IIoT에서 Industry 4.0 데이터 처리 최적화를 위한 모듈식 오버레이 네트워크를 설계하는 방법

린 제조를 지원하기 위한 인더스트리 4.0 및 산업용 사물 인터넷(IIoT) 시스템의 데이터 처리 최적화는 상태 모니터링, 예측 유지보수, 전체 장비 효율성(OEE) 분석과 추적, 진단 및 문제 해결을 통해 달성될 수 있습니다. 많은 사례에서 볼 수 있는 문제점은 레거시 장비가 서로 연결되도록 설계되지 않았거나 또는 수많은 다양한 통신 프로토콜을 사용할 수 있어 이들을 모두 교체하는 데 비용이 많이 든다는 것입니다. 효율성을 극대화하고 실행 가능한 기계 데이터를 얻으려면 기존의 자동화 섬(Islands of Automation)과 레거시 장비를 연결할 수 있는 오버레이 네트워크를 구현하는 것이 대부분의 경우에 더 간단하고 비용 효율적입니다.

이러한 오버레이 네트워크를 설계하는 것은 어려운 과제입니다. 이러한 작업을 하기 위해서는 다양한 통신 프로토콜을 사용하는 센서와 기타 장치로부터 신호를 수신하고 그 신호를 사용 가능한 데이터의 통합된 스트림으로 결합하여, 해당 데이터를 에지 컴퓨팅 리소스나 클라우드로 내보낼 수 있는 컨트롤러가 필요합니다. 시스템에는 센서, 표시기 및 기타 장치에 직접 연결할 수 있는 어댑터가 필요합니다. 레거시 장비를 포함하여 이전에 호환되지 않았던 유형의 장치를 연결하려면 컨버터가 필요합니다.

또한 안정적인 작동을 보장하기 위해 전기적 잡음 및 과도 상태로부터 데이터 통신을 보호하기 위한 필터가 필요합니다. 이러한 모든 부품은 산업 환경에서 작동하기 위한 IP65, IP67 및 IP68 환경 표준을 충족해야 하며, 솔루션은 구현이 간편하고 비용 효율적이어야 합니다.

이 기사에서는 레거시 장비를 IIoT에 연결할 때 발생하는 문제를 간략히 설명한 다음, Banner Engineering의 하드웨어 및 소프트웨어 툴인 Snap Signal 제품군의 아키텍처 및 이 제품이 그러한 문제를 해결하는 방법을 소개합니다. DXMR90 컨트롤러, 관련 컨버터, 어댑터 및 필터를 비롯한 대표적인 Snap Signal 장치뿐만 아니라 유/무선 에지 컴퓨팅 또는 클라우드 연결을 구현할 때의 응용 제품 고려 사항을 제시합니다.

레거시 장비를 IIoT에 연결

많은 공장들은 IIoT와 Industry 4.0이 출현 이전부터 존재했고, 대부분 경우 모든 장비와 기계를 하나의 네트워크로 상호 연결하는 것은 불가능하여 그 결과로 자동화의 섬이 생겨나게 되었습니다. 비록 '섬'처럼 고립되지 않더라도, 레거시 장비는 독점적 통신 프로토콜 사용, 비표준 커넥터 및 케이블링 문제와 기타 요인으로 발생하는 비유연성으로 인해 상호 연결이 어려울 수 있습니다.

Snap Signal IIoT 오버레이 네트워크는 다양한 비호환 데이터 통신 프로토콜을 배포하기 쉬운 표준으로 획득 및 변환함으로써 레거시 장비와 자동화 섬을 연결하는 빠르고 유연하며 비용 효율적인 방법을 제공하고, 분석 및 작업을 위한 에지 또는 클라우드 컴퓨팅 리소스로 전달할 수 있습니다(그림 1).

그림 1: Snap Signal 오버레이 네트워크는 레거시 장비와 자동화 섬을 에지 또는 클라우드 컴퓨팅 리소스로 연결할 수 있는 모듈식 아키텍처를 제공합니다. (이미지 소스: Banner Engineering)

유연하고 안정적인 IIoT 오버레이 네트워크를 배포하는 데 필요한 다음과 같은 몇 가지 주요 부품이 있습니다.

