IO-Link에 대한 기본 사항과 IO-Link를 사용하여 산업용 IoT를 지원하는 방법

비용을 절감하고, 공정 및 안전을 개선하고, 장비 가용성과 최종 제품 품질을 향상시키는 사물 인터넷(IoT)과 산업용 사물 인터넷(IIoT)의 잠재성에 대한 제조업체와 시설 관리자의 인식이 높아지고 있습니다. 이러한 잠재성을 활용하려면 현장의 운영 엔지니어와 기술자가 수백 개의 지능형 센서 및 액추에이터를 효과적으로 구축하고 연결하여 원래 양방향 통신용으로 설계되지 않은 시스템 및 공정 소자 관련 데이터를 수집할 수 있어야 합니다.

동시에 현재의 연결된 장치 및 시스템 네트워크를 IIoT 네트워크로 효과적으로 통합하여 비용과 시스템 복잡성을 최소화하면서 전체적으로 허용되는 수준의 상호 운용성을 실현해야 합니다.

IO-Link(IEC 61131-9) 단일 드롭 디지털 통신 인터페이스 표준은 다양한 센서 및 액추에이터 연결 문제를 해결하기 위한 세계적인 시도입니다. 이론적으로는 간단하지만 상대적으로 새로운 표준이므로 대부분의 설계자가 이것이 무엇이고 어떻게 사용하는지를 잘 모른다는 문제점이 있습니다.

이 기사에서는 센서 네트워크를 적절하고 빠르게 구현하려고 하지만 이 표준에 대해 자세히 알지 못하는 운영 엔지니어 및 기술자에게 IO-Link를 소개합니다. 예를 들어, IO-Link 구현의 실용성과 관련한 논의를 시작하는 데 도움이 되도록 STMicroelectronics, Texas Instruments, Carlo Gavazzi, Phoenix Contact, Analog Devices, Omron와 같은 벤더들이 소개하는 적합한 IO-Link 시스템 부품을 소개합니다.

IO-Link란?

IO-Link는 센서 및 액추에이터 연결에 널리 활용되는 3선식 케이블을 사용하는 디지털 지점 간 유선(또는 무선) 직렬 통신 프로토콜입니다. 또한 표준 5선식 유선 인터페이스를 포함하여 추가적인 전력이 필요한 장치를 처리합니다. IO-Link는 IO-Link 컨소시엄에 의해 개발되고 2010년에 프로그래밍 가능 논리 컨트롤러(PLC)를 위한 IEC 61131-9 표준에 “소형 센서 및 액추에이터를 위한 SDCI(단일 드롭 디지털 통신 인터페이스)”로 통합되었습니다.

기존 I/O와 IO-Link의 주요 차이점은 IO-Link의 경우 네 가지 기본 클래스 데이터를 전송할 수 있다는 것입니다.

• 공정 데이터: 공정 데이터는 아날로그 값과 스위칭 상태를 포함하며 주기적(예: 통신 주기마다)으로 전송됩니다.
• 값 상태: 포트마다 값 상태가 있습니다(PortQualifier). 값 상태는 공정 데이터가 유효한지 여부를 나타냅니다. 값 상태를 공정 데이터와 함께 주기적으로 전송할 수 있습니다.
• 장치 데이터: 파라미터, 식별 데이터, 진단 정보 등입니다. IO-Link 마스터의 요청 시 비주기적으로 교환됩니다. 장치 데이터는 장치로 쓰고 읽을 수 있습니다.
• 이벤트: 이벤트는 비주기적이며 오류 메시지(예: 단락), 경고/유지 보수 데이터(예: 오염, 과열) 등이 해당될 수 있습니다.

장치 파라미터 또는 이벤트는 주기적으로 전송되는 공정 데이터와 독립적으로 전송됩니다. 이러한 전송은 상호 영향을 주거나 훼손하지 않습니다.

IO-Link는 특수 케이블 및 커넥터가 필요하지 않습니다. 대신 최대 길이 20m의 차폐되지 않은 표준 3컨덕터 케이블 또는 5컨덕터 케이블 사용을 지정합니다. M5, M8, M12 원형 커넥터는 표준 커넥터입니다.

