기존 공장 자동화 시스템을 중단 없이 Industry 4.0과 연결하는 방법

Industry 4.0과 산업용 사물 인터넷(IIoT)이 추진력을 얻어감에 따라 공장의 모습도 달라지고 있습니다. 여러 대규모 자동화 기능 중에서도 Industry 4.0은 광범위한 사물 지능 통신(M2M)을 작업 현장에 도입하고 있습니다. 이는 더 많은 데이터 수집과 분석을 통해 생산성을 높이고 효율성을 향상시킬 기회를 제공합니다.

M2M이 최근 몇 년간 가속화되었지만 수십 년 전부터 공장 디지털화의 일환으로 도입되어 있기에 생소한 기술은 아닙니다. 산업용 이더넷 및 Wi-Fi와 같이 최신 유무선 M2M 기술은 간소화되고 효율적이지만 이러한 오랜 역사를 통해 기존의 많은 네트워크를 사용 중임을 알 수 있습니다. 이러한 네트워크는 프로그래밍 가능 논리(PLC)와 같은 이전의 기술을 사용하여 RS-232, RS-485와 같은 직렬 데이터 기술을 사용하는 유선 네트워크에 데이터를 전송합니다.

이로 인해 공장 관리자에게 딜레마가 생깁니다. 이전의 통신 시스템을 유지하면 Industry 4.0이 가져올 생산성 이점을 놓치지만 산업용 이더넷을 도입하기 위해 공장을 업그레이드하면 비용이 많이 들고 생산에 지장을 초래할 수 있습니다. 또한 많은 오래된 기계는 일반적으로 Ethernet/IP와 ModbusTCP 등 최신 산업용 이더넷 프로토콜과 호환되지 않는 PLC 세대가 제어합니다. 그러나 그러한 기계는 유용하게 사용될 수 있는 기간이 아직 몇 년은 남아있을 수 있습니다. 산업 게이트웨이는 단계적으로 기존의 인프라와 이더넷 백본을 연결하여 비용 효율적인 중간 솔루션을 제공합니다.

이 기사에서는 공장 생산성 및 효율성을 향상하기 위한 산업용 이더넷 네트워크와 최신 산업용 프로토콜의 이점을 간략하게 설명합니다. 그런 다음 산업 게이트웨이가 기존 인프라와 이더넷 백본을 연결하기 위한 빠르고 쉬운 솔루션을 제공하는 방법에 대해 다룹니다. 이 기사는 Weidmüller의 산업 게이트웨이 사례 2건을 소개하고 이를 사용하여 RS-232/RS-485 직렬 데이터를 운영하는 PLC를 Ethernet/IP 백본에 연결하는 방법을 설명합니다.

산업 자동화의 짧은 역사

공장의 디지털화는 1969년 PLC의 발명으로 시작되었습니다. PLC는 단일 프로그램을 지속적으로 운영하는 특수한 유형의 컴퓨터입니다. PLC의 주요 장점은 거의 실시간으로 반복 가능성이 매우 높은 프로그램 실행입니다. 또한 비교적 저렴하고 안정적이며 견고합니다. RS-485 직렬 인터페이스를 특징으로 하는 Siemens SIPLUS 장치가 좋은 예시입니다(그림 1).

그림 1: PLC는 공장 자동화의 중심이며 저렴하고 안정적이며 견고합니다. (이미지 출처: Siemens)

공장 자동화 초반에 제조업체는 RS-232를 사용하여 PLC를 중앙 감시 회로 시스템에 연결했습니다. 이는 최대 처리량이 기껏해야 초당 수백 킬로비트(Kbits/s)인 유선 직렬 데이터 링크였습니다. 또한 접지 전압을 사용하여 디지털 ‘0’을 나타내고 ±3V ~ 15V를 사용하여 디지털 ‘1’을 나타냈습니다. 나중에 RS-422와 RS-485는 연선 케이블로 차동 신호를 사용하여 유선 통신을 더욱 고급 수준으로 높였습니다. 이 시스템을 통해 컨트롤러 하나가 최대 32개의 PLC를 감시할 수 있으며 최대 1,200m 거리에서 최대 10Mbits/s의 데이터 전송률을 제공했습니다.

RS-232와 Rs-485가 물리층(PHY)을 지정하는 표준이며 통신 프로토콜을 지정하지 않는다는 점을 유의해야 합니다. 산업 자동화 부문에서는 RS-232 또는 RS-485 PHY에서 실행하는 몇몇 프로토콜이 개발되었습니다. 예시로는 Modbus 원격 단말 장치(RTU), Modbus 미국 정보 교환 표준 부호(ASCII), DF1-CIP(Common Industrial Protocol), DF1-PCCC(Programmable Controller Communication Command), PPI(Point-to-Point Interface) 프로토콜, DirectNET, CCM(Coprocessing Communication Module), HostLink가 있습니다. 프로토콜은 여러 PLC 제조업체에서 개발 및 지원하고 있습니다.