• 어댑터: 배선 경로를 재배열하고 센서, 표시기 및 기타 장치의 다양한 장비 배선 체계를 오버레이 네트워크에서 사용하는 표준 형식으로 연결.
• 데이터 컨버터: 레거시 장비나 자동화 섬에서 발견되는 이산 소자, 아날로그 및 다양한 디지털 형식과 같은 호환되지 않는 형식을 IO-Link 또는 Modbus와 같은 표준 프로토콜로 변환하여 중앙 집중식 성능 모니터링을 가능하게 함.
• 필터: 전기적으로 잡음이 많은 산업 환경에서 데이터를 손상으로부터 보호하고, 신호 무결성 및 신뢰성을 향상시키며, 문제 해결 요구 사항을 줄임.
• 프로그래밍 가능 컨트롤러: 여러 소스의 데이터를 통합하고 로컬 데이터 처리뿐만 아니라 레거시 장비와 자동화 섬이 IIoT에 통합될 수 있도록 하는 연결성을 제공.
• 유/무선 연결: 수집된 데이터를 에지 컴퓨팅 리소스 및/또는 배너의 클라우드 데이터 서비스(CDS)와 같은 클라우드에 배포할 수 있게 하고, 이는 시스템 성능에 대한 데이터 시각화 및 통찰력을 제공하고 실시간으로 시스템 작동, 유지 관리 및 수리를 지원하기 위해 이메일 또는 텍스트 경고를 전송(그림 2).

그림 2: 통합된 데이터는 에지 컴퓨팅 리소스 또는 Banner의 CDS와 같은 클라우드로 전송될 수 있습니다(위 스크린샷). (이미지 소스: Banner Engineering)

여러 데이터 스트림을 통합하는 컨트롤러

프로그래밍 가능 컨트롤러와 데이터 컨버터는 오버레이 네트워크 설계에 핵심적인 요소입니다. Banner의 DXMR90 산업용 컨트롤러는 여러 Modbus 포트의 신호를 산업용 이더넷 프로토콜을 사용해 전달받는 단일 데이터 스트림으로 취합하는 중앙 통신 허브의 역할을 합니다. 예를 들어 DXMR90-X1 모델은 4개의 Modbus 마스터를 포함하며 최대 4개의 직렬 네트워크와의 동시 통신을 지원합니다(그림 3).

그림 3: DXMR90의 포트에는 맞춤형 구성이 가능한 Modbus 포트 0(왼쪽), Modbus 마스터 포트(아래쪽 1 ~ 4), RS-485 및 수신 전원 용도로 구성 가능한 Modbus 포트 0/PW(오른쪽 위) 및 D-코드화된 이더넷 포트(오른쪽 아래)가 포함됩니다. (이미지 출처: Banner Engineering)

DXMR90은 다음과 같은 기능을 갖춘 고집적 통신 컨트롤러입니다.

• Modbus RTU를 Modbus TCP/IP, 이더넷 I/P 또는 Profinet으로 변환하여 다양한 Modbus 장치에서 함께 작업할 수 있는 기능.
• 장치에 주소를 수동으로 할당하지 않고도 슬레이브 장치를 연결할 수 있는 4개의 독립된 Modbus 마스터 포트.
• 로컬 제어 기능 및 연결 기능:
  • Modbus/TCP, Modbus RTU, 이더넷/IP 및 자동화 프로토콜인 Profinet
  • RESTful API 및 AWS 등의 웹 서비스를 사용하는 MQTT를 포함한 인터넷 프로토콜
  • 직접 이메일 알림
• MicroPython 또는 ScriptBasic을 사용하여 프로그래밍 가능한 사전 정의된 작업 규칙이 있는 내부 로직 컨트롤러.
• 산업 환경에서의 배포를 용이하게 하는 IP65, IP67 및 IP68 등급 하우징.
• 사용자가 프로그래밍할 수 있는 LED 장착으로 신속한 상태 표시.
• Banner의 CDS와 같은 데이터베이스에 연결하기 위해 사용 가능한 유선 이더넷 케이블 또는 셀룰러 기능 지원 DXM 컨트롤러.