3컨덕터 연결 유형(IO-Link 명명 규칙의 포트 클래스 A)의 경우 세 컨덕터는 각각 통신, 전자 장치에 대한 전력 공급, 일반 레퍼런스 전위에 사용됩니다. 이 연결은 200mA의 최대 전류 출력을 제공할 수 있습니다. 이 사양은 또한 4핀 커넥터를 요구하며, 네 번째 핀이 IEC 61131-2를 준수하는 추가 신호 회선으로 사용됩니다. 이는 마스터와 장치 모두에서 선택적으로 지원됩니다.

위에서 언급한 5컨덕터 연결은 포트 클래스 B라고 하며 전기적으로 분리된 독립 24V 공급 장치의 추가 전력이 필요한 장치(일반적으로 액추에이터)에 사용됩니다.

IO-Link의 특수 기능 중 하나로 필드 버스 중립이 있습니다. 따라서 IO-Link 기능을 거의 모든 필드 버스에 연결할 수 있습니다. 필드 버스의 표준화된 매핑(예: Profibus, Profinet, EtherCAT, Sercos) 또는 EtherNet/IP, CANopen, Modbus, CC-Link 및 AS-Interface의 제조업체별 매핑을 IO-Link에서 사용할 수 있습니다.

이 필드 버스 중립은 모든 IO-Link 장치가 필드 버스 또는 컨트롤러에 독립적인 IODD(IO Device Description)를 갖는다는 사실에 기반합니다. IODD는 제조업체, 모델 번호, 일련 번호, 장치 유형, 파라미터 정보와 같은 장치 관련 정보를 포함합니다.

IO-Link 시스템의 구성 요소

IO-Link 시스템은 IO-Link 마스터와 IO-Link 장치(예: 센서, 액추에이터)로 구성됩니다(그림 1). 모든 IO-Link 장치는 IO-Link 마스터에 연결됩니다.

그림 1: IO-Link 시스템은 컨트롤러(검은색 윤곽선) 하나와 IO-Link 마스터 하나 이상으로 구성되며, IO-Link 마스터는 간단한 표준 3선식 또는 5선식 케이블 연결을 통해 IO-Link 장치(예: 센서, 액추에이터)에 연결됩니다. (이미지 출처: IO-Link Community)

IO-Link 시스템의 컨트롤러는 통신 마스터와 CPU로 구성됩니다. 컨트롤러는 사용자 프로그램을 실행하고 IO-Link 마스터와 I/O를 교환합니다.

IO-Link 마스터 장치는 필드 버스(예: EtherCAT, Profibus 또는 Omron NX 버스)를 통해 컨트롤러에 슬레이브로 연결됩니다(그림 2). 이 장치는 IO-Link 장치와 IO-Link 통신을 수행합니다.

그림 2: IO-Link 마스터 장치에는 여러 IO-Link 센서 및 액추에이터에 1:1로 연결할 수 있는 여러 포트가 있습니다. (이미지 출처: IO-Link Community)

이벤트가 발생할 경우 장치에서 이벤트 발생 신호를 마스터에 보냅니다. 그러면 마스터가 이벤트를 읽습니다. IO-Link 마스터를 통해 장치에서 컨트롤러 또는 인간 기계 간 인터페이스(HMI)로 오류 메시지를 전송합니다. IO-Link 마스터에서 이벤트와 상태를 직접 전송할 수도 있습니다. 그런 이벤트의 예로는 단선 또는 통신 오류가 있습니다.

IO-Link 마스터의 각 포트에서 이진 스위칭 신호와 아날로그 값(예: 8비트, 12비트, 16비트)을 모두 처리할 수 있습니다. 직렬 IO-Link 통신은 동일한 포트를 통해 수행됩니다. 쉬운 배선 이외에 자동화된 파라미터 설정, 포괄적인 진단 기능 등에도 IO-Link를 활용할 수 있습니다.

IO-Link 표준을 활용하면 주기당 2바이트의 공정 데이터를 사용할 수 있습니다. IO-Link 마스터와 장치 간 전송은 230kbaud 속도에서 400μs 걸립니다. 또한 사용자가 데이터 프레임 크기를 제어할 수 있으므로, 최대 32바이트의 더 긴 공정 데이터 길이를 더 짧은 주기 시간에 전송할 수 있습니다.

