Industry 4.0 공장에서 대량 맞춤 설정, 고품질, 지속 가능한 운영 지원

지속 가능한 고품질 생산 공정으로 대량 맞춤 설정을 지원하는 일은 Industry 4.0 자동화된 제조 시스템 설계자에게 어려운 일일 수 있습니다. 여러 감지 및 제어 장치가 다양한 유무선 네트워크에 배포 및 연결되어야 하고, 수립된 지속 가능성 표준을 충족하면서 상태 및 에너지 소비량을 실시간으로 모니터링할 수 있어야 합니다.

다양한 기능, 네트워크, 모니터링, 표준 요구 사항을 수용하고 확장성과 유연성도 보장해야 하는 경우, Industry 4.0의 자동화 시스템 설계자가 직접 이 모든 사항을 맞출 필요는 없습니다. 소형 통합 컨트롤러를 통합하여 수준 높은 품질 및 지속 가능성을 갖춘 유연한 생산 시스템을 구현할 수 있기 때문입니다. 이러한 컨트롤러에는 다양한 내장형 제어 및 에너지 관리 기능, 디지털 및 아날로그 입출력(IO), 확장 가능하고 유연하며 지속 가능성이 높은 Industry 4.0 공장을 구현하는 데 필요한 보안 통신 기능이 있습니다.

이 기사에서는 일반적인 Industry 4.0 공장 자동화 요소 및 요구 사항에 대한 간단한 개요를 살펴봅니다. 그런 다음 통합 통신 인터페이스 및 기술 기능이 포함된 프로그래밍 가능 논리 컨트롤러(PLC)의 예로 Siemens의 소형 및 확장 가능한 컨트롤러 제품군을 소개합니다. 마지막으로 지속 가능성을 위한 에너지 관리 구현 예시를 포함하여 운영 에너지 관리를 위한 국제표준화기구(IOS) 50001 및 관련 표준에 대해 검토합니다.

Industry 4.0 공장의 주요 요소

일반적인 Industry 4.0 공장 응용 분야는 온도 제어, 펌프 및 팬 제어, 컨베이어 시스템, 포장 기계와 같은 장치로 구성되며 이러한 장치는 유연한 통합 및 정밀도가 제공되어야 고품질 생산을 보장할 수 있습니다. 또한 이러한 장치의 에너지 소비량은 효율적이고 지속 가능한 운영을 지원할 수 있도록 지속적으로 모니터링하고 분석해야 합니다. 또한 분산된 센서 및 컨트롤러에서 모터 드라이브, 에너지 계측기, 기계 기술자, 운영자에 이르기까지 여러 계층의 유무선 연결을 통해 이 모든 것을 지원해야 합니다.

이러한 다양한 요구를 해결하는 동시에 공정 배포와 재구성 속도를 높이고 기계 가동 시간을 극대화하며 효율적인 운영을 보장하기 위해 자동화 시스템 설계자에게는 여러 가지 주요 특징을 갖춘 전용 공정 컨트롤러가 필요합니다. 그러한 특징에는 보안 통신 인터페이스, 디지털 및 아날로그 IO뿐만 아니라 고속 카운터, 펄스 폭 변조(PWM), 펄스 시퀀스 출력, 속도 제어, 위치 지정, 상태 모니터링, 에너지 관리와 같은 통합 제어 기능이 포함됩니다. 또한 직렬 통신, PROFIBUS, IO-Link, 액추에이터 센서 인터페이스(AS-인터페이스), MODBUS 실시간 장치(RTU), 범용 직렬 인터페이스(USI), TCP/IP, 모바일 무선 표준과 같은 프로토콜을 지원하는 통신 인터페이스를 사용할 수 있어야 합니다.

Industry 4.0 연결성

Industry 4.0 연결성 요구 사항을 충족하기 위해 Siemens의 PLC SIMATIC S7-1200 제품군은 센서, 액추에이터, 모터를 인간 기계 간 인터페이스(HMI) 및 클라우드에 연결하도록 지원합니다. 산업 자동화를 위한 사물 지능 통신(M2M) 프로토콜인 OPC UA(OPC Unified Architecture)를 사용합니다. OPC UA에는 연결성을 간소화하는 플랫폼 독립적인 서비스 지향 아키텍처가 있습니다. 본질적으로 보안 환경에서 모든 종류의 장치, 자동화 시스템, 소프트웨어 응용 분야의 통합을 지원합니다. 여기에는 OPC UA 프레임워크를 기반으로 하고 국제 전자기술 위원회(IEC) 62541에 지정된 현장 수준 통신(FLC) 이니셔티브에서 지정한 필드 확장이 포함됩니다.

