멀티 프로토콜 I/O 허브 및 컨버터를 사용하여 Industry 4.0 통신 아키텍처 최적화

통신 프로토콜은 Industry 4.0 및 산업용 사물 인터넷(IIoT) 네트워크에서 실시간 데이터 전송과 제어를 지원하는 데 중요한 역할을 합니다. 센서, 액추에이터, 모터 구동기 및 컨트롤러에는 모두 특정한 통신 요구 사항이 있습니다. 모든 상황에 적합한 통신 프로토콜이란 없습니다.

하나의 프로토콜로 모든 응용 분야의 요구 사항을 충족할 수는 없으며, 다양한 장치를 연결해야 하는 경우가 많습니다. 센서는 컨트롤러에 연결해야 하고 컨트롤러는 IO-Link, Modbus, 여러 형태의 이더넷 등 다양한 프로토콜을 사용하는 다양한 시스템 요소와 연결해야 합니다.

대부분의 경우 전체 기계를 클라우드에 연결해야 합니다. 그 결과 수많은 프로토콜이 포함된 복잡한 통신 아키텍처가 구축됩니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 기계 설계자는 멀티 프로토콜 입/출력(I/O) 마스터, 허브 및 컨버터를 이용할 수 있습니다.

이 기사에서는 먼저 일반적인 Industry 4.0 통신 프로토콜과 네트워킹 계층 구조에서 이러한 프로토콜이 어디에 적합한지를 살펴봅니다. 그런 다음 Banner Engineering의 I/O 마스터, 허브 및 컨버터 계열을 소개하고, 작동 방식을 검토하며, 복잡한 Industry 4.0 및 IIoT 통신 아키텍처를 촉진하는 방법을 논의합니다.

OSI 7계층 모델이란?

네트워크 통신 프로토콜을 개방형 시스템 상호 연결(OSI) 7개 계층 모델의 맥락에서 설명하는 경우가 많습니다. 이 모델은 물리적 연결, 데이터 링크, 네트워크 연결 등 하드웨어 고려 사항을 다루는 세 가지 미디어 계층으로 시작합니다.

전송, 세션 및 프레젠테이션 공정을 포함하는 다음 세 가지 계층의 초점은 데이터 주소 지정입니다.

모델의 일곱 번째 계층은 사용자와 네트워크 간의 인터페이스를 제공하는 애플리케이션 계층입니다. Modbus, PROFINET과 같은 프로토콜이 이 계층에 있습니다. OSI 모델은 EtherNet/IP와 같은 다른 프로토콜과 어느 정도 관련이 있습니다.

EtherNet/IP의 경우, 애플리케이션 계층에는 웹 액세스(HTTP), 이메일(SMTP), 파일 전송(FTP) 등과 같은 프로세스가 포함됩니다. 세 개의 호스트 계층은 세션 설정, 오류 수정 등을 위한 TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol) 프로세스를 구현합니다. 미디어 계층에는 물리적 10 Base-T 연결과 이더넷 데이터 링크 및 네트워크 연결 구현이 포함됩니다(그림 1).

그림 1: EtherNet/IP와 OSI 7계층 모델의 연관성 (이미지 출처: Banner Engineering)

IO-Link는 어디에 적합할까요?

IO-Link는 소형 센서, 액추에이터 및 이와 유사한 장치를 위한 단일 드롭 디지털 통신 인터페이스(SDCI)입니다. 양방향 통신을 작업 현장의 개별 장치까지 확장합니다. 이 링크는 IEC 61131-9에 명시되어 있으며 Modbus, PROFIBUS, EtherNet/IP 등을 기반으로 하는 산업용 네트워크 아키텍처와 호환되도록 설계되었습니다.

IO-Link는 마스터 장치를 사용하여 프로그래밍 가능 논리 컨트롤러(PLC), 인간 기계 간 인터페이스(HMI), 클라우드 데이터 서비스(CDS) 등과 같은 데이터 소비 장치에 연결하는 상위 프로토콜(예: Modbus)에 IO-Link 장치를 연결합니다. 가장 낮은 수준에서 IO-Link는 허브를 사용하여 여러 장치를 집계하고 마스터 장치에 데이터를 공급합니다. 또한, IO-Link 컨버터에 대한 아날로그 전압을 사용하여 아날로그 센서를 IO-Link 네트워크에 추가할 수 있습니다(그림 2).