장치를 교체할 때 장치의 파라미터 데이터가 손실되지 않도록 데이터를 IO-Link 마스터에 직접 자동으로 저장할 수 있습니다. 동종의 새로운 대체 장치를 연결할 경우 이전 장치의 파라미터가 새 장치에 자동으로 전송됩니다.

마스터 기능의 좋은 예는 STMicroelectronics의 STEVAL-IFP016V2 IO-Link 통신 마스터 트랜시버 데모 기판에서 제공됩니다(그림 3). 이 기판에는 여러 I/O 장치에 대한 통신 트랜시버 역할을 하는 STMicroelectronics L6360 IO-Link 마스터 포트가 있습니다. 이 포트는 IO-Link 마스터 포트 모드 및 표준 I/O 모드와 모두 호환됩니다. 이 기판은 외부 마이크로 컨트롤러에 연결되며 여러 I/O에 대한 통신 트랜시버 역할을 하는 L6360 모놀리식 IO-Link 마스터의 기능을 보여줍니다.

그림 3: L6360 IO-Link 마스터 포트(가운데)가 실장된 STEVAL-IFP016V2 데모 기판은 여러 I/O에 대한 통신 트랜시버 역할을 하는 L6360 모놀리식 IO-Link 마스터의 기능을 보여줍니다. (이미지 출처: STMicroelectronics)

유용한 정보: 시스템 아키텍처에 통합될 수 있도록 항상 데모 기판 제조업체에 기판에 대한 거버 파일을 요청하십시오.

다른 예로는 LTC2874 쿼드 IO-Link 마스터, 핫스왑 컨트롤러 및 물리층 인터페이스(PHY)를 보여주는 Analog Devices의 DC1880A 데모 기판이 있습니다. 특수한 경우에 고전류 직렬 입/출력(SIO) 장치에 전력을 공급하도록 LTC2874를 구성할 수도 있습니다(그림 4).¹

그림 4: DC1880A는 IO-Link 마스터용 LTC2874 쿼드 핫스왑 컨트롤러 및 PHY를 위한 데모 기판입니다. (이미지 출처: Analog Devices)

이 기판은 외부 공급 장치로 작동되며 DC590B USB 직렬 컨트롤러 기판을 사용하여 SPI 프로토콜을 통해 LTC2874와 통신합니다(그림 5). DC2026C Linduino One isolated Arduino 호환 데모 기판은 IO-Link 시스템의 지원 소프트웨어 부분을 완성합니다.

그림 5: DC1880A 데모 기판을 시작하려면 연결된 평가 소프트웨어를 다운로드하고, DC590B 기판을 PC에 연결하고, DC1880A 기판을 DC590B 기판에 연결합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

DC1880A 데모 기판을 시작하려면 QuickEval 소프트웨어를 다운로드하고, 표준 USB A/B 케이블을 사용하여 DC590B 기판을 PC에 연결하고, DC590B 기판과 함께 제공되는 14컨덕터 리본 케이블을 사용하여 DC1880A 기판을 DC590B 기판에 연결합니다. DC1880A 기판의 점퍼는 DC590 기판과 DC1880A 기판의 논리 공급 장치(VL) 전압 핀에 공급할 다양한 전압을 설정하는 데 사용됩니다. 전력 공급은 단계적으로 수행되어야 합니다. 입력 전력을 연결하기 전에 전력이 40V 미만이고 공급 장치가 꺼져 있는지 확인하십시오.

IO-Link 전력 공급 작동

IO-Link 마스터(예: LTC2874)에 전력이 공급되면 연결된 각 장치를 조사하여 작동 모드가 장치에 적절한지 확인합니다. 따라서 기존 장치와 IO-Link 지원 장치를 동일한 시스템에서 함께 원활하게 작동할 수 있습니다. 예를 들어, LTC2874의 포트는 L+ 핫스왑을 지원하는 표준 I/O(SIO) 포트(포트 4) 하나와 고전류(SIO+) 포트 세 개로 설정됩니다(그림 6).