PLC는 작업 현장에 자동화를 도입할 수 있는 견고하고 안정적이며 유연한 방법임이 입증되었으며 RS-485 및 관련 산업용 프로토콜은 저렴하고 설치하기 쉬운 네트워크 기술을 제공했습니다. 오늘날 PLC는 일반적으로 전체 조립 라인을 제어하는 데 사용되며 대부분의 산업 자동화는 일부 PLC 유형을 사용합니다. 수천 개의 공장 자동화 설비는 오래된 RS-232 네트워크와 RS-485 네트워크를 기반으로 합니다.

공장에 도입된 이더넷

하지만 21세기로 접어든 후 이더넷은 현대의 공장 네트워크를 위한 가장 액세스하기 쉽고 입증된 솔루션을 제공해 왔습니다. 광범위한 공급업체의 지원을 통해 가장 널리 사용되는 유선 네트워킹 옵션입니다. 이더넷은 일반적으로 라우팅 및 전송을 위해 TCP/IP(인터넷 프로토콜(IP) 제품군의 일부)를 사용하여 RS-232와 RS-485 기술을 넘어서는 기능인 클라우드 상호 운용성을 보장합니다.

‘산업용 이더넷’은 공장에서 사용하기 위해 도입된 이더넷 시스템을 나타냅니다. 이러한 시스템은 러기드 하드웨어와 산업 표준 소프트웨어를 특징으로 합니다. 산업용 이더넷은 공장 자동화를 위한 검증되고 발전된 기술로 이를 통해 원격 감시자가 제조 현장의 드라이브, PLC, I/O 장치에 쉽게 액세스할 수 있습니다. 인프라는 일반적으로 라인 또는 링 토폴로지를 사용하므로 케이블 길이를 짧게 하고(전자파 장해(EMI) 영향 완화), 대기 시간을 감소시키고, 어느 정도 이중화를 구축하는 데 도움이 됩니다.

표준 이더넷의 통신 메커니즘은 중단 및 손실 패킷이 발생하기 쉬우며 이로 인해 대기 시간이 증가하고 고속 이동 및 동기화된 생산 라인의 실시간에 가까운 요구에 적합하지 않습니다. 이러한 환경에서는 네트워크의 부하가 얼마나 높은지에 관계없이 기계 명령이 언제나 제시간에 도착하도록 보장하는 결정적 프로토콜이 필요합니다.

이 문제를 극복하기 위해 산업용 이더넷 하드웨어는 맞춤형 소프트웨어로 보완됩니다. Ethernet/IP, ModbusTCP 및 PROFINET을 포함하여 사용 가능한 여러 검증된 산업용 이더넷 프로토콜이 있습니다. 각각의 프로토콜은 산업 자동화 응용 분야에 대한 높은 수준의 결정성을 보장하도록 설계되었습니다.

표준 이더넷은 PHY, 데이터 링크, 네트워크 및 전송 계층(TCP/IP 또는 UDP/IP 중 하나를 전송으로 사용)으로 구성되며 효율성, 속도 및 다용도성을 제공하는 통신 메커니즘으로 볼 수 있습니다. 이와 대조적으로 산업용 이더넷 프로토콜(예: PROFINET)은 산업용 이더넷 스택의 애플리케이션 계층을 사용합니다(그림 2).

그림 2: 산업용 이더넷 소프트웨어 스택을 보여줍니다. PROFINET과 같은 산업용 이더넷 프로토콜은 애플리케이션 계층에서 작동합니다. (이미지 출처: PROFINET)

자세한 사항은 ‘산업용 이더넷 기반 전력 및 데이터 네트워크를 사용하는 내구성 높은 IoT 응용 제품을 위한 설계’를 참조하십시오.

Industry 4.0으로의 게이트웨이

기존의 RS-232와 RS-485 공장 자동화 시스템을 산업용 이더넷으로 업데이트하는 것은 설계자들에게 어려운 작업입니다. 대형 공장에 수천 개의 PLC와 수십 킬로미터의 배선이 있을 수 있습니다. 새 교체를 위해 구 시스템을 제거하여 발생하는 비용과 중단은 많은 기업이 실행하기 어려운 일입니다. 하지만 업그레이드를 하지 않으면 생산 시설은 산업용 이더넷이 보장하는 생산성 향상을 활용할 수 없습니다.