그림 2: IO-Link 컨버터, 허브 및 마스터는 현장 장치에서 데이터를 수집하여 PLC, HMI, CDS와 같은 데이터 소비자에게 전달할 수 있습니다. (이미지 출처: Banner Engineering)

IO-Link를 다른 프로토콜과 결합하는 이유는?

대량 맞춤 설정과 유연한 생산 공정은 Industry 4.0의 대표적인 특징입니다. IO-Link를 다른 프로토콜과 결합하면 Industry 4.0 공장의 유연성과 다목적성을 강화할 수 있습니다. IO-Link의 장점은 다음과 같습니다.

• Modbus는 특정 센서와 같은 아날로그 장치를 제한적으로 지원하는 반면, IO-Link는 디지털 장치 및 아날로그 장치와 모두 호환됩니다.
• IO-Link와 상위 프로토콜(예: Modbus TCP, EtherNet/IP)을 모두 지원하고 현장 수준 센서 네트워크와 산업용 네트워크 통신 백본 사이의 브리지 역할을 할 수 있는 게이트웨이를 사용하여 공장 자동화와 확장을 촉진할 수 있습니다.
• IO-Link는 모든 센서에 표준화된 균일한 구성 프로세스를 제공하여 운영 효율성을 높이고, 결함이 있는 센서를 자동으로 교체하는 데 사용할 수 있습니다(동일한 모델을 사용하는 경우).
• IO-Link의 데이터 수집 및 통신 기능은 분산된 센서 네트워크뿐만 아니라 개별 센서의 작동에 대한 가시성을 높이고 데이터를 PLC 및 클라우드까지 빠르게 전송할 수 있습니다.

Modbus와 IO-Link를 결합하는 방법

가장 먼저 고려해야 할 도구 중 하나는 8포트 바이모달-Modbus R95C-8B21-MQ와 같은 하이브리드 I/O Modbus 허브입니다. 이 개별 바이모달-Modbus 허브는 8개 고유 포트 각각에 2개의 개별 채널을 연결하여 Modbus 레지스터를 통해 해당 포트를 모니터링하고 구성할 수 있습니다.

하이브리드 I/O Modbus 허브는 4개의 구성 가능한 아날로그 입력(전압 또는 전류)과 4개의 아날로그 출력, 8개의 구성 가능한 PNP(소싱) 또는 NPN(싱킹) 개별 입력 및 출력을 포괄하여 응용 분야의 유연성을 높여줍니다.

DXMR90-X1 산업용 컨트롤러는 IIoT 솔루션의 플랫폼으로 사용될 수 있습니다. 로컬 데이터 처리와 접근성을 위해 여러 소스의 데이터를 통합할 수 있습니다. DXMR90에는 최대 5개의 독립 직렬 네트워크에 대한 동시 통신을 지원하는 개별 Modbus 클라이언트가 포함됩니다.

DXMR90-X1에는 Modbus 마스터 연결을 위한 1개의 암 M12 D-Code 이더넷 커넥터와 4개의 암 M12 연결이 포함됩니다. 다른 DXMR90 모델은 Modbus 클라이언트 연결을 위한 2개의 암 M12 D-Code 이더넷 커넥터와 4개의 암 M12 연결 또는 IO-Link 마스터 연결을 위한 1개의 암 M12 D-Code 이더넷 커넥터와 4개의 암 M12 커넥터로 제공됩니다.

모든 DXMR90 컨트롤러에는 수신 전력 및 Modbus RS-485용 수 M12(포트 0) 1개와 포트 0 신호 데이지 체인용 암 M12 1개도 포함되어 있습니다. DXMR90-X1의 추가 기능은 다음과 같습니다(그림 3).

