단일 기판 컴퓨터가 산업 자동화의 범위 확장

국제 전자기술 위원회(IEC) 61131-3 표준에 기반하는 소프트웨어 개발 도구와 함께 Arduino, Raspberry Pi와 같이 산업 환경에 적합한 등급의 단일 기판 컴퓨터(SBC)가 출시되면서 기계 및 공장 자동화 설계자에게 새로운 기회가 열렸습니다. 이러한 새로운 SBC 기반 솔루션 중 일부는 환경 모니터링, 스마트 홈 및 빌딩 설치, 농업 응용 분야, 그리고 기타 비산업용 시스템을 자동화할 수 있는 새로운 가능성을 열어줍니다.

산업용 SBC는 기계 컨트롤러, 산업용 PC(IPC), 산업용 사물 인터넷(IIoT) 게이트웨이, 마이크로 프로그래밍 가능 논리 컨트롤러(PLC), 소프트 PLC, 아날로그 및 디지털 입/출력(I/O) 모듈 등에 사용되고 있습니다. 이러한 SBC 기반 장치는 개방형 하드웨어와 개방형 소프트웨어 플랫폼을 기반으로 빌드되며 전체 루트 권한을 포함하는 경우도 있습니다.

IEC 61131-3을 준수하므로 래더 구성도, 구조화된 텍스트, 기능 블록 구성도, 순차 기능 구성도, 지침 목록 등 5가지 표준 자동화 프로그래밍 언어가 지원됩니다. SBC를 사용하여 빌드하면 개발자가 Java, Python, C, C++와 같은 언어를 사용할 수 있으므로 기존 산업용 제어 하드웨어보다 더 큰 유연성을 제공할 수 있습니다. 일부는 하드웨어에서 기판 실장 보안 소자, 국제전기통신연합(ITU) X.509 표준 공개 키 규정을 준수하는 ERP(전사적 자원 관리) 시스템과 같은 상위 레벨 네트워크 또는 클라우드에 이르는 데이터 보안을 지원합니다.

이 기사에서는 기계 및 자동화 설계자가 중소 규모 자동화, 소형 기계의 내장형 제어, 대형 공장 자동화 설치 등 다양한 응용 분야에 사용할 수 있는 Arduino, Industrial Shields 및 KUNBUS의 SBC 기반 솔루션을 예시로 소개합니다. 기사 마지막 부분에서는 SBC PLC에서 PROFINET과 결정론적 네트워킹을 구현하는 방법을 살펴봅니다.

Arduino PLC

Arduino 기반 PLC는 대부분 Arduino PLC 통합 개발 환경(IDE)을 사용해 제어 소프트웨어를 작성할 수 있다는 이점을 가집니다. Arduino PLC IDE를 사용하면 IEC 61131-3에 정의된 5가지 프로그래밍 언어 중 무엇이든 선택하여 PLC 응용 제품을 빠르게 코딩하거나 기존 응용 제품을 이식할 수 있습니다. 또한 즉시 사용 가능한 Arduino 스케치(프로그램), 튜토리얼, 라이브러리도 포함합니다.

Industrial Shields의 Arduino 기반 PLC는 Arduino IDE를 사용하거나 C를 직접 사용하여 프로그래밍할 수 있습니다. 이러한 PLC에는 오픈 소스 도구가 포함되어 있으며 여러 소프트웨어 플랫폼에서 프로그래밍할 수 있습니다. 원격 연결을 위해 USB 또는 이더넷 포트를 통해 프로그래밍할 수 있습니다. 사용자가 모든 변수, 입력 및 출력의 상태를 지속적으로 모니터링할 수 있습니다.

Industrial Shields의 IS.MDUINO.21+ 모델은 0°C ~ +60°C에서 작동하는 데 적합하고, 내장된 ATmega 프로세서는 16MHz에서 16MIPS의 처리량을 실현합니다(그림 1). 특징은 다음과 같습니다.