FLC는 장비 제조업체에 인증, 서명, 데이터 암호화를 강조하는 안전하고 신뢰할 수 있는 통신을 위한 독립적인 플랫폼을 제공합니다. OPC UA는 M2M 통신 프로토콜 이상의 기능을 제공하며 공장 네트워크와 비즈니스 네트워크 간의 연결을 지원하도록 설계되었습니다. Siemens의 SIMATIC S7-1200 PLC에 있는 OPC UA 데이터 액세스는 표준화된 수평 및 수직 통신을 제공할 뿐만 아니라 일관된 기계 데이터를 쉽게 전송할 수 있게 하는 자동화 표준인 OMAC PackML(Organization for Machine Automation and Control Packaging Machine Language)과 같은 산업별 요구 사항과 높은 수준의 IT 시스템으로 기계 데이터의 표준화된 전송을 위한 통신 인터페이스를 정의하는 WS(Weihenstephan Standards)를 준수합니다. S7-1200 PLC에서 OPC UA 구현의 주요 특징은 다음과 같습니다(그림 1).

• PLC와 높은 수준의 비즈니스 지향 소프트웨어 계층 사이에 새로운 공정을 효율적으로 추가하는 기능
• Siemens OPC UA 모델링 편집기를 사용하여 산업별 컴패니언 사양 구현 간소화
• 무선 연결을 통해 이더넷 네트워크에 대한 클라우드 연결성 확보
• 암호화를 포함한 OUC(Open User Communication)를 사용하여 주소 지정을 간소화하기 위한 DNS 이름 확인
• 선택적 첨부 파일을 사용하여 이메일을 안전하게 전송하는 수단

그림 1: OPC UA는 Industry 4.0 공장 연결성의 기본 요소입니다. (이미지 출처: Siemens)

확장 가능한 컨트롤러

OPC UA 통신을 위한 통합 지원 외에도 6ES72141AG400XB0(그림 2)과 6ES72151BG400XB0 같은 S7-1200 컨트롤러는 매우 유연하며 확장성이 좋습니다. 전자는 24VDC 전원 공급 장치에서 작동하고 24VDC 입출력을 가진 반면 후자는 120VAC 또는 230VAC 전원 공급 장치에서 작동하며 24VDC 입력 및 계전기 출력을 사용합니다.

S7-1200 컨트롤러에는 통합 IO가 있으며 모듈식으로 확장할 수 있고 여러 통신 옵션이 있습니다. Siemens의 단일 통합 자동화(TIA) 포털은 제어 프로그램 개발을 위해 간단한 소프트웨어 환경을 제공하고 SIMATIC 자동화 도구는 SIMATIC S7-1200 컨트롤러를 작동 및 유지하기 위해 현장에서 사용할 수 있습니다. 추가적인 특징은 다음과 같습니다.

• 확장 가능성과 유연성을 지원하는 PROFINET 인터페이스
• 포괄적인 액세스, 복사 및 조작 방지 기능이 포함된 보안 기능
• 추가 프로그래밍 없이 SIMATIC HMI와 SIMATIC 자동화 도구에서 웹 서버를 통해 Siemens TIA 포털에 간단하고 기본적인 텍스트로 메시지가 표시되는 진단
• IEC 61508에 정의된 안전 무결성 레벨3(SIL3), ISO 13849에 정의된 IEC 62061 및 성능 레벨 e(PLe)까지의 응용 분야에 대한 표준 및 안전 관련 프로그램을 모두 실행할 수 있는 안전 기능이 특정 모델에서 제공됨

그림 2: Siemens S7-1200 컨트롤러는 OPC UA 통신 지원을 통합했습니다. (이미지 출처: Siemens)

이러한 컨트롤러는 고속 카운터, PWM, 펄스 시퀀스 출력, 속도 제어 및 위치 지정과 같은 통합 기술 기능을 사용하여 온도 제어, 펌프 및 팬 제어, 컨베이어 기술, 포장 기계에도 적합합니다. 이는 루프 제어, 계량, 에너지 관리, 고속 계수, 무선 주파수 식별(RFID) 및 상태 모니터링에 최적화되어 있습니다.

