산업 응용 분야에서 IO 링크 활용

4차 산업 혁명과 인더스트리 4.0에서는 고급 제어, 모니터링 및 진단에 의해 포괄적이고 지능적인 자동화가 정의됩니다. 이러한 기능은 산업용 연결을 통해서만 가능합니다. 산업용 연결에서는 지속적인 데이터 교환을 위해 제어와 기계 장치가 일부 플랫폼(예: IO 링크)에 통합됩니다.

그림 1: IO 링크는 IO 링크 1차 측을 통해 필드 버스 또는 이더넷 네트워크에 손쉽게 통합되어 기존 네트워크 프로토콜을 보완합니다. IO 링크 1차 측과 IO 링크 장치는 단심 비차폐 3선식 또는 5선식 케이블을 통해 연결되며, 이 케이블을 통해 IO 링크 장치에 전력을 공급할 수도 있습니다. 여기서 1차 측의 전력은 24Vdc입니다. (이미지 출처: Pepperl+Fuchs)

산업용 연결을 뒷받침하는 핵심 지원 기술은 표준화되고 온보드 통신 기능을 갖춘 네트워크와 장치입니다. 이러한 기능을 지원하는 프로토콜은 많습니다. 하지만 모든 산업용 프로토콜이 오늘날의 자동화에 필요한 데이터 교환 및 인텔리전스 요구 사항을 충족하는 것은 아닙니다. IO 링크는 이러한 광범위한 최신 응용 분야를 충족하기 위해 제작되었습니다.

이전 digikey.com 기사에서 살펴본 대로 IO 링크는 장치 간의 스마트한 양방향 데이터 통신을 도와주는 유선 지점 간 통신 프로토콜입니다. 일반적으로 IO 링크 1차 측(로컬 컨트롤러)에는 다양한 IO 링크 장치가 개별적으로 연결되는 여러 IO 링크 포트(채널)가 있습니다. 이러한 노드 간 종단점 연결에서는 IO 링크 지점 간 통신 프로토콜을 렌더링합니다.

41개 회원 컨소시엄(현재는 수백 개 회원으로 확장)에 의해 2009년에 출시된 IO 링크는 다음과 같은 중요한 목적으로 데이터를 활용하기 위해 통신 프로토콜로 널리 사용되고 있습니다.

• 작동 최적화
• 다운타임 감소 및 유지보수 간소화
• 원자재 비용 절감 및 전략적 운영 결정

조화된 IO 링크 인터페이스는 IEC 61131-9 표준에 의해 정의되고 Siemens, Omron Corp., ifm Efector, Balluff, Cinch Connectivity, Banner Engineering, Rockwell Automation, SICK, Pepperl+Fuchs 및 기타 수십 개 부품 및 시스템 제조업체의 지원을 받고 있습니다. IO 링크 연결이 조립 자동화, 기계 공구, 인트라로지틱스를 포함하는 작업에서 널리 활용되는 것은 놀랄 일도 아닙니다. 이러한 산업 설정에서 세 가지 기본적인 용도에는 상태 통신, 기계 제어, 지능적인 장치 렌더링이 있습니다.

용도와 관련이 있는 IO 링크 컨트롤러 모드

그림 2: 연결 케이블과 함께 사용되는 커넥터 유형은 포트 유형에 따라 달라집니다. IO 링크 클래스 A 1차 포트에서는 최대 4개의 핀이 있는 M8 또는 M12(예: 그림에 표시된 ifm efector의 AL1120) 커넥터를 사용하고, 클래스 B 1차 포트에서는 5핀 M12 커넥터(양방향 통신용)를 통해 장치와 연결합니다. 항상 1차 포트에 할당되는 모드는 연결되는 장치와 현재 작업에 의해 결정됩니다. (이미지 출처: ifm Efector)

IO 링크 통신 프로토콜은 네 가지 통신 모드를 지원하는 IO 링크 고레벨 1차 측(컨트롤러)에서 각 커넥터 포트를 렌더링한다고 이전 digikey.com 기사에 나와 있습니다. 여기에는 완전히 비활성화된 모드와 IO 링크, 디지털 입력(DI), 디지털 출력(DQ) 작동 모드가 포함됩니다. 모드는 위에 나열된 세 가지 기본 IO 링크 용도와 어느 정도 관련이 있습니다.