• 13개의 입력:
  • 7개의 광 절연 디지털(5V_DC ~ 24V_DC)
    • 2개의 인터럽트(5V_DC ~ 24V_DC)
  • 6개의 아날로그(0V_DC ~ 10V_DC, 10비트) 또는 디지털(5V_DC ~ 24V_DC)로 구성 가능한 소프트웨어
• 8개의 출력:
  • 5개의 광 절연 디지털(5V_DC ~ 24V_DC)
  • 3개의 아날로그(0V_DC ~ 10V_DC, 8비트), 디지털(5V_DC ~ 24V_DC) 또는 펄스 폭 변조(5V_DC ~ 24V_DC)로 구성 가능한 소프트웨어
• 256KB 메모리
• 이더넷, RS-232, RS-485 및 USB 통신
• 최대 127개 모듈로 확장 가능

그림 1: Industrial Shields의 IS.MDUINO.21+ 모델에는 13개의 입력과 8개의 출력이 있습니다. (이미지 출처: Industrial Shields)

Micro PLC

Arduino Opta는 IIoT 응용 분야를 지원하도록 설계된 micro PLC입니다. Arduino PLC IDE로 프로그래밍 가능한 이 모델은 Arduino 스케치 및 표준 PLC 언어를 지원합니다. 메인 프로세서는 실시간 제어, 모니터링, 예측 유지 보수 알고리즘 구현을 지원하는 480MHz Cortex M7, 240MHz Cortex M4 및 1MB 프로그램 메모리를 갖춘 이중 코어 STM32H747입니다. 기판 실장 보안 소자와 X.509 규정 준수를 통해 보안 무선(OTA) 펌웨어 업데이트가 지원됩니다.

Opta PLC는 통신 기능에 따라 구별되는 세 가지 버전으로 제공됩니다. 세 버전 모두 USB-C가 탑재되어 있습니다. 모델은 다음과 같습니다.

• Opta Lite 모델 AFX00003(10/100BASE-T 이더넷 추가)
• Opta RS485 모델 AFX00001(10/100BASE-T 이더넷 및 반이중 RS-485 추가)
• Opta Wi-Fi 모델 AFX00002(10/100BASE-T 이더넷, 반이중 RS-485 802.11 b/g/n Wi-Fi 및 Bluetooth 저에너지(BLE) 추가)

이 micro PLC에서는 8개의 프로그래밍 가능한 아날로그/디지털 입력과 4개의 정격 10A(2.3kW) 상시 개방 계전기 출력을 사용합니다. 실시간 클록(RTC)은 +25°C에서 일반적으로 10일간 전원을 유지할 수 있으며, 이더넷 포트를 통해 NTP(Network Time Protocol) 동기화를 사용할 수 있습니다. DIN 레일과 호환되어 시스템 통합을 가속화할 수 있습니다(그림 2).

그림 2: 장치 왼쪽 전면에 4개의 10A 계전기 출력이 있는 Opta Lite Arduino micro PLC (이미지 출처: Arduino)

소형 기계용 내장형 PLC

레이블 부착, 성형, 밀봉, 상자 포장, 접착, 전기 오븐, 산업용 세탁기 및 건조기, 믹서 등의 소형 기계 설계자는 170mm x 90mm x 50mm Portenta 기계 제어 PLC를 사용할 수 있습니다. 빠른 연결을 위한 DIN 바 호환 하우징과 푸시인 단자가 있으며 외부 냉각 없이 -40°C ~ +85°C에서 작동할 수 있습니다(그림 3). 메인 프로세서는 480MHz Cortex M7 및 240MHz Cortex M4를 탑재한 이중 코어 STM32H747입니다. 이 기판은 설치자 및 오퍼레이터 인터페이스를 위한 평면 스크린 디스플레이, 터치 패널, 키보드, 조이스틱 및 마우스를 지원할 수 있습니다. Arduino PLC IDE 또는 기타 내장형 개발 플랫폼을 사용하여 프로그래밍할 수 있습니다.

그림 3: Portenta 기계 제어 기판은 다양한 기계의 내장형 응용 제품에 사용하도록 설계되었습니다. (이미지 출처: Arduino)

Portenta 기계 제어는 예측 유지 보수 및 인공 지능(AI) 소프트웨어를 지원할 수 있습니다. 내장형 RTC는 프로세스 동기화를 지원하고 실시간 데이터 수집 및 장비 원격 제어가 가능하도록 합니다.

프로그래밍 가능한 절연 디지털 및 아날로그 I/O 연결, 3개의 구성 온도 채널, I2C 커넥터를 통해 다양한 외부 센서 및 액추에이터에 연결할 수 있습니다. 리셋 가능 퓨즈는 모든 I/O를 보호합니다. 네트워크 연결은 USB, 이더넷, Wi-Fi, BLE 및 RS-485으로 지원됩니다.