유연한 통신 옵션

포괄적인 네트워킹 옵션은 S7-1200 PLC의 특징입니다. 지원하는 통신 프로토콜은 다음과 같습니다.

PROFINET: 개방형 산업용 이더넷(IE) 표준입니다. 통합 PROFINET 인터페이스는 TCP/IP 표준을 사용하며 프로그래밍이나 HMI 장치 및 추가 컨트롤러와 통신하는 데 사용할 수 있습니다.

PROFIBUS: 필드 버스 표준입니다. PROFIBUS를 통해 S7-1200 컨트롤러는 현장 수준에서 제어 수준까지 균일한 통신을 설정할 수 있습니다.

AS-인터페이스: 액추에이터와 센서를 위한 필드 버스 표준입니다. 모터 시동 장치, 위치 스위치, 모듈과 같은 AS-인터페이스 표준 슬레이브를 최대 62개까지 연결할 수 있습니다.

통합 통신 기능 외에도 다음과 같은 추가 프로토콜을 지원하는 모듈을 사용할 수 있습니다.

• CANopen
• Modbus RTU
• Modbus TCP
• IO-Link
• GPRS(일반 패킷 무선 서비스)/LTE(Long Term Evolution)
• RS-485, RS-422, RS-232
• USS

대량 맞춤 설정 및 고품질 달성

S7-1200 PLC는 광범위한 기능과 통신 기능을 통해 Industry 4.0의 일환으로 인한 대량 맞춤 설정 및 고품질에 대한 지향의 움직임을 수용할 수 있습니다. 이러한 목표를 달성하는 방법에는 여러 가지가 있지만 다음 예시는 무선 셀룰러 연결을 위한 통신 확장 모듈, 모터 제어를 위한 RS-485/USS/Modbus RTU 직렬 연결, 필드 버스에 비해 센서 및 액추에이터에 대한 연결이 더 간단한 IO-Link를 사용하는 방법을 보여줍니다(그림 3).

그림 3: 외부 확장 모듈(왼쪽 및 오른쪽)과 내부 확장 모듈(빨간색 상자 상단 중앙)의 조합은 S7-1200 PLC에 대한 확장 가능한 통신을 지원합니다. (이미지 출처: Siemens)

그림 3에서 ‘CM CP’는 클라우드 연결에 사용할 수 있는 6GK72427KX310XE0과 같은 GPRS 무선 통신 모듈입니다. 6ES72411CH301XB0과 같은 RS-485 통신 기판은 S7-1200 PLC(‘CPU’) 내부에 있으며 USS/Modbus RTU 인터페이스를 통해 모터 구동기(SINAMIC V20)와 통신하는 데 사용됩니다. 오른쪽의 ‘SM’은 6ES72784BD320XB0과 같은 IO-Link 마스터 통신 모듈로 구성됩니다. IO-Link 마스터는 왼쪽과 중앙에 있는 2개의 센서와 오른쪽의 IO-Link 허브에 연결됩니다. 허브는 추가 IO-Link 장치에 연결할 수 있습니다.

지속 가능한 에너지 관리

에너지 효율성 및 지속 가능성 개선은 스마트 에너지 관리에 달려 있으며 스마트 에너지 관리는 더 세분화되어 있는 실시간 에너지 소비 데이터에 따라 달라집니다. 운영 에너지 관리에 대한 ISO 50001 표준을 고려하는 것으로 점차 시작됩니다. 이는 에너지를 보다 효율적으로 사용하기 위한 정책, 대상 및 목표 개발을 포함하여 요구 사항의 프레임워크와 결과를 측정하기 위한 데이터 사용을 제공하는 기본 표준입니다. ISO 50001은 다음과 같은 추가 표준으로 지원합니다.

• ISO 50003은 에너지 관리 시스템(EnMS)의 효율성을 보장합니다. 여기에는 감사, 직원 역량 요구 사항 및 감사 기간과 여러 사이트 샘플링이 포함됩니다.
• ISO 50004는 조직이 에너지 관리와 에너지 성능을 지속적으로 개선하기 위해 체계적인 방법을 사용하도록 지원합니다.
• ISO 50006은 지속적인 성능 모니터링을 위한 에너지 성능 지표(EnPI)와 에너지 기준선(EnB)의 개발 및 유지 관리를 포함하여 ISO 50001 요구 사항을 충족하는 방법을 확장합니다.