IO 링크 작동 모드는 현장 장치와의 양방향 데이터 통신을 지원하며 일반적으로 모니터링, 테스트 및 진단을 위해 데이터를 수집하는 동안 사용됩니다. DI 모드에서 1차 측 포트는 디지털 입력을 수락하며 포트가 센서에 연결되면 작동합니다. 이러한 맥락에서 입력 장치 역할을 합니다. 반대로 DQ 모드의 포트는 디지털 출력 역할을 하며, 일반적으로 포트가 액추에이터에 연결되거나(이 맥락에서 효과적인 출력 장치 역할) 시스템 PLC가 다른 IO 링크 장치에 직접 명령을 전송하도록 설정된 경우에 작동합니다.

이 기사의 범위에는 포함되지 않지만 IO 링크 1차 측의 포트에서는 모드 간에 쉽게 전환할 수 있습니다. 예를 들어 센서에 연결된 1차 측 포트가 DI 모드에서 실행되다가 1차 측에서 센서의 진단 및 모니터링 데이터가 필요한 경우 IO 링크 통신 모드로 전환할 수 있습니다.

IO 링크 응용 분야 1/3: 실행 가능한 상태 통신

그림 3: IO 링크는 고급 제어 및 자동화 시스템 생성을 도와줍니다. 기계 공구 산업에서는 작업물 클램핑 및 밀링 엔드 공구 압력과 위치가 적절한지 확인하기 위해 IO 링크 센서를 다양하게 활용합니다. (이미지 출처: Getty Images)

상태를 보고하도록 설정된, 즉 시스템에 필요한 조정 및 수정을 알려줄 수 있는 IO 링크 장치로 기계를 모니터링할 수 있습니다. 기계 공구 산업에서 한 가지 용도, 즉 작업물이 소재 제거 작업 중에 손상 없이 안전하게 유지되는 데 적절한 압력으로 클램핑되는지 확인하는 IO 링크 압력 센서를 고려해 보십시오. 여기서 IO 링크 센서는 기본적으로 일부 거부된 작업물에 대한 기계 작업 최적화를 지원합니다.

또한 IO 링크 장치는 실행 가능한 상태 통신을 통해 향상된 유지보수 루틴을 지원하여 다운타임을 최소화할 수 있습니다. 예를 들어 조립 기계의 IO 링크 위치 센서는 엔드 이펙터가 범위 또는 정렬을 벗어나지 않았는지 확인할 수 있도록 엔드 이펙터의 위치를 지속적으로 보고할 수 있습니다.

IO 링크 장치에서 제공되는 진단 데이터를 분석하면 공장의 기계 기술자가 오류 및 잠재적 가동 중단을 발생하기 전에 미리 예측하여 수정할 수 있습니다. 또한 기술자는 기계 또는 공장에서 약해진 연결을 식별하여 향후의 회사 차원 운영 변경, 구매 결정 및 기계 설계에 대해 알릴 수 있습니다.

IO 링크 응용 분야 2/3: 고급 제어 및 자동화

그림 4: 고급 제어에 포함되는 IO 링크 시스템은 IO 링크 1차 측(컨트롤러)(예: 이 그림의 Omron NX-ILM400)과 1차 측에 연결되는 다양한 IO 링크 지원 센서, 전원 공급 장치 및 기계 전자 장치를 포함합니다. 이 응용 분야에 사용되는 IO 링크 시스템은 일반적으로 IO 링크 1차 측 및 장치를 PLC 또는 다른 자동화 시스템에 연결합니다. (이미지 출처: Omron)

제어 및 자동화는 IO 링크에서 지원되는 다른 응용 기능입니다. IO 링크 설치는 sans 직원 개입을 실행하는 기능을 지원하지만, IO 링크 1차 측에서 수신된 데이터를 처리하는 호스트 시스템 또는 더 높은 레벨의 PLC에 연결한 다음 적절히 조정된 응답으로 설계된 액추에이터에 직접 또는 간접적으로 명령하는 경우도 있습니다. 이런 자동화된 제어를 사용하려면 IO 링크 시스템이 표준화된 필드 버스 또는 이더넷 프로토콜 및 케이블을 통해 더 높은 레벨의 컨트롤러에 연결되어야 합니다. 실제로 대부분의 IO 링크 1차 측에는 해당 연결을 위한 필드 버스 또는 이더넷 포트가 있습니다.

IO 링크 시스템을 포함하는 고급 제어 응용 분야에서 장치는 다음 세 가지 중 한 가지 방법으로 통합됩니다.

• 호스트 컴퓨터 또는 PLC에 직접 연결
• IO 링크 1차 측에 연결하고 IO 링크 프로토콜을 통해 통신
• IO 링크 호환 통신을 사용하고 IO 링크 허브를 통해 IO 링크 1차 측에 연결

후자의 경우 기본적으로 IO 링크가 아닌 장치를 1차 측에 연결하기 위한 중간자 역할을 합니다.