Raspberry Pi로 공장 자동화

보다 복잡한 자동화 작업에서는 Broadcom BCM2711B0 프로세서를 사용하는 Raspberry Pi 4 기반 PLC의 처리 성능을 활용할 수 있습니다. 28nm 공정에서 제조되는 BCM2711B0에서는 Cortex-A72 아키텍처를 사용합니다. 클럭 속도가 1.5GHz인 코어 4개와 4GB RAM이 탑재되어 있습니다. 타이머, 인터럽트 컨트롤러, 범용 I/O(GPIO), USB, PCM/I2S 디지털 오디오 인터페이스, 직접 메모리 액세스(DMA) 컨트롤러, I2C 마스터, 직렬 주변 장치 인터페이스(SPI) 마스터, PWM, 범용 비동기 수신기/전송기(UART), 4K 출력을 지원하는 이중 micro HDMI 포트 등 다양한 주변 장치가 통합되어 있습니다.

Industrial Shields의 Raspberry Pi 이더넷 PLC는 BCM2711B0을 사용하고 12V_DC ~ 24V_DC 입력 전압에서 작동하며 최대 1.5A의 전류를 소비합니다. 이 모델은 Linux 운영 체제를 사용하고 이중 이더넷 포트, 이중 RS-485 포트, Wi-Fi, BLE, CAN 버스 옵션을 갖추고 있으므로 다중 프로토콜 및 통신 포트를 사용하여 다양한 장치와 연결할 수 있습니다. 실시간 제어를 활용하는 응용 분야에 최적화되어 있으며 2GB, 4GB, 8GB RAM으로 제공됩니다. Industrial Shields Raspberry Pi PLC의 예는 다음과 같습니다.

• 012003000200, 4GB RAM 및 21 I/O 지원(그림 4)
• 012003001100, 4GB RAM 및 54 I/O 지원
• 016003000200, 4GB RAM, 21 I/O 및 GPRS(일반 패킷 무선 서비스) 셀룰러 연결 지원

그림 4: 4GB RAM 및 21 I/O를 지원하는 Industrial Shields의 Raspberry Pi 이더넷 PLC (이미지 출처: Industrial Shields)

SimpleComm을 통해 PLC에서 Arduino 및 Raspberry Pi 연결

SimpleComm C++ 라이브러리를 활용하면 RS-485, RS-482, 이더넷 및 기타 프로토콜을 사용하여 데이터를 전송할 수 있습니다. 이 라이브러리는 애드-혹, 마스터-슬레이브, 클라이언트-서버와 같은 다양한 통신 토폴로지에 맞게 조정될 수 있습니다. 초기 프로그램에는 Arduino 환경을 위한 직관적인 응용 프로그래밍 인터페이스(API)가 있습니다. Industrial Shields는 최근에 Raspberry Pi PLC에서 찾아볼 수 있는 Linux 환경에 맞게 SimpleComm을 조정했습니다.

IPC 및 IIoT 게이트웨이 솔루션

더 큰 유연성이 필요한 경우 설계자는 Raspberry Pi를 기반으로 DIN 레일 실장용으로 설계된 KUNBUS의 RevPi Core S 및 SE IPC 및 RevPi Connect S 및 SE IIoT 게이트웨이를 사용할 수 있습니다(그림 5). KUNBUS는 회로 구성도를 제공하는 것 외에도 실시간 작업 패치를 통한 Raspberry Pi 운영 체제(OS) 오픈 소스 조정 기능을 사용합니다. Raspberry Pi OS는 Raspberry Pi용으로 개발된 다양한 소프트웨어 응용 분야와의 강력한 상호 운용성을 제공합니다. KUNBUS는 소프트웨어 공급업체와 협력하여 산업용 장치 및 공정을 제어, 모니터링, 분석하기 위한 SCADA(감시 회로 제어 및 데이터 취득) 소프트웨어를 지원합니다. 전체 루트 액세스 권한을 활용하여 사용자 지정 프로그램을 더 빠르게 구현할 수 있습니다.

