여러 개의 동시 이더넷 프로토콜에 단일 필드버스 케이블을 사용하는 방법

인더스트리 4.0 및 산업용 사물 인터넷(IIoT)으로의 전환이 가속화됨에 따라 분석을 통해 생산성과 안전을 개선하기 위해 데이터 수집과 연결이 필수적입니다. 하지만 공장 전반의 수평 및 수직적 데이터 수집과 전송은 복잡하고 비용이 많이 들 수 있습니다. 여러 네트워크를 포함하고 환경이 열악한 경우에는 특히 그렇습니다. 설계자는 다양한 프로토콜을 사용하고 배선을 최소화하는 동시에 다른 공급업체의 여러 프로그래밍 가능 논리 컨트롤러(PLC), 센서 및 액추에이터와 데이터를 교환할 수 있는 산업용 네트워크를 효과적으로 설계, 배포 및 관리할 수 있어야 합니다.

이는 단일 이더넷 케이블을 통해 여러 프로토콜을 처리할 수 있는 통합되고 최적화된 분산 입/출력(I/O) 플랫폼을 사용하여 달성할 수 있습니다. 이러한 시스템을 사용하면 산업용 네트워크 운전자가 사용 중인 PLC에 관계없이 단일 I/O 플랫폼에서 표준화하여 서비스 요구 사항을 단순화하고 예비 부품 재고를 줄일 수도 있습니다.

이 기사에서는 인더스트리 4.0 네트워크를 간략하게 검토합니다. 그런 다음 열악한 환경에서 단일 케이블로 여러 이더넷 필드버스를 수용하는 Siemens의 I/O 플랫폼을 소개하고 이 플랫폼을 사용하여 인더스트리 4.0 설계자의 요구 사항을 충족할 수 있는 방법을 보여줍니다.

이더넷 프로토콜

인더스트리 4.0 배포에는 다양한 통신 요구 사항이 있습니다. 세 개의 기본 필드버스 프로토콜(PROFINET, 이더넷/IP, Modbus TCP)은 각각 작업 현장의 운영 기술(OT)부터 정보 기술(IT)까지 다양한 사용 사례를 지원합니다.

PROFINET: 컨트롤러(예: PLC)와 장치 간에 데이터를 교환하는 데 사용되는 결정적인 고성능 프로토콜입니다. 이 프로토콜은 고속 동작 제어 응용 분야를 포함하는, 안전이 중요한 실시간 기능에 적합하며 OT/IT 기능을 통합하는 데에도 사용됩니다.

이더넷/IP: 표준 이더넷 프로토콜을 사용하여 이더넷 장치로 쉽게 구현할 수 있습니다. CIP(Common Industrial Protocol)는 산업 자동화 응용 분야에 최적화되어 있으며 이더넷/IP를 비롯한 네트워크 기술을 지원합니다. 이더넷/IP는 현장 수준에서 IT 시스템으로 데이터를 교환하는 데에도 사용될 수 있습니다.

Modbus TCP: 에너지 소비, 환경 데이터 수집과 같이, 시간이 중요하지 않은 기능뿐만 아니라 현장 수준과 IT 시스템 간의 데이터 교환에도 유용한 TCP/IP 기반 프로토콜입니다.

각각의 필드버스마다 특정 목적이 있으므로 세 개 모두가 필요합니다. 이로 인해 복잡한 통신 과제가 발생하며 여기서 멀티 필드버스 시스템이 등장합니다. 멀티 필드버스 통신 컨트롤러는 현장 수준과 제어 수준 사이에 배치되며 단일 네트워크 케이블을 통해 서로 다른 프로토콜을 사용하여 여러 컨트롤러와 동시에 통신합니다(그림 1). 멀티 필드버스 장치는 보호된 제어 캐비닛 내부, 작업 현장 외부, 원격 실외 설치 등 다양한 환경에서 확인됩니다.

그림 1: 멀티 필드버스 통신 컨트롤러는 현장 수준과 제어 수준 사이에 배치되어 포괄적인 인더스트리 4.0 연결 및 통신을 지원합니다. (이미지 출처: Siemens)

다양한 환경

환경의 다양성으로 인해 IP20부터 IP67까지 다양한 침투 보호(IP) 등급의 장치가 필요합니다. IP 등급 시스템은 국제 전자기술 위원회(IEC) 표준 60529에 구체적으로 명시되어 있으며, 먼지 및 액체의 유입으로부터 보호하는 인클로저의 기능과 손가락, 도구 또는 다양한 크기의 고체 물체로 인클로저 시스템의 위험한 부분에 얼마나 쉽게 접근할 수 있는지에 따라 장치의 등급을 매깁니다. IP 코드는 두 자리 숫자로 구성됩니다. 첫째 자리는 고체 물체에 대한 보호를 나타내며 0(보호되지 않음) ~ 6(먼지가 유입되지 않음) 등급으로 표시됩니다. 둘째 자리는 액체에 대한 보호를 나타내며 0(보호되지 않음) ~ 9(다양한 각도에서 고압의 뜨거운 물로부터 보호됨) 등급으로 표시됩니다.

