지원하는 IO-Link 마스터를 통한 새로운 가능성을 활용하려는 산업용 네트워크 설계자를 위해 ICE2(이더넷/IP 포함) 및 ICE3(PROFINET 포함) IO-Link 마스터 계열을 제공합니다. 두 유형의 IO-Link 마스터는 8개의 입력 및 출력을 지원하며, 모든 모듈 파라미터와 모든 연결된 IO-Link 장치를 설정할 수 있는 웹 기반 구성 기능(웹 IODD 작동)을 제공합니다. 100개 이상의 IODD를 위한 통합 IODD 스토리지가 포함됩니다. 다음과 같은 기타 특징을 포함합니다.

• PortVision® DX 소프트웨어는 하나의 응용 제품에서 네트워크 구성, 장치 관리, 설정 복제/백업을 지원합니다.
• 모든 모듈 설정을 별도의 파일로 저장하고 복제 기능을 사용하여 새 장치로 전송하여 빠르게 배포할 수 있습니다.
• 블록 모델에는 16A 정격의 L-Code M12 전력 커넥터 플러그가 두 개 있습니다. 입력 및 출력에는 A-Code M12 커넥터 플러그가 있고, 필드 버스 연결은 D-Code M12 커넥터 플러그를 통해 이루어집니다.
• DIN 레일 모델은 나사 단자 또는 플러그형 푸시인 커넥터와 함께 사용할 수 있습니다.
• 보호 등급: 블록 모델은 IP67 등급이고, DIN 레일 모델은 IP20 등급입니다(그림 4).

그림 4: DIN 레일(왼쪽) 및 블록 스타일(오른쪽) IO-Link 마스터의 예 (이미지 출처: Pepperl+Fuchs)

OPC UA MultiLink를 지원하는 대표적인 IO-Link 마스터는 다음과 같습니다.

• ICE2-8IOL1-G65L-V1D는 연결된 장치에 최대 200mA의 전력을 공급할 수 있는 4개의 IO-Link 클래스 A 포트와 자체 독립 전원이 있는 고전력 장치를 위한 4개의 IO-Link 클래스 B 포트를 갖춘 블록 스타일 이더넷/IP 및 Modbus IO-Link 마스터입니다.
• ICE2-8IOL-K45P-RJ45는 8개의 입력/출력 및 푸시인 커넥터를 갖춘 DIN 레일 스타일 이더넷/IP IO-Link 마스터입니다.
• ICE3-8IOL1-G65L-V1D는 4개의 IO-Link 클래스 A 포트와 4개의 IO-Link 클래스 B 포트가 있는 블록 스타일 PROFINET 및 Modbus IO-Link 마스터입니다.
• ICE3-8IOL-K45S-RJ45는 8개의 입력/출력 및 나사 단자를 갖춘 DIN 레일 스타일 PROFINET IO IO-Link 마스터입니다.

네트워크 확장을 위한 허브 및 컨버터

IO-Link 허브는 센서, 액추에이터 및 기타 장치의 네트워크 확장을 지원합니다. IO-Link 허브를 활용하면 표준 센서 케이블을 사용하여 여러 디지털 센서와 액추에이터를 IO-Link 마스터에 연결할 수 있습니다. 예를 들어 ICA-16DI-G60A-IO IO-Link 허브는 최대 16개의 PNP 디지털 입력을 처리할 수 있으며 각 포트마다 논리 레벨을 개별적으로 구성할 수 있습니다. 연결된 IO-Link 마스터의 기능에 따라 연결된 장치에 최대 500mA의 전력을 공급할 수 있습니다. ICA-16DI-G60A-IO 허브는 IP65, IP67 및 IP69K 등급입니다.

아날로그 출력이 있는 센서를 IO-Link 네트워크에 연결해야 하는 경우, 설계자는 전류 또는 전압용 아날로그 입력과 IO-Link 출력을 지원하는 ICA-AI-I/U-IO-V1 IO-Link 컨버터를 선택할 수 있습니다. ICA-AI-I/U-IO-V1 컨버터는 IP67 등급이며 입력을 다음과 같이 설정할 수 있습니다.

• 전류 입력은 0mA ~ 20mA 또는 4mA ~ 20mA로 설정될 수 있습니다.
• 전압 입력은 -10V ~ 10V 또는 0V ~ 10V로 설정될 수 있습니다.

IO-Link 장치 제공

감지 및 제어 요구 사항을 포함한 거의 모든 산업 공정에 포괄적인 IO-Link 장치 에코시스템을 사용할 수 있습니다. Pepperl+Fuchs의 IO-Link 포트폴리오에는 유도 근접 센서, 유도 위치 시스템, 광전 센서, 초음파 센서, 진동 센서, 회전식 인코더, 식별 시스템 등이 있습니다(그림 5). 예를 들면 다음과 같습니다.

• VDM28 거리 측정 장치는 PRT(Pulse Ranging Technology)를 사용하여 0.2m ~ 15m 작동 범위에서 5mm의 반복 정확도와 25mm의 절대 정확도를 제공합니다.
• IUT-F191-IO-V1-FR2-02 RFID 읽기/쓰기 장치는 최대 약 1m 거리의 산업용 응용 제품에 최적화되어 있습니다. ISO/IEC 18000-63을 기반으로 수동 소자 태그를 읽고 쓸 수 있습니다.

그림 5: 여러 가지 사용 가능한 IO-Link 장치의 예 (이미지 출처: Pepperl+Fuchs)

IO-Link 장치 커미셔닝을 위한 USB 마스터

IO-Link 장치를 설치하고 커미셔닝할 때 네트워크 기술자는 IO-LINK-MASTER02-USB(그림 6)를 사용할 수 있습니다. 이 USB 마스터를 사용하면 IO-Link 장치를 PC의 USB 포트에 연결할 수 있습니다. 또한 테스트, 구성 및 서비스 활동을 지원할 수 있습니다. 연결된 장치를 구성하고 파라미터화할 수 있고 장치 진단도 지원됩니다. 전류 소비가 적은 장치를 USB 마스터에서 직접 구동할 수 있습니다. 전력이 더 많이 필요한 장치는 외부 전원 공급 장치(옵션)에 연결할 수 있습니다.

그림 6: 이 IO-Link USB 마스터를 PC에 연결하여 네트워크를 빠르게 배포할 수 있습니다. (이미지 출처: Pepperl+Fuchs)

결론

IO-Link 마스터 장치에 OPC UA 병렬 연결 기능이 추가되면서 인더스트리 4.0 네트워크 설계자가 선택할 수 있는 옵션이 크게 달라졌습니다. 이제 네트워크 아키텍처를 평면화하고 작업 현장의 IO-Link 장치와 클라우드를 직접 연결할 수 있습니다. 이 신기술을 다양한 사용 사례에서 활용하여 운영 효율성을 개선할 수 있습니다.