IIoT 네트워크에서 장치를 연결시키는 컨버터

레거시 장비와 자동화 섬을 오버레이 네트워크에 잘 통합시키기 위해서는 효율적인 데이터 변환이 필요합니다. 이 기능을 위해, 설계자는 Banner의 소형 플러그인 S15C 계열 인라인 컨버터를 사용하여 다양한 형식의 상태 모니터링 및 공정 센서 데이터를 디지털 IO-Link 데이터로 변환할 수 있습니다(그림 4). 예를 들어 S15C-MGN-KQ는 사용자가 최대 60개의 레지스터를 읽고 최대 15개의 레지스터를 쓸 수 있으며, 사전에 정의된 Modbus 레지스터를 IO-Link를 통해 자동으로 전송할 수 있도록 맞춤형으로 구성할 수 있는 Modbus 마스터를 IO-Link 장치로 연결시키는 컨버터입니다.

그림 4: S15C 계열 인라인 데이터 컨버터는 이산 소자, 아날로그 등을 포함한 다양한 유형의 신호를 Modbus, IO-Link, PWM 및 PFM과 같은 산업용 프로토콜로 변환할 수 있습니다. (이미지 출처: Banner Engineering)

S15C 컨버터는 지름이 15mm로 오버몰딩된 IP68 하우징과 M12 연결을 특징으로 하며, 연결된 장치와 동일한 전원 공급 장치를 사용합니다. S15C 컨버터를 사용하면, IO-Link 마스터 근처, Modbus 링크 끝에 S15C 컨버터를 설치할 수 있으므로 20m IO-Link 통신 거리 제한이 없어집니다.

S15C 컨버터 제품군에는 다음 8가지 모델이 포함됩니다.

• 초음파, 광 커튼 측정, 온도/습도 측정, 진동/온도 측정 및 GPS 등의 Banner의 Modbus 센서 라인과 함께 사용할 수 있는 6개의 Modbus IO-Link 컨버터. 또한 대부분의 Modbus 장치를 IO-Link 장치로 배포할 수 있도록 구성할 수 있는 일반형 컨버터가 있습니다.
• 0VDC ~ 10VDC 또는 4mA ~ 20mA 신호를 디지털 값으로 변환하여 IO-Link 데이터로 전달하는 두 개의 아날로그 센서 모델.

네트워크를 완성하는 배선 어댑터와 필터

설계자가 유연하고 비용 효율적인 오버레이 네트워크를 신속하게 배포하기 위해서는 컨트롤러와 데이터 컨버터 외에도 배선 어댑터와 잡음 필터가 필요합니다. Banner의 S15A-F14325-M14325-Q와 같은 인라인 배선 어댑터는 센서, 표시기 또는 기타 장치에 직접 연결하여 특정 애플리케이션 요구 사항에 맞게 배선을 리디렉션하고 필요에 따라 신호를 분리합니다(그림 5). 이러한 배선 어댑터는 표준형 및 맞춤형 구성으로 제공됩니다.

그림 5: S15A-F14325-M14325-Q와 같은 S15A 어댑터는 손쉬운 설치를 위해 M12 연결을 사용하며, 특정 응용 제품의 요구 사항에 맞추어 필요에 따라 배선 경로를 변경할 수 있습니다. (이미지 출처: Banner Engineering)

S15F-L-4000-Q와 같은 S15F 인라인 필터도 오버레이 네트워크에서 중요한 요소입니다(그림 6). 이러한 필터는 네트워크 성능에 부정적인 영향을 미칠 수 있는 전기적 잡음 문제와 전기적 과도 전압 문제를 쉽게 해결할 수 있습니다. 이러한 필터는 S15A 어댑터 및 S15C 컨버터와 마찬가지로 M12 연결을 하며, IP65, IP67 및 IP68 표준을 충족하는 오버몰드 구성으로 패키징됩니다. S15F 인라인 필터를 설치하면 신호 무결성이 향상되고 네트워크 문제 해결의 필요성이 줄어듭니다.