• Modbus RTU를 Modbus TCP/IP, EtherNet/IP 또는 Profinet으로 변환
• 간편한 프로그래밍을 위해 동작 규칙에 의해 구동되는 내부 논리 또는 복잡한 솔루션 개발을 위한 MicroPython 및 ScriptBasic
• RESTful, MQTT 등 인터넷 프로토콜 지원
• IIoT 데이터 분석, 상태 모니터링, 예측 유지보수, 전체 장비 효율성(OEE) 분석, 진단 및 문제 해결에 적합

그림 3: DXMR90-X1 컨트롤러는 R95C 하이브리드 I/O Modbus 허브와 함께 사용될 수 있습니다. (이미지 출처: Banner Engineering)

멀티 프로토콜 지원이란?

DXMR110-8K 8포트 IO-Link 마스터는 여러 소스의 IO-Link와 개별 데이터를 통합, 처리, 배포하는 콤팩트 멀티 프로토콜 스마트 컨트롤러입니다. 연결에는 다음이 포함됩니다.

• 데이지 체인 및 상위 제어 시스템과의 통신을 위한 암 M12 D-Code 이더넷 커넥터 2개
• IO-Link 장치를 위한 암 M12 연결부 8개
• 수신 전력용 수 M12 1개, 데이지 체이닝 전력용 암 M12 1개

DXMR110은 클라우드 연결을 지원하고 고급 프로그래밍 기능을 포함합니다. ScriptBasic 및 동작 규칙 프로그래밍을 사용하여 최적화된 자동화 공정을 위한 맞춤형 스크립트 및 논리를 생성하고 구현할 수 있습니다.

DXMR110의 내부 처리 성능을 활용하여 데이터 처리를 엣지로 이동함으로써 제어 캐비닛의 하드웨어 필요성을 최소화하고 PLC의 I/O 카드를 제거할 수 있습니다. 통합 클라우드 연결을 통해 전 세계 어디서나 데이터에 액세스할 수 있습니다. 마지막으로 IP67 하우징은 제어 캐비닛이 필요하지 않아 어느 위치에나 간단하게 설치할 수 있습니다(그림 4).

그림 4: DXMR110-8K 8포트 IO-Link 마스터는 멀티 프로토콜 스마트 컨트롤러입니다. (이미지 출처: Banner Engineering)

더 있습니다

단지 지금까지 소개한 장치로만 멀티 프로토콜 산업용 통신 솔루션을 구현할 수 있는 것은 아닙니다. 기계 설계자는 시스템 설계, 공간 효율성 및 성능을 최적화하기 위해 Banner Engineering의 다양한 원격 I/O 블록을 사용할 수 있습니다.

Banner는 IP65, IP67, IP68의 침투 성능(IP) 요구 사항을 충족하는 오버몰딩 설계의 인라인 컨버터 및 마스터를 제공합니다. R45C 계열 인라인 컨버터 및 마스터는 Modbus RTU 프로토콜을 사용하여 IO-Link 장치를 IIoT 네트워크 또는 시스템 컨트롤러에 연결하기 위한 게이트웨이를 제공합니다. R45C-2K-MQ 모델은 두 개의 IO-Link 장치를 Modbus RTU 인터페이스에 연결합니다.

아날로그 신호가 필요한 경우 설계자는 이중 아날로그 인라인 I/O 컨버터용 R45C-MII-IIQ Modbus를 사용할 수 있습니다. 기능은 다음과 같습니다.

• 아날로그 입력. 컨버터에서 아날로그 입력을 수신한 후 해당 값의 수치 표현을 해당 Modbus 레지스터로 전송합니다. 0mV ~ 11,000mV 또는 0µA ~ 24,000µA의 아날로그 입력을 수용할 수 있습니다.
• 아날로그 출력. 컨버터에서 숫자 입력에 해당하는 아날로그 값을 출력합니다. 아날로그 출력 범위는 0mV ~ 11,000mV 또는 0µA ~ 24,000µA입니다.
• 유효 범위를 벗어난 프로세스 데이터 값(POVR)도 감지 및 처리할 수 있으며, 컨버터에서 시스템에 신호를 전송합니다.

