IO-Link를 사용하여 RTD 연결을 스마트 공장에 손쉽게 적용하는 방법

저항 온도 감지기(RTD)는 정확성, 넓은 감지 범위, 견고성, 기타 바람직한 특성으로 인해 트랜스듀서로 널리 사용됩니다. 레거시 구현에서는 온도에 비례하는 전압이 전류 구동 RTD에서 감지되어 아날로그 4mA ~ 20mA 전류로 변환된 후 유선 ‘송신기’를 통해 시스템 판독값 또는 운영자에게 전송되었습니다.

이 접근 방식은 효과적이고 직접적이며 이점이 있지만 디지털 및 프로세서 기반 아키텍처와 호환되지 않습니다. 이 문제에 대한 한 가지 제안된 솔루션은 내부 아날로그 디지털 컨버터(ADC)를 사용하여 소스에서 RTD 신호를 디지털화하도록 송신기를 업그레이드하고 적절한 입출력(I/O) 형식 및 프로토콜을 통해 신호를 전송하는 것입니다.

그러나 이러한 업그레이드는 스마트 공장의 요구 사항을 충족하기에 충분하지 않습니다. 오늘날의 산업 시스템에는 RTD 신호의 디지털화된 표현보다 훨씬 더 많은 것이 필요합니다. 또한 다중 채널 작동, 아날로그 디지털 변환의 높은 수준의 정밀도, 수신된 데이터가 유효한지 확인하기 위한 다양한 형태의 오류 감지 및 오류 검사가 필요합니다.

오늘날의 산업용 시스템에는 주요 센서 인터페이스 파라미터의 원격 조정에 대한 프로비전이 필요합니다. 마지막으로 견고한 입출력 형식과 인터페이스가 필요하며 고급 설정 및 데이터 보고 기능을 지원하고 데이터 무결성을 보장합니다.

이 기사에서는 RTD에 대한 개요와 RTD의 진화 과정을 제공하고 인터페이스 옵션으로 IO-Link를 소개합니다. 또한 고급 AFE(아날로그 프런트 엔드)와 신호 조절 IC를 사용하여 고성능 RTD 기반 온도 감지 채널을 구현하는 방법을 설명합니다. RTD 구현을 위해 IO-Link 트랜시버를 평가하는 데 도움이 되는 적합한 키트도 소개합니다.

RTD 기본 사항

RTD는 물리적 온도 변수를 전기 신호로 변환하고, 일반적으로 -200°C ~ +850°C 사이의 온도를 측정하는 데 사용되며 이 온도 범위 전체에 걸쳐 고도의 선형 반응이 나타납니다. RTD에 일반적으로 사용되는 금속 원소로는 니켈(Ni), 구리(Cu), 백금(Pt)이 있으며 Pt100(100Ω) 및 Pt1000(1000Ω) 백금 RTD가 가장 일반적입니다.

RTD 인터페이스는 2선식, 3선식 또는 4선식이 있으며 3선식 및 4선식 버전이 가장 널리 사용됩니다. RTD는 수동 소자이므로 출력 전압을 생성하기 위해 여기 전류가 필요합니다. 일반적으로 연산 증폭기(op amp)에 의해 버퍼링되는 전압 레퍼런스를 사용하여 생성됩니다. 이는 RTD로 전류를 유도하여 온도 변화에 따라 변하는 두 단자에 걸쳐 출력 전압 신호를 생성합니다.

이 신호는 사용된 RTD 유형 및 측정된 온도에 따라 수십 밀리볼트(mV) ~ 수백 밀리볼트(mV)까지 다양합니다. 그런 다음 조절을 거쳐 아날로그 판독, 스트립 차트 레코더, 디지털 디스플레이 또는 프로세서 기반 제어 시스템으로 전송됩니다.

전 아날로그 루프로 시작

역사적으로 산업용 측정 및 제어 시스템의 기본 전자 인터페이스는 4mA ~ 20mA 전류 루프였습니다. 이 인터페이스 링크는 센서와 액추에이터 모두에 사용할 수 있습니다. 센서의 경우 트랜스듀서 신호 범위의 하한을 4mA에 이르는 신호로 변환하기 전에 상한을 20mA까지 증폭하고 소스에서 조절합니다(그림 1).