그림 6: S15F-L-4000-Q와 같은 S15F 인라인 필터는 전기적 잡음 및 전기적 과도 상태로부터 장치를 보호하기 위해 편리하게 사용할 수 있으며, M12 연결을 통해 네트워크에서 필요한 모든 위치에 쉽게 설치할 수 있습니다. (이미지 출처: Banner Engineering)

Snap Signal 네트워크 설계 및 배치

Snap Signal 오버레이 네트워크의 설계 및 배포는 모니터링할 데이터 소스를 파악하는 것으로부터 시작됩니다. 그런 다음 기존 장치를 보완하기 위해 새로운 센서나 표시기를 추가해야 하는지를 결정해야 합니다. Snap Signal 네트워크 설계 단계는 다음과 같습니다.

• Banner의 시스템 다이어그램 접근 방식을 사용하여 특정 설치에 필요한 Snap Signal 부품을 파악하고 선택합니다.
• 모니터링할 장치와 DXMR90 컨트롤러 사이에 T-커넥터 및 필터 배치를 포함하여 최적의 배선 경로를 계획합니다.
• 설치에서 로컬 데이터 소비를 위해 유선 이더넷 연결을 사용해야 하는지, 아니면 클라우드 플랫폼에 무선으로 연결하기 위해 에지 게이트웨이 장치를 사용해야 하는지 결정합니다.

Snap Signal은 진정한 오버레이 네트워크이며 기존의 하드웨어를 교체할 필요가 없습니다. 모듈식 플러그 앤 플레이 Snap Signal 아키텍처는 설치 과정을 단순화합니다.

• 새 센서 또는 기타 장치를 설치하고 모니터할 모든 장치에 스플리터 케이블을 추가하여 기계 제어와의 기존 연결을 유지하는 동시에 오버레이 네트워크에 대한 두 번째 경로도 제공합니다.
• 적절한 인라인 신호 컨버터를 설치합니다.
• 필요에 따라 T 커넥터, 필터 및 기타 네트워크 배선을 추가하여 네트워크를 완성하고 DXMR90 컨트롤러에 연결합니다.
• ScriptBasic 또는 MicroPython 프로그래밍 및/또는 포함된 작업 규칙을 사용하여 맞춤형 감지 및 제어 순서를 생성하도록 DXMR90을 프로그래밍합니다.
• 이더넷 연결을 사용하거나, 클라우드 연결의 경우 셀룰러 기능지원 DXM 컨트롤러를 사용하여 DXMR90을 에지 컴퓨팅 리소스에 연결합니다.

결론

오버레이 IIoT 네트워크는 레거시 장비와 자동화 섬을 산업 네트워크에 연결해야 하는 설계자의 필요를 지원할 수 있으며, 이를 통해 실행 가능한 데이터를 수집하여 기존 공장 전반의 생산성 향상을 지원합니다. 이러한 오버레이 네트워크의 설계 및 구현은 복잡하지만, 지금까지 설명한 대로 Banner Engineering의 토폴로지와 Snap Signal 라인을 사용하면 이를 크게 단순화할 수 있습니다. 이 라인에는 DXMR90 산업용 컨트롤러, 데이터 컨버터, 배선 어댑터, 필터 및 IIoT 오버레이 네트워크를 구현하고 이를 에지 컴퓨팅 리소스 또는 클라우드에 배포하는 데 필요한 기타 요소가 포함됩니다. Snap Signal 네트워크 아키텍처는 프로그래밍 가능한 모듈식의 유연한 설계라는 장점을 갖추고 있어, 새 장치의 추가가 가능하며 추후 설치도 문제없이 보장됩니다.

추천 자료

1. IoT 보안 기본 사항—5부: IoT 클라우드 서비스에 안전하게 연결