예를 들어 IP20 등급 장치는 제어 캐비닛 내부 또는 유사한 환경에서 유용합니다. 여기서 2는 12.5mm 초과 입자(예: 손가락 또는 유사한 물체)로부터 보호된다는 것을 나타내고, 0은 물의 유입으로부터 보호되지 않는다는 것을 나타냅니다.

더 까다로운 환경에 일반적인 IP 등급은 IP65, IP67, IP69K 등이며, 여기서 6은 밀폐형 완전 방진 인클로저를 나타냅니다. 이러한 IP 등급은 물에 대한 다양한 보호를 제공합니다.

• IP65는 어느 방향에서든 노즐(6.3mm)에 의해 인클로저에 투사된 물이 유해한 영향을 미치지 않는다는 것을 나타냅니다.
• IP67은 인클로저가 최대 1m 깊이의 물에 잠길 때 유해한 양의 물이 유입되지 않는다는 것을 나타냅니다.
• IP69K는 도로 차량에 사용되는 장비를 대상으로 하며 고압 고온 세척에 적용됩니다.

멀티 필드버스 플랫폼

Siemens의 SIMATIC ET 200 I/O 멀티 필드버스 플랫폼 및 인터페이스 모듈은 동일한 케이블을 통해 PROFINET, 이더넷/IP 및 Modbus TCP 프로토콜을 사용하여 동시에 여러 컨트롤러와 데이터를 교환할 수 있습니다. 통신 프로토콜은 모두 하드웨어를 변경하지 않고 소프트웨어를 통해 구성할 수 있습니다. 또한 멀티 필드버스가 포함된 전체 SIMATIC ET 200 I/O 플랫폼에는 제어 캐비닛에 사용하기 위한 IP20 등급 모듈, 실내용 기계에 사용하기 위한 IP65 및 IP67 등급 모듈, 실외용 IP69K 등급 모듈이 포함됩니다(그림 2).

그림 2: SIMATIC ET 200 I/O 멀티 필드버스 플랫폼은 다양한 장치 제품군을 포함하며 제어 캐비닛, 실내용 기계 및 실외에서 인더스트리 4.0 설치를 지원할 수 있습니다. (이미지: Siemens)

이 시스템은 서로 다른 필드버스 프로토콜을 사용하여 동시에 최대 6개 PLC와 통신할 수 있습니다. 또한 IO-Link, Profibus, 지점 간(PtP), 계측 제어기 통신망(CAN), 액추에이터 센서 인터페이스(Asi), 디지털 어드레서블 조명 인터페이스(DALI), 디지털 멀티플렉서 DMX512용 모듈이 있습니다. 표준 및 페일세이프 I/O 단일 스테이션에서 혼합할 수 있습니다.

시스템의 다기능 모듈식 아키텍처는 인더스트리 4.0 공장의 특징인 대량 맞춤 설정을 지원합니다. 푸시인 단자를 통한 빠른 배선이 지원되며, 계수, 에너지 모니터링, 모터 시동 장치, 위치 입력, 서보 구동, 온도 감지, 시간 기반 I/O, 전기 자동차 충전 등 다양한 기능에 모듈을 사용할 수 있습니다. 대부분의 모듈은 산업 자동화 장치에서 전력을 관리할 수 있는 PROFINET 통신 프로토콜의 프로필인 PROFIenergy를 지원합니다.

SIMATIC ET 200SP는 다양한 모듈을 통해 확장 가능한 다기능 분산 I/O 시스템입니다. 예를 들어 6ES71556MU000CN0 모델은 제어 캐비닛 내부에 사용하기 위한 2포트 인터페이스 모듈(그림 3)이고, 6ES71936BP000BA0 모델은 기계 옆에 있는 소형 제어 박스에 설치하도록 설계된, 실장 면적이 매우 작은 SIMATIC ET 200SP 베이스 장치입니다. 두 모델 모두 IP20 등급이며 -30°C ~ +60°C의 작동 온도 범위에서 작동합니다.

그림 3: 6ES71556MU000CN0은 제어 캐비닛 내부에서 사용하기 위한 2포트 인터페이스 모듈입니다. (이미지 출처: Siemens)

조립 라인을 위한 내진동성 모듈

SIMATIC ET 200AL은 모션과 관련된 응용 분야(예: 자동 및 반자동 조립 라인)에 최적화되었습니다(그림 4). 이 모듈은 5g 이하의 진동(최대 10g)을 연속적으로 처리할 수 있습니다. 이 모듈은 IP65/67 등급으로 -25°C ~ +55°C의 작동 온도 범위에서 작동하며, 콤팩트한 경량 설계는 기계에 관한 분산 제어 응용 분야에 적합합니다. 30mm 또는 45mm 모듈 폭으로 제공되며 스테이션당 최대 32개 모듈을 지원합니다. 모듈에 따라 M8 또는 M12 커넥터를 사용하여 센서 및 액추에이터 통합을 지원하며 PROFIenergy 기능도 제공합니다.