비용과 중단을 제한하는 한 가지 전략은 기존 직렬 버스, PLC 및 기계를 유지하면서 산업용 이더넷 백본에 전념하는 것입니다. 그런 다음 기계가 교체되거나 새로운 기계를 공장에 추가할 때 이더넷 백본과 상호 운용할 수 있도록 지정할 수 있습니다. 이렇게 하면 공장을 생산 중단이나 심각한 현금 흐름의 문제 없이 최신 통신 표준으로 점차 업그레이드할 수 있습니다.

하지만 이러한 전략은 RS-232/RS-485와 산업용 이더넷 네트워크 간에 공급 중단을 일으킵니다. 이런 공급 중단은 Weidmüller의 7940124932 또는 7940124933(그림 3)과 같은 산업 게이트웨이 통신 장치로 연결될 수 있습니다. 각 게이트웨이는 배선이나 여러 게이트웨이를 추가할 필요 없이 서로 다른 프로토콜을 사용하여 PLC와 주변 장치 간에 데이터를 비용 효율적으로 이동하는 방법을 제공하는 단일 솔루션입니다.

이러한 Weidmüller 게이트웨이는 2개의 이더넷 포트와 2개(7940124932 모델 내) 또는 4개의 직렬 포트(7940124933)를 제공합니다. 이는 최대 10Mbits/s로 EtherNet/IP, EtherNet/IP-PCCC, ModbusTCP, S7comm(Siemens 산업용 이더넷 프로토콜)을 지원합니다. 이더넷 포트는 8핀 RJ45 커넥터를 수용합니다. 직렬 측면에서 게이트웨이는 Modbus RTU, Modbus ASCII, DF1-CIP, DF1-PCCC, PPI, DirectNET, CCM, HostLink 직렬 프로토콜을 처리할 수 있습니다. 직렬 지원은 RS-232/RS-485 표준을 위한 것이지만 게이트웨이에 대한 직렬 입력은 RS-232/RS-485 유형이 아닌 이더넷 스타일 8핀 RJ45 커넥터를 통합니다. 게이트웨이는 Automation Direct, GE, Rockwell Automation, Schneider, Siemens의 PLC와 상호 운용이 가능합니다. 이 게이트웨이는 DIN 레일에 실장될 수 있으며 12V ~ 24V 입력을 사용하여 0˚C ~ 55˚C 온도 범위에서 작동됩니다.

그림 3: 7940124933 산업 게이트웨이 통신 장치는 산업용 이더넷과 최대 4개의 RS-232/RS485 직렬 네트워크 간의 간극을 메웁니다. 7940124932 버전은 2개의 직렬 포트를 지원합니다. (이미지 출처: Weidmüller)

브라우저를 통해 구성되고 나면 Weidmüller 게이트웨이는 지원되는 RS-232/RS-485 직렬 프로토콜 중 하나에 대해 포맷된 직렬 데이터를 지원되는 산업용 이더넷 프로토콜 중 하나로 전송하거나 그 반대로 전송하기 위해 다른 장비가 필요하지 않습니다. 데이터는 PLC 코드를 편집할 필요 없이 어떤 조합으로든 모든 포트로 전송될 수 있습니다.

산업 게이트웨이 시작하기

Weidmüller 게이트웨이를 구성하려면 장치를 이더넷 스위치에 연결한 다음 PC를 반대쪽 스위치에 연결하기만 하면 됩니다(그림 4). 이렇게 하고 나면 게이트웨이를 12V ~ 24V 공급 장치에 연결할 수 있습니다. 그런 다음 PC를 사용하여 기본 게이트웨이 대화 상자가 표시되는 브라우저 창을 통해 로그인할 수 있습니다. 대화 상자는 산업용 이더넷 네트워크 설정과 이더넷 및 네트워크 장치를 게이트웨이에 추가하는 작업을 간소화합니다. 마지막으로 연결된 컨트롤러의 직렬 포트 구성이 일치하도록 게이트웨이 시리얼 포트를 설정합니다.

그림 4: 산업 게이트웨이 설정은 장치를 이더넷 스위치와 전원 공급 장치에 연결한 다음 PC를 스위치에 연결하고 브라우저를 통해 게이트웨이를 구성하는 작업이 포함됩니다. (이미지 출처: Weidmüller)

서로 다른 프로토콜을 사용하는 장치 간에 통신할 수 있는 게이트웨이 기능에 대한 핵심은 ‘태그’ 데이터를 사용하는 것입니다. 게이트웨이는 서로 다른 연결된 장치 간에 태그 데이터가 이동할 수 있게 합니다.

태그는 최신 PLC를 프로그래밍할 때 중요합니다. 태그는 PLC 메모리에 저장된 모든 유형의 변수에 할당된 이름입니다. 태그 이름의 예시로는 ‘#DATETIME’, ‘HEARTBEAT’, ‘Switch_Group1_IP’가 있습니다. 태그는 태그 데이터베이스의 PLC 메모리에 저장됩니다.