그림 1: 산업 환경에서 온도 측정은 기본적으로 RTD 인터페이스와 거리가 떨어진 판독 사이 4mA ~ 20mA 전류 루프에 따라 달라졌습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

센서와 판독 사이의 거리는 수십 피트 또는 수백 피트일 수 있으므로 링크에 전류 루프를 사용하는 데는 다음과 같은 여러 가지 이유가 있습니다.

• 전압 구동 소스 대신 전류에서 나온 신호로서 루프는 거리에 영향을 받지 않으며 IR 전압 강하에 대한 우려가 없고 루프 전선에서 전류가 ‘손실’될 수 없습니다.
• 낮은 임피던스 링크로서 장거리에서도 전자파 장해(EMI) 픽업 및 신호 손상에 상대적으로 내성이 있습니다.
• 마지막으로 전류 루프는 자체적으로 진단하여 루프가 차단되는 경우 전류가 0으로 떨어집니다(가장 일반적인 장애 모드). 이 전류 강하는 쉽게 감지됩니다.

전 아날로그 신호 처리를 수행하는 전자 장치를 송신기라고 합니다. 초기 IC 기반 송신기는 작동을 위해 별도의 로컬 전원 공급 장치가 필요했습니다. 전원 공급 장치는 필요한 경우 센서를 자극하고 조절 회로망에 전원을 공급하는 데 사용되었습니다. 나중에 저전력 송신기 IC는 기능 및 특징을 추가하고 1개의 매우 중요한 기능을 추가했습니다. 이는 ‘루프 구동식’이고 ‘사용되지 않는’ 4mA 루프 전류에서 작동 전류를 끌어올 수 있었으므로 로컬 전원 공급 장치가 필요하지 않았습니다.

예를 들어 Analog Devices의 AD693은 루프 구동식 4mA ~ 20mA의 센서 송신기로 1980년대에 도입되었습니다(그림 2). 이는 여전히 해당 세라믹 이중 인라인 패키지(DIP)뿐 아니라 최신 표면 실장 포장에 사용할 수 있으므로 이 산업 주력 IC의 수명을 입증합니다.

그림 2: 전 아날로그, 루프 구동식 AD693 RTD 송신기는 전류 루프의 RTD 인터페이스 끝에서 전원 공급 장치에 대한 필요성을 제거합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

디지털화

디지털 제어가 표준이 되면서 아날로그 전류 루프 신호를 디지털화해야 했습니다. 오늘날 이를 위해 AFE는 저진폭 RTD 신호를 증폭하고 조절하여 ADC가 이를 디지털화할 수 있도록 해야 합니다. 그런 다음 디지털화된 신호는 통신 인터페이스를 통해 마이크로 컨트롤러 장치(MCU)와 같은 공정 컨트롤러로 전송됩니다(그림 3).

그림 3: 디지털 제어로 전환하려면 MCU 호환 출력을 갖춘 AFE가 필요합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

민감한 AFE와 디지털 I/O의 기술 및 IC 공정 요구가 상충하므로 중요한 AFE 및 관련 디지털 인터페이스 회로망을 구현하는 작업은 까다로우며 여러 IC가 필요합니다. 다행히 IC 기술의 발전으로 인해 고도로 통합된 단일 칩 RTD 인터페이스가 가능해졌습니다. 또한 이러한 통합 IC는 보다 정교하고 오류가 없는 시스템에 필요한 다른 여러 기능과 특징을 통합합니다.

단일 칩 통합 솔루션에 대한 예로는 단일 패키지의 완벽한 RTD AFE인 AD7124-4가 있습니다(그림 4). 이 4채널, 저잡음, 저전력 24비트 IC에는 프로그래밍 가능 이득 증폭기(PGA) 및 전압 레퍼런스가 포함됩니다. RTD에 대한 여기 전류도 제공하므로 별도의 정밀 전류 소스가 필요하지 않습니다.

그림 4: AD7124-4는 전류 소스, 신호 조절 및 디지털화를 포함하는 완벽한 다채널 RTD 인터페이스입니다. (이미지 출처: Analog Devices)

AD7124-4에 내장된 핵심 기능 외에도 이 장치는 안전 무결성 레벨(SIL) 인증을 획득하는 데 도움이 되는 다양한 유형과 수준의 자체 진단 및 오류 감지 기능도 제공합니다. 이 인증은 높은 신뢰성과 핵심 응용 분야에 중요합니다.