그림 4: ET 200AL 모듈(오른쪽 하단)은 동작을 포함하는 응용 분야에 최적화되었으며 최대 5g의 진동을 연속적으로 처리할 수 있습니다. (이미지 출처: Siemens)

ET 200AL 모듈의 예:

• 6ES71415BF000BA0에는 근접 센서와 스위치를 연결하기 위한 8개의 디지털 입력과 M8 소켓이 있습니다. 크기는 30mm x 159mm입니다.
• 6ES71445KD500BA0에는 연결을 위한 8개의 아날로그 입력과 M12 소켓이 있습니다. 전압, 전류(2선식 및 4선식 트랜스듀서), 저항(2선식 및 3선식 트랜스듀서), 저항 온도계 감지기(2선식 및 3선식 연결)를 비롯한 측정 유형을 각 채널에 대해 프로그래밍할 수 있습니다. 분해능은 16비트이고 크기는 30mm x 159mm입니다.

기계 실장용 IP65/67 등급 모듈

SIMATIC ET 200pro 모듈은 IP65/67 등급이며 제어 캐비닛 외부의 기계에 직접 설치하도록 설계되었습니다. 무선 연결을 사용하는 이 모듈은 무인 운반차 시스템, 건물 관리, 창고 물류, 전기 모노레일 시스템과 같은 응용 분야에 사용하는 데 적합합니다. 이 제품군은 핫스왑이 가능하며 중앙 처리 장치(CPU) 모듈, 인터페이스 모듈, I/O 모듈, 기능 모듈을 포함합니다.

ET 200pro 계열은 IO-Link, 무선 주파수 식별(RFID)과 같은 다양한 기능을 포함합니다. 모터 시동 장치 모듈은 모터 및 최대 5.5kW 부하를 시동하고 보호하는 데 사용할 수 있습니다. 안전 무결성 수준(SIL) 3을 지원할 수 있는 고장 시 안전 버전이 제공됩니다. 주파수 컨버터 모듈은 유도 모터의 개방 루프 및 폐쇄 루프 제어에 사용될 수 있습니다. 6ES71444JF000AB0 온도 측정 모듈은 매우 유연하고 Pt100, PT200, PT500, Pt1000, NI100, NI200, NI500, NI1000을 비롯한 다양한 저항 온도 감지기(RTD)를 사용하도록 프로그래밍될 수 있으며, 온도를 섭씨 또는 화씨로 출력할 수 있습니다.

실외 및 위험 구역을 위한 기계 실장 모듈

SIMATIC ET 200eco PN 모듈은 IP65 및 IP67 등급 콤팩트 블록 I/O를 제공하며 캐비닛 없이 기계에 직접 설치하는 데 적합합니다. 모든 ET 200 모듈과 마찬가지로 이 모듈은 PROFINET, 이더넷/IP 및 Modbus TCP를 지원합니다. 이 모듈은 완전 밀폐형 아연 주물 하우징에 제공되며 진동, 먼지, 오일, 습도에 대한 내성이 있으므로 실외 설치에 적합합니다. 이 모듈은 -40°C ~ +60°C의 온도에서 작동합니다. ET 200eco PN 계열은 유럽 연합(EU) 대기 폭발물(ATEX) 지침에 따라 승인되었으며 Zone 2 이하의 위험 구역에서 사용할 수 있습니다.

IO-Link V1.1 사양을 준수하는 장치의 경우, 장치를 교체해야 할 때 이전 구성 없이 '자동 시작 기능'을 사용하여 장치 및 마스터 파라미터를 자동으로 전송할 수 있습니다. 예를 들어 6ES71486JG000BB0 모듈은 IO-Link V1.1 마스터 장치로 작동할 수 있으며 클래스 A 및 클래스 B IO-Link 포트를 각각 4개씩 포함합니다(그림 5). 이러한 포트는 파라미터 할당에 따라 디지털 입력 또는 출력 역할을 할 수 있습니다. 이 모듈은 IP67 및 IP69K 등급이며, 4.8kBd(COM1), 38.4kBd(COM2), 230.4kBd(COM3)의 세 가지 전송 속도를 지원합니다.

그림 5: SIMATIC ET 200eco PN 모듈(왼쪽) 및 일반 설치 근접도(오른쪽)(이미지 출처: Siemens)

결론

인더스트리 4.0 네트워크 배포는 여러 통신 인터페이스와 다양한 작동 환경을 고려해야 하는 복잡한 절차입니다. 공장 네트워크를 간소화하기 위해 설계자는 Siemens의 SIMATIC ET 200 멀티 필드버스 플랫폼을 통해 동일한 케이블로 PROFINET, 이더넷/IP 및 Modbus TCP 프로토콜을 사용하여 동시에 최대 6개 PLC와 데이터를 교환할 수 있습니다.

추천 자료

1. 인더스트리 4.0 공장에서 대량 맞춤 설정, 고품질, 지속 가능한 운영 지원
2. 기존 공장 자동화 시스템을 중단 없이 인더스트리 4.0과 연결하는 방법