그림 5: RevPi Core SE IPC(왼쪽) 및 RevPi Connect IIoT 게이트웨이(오른쪽)의 예 (이미지 출처: KUNBUS)

RevPi Core S 및 SE는 IEC 61131 표준을 준수하는 개방형 하드웨어 및 개방형 소프트웨어 플랫폼을 기반으로 구축되었습니다. RevPi Core S 장치는 필드 버스 게이트웨이를 포함한 모든 KUNBUS 확장 모듈과 호환됩니다. RevPi Core SE 장치는 KUNBUS I/O 모듈과 호환되지만 필드 버스 게이트웨이를 지원하지 않습니다. RevPi Core S/SE IPC는 USB, Micro-USB, 이더넷 및 HDMI 연결을 사용합니다. 이 장치들은 1GB RAM이 탑재된 1.5GHz 쿼드코어 프로세서를 지원하며 8GB, 16GB, 32GB 스토리지 모델로 제공됩니다. 예를 들어 PR100360 모델 RevPi Core S의 메모리는 16GB입니다.

IIoT 연결을 지원하기 위해 RevPi Connect S 및 SE 게이트웨이에는 최대 32GB의 메모리가 제공되며 2개의 RJ45 10/100 이더넷 소켓, 2개의 USB 포트, 4핀 RS-485 인터페이스, micro-HDMI 및 micro-USB 소켓이 포함됩니다. 두 이더넷 소켓은 자동화 및 정보 기술(IT) 네트워크와 동시 연결을 지원합니다. 오픈 소스 소프트웨어 플랫폼으로서 Node-RED, Python 및 C를 사용하여 응용 제품을 프로그래밍할 수 있으며, 확장 모듈을 사용하지 않고 PROFINET, EtherNet/IP, EtherCAT, 모드버스 TCP 및 Modbus RTU 기능을 사용하여 RevPi Connect를 업그레이드할 수 있습니다. RevPi Connect 장치의 예는 다음과 같습니다.

• PR100363, RevPi Connect S, 16GB 메모리
• PR100197, RevPi 디지털 I/O 확장 모듈
• PR100250, RevPi 아날로그 확장 모듈

PROFINET 및 SBC PLC

SBC PLC는 고급 네트워킹 프로토콜을 지원하는 정교한 장치가 될 수 있습니다. PROFINET(Process Field Network, 프로세스 현장 네트워크)은 PLC, 드라이브, 로봇, 진단 도구 등과 같은 산업용 네트워킹 장치를 위한 개방형 표준이며, 산업용 이더넷을 통해 실행되고 실시간 통신으로 데이터를 수집하고 산업용 장비를 제어하도록 최적화되어 있습니다. 대부분의 Arduino 및 Raspberry Pi PLC에서 실행할 수 있습니다.

산업 자동화 네트워크에는 고속의 결정론적 통신이 필요합니다. PROFINET은 필요하고 예상되는 시점에 정확하게 메시지를 전달하는 결정론적 성능에 중점을 둡니다.

즉, 수행 중인 작업에 따라 각 메시지를 적절한 속도로 전달합니다. 모든 작업이 똑같이 시간에 민감한 것은 아닙니다. PROFINET은 다음과 같은 다양한 프로토콜로 메시지를 전달할 수 있습니다.

• PROFINET 실시간(RT)
• PROFINET 등시성 실시간(IRT)
• TSN(시간 민감성 네트워킹)
• TCP/IP(또는 UDP/IP)

결론

Arduino 및 Raspberry Pi 기술을 기반으로 하는 다양한 SBC 기반 PLC 및 산업용 네트워킹 장치를 사용할 수 있습니다. 이러한 장치는 오픈 소스 소프트웨어를 사용하며 경우에 따라 오픈 소스 하드웨어를 사용하기도 합니다. Arduino PLC는 소규모 네트워크를 위한 표준 크기 장치, 공간에 민감한 설치를 위한 micro PLC, 내장형 응용 제품을 위한 기계 컨트롤러로 제공됩니다. 쿼드코어 Raspberry Pi 기반 PLC는 복잡한 산업용 네트워킹 응용 분야를 지원할 수 있습니다. 네트워크 설계 및 배포에서 높은 수준의 유연성을 지원하는 Raspberry Pi 기반 IPC 및 IIoT 게이트웨이를 사용할 수 있습니다.