필드 버스 및 이더넷 통신 연결을 지원하는 IO 링크 시스템은 장거리 연결이 가능하다는 추가적인 이점이 있습니다. 즉, 설치자는 주어진 응용 분야에 가장 적합한 경우 제어 캐비닛 또는 가장 외부에 있는 기계에 IO 링크 1차 측을 배치할 수 있습니다.

IO 링크 1차 측이 디지털 신호와 아날로그 신호를 모두 처리할 수 있는 하위 컨트롤러 역할을 하여 고급 조립 응용 분야에서 얼마나 유용한지를 고려해 보세요. 1차 측에서는 다음과 같은 작업을 수행할 수 있습니다.

• XY 단계의 축에서 IO 링크 선형 인코더에 의해 생성되는 데이터 수신
• 해당 데이터를 게이트웨이로 처리
• 처리된 IO 링크 현장 장치 데이터를 PLC 또는 다른 시스템 컨트롤러에 제출

IO 링크 응용 분야 3/3: 장치 인텔리전스

그림 5: IO 링크 연결 인터페이스는 매우 작아서 아무리 작은 현장 장치에도 적합할 수 있습니다. 그림에는 IO 링크 연결을 지원하는 Balluff BUS004Z 근접 센서가 나와 있습니다. (이미지 출처: Balluff)

IO 링크의 세 번째 응용 분야는 장치를 현명하게 렌더링하는 것입니다. 특히 프로그래밍이 거의 없는 기존 센서 옵션과 유사한 센서 설계에서 일반적인 IO 링크 지원 장치는 명령을 수신하고, 모니터링하고, 셀프 테스트 루틴을 실행하고, 데이터를 생성할 수 있습니다. 또한 IO 링크를 사용하면 장치에서 기본 2가(예-아니요 또는 통과-실패) 데이터보다 더 많은 데이터를 제공할 수 있으므로 정밀한 값을 보고할 수 있습니다. 예를 들어 공정 자동화 작업에서는 모니터링 대상 영역 또는 볼륨의 정확한 온도 값을 지속적으로 보고하여 고온 또는 저온 상태를 보고하는 수준을 넘어서는 IO 링크 온도 센서가 유용합니다.

스마트 현장 장치에 대한 IO 링크의 다른 이점은 콤팩트한 물리적 연결 방식에 있습니다. 이는 때때로 너무 커서 현장의 초소형 장치에 맞지 않을 수 있는 필드 버스 및 이더넷 인터페이스의 물리적 연결과 대조됩니다.

IO 링크 스마트 부품을 정밀하게 제어할 수도 있습니다. 예를 들어 기본 켜기/끄기 제어 대신 지정된 조건이 충족될 경우 꺼지도록 액추에이터에 명령할 수 있습니다.

RAFI의 푸시 버튼 스위치와 같은 입력 장치는 IO 링크 기능을 활용하여 색이 지정된 표시등을 비롯한 스마트 장치 기능을 지원할 수 있습니다.

스마트 장치 응용 분야에서 IO 링크를 사용할 경우 몇 가지 주의 사항이 있습니다. 무선 형태의 IO 링크가 개발 중이기는 하지만 IO 링크는 여전히 유선 통신 프로토콜이므로 배선의 모든 제한 사항이 적용됩니다. 데이터 무결성을 유지하기 위해 IO 링크 1차 측과 장치 간 배선은 20m를 초과해서는 안 됩니다. 또한 IO 링크 프로토콜은 주기당 최대 32바이트의 데이터만 전송할 수 있으므로, 분당 수 MB의 데이터를 생성할 수 있는 카메라와 같은 현장 장치에는 사용할 수 없습니다.

결론

IO 링크 시스템은 제한 없는 제어 및 데이터 수집 시스템을 뒷받침하여 기존 프로토콜을 보완하기 위해 널리 사용됩니다. IO 링크 시스템은 IO 링크 1차 측과 해당 장치, 커넥터화된 3선식 또는 5선식 케이블로만 구성되는 단순성으로 인해 널리 채택되고 있습니다. 플러그 앤 플레이 및 비용 효율성은 IO 링크의 다른 이점입니다.

IO 링크 회원사 컨소시엄의 노력으로 다양한 제조업체의 컨트롤러, 장치, 액추에이터 간의 폭넓은 호환성이 보장되어 설계 엔지니어들이 특정 사용 사례에 맞는 가장 폭넓은 장비를 선택할 수 있게 되었습니다.