단일 아날로그 입력을 IO-Link 신호로 변환해야 하는 경우 설계자는 S15C-I-KQ를 사용할 수 있습니다. 이 원통형 아날로그 전류 - IO-Link 컨버터는 4mA ~ 20mA 전원에 연결하여 해당 값을 IO-Link 마스터에 출력합니다.

Banner는 Modbus 또는 IO-Link 네트워크에 연결된 여러 아날로그 및 개별 장치 연결을 지원하는 다양한 Modbus RTU I/O 블록을 제공합니다. 유연한 시스템 설계와 상호 운용성을 구현할 수 있도록 혼합 또는 결합하여 사용할 수 있습니다(그림 5).

그림 5: IO-Link 통합을 위한 Banner의 원격 I/O 솔루션의 폼 팩터 및 구성 예시 (이미지 출처: DigiKey)

무선 프로토콜을 통합할 수 있나요?

Banner의 Sure Cross DSX80 Performance 무선 I/O 네트워크 솔루션은 무선 연결을 지원합니다. 독립적으로 사용하거나 Modbus, 개인용 컴퓨터 또는 태블릿 컴퓨터를 사용하여 호스트 PLC에 연결할 수 있습니다. 기본 시스템 아키텍처는 게이트웨이와 하나 이상의 노드로 구성됩니다(그림 6).

그림 6: Banner의 Sure Cross DSX80 Performance 무선 I/O 네트워크 솔루션에는 게이트웨이 및 하나 이상의 센서 노드가 포함됩니다. (이미지 출처: Banner Engineering)

Sure Cross DX80 Performance 무선 네트워크를 구현하려면 네트워크 토폴로지, 마스터 및 슬레이브 관계, 시분할다중접속(TDMA) 아키텍처의 세 가지 요소가 필요합니다.

스타 토폴로지는 마스터에서 각 노드와 별도 연결을 유지하기 위해 사용됩니다. 노드와 마스터 간의 연결이 실패하더라도 나머지 노드 연결에는 영향을 미치지 않습니다.

DX80G2M6-QC와 같은 게이트웨이는 마스터 장치이며 슬레이브 장치와의 모든 통신을 시작합니다. Modbus RTU RS-485 연결을 사용하는 게이트웨이는 Modbus RTU 호스트 컨트롤러에 대한 슬레이브 역할을 합니다. 단일 무선 네트워크에 최대 47개의 슬레이브 노드가 포함될 수 있습니다.

슬레이브 장치는 DX80N9Q45DT 이중 서미스터 온도 센서 노드, DX80N9Q45PS150G 압력 센서 노드, 진동 및 습도 센서와 같은 무선 노드일 수 있습니다.

슬레이브 장치는 게이트웨이와 통신을 시작하거나 서로 통신할 수 없습니다. 대규모 설치를 수용하려면 DX80SR9M-H와 같은 직렬 데이터 무선 통신을 추가하여 네트워크 커버리지를 확장할 수 있습니다.

TDMA는 강력한 연결성과 최소한의 에너지 소비를 결합하는 핵심 요소입니다. 게이트웨이의 TDMA 컨트롤러는 각 노드에 데이터를 주고받을 수 있는 특정 시간을 할당합니다. 게이트웨이의 장치 ID 번호는 항상 0입니다. 장치 ID 1 ~ 47을 사용하여 원하는 순서로 노드 번호를 지정할 수 있습니다.

개별 노드에 대해 특정 통신 시간을 설정하면 노드 간 충돌 가능성을 제거하여 효율성을 최적화할 수 있습니다. 또한 노드가 통신 간에 저전력 상태로 전환되고 지정된 시간에만 절전 모드에서 해제됩니다. 전송 간에 무선 통신을 끄면 전력을 절약하고 배터리 구동 노드의 작동 수명을 연장할 수 있습니다.

결론

Industry 4.0 및 IIoT 네트워크를 효율적으로 운영할 수 있으려면 IO-Link, Modbus, EtherNet/IP 등과 같은 다양한 통신 프로토콜에 액세스해야 합니다. Banner Engineering은 설계자에게 다양한 폼 팩터의 IO-Link 허브, 컨버터 및 마스터를 포괄적으로 제공하여 최적화된 통신 솔루션을 지원합니다.