AD7124-4와 관련 MCU 사이의 디지털 인터페이스는 SPI, QSPI, MICROWIRE 및 DSP와 호환되는 3선식 또는 4선식 직렬 인터페이스입니다. 즉, 이러한 인터페이스는 직접 연결이나 길이가 긴 신호 경로와 함께 사용하기에 적합하지 않습니다. 대신 이 긴 링크는 공정 컨트롤러에 연결하기 위해 선택된 네트워크 프로토콜을 구현하는 인터페이스/형식 변환기 또는 어댑터를 통해 형성되어야 합니다. 이 인터페이스는 PROFINET 또는 산업용 이더넷과 같은 산업용 네트워크를 사용합니다.

그러나 이러한 특수 인터페이스를 사용할 경우 몇 가지 단점이 있습니다. 예를 들어 센서 설계에 네트워크별 회로를 추가하면 특히 산업용 네트워크가 독점적인 경우 비용이 크게 증가합니다. 또한 센서에 대한 시장이 이미 해당 네트워크를 사용 중인 고객에게만 제한됩니다. 동일한 센서를 다른 네트워크 프로토콜과 함께 사용하려면 다시 설계해야 합니다.

복잡성으로 인해 또 다른 아쉬운 점은 진단 기능의 수와 유형이 네트워크 유형에 따라 크게 달라진다는 점입니다. 인터페이스 형식과 프로토콜의 선택에 따라 작업 현장 작업자가 센서를 식별하고 유지하여 현장에 설치한 후 발생하는 성능 문제를 해결하는 것이 어려울 수 있습니다.

IO-Link, 연결 문제 해결

스마트 공장 설계자는 보다 쉽게 최적화된 제조 공정을 위해 더 나은 의사 결정을 할 수 있도록 유연하며 배포하기 쉬운 지능형 센서 및 액추에이터가 필요합니다. 한 가지 실현 가능한 접근 방식은 다양한 산업용 네트워크와 독립적으로 센서를 설계하여 개발 비용을 줄이고 잠재적 고객층을 넓히는 것입니다. IO-Link 기술은 기존의 센서를 지능형으로 바꿀 수 있어 이러한 접근 방식을 가능하게 합니다.

산업용 시스템 설계자는 IO-Link 마스터 및 장치 트랜시버를 사용하여 프로그래밍 가능 논리 컨트롤러(PLC) 또는 기타 시스템 컨트롤러의 인텔리전스를 작업 현장의 센서에 더 가깝게 이동할 수 있는 강력하고 유연한 방법을 사용할 수 있습니다(그림 5).

그림 5: 센서의 MCU 및 공정 컨트롤러 사이에 IO-Link 마스터 및 장치 트랜시버를 사용하면 산업용 데이터 시스템이 더욱 강력하고 유연해집니다. (이미지 출처: Analog Devices)

IO-Link는 표준화된 커넥터, 케이블, 프로토콜을 갖춘 3선식 지점 간 통신 인터페이스이며 센서(및 액추에이터)를 산업 제어 네트워크와 연결합니다. IO-Link 응용 분야에서 트랜시버는 데이터 링크 계층 프로토콜을 실행하는 MCU 또는 다른 컨트롤러에 대한 물리층(PHY) 인터페이스 역할을 합니다. IO-Link는 IO-Link 마스터 및 IO-Link 장치 부품으로 구성된 업계 표준 3선식 센서 및 액추에이터 인프라에서 작동하도록 설계되었습니다(그림 6).

그림 6: IO-Link 물리적 상호 연결에는 IO-Link 마스터가 있으며 여러 IO-Link 장치 부품을 지원합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

IO-Link 사용의 장점은 공정, 진단, 구성 및 이벤트의 4가지 전송 데이터 유형을 전달한다는 것입니다. 이를 통해 오작동이 발생할 경우 센서를 신속하게 식별하고 추적하며 주의할 수 있습니다. IO-Link는 또한 원격 구성을 가능하게 합니다. 예를 들어 공정 경보가 트리거되는 온도 임계값을 변경해야 하는 경우 기술자가 작업 현장에 들어가지 않고도 원격으로 변경할 수 있습니다.