ISO 50006의 EnPI와 EnB를 통해 에너지 성능을 효과적으로 측정하고 관리하여 에너지 효율을 최적화할 수 있습니다. 지속 가능성의 개선 외에도 향상된 에너지 관리로 인해 비용을 상당히 절감할 수 있습니다. 이 표준은 시작점(EnB)과 의미 있는 성능 지표(EnPI)를 정의하고 ‘통계적’ 모델과 ‘기술적’ 모델과 함께 ‘절대적’이고 ‘상대적인 에너지 성능 지표’인 4가지 지표 유형을 식별합니다.

Siemens의 S7-1200 컨트롤러는 이러한 ISO 표준 구현을 간소화할 수 있으며 매우 효과적인 에너지 관리 시스템을 지원할 수 있습니다. 자동화 시스템 설계자는 에너지 계측기 모듈을 추가하여 실시간으로 에너지 소비 데이터를 측정, 평가 및 표시할 수 있습니다. 그림 4는 다음과 같은 일반 응용 제품을 보여줍니다.

1. 모터는 에너지 소비에 대해 모니터링되는 일반적인 부하를 나타냅니다.
2. 변류기는 에너지 소비를 에너지 계측기 모듈을 위한 측정 가능한 양으로 변환합니다. 또한 이 계측기는 전압과 역률과 같은 기타 수많은 파라미터를 측정합니다.
3. S7-1200 컨트롤러의 소프트웨어는 측정을 평가하고 에너지 소비에 대한 통계를 데이터 로그에 저장합니다. 이는 PROFINET IE 버스를 사용하여 SCALANCE 산업용 라우터를 통해 PG/PC 및 HMI에 연결됩니다.
4. HMI는 측정된 값을 표시하고 운영자는 HMI를 사용하여 시간이 지남에 따라 전력 소비 피크와 같은 파라미터를 평가할 수 있습니다.
5. 또한 컨트롤러는 표준 웹 페이지 형태로 PG/PC에 데이터 로그를 전송할 수 있습니다.

그림 4: S7-1200 PLC로 쉽게 지원할 수 있는 일반적인 에너지 모니터링 응용 분야를 보여줍니다. (이미지 출처: Siemens)

에너지 계측기 모듈

SM 1238 에너지 계측기 모듈은 그림 4에 표시된 것과 같은 응용 분야에서 데이터 취득을 위해 사용될 수 있습니다(그림 5). 이는 최대 480VAC의 단상 및 3상 공급 시스템에서 사용될 수 있습니다. 이러한 모듈은 S7-1200 컨트롤러에 ISO 50001, ISO 50003, ISO 50004 및 ISO 50006 요구 사항을 준수하도록 지원하는 데 필요한 데이터를 제공할 수 있습니다. 다음을 포함하여 200개 이상의 전기 측정 및 에너지 값을 기록할 수 있습니다.

• 전류
• 전압
• 위상 각도
• 주파수
• 역률
• 전력 소비
• 최소값 및 최대값
• 영업 시간
• 에너지/전기 작업

그림 5: SM 1238은 단상 및 3상 전력 시스템을 위한 에너지 모니터링 모듈입니다. (이미지 출처: Siemens)

결론

지속 가능한 Industry 4.0 공장 네트워크 배포를 간소화하고 가속화하기 위해 자동화 시스템 설계자는 PLC의 S7-1200 제품군과 확장 모듈을 사용할 수 있습니다. 이러한 솔루션은 광범위한 보안 통신을 지원하고 통합 제어 기능과 디지털 및 아날로그 IO가 있으며 에너지 관리를 포함한 여러 응용 분야를 지원할 수 있도록 확장이 가능합니다.

추천 자료

1. IO-Link를 사용하여 스마트 공장의 생산성을 향상시키는 방법
2. 향상된 제품 안전, 규정 준수, 추적을 위해 트레이서빌리티 4.0 솔루션을 사용하는 방법
3. PLC 프로그래밍: Siemens 예를 통한 기계 요약