그림 6: LTC2874 쿼드 IO-Link 마스터는 고전류 SIO 포트(SIO+) 세 개와 L+ 핫스왑을 지원하는 공칭 SIO 전류 포트 하나(포트 4)로 구성됩니다. (이미지 출처: Analog Devices)

핫스왑 채널을 고전류 SIO 구동기로 용도 변경하여 SIO+ 모드에서 LTC2874를 작동하기 위한 매우 높은 전류를 얻을 수 있습니다. LTC2874는 110mA의 정격 통신 또는 신호(CQ) 전류를 공급합니다. SIO 채널을 병렬로 연결하여 최대 440mA의 더 높은 전류를 얻을 수 있습니다. 이는 IO-Link의 최대 전류 출력 사양인 200mA를 초과합니다. 설계자가 200mA를 초과하도록 선택하는 경우 LTC2874의 IO-Link 특징과 기능은 유지되지만 표준 요구 사항에 위반됩니다.

산업용 지점 간 통신용 IO-Link 인터페이스의 경우 설계자는 Texas Instruments의 SN65HVD101 및 SN65HVD102 트랜시버용 SN65HVD101EVM IO-Link 인터페이스 평가 기판을 통해 장치 성능을 평가하여 두 IO-Link PHY 장치의 빠른 개발 및 분석을 지원할 수 있습니다.

SN65HVD101 및 SN65HV2102 IO-Link PHY는 산업용 지점 간 통신을 위한 IO-Link 인터페이스를 구현합니다. 장치를 IO-Link 마스터에 연결할 경우 장치는 마스터에서 시작된 통신에 응답합니다. 이 PHY 장치는 마스터 노드와 데이터를 교환하여 양방향 통신을 위한 완전한 물리층 역할을 합니다.

배포 가능한 완전 패키지 IO-Link 마스터로는 Phoenix Contact의 DIN 레일 실장 1072839 IOL MA8 EIP DI8 8채널 IO-Link 마스터가 있습니다(그림 7).

그림 7: Phoenix Contact의 1072839 8채널 IO-Link 마스터는 DIN 레일에 실장되며 EtherNet/IP 및 Modbus TCP 게이트웨이에 대한 IO-Link를 구축합니다. (이미지 출처: Phoenix Contact)

IOL MA8 EIP DI8은 EtherNet/IP 및 Modbus TCP 게이트웨이에 대한 완벽한 IO-Link를 구축하며 웹 기반 관리를 통해 최대 8개의 IO-Link 센서를 연결할 수 있습니다(그림 8). 이는 두 개의 스위치 분류 이더넷 포트, 상태 LED 및 전력 및 간편한 IO-Link 포트용 커넥터를 포함합니다.

그림 8: IO-Link 마스터에 대한 웹 인터페이스는 모든 연결된 IO-Link 장치를 전체적으로 제어하고 진단합니다. (이미지 출처: Phoenix Contact)

모든 IO-Link 장치에 대한 모든 권한이 웹 인터페이스를 통해 제공됩니다. 예를 들어, 웹 인터페이스에 대한 진단 페이지에 액세스하려면 IOL MA8 EIP DI8에 로그인하고 “진단” 탭을 클릭하고 원하는 하위 탭을 클릭해야 합니다. 그림 8에 표시된 “IO-Link 진단” 페이지를 보려면 “IO-Link” 하위 탭을 클릭하면 됩니다.

IO-Link 센서

설계자는 IO-Link를 사용하여 센서의 데이터를 제어 시스템에 직접 효과적으로 전달할 수 있습니다. 유연한 IO-Link 지원 센서를 활용하면 컨트롤러에 진단 정보를 제공하여 기계를 보다 효과적으로 작동할 수 있습니다. 기본 감지 기능(예: 컨베이어 벨트의 항목 감지) 외에도 올바른 센서를 전략적으로 배치하여 세부적이고 정확한 기계 상태를 제공할 수 있습니다. 이 기능은 IIoT에서 장애가 발생하기 전에 미리 예측하여 장비 가동 시간과 전체 생산성을 개선하는 데 사용됩니다.

IO-Link용 센서 옵션은 다양합니다. 예를 들어, Carlo Gavazzi는 매우 견고한 정전 용량 방식 근접 센서인 CA18CAN12BPA2IO를 제공합니다. 이 센서는 10ms 미만의 응답 시간을 자랑하며 Carlo Gavazzi의 4세대 Tripleshield^TM 기술을 사용하여 전자파 장해(EMI), 특히 주파수 드라이브에 대한 향상된 내성을 제공하고 습도 및 먼지에 대한 내성을 개선합니다(그림 9).