이 태그 데이터베이스에서 다른 모든 개체뿐 아니라 모든 기능 블록(예: 계전기, 타이머, 카운터) 및 프로그램 변수(예: ‘Transmitter_ RF_ Mute_Timer’라는 타이머 값)는 초기 값, 플로트, 문자열, 정수, 부울(켜기/끄기), ASCII 텍스트, 이산 소자 입/출력 등의 특성을 가진 태그 변수로 저장됩니다. 태그 접근 방식은 더 복잡한 프로그래밍에 더 효율적으로 접근할 수 있지만 개발자가 변수 태그와 데이터 유형을 프로그램에 사용하기 전에 할당해야 합니다(다른 구조화된 프로그래밍 언어와 마찬가지임). 또한 데이터 어레이는 태그 데이터베이스에서도 정의할 수 있습니다.

게이트웨이에 연결된 각 PLC의 경우 개발자는 데이터를 판독할 태그와 데이터를 작성할 태그를 지정해야 합니다. 이렇게 하려면 우선 게이트웨이에 연결된 각 PLC의 태그를 네트워크를 통한 통신에 사용하기 전에 게이트웨이로 프로그래밍해야 합니다.

이 작업은 이더넷 스위치를 통해 게이트웨이에 연결된 PC에서 수행합니다. 구성 브라우저 창의 ‘태그 추가’ 아이콘을 선택하면 대화 상자가 활성화되어 개발자가 필요 시 태그 이름, 데이터 유형, 주소, 기타 관련 정보를 지정할 수 있습니다. 또한 .csv 파일에서 태그를 가져와서 속도를 높일 수도 있습니다(그림 5).

그림 5: PLC 태그 속성으로 Weidmüller 게이트웨이를 프로그래밍하기 위한 대화 상자입니다. 태그는 PLC 메모리에 저장된 모든 유형의 변수에 할당된 이름입니다. (이미지 출처: Weidmüller)

연결된 모든 장치에 대한 태그가 입력되면 다음 단계는 ‘태그 맵’을 만드는 것입니다. 태그 맵을 통해 게이트웨이는 소스 PLC의 레지스터에 있는 데이터를 판독하고 올바른 대상 장치에 작성할 수 있습니다. 레지스터에 있는 데이터는 사실상 통신 페이로드입니다. 페이로드는 소스 PLC 프로토콜을 사용하여 소스 태그에서 추출된 다음 대상 장치 프로토콜을 사용하여 대상 태그에 전송하기 위해 게이트웨이 메모리에 전달됩니다. 소스 태그와 대상 태그에 동일한 데이터 유형이 있는지는 중요하지 않습니다.

태그 맵 생성은 이더넷 스위치에 연결된 PC에서 ‘태그 맵 추가’ 아이콘을 통해 다시 수행되며 이를 통해 태그 맵 편집기 대화 상자를 시작합니다(그림 6). 네트워크에 연결된 각 PLC는 자체 태그 맵이 필요합니다. 대화 상자에서 대상 장치가 선택되고 데이터 소스로 사용되는 각 태그가 데이터 목적지로 ‘매핑’됩니다. 그런 다음 모든 연결된 장치에 대해 공정이 반복됩니다.

그림 6: 각 연결된 PLC의 경우 태그 맵 편집기를 사용하여 각 태그 데이터 소스가 데이터 목적지에 매핑될 수 있습니다. 모든 연결된 장치에 대한 공정이 반복됩니다. (이미지 출처: Weidmüller)

공정의 마지막 단계는 태그 맵을 활성화하여 네트워크 장치에 호스팅된 소스 태그와 대상 태그 간의 통신을 시작하는 것입니다. PC의 태그 맵 뷰어는 올바른 소스 데이터가 올바른 목적지로 향하는지 확인할 수 있습니다.

결론

Industry 4.0은 제조 생산성 및 효율성을 향상시킵니다. 그러나 새로운 산업용 이더넷 인프라가 필요한데, 그 설치에는 비용이 많이 들고 생산에 지장이 초래되는 문제가 있습니다. 위에서 살펴본 바와 같이 산업 게이트웨이는 기존 RS-232/RS-485 네트워크와 산업용 이더넷 인프라의 단계적 도입 사이의 간극을 메워 Industry 4.0을 단계적으로 도입할 수 있게 합니다. 장비 및 네트워크는 이러한 솔루션을 이용하여 몇 개월 또는 몇 년에 걸쳐 중단을 최소화하며 점차 업그레이드할 수 있습니다.