IO-Link 마스터(다중 포트 컨트롤러 또는 게이트웨이)와 IO-Link 장치(센서 또는 액추에이터) 사이의 지점 간 연결은 산업용 시스템에 일반적인 표준 커넥터를 사용하며(M8 및 M12 커넥터가 가장 널리 사용됨), 길이가 최대 20m인 비차폐 케이블을 사용합니다. 마스터에는 여러 개의 포트(일반적으로 4개 또는 8개)가 있을 수 있습니다.

마스터의 각 포트는 표준 I/O(SIO) 단일 입력/단일 출력 모드 또는 양방향 통신 모드에서 작동할 수 있는 고유한 IO-Link 장치에 연결됩니다. IO-Link는 필드 버스 또는 산업용 이더넷과 같은 기존 산업 아키텍처와 작동하도록 설계되었으며 기존 PLC 또는 인간 기계 간 인터페이스(HMI)에 연결하여 빠르게 도입될 수 있습니다(그림 7).

그림 7: IO-Link는 기존의 다양한 산업 아키텍처와 작동하며 기존 PLC 또는 HMI와 연결할 수 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

산업 응용 분야 및 설비 현실을 인식하여 IO-Link 마스터 또는 컨트롤러는 교체된 IO-Link 센서 파라미터를 새로운 센서에 자동으로 작성할 수 있습니다. 이 기능을 사용하면 센서를 오류 없이 빠르게 교환할 수 있으며 센서 교체 후 시스템 작동을 다시 시작하는 데 필요한 시간을 단축할 수 있습니다.

시스템의 IO-Link 기능은 유지 보수를 줄이고 기계 가동 시간을 높이며 수동 센서 설비를 사용자가 ‘플러그 앤 플레이만으로도 작동’할 수 있는 센서로 변환합니다. 컨트롤러에서 파라미터 설정을 다운로드하여 장치를 설정하거나 재구성할 수 있습니다. 즉 작업 현장에서 초기 설정을 수행할 기술자가 더 이상 필요하지 않으며 장치를 재구성해야 할 때 기계 다운타임이 줄어듭니다. IO-Link는 지속적인 진단, 데이터 로깅 향상, 오류 감지 증가를 가능하게 하여 운영 비용을 더욱 절감합니다.

물리적 링크를 구현하는 트랜시버

물리적 수준에서 IO-Link를 구현하려면 트랜시버가 필요합니다. MAX14828ATG+ IO-Link 장치 트랜시버 IC 및 보완 MAX14819ATM+ IO-Link 마스터 트랜시버는 고집적 IC이므로 공간 절약 실장 면적의 견고한 센서 솔루션에 매우 적합합니다. 또한 전력을 위한 온보드 저드롭아웃(LDO) 조정기와 로컬 표시등을 위한 LED 구동기가 있습니다.

MAX14828ATG+ IO-Link 트랜시버는 산업용 센서에서 흔히 볼 수 있는 고전압 기능을 통합합니다(그림 8). 이는 능동 역극성 보호 기능을 갖춘 1개의 초저전력 구동기를 제공합니다. UART 인터페이스를 통해 펌웨어를 업데이트할 수 있도록 보조 디지털 입력이 제공됩니다. 이 장치는 저잡음 아날로그/논리 공급 레일을 위해 온보드 3.3V 및 5V 선형 조정기를 포함합니다.

그림 8: MAX14828ATG+ IO-Link 트랜시버 IC는 센서의 MCU와 물리적 링크(커넥터 및 케이블) 간 중요한 인터페이스를 제공합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

MAX14828ATG+는 SPI 인터페이스를 통하거나 논리 인터페이스 핀을 설정하여 구성하고 모니터링할 수 있습니다. 응용 분야의 유연성과 조정을 위해 사용자가 다양한 부하 및 응용 시나리오에 맞게 작동 및 소비 전력을 최적화할 수 있는 다양한 프로그래밍 가능 기능을 지원합니다.

고전압 허용 오차 범위로 인해 과도 전압 보호가 향상되어 초소형 과도 전압 억제기(TVS) 장치를 사용할 수 있습니다. 기타 보호 기능에는 인터페이스 및 공급 핀의 65V 절대 최대 정격, 버스트 탄성 및 잡음 성능 개선을 위한 결함 필터, 과열 시 전원 차단, 핫플러그 공급 보호, 모든 센서 인터페이스 입출력의 역극성 보호 등이 포함됩니다. 트랜시버는 크기가 4mm × 4mm 또는 2.5mm × 2.5mm 웨이퍼 레벨 패키지(WLP)인 24핀 TQFN 패키지로 제공됩니다. 작동 온도 범위는 -40°C ~ +125°C입니다.