그림 9: Carlo Gavazzi의 CA18CAN12BPA2IO 정전 용량 방식 근접 센서는 EMI, 특히 주파수 드라이브와 습도 및 먼지에 대한 향상된 내성을 제공하는 차세대 CA18CA 계열 IO 센서입니다. (이미지 출처: Carlo Gavazzi)

이 센서는 고압, 고온 세척 응용 분야에 대한 DIN 40050-9 표준에 따라 IP69K 테스트를 통과했습니다. 또한 2m 케이블을 제공하고 2mm ~ 10mm(같은 높이로 실장) 또는 3mm ~ 15mm(다른 높이) 감지 범위를 지원합니다.

IO-Link 인터페이스를 통해 조정 가능한 파라미터는 다음과 같습니다.

• 감지 거리 및 히스테리시스
• 감지 모드: 단일점, 2점 또는 창 모드
• 타이머 기능: 온 지연, 오프 지연, 원샷 전연 또는 후연
• 논리 함수: AND, OR, X-OR, SR-FF
• 외부 입력
• 로깅 기능: 최고 온도, 최저 온도, 작동 시간, 작동 주기, 전력 주기, 최대 온도 초과 시간(분), 최대 온도 미만 시간(분) 등

모든 IO-Link 센서와 마찬가지로 이러한 센서는 IO-Link 지원 제어 시스템에 연결되지 않은 경우 표준 센서처럼 작동한다는 점에 주목할 필요가 있습니다. 따라서 사용자는 표준 I/O 응용 분야와 IO-Link 응용 분야에 동일한 센서를 준비하여 선택 공정을 간소화하고 재고 비용을 절감할 수 있습니다.

PC 또는 랩톱을 사용할 수 없는 경우 Carlo Gavazzi SCTL55 IO-Link 스마트 구성기는 센서 파라미터를 수정 및 최적화하고 사용 가능한 데이터를 활용하여 공정을 개선하고 예측 유지 보수를 지원하는 휴대용 자가 전력 구동 장치입니다(그림 10).

그림 10: Carlo Gavazzi IO-Link 센서용 스마트 구성기는 센서 데이터에 액세스하고 파라미터를 관리할 수 있습니다. (이미지 출처: Carlo Gavazzi)

스마트 구성기 사용자는 5.5인치 고화질 터치 스크린 디스플레이 및 전용 앱을 통해 고급 진단에 액세스하여 문제를 해결하고, 작동 시간, 탐지 횟수, 작동 주기 및 경보를 확인할 수 있습니다.

IO-Link로 기존 자동 프로덕션 시스템 업그레이드

IO-Link 표준에서는 해당 버스 시스템에 대한 IO-Link 시스템 맵이 이미 구현되어 있는 경우에 한해 기존 시스템을 기존 필드 버스 구조로 업그레이드할 수 있다고 규정합니다. 기존 버스 시스템은 확장이 가능합니다. IO‐Link 장치와 PLC 간에 데이터를 교환하기 위해 IO‐Link 마스터가 IO‐Link 데이터를 사용된 필드 버스에 매핑합니다.

표준 PNP 출력 또는 푸시풀 출력을 지원하는 경우 비 IO-Link 지원 센서를 IO-Link 마스터에 연결할 수 있습니다. 특수 IO-Link 케이블 또는 커넥터가 필요하지 않습니다.

결론

IIoT를 빠르게 채택하는 설계자는 지능형 센서와 액추에이터를 배포하고 연결할 수 있는 빠르고 표준화된 수단이 필요합니다. IO-Link는 간편한 디지털 인터페이스를 통해 이러한 표준화를 제공합니다.

그림과 같이 설계자가 IO-Link 장치를 빠르게 이해 및 평가하고 효과적으로 배포할 수 있도록 도와주는 다양한 기성 솔루션이 있습니다. 그러면 IIoT의 향상된 공정, 효과적인 프로덕션, 향상된 안전, 다운타임 감소 약속을 이행할 수 있습니다.

참고 자료

1. Quad IO-Link master with higher current SIO channels ADI Power by Linear, Design Note 566, Eric Benedict - November 29, 2017