MAX14828ATG+와 함께 작동하도록 설계되었지만 보완 IC에만 국한되지는 않는 MAX14819ATM+는 저전력, 이중 채널 IO-Link 마스터 트랜시버입니다(그림 9). 또한 센서/액추에이터 전원 공급 장치 컨트롤러를 제공하며 2개의 보조 디지털 입력 채널이 있습니다. IEC 61131-2, IEC 61131-9 SDCI 및 IO-Link 1.1.3과 같은 최신 IO-Link 및 이진 입력 표준 및 테스트 사양을 완전히 준수합니다.

그림 9: MAX14819ATM+ 이중 채널, IO-Link 마스터 트랜시버는 최신 IO-Link와 기타 관련 표준 및 사양을 완전히 준수합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

MAX14819ATM+의 통합 IO-Link 프레이머는 외부 UART가 필요하지 않지만 외부 UART를 사용하도록 구성할 수 있습니다. 관련 MCU를 쉽게 선택할 수 있도록 마스터 트랜시버는 UART 및 FIFO와 함께 작동하는 프레임 핸들러를 갖추고 있습니다. MAX14819ATM+는 또한 자동 주기 시간 기능이 있으므로 정확한 컨트롤러 타이밍의 필요성이 줄어듭니다. 통합 통신 설립 시퀀서는 절전 해제 관리도 간소화합니다.

MAX14828ATG+와 마찬가지로 MAX14819ATM+는 로컬 전력 레일을 제공하며 추가 보호 기능이 특징입니다. 2개의 저전력 센서 공급 장치 컨트롤러를 고급 전류 제한, 역전류 차단, 역극성 보호 기능과 통합하여 견고한 저전력 솔루션을 구현할 수 있습니다. 추가된 보호 기능에는 모든 인터페이스 핀에 대한 역극성 보호 및 과전압 허용 오차 범위, TVS 유연성을 위한 65V 절대 최대 정격, 버스트 탄력성 향상을 위한 결함 필터가 포함됩니다. MAX14819ATM+는 48핀 TQFN 패키지로 제공되며 크기는 7mm × 7mm이며 확장된 작동 온도 범위는 -40°C ~ +125°C입니다.

IO-Link 설계 개발을 위한 평가 키트

일반적으로 IO-Link와 특히 MAX14828ATG+ IO-Link 트랜시버에 대한 직접 체험해 보는 것은 설계 일정을 유지하는 데 중요한 단계입니다. 이를 위해 완전히 조립되고 테스트된 MAX14828EVKIT# 평가 키트에는 IO 및 SPI 인터페이스 단자를 갖춘 IO-Link 준수 장치 트랜시버가 포함됩니다(그림 10).

그림 10: 설계자는 MAX14828EVKIT# 평가 키트를 통해 MAX14828ATG+ IO-Link 트랜시버 성능을 빠르고 쉽게 초기화 및 평가할 수 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

이 평가 키트를 작동하려면 USB 케이블을 통해 연결된 Windows 호환 PC가 필요합니다. 관련 소프트웨어와 사용자가 공급한 24V/500mA DC 전원 공급 장치, 다중 계측기, 함수 생성기, 오실로스코프가 추가된 이 키트를 사용하여 설계자는 MAX14828ATG+를 구성, 연습 및 평가할 수 있습니다. 관련 설명서에는 설정 및 작동 지침, 회로도 구성도, 완전한 부품 명세서(BOM) 및 pc 기판 레이아웃의 모든 계층 이미지가 포함되어 있습니다.

결론

RTD를 사용하는 산업 환경에서 효과적이고 정확하며 신뢰할 수 있는 온도 측정은 신호 조절 및 디지털화를 위한 고성능 AFE로 시작됩니다. 이 데이터를 시스템 컨트롤러에 전송하려면 적합한 데이터 링크가 필요합니다. 위에서 살펴본 바와 같이 적합한 물리적 수준 IC로 지원되는 IO-Link 기반 센서 인터페이스는 핵심 기능과 고급 구성, 오류 감지 및 진단, 관리 기능을 제공하여 RTD 스마트 공장 배포를 간소화하고 가속화합니다.

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