포괄적 PLC 참조 설계를 사용하여 산업 IoT 응용 제품의 개발 가속화

산업용 사물 인터넷(IIoT) 응용 제품은 복잡한 산업 시스템의 효율성 향상을 보장합니다. IIoT 응용 제품은 차세대 마이크로 컨트롤러 기반 프로그래밍 가능 논리 컨트롤러(PLC)로 실현되는데, 이로 인해 개발자에게는 장치를 공장 장비에 맞게 콤팩트하게 만들면서 동시에 이러한 시스템에 필요한 광범위한 산업 인터페이스를 지원해야 하는 과제가 생겼습니다.

이 과제는 더 정교한 IIoT 응용 제품의 제작이라는 궁극적 목표에 큰 걸림돌이 됩니다. 하지만 맞춤형 PLC IO에 대한 모듈식 접근법이 개발자가 필요로 하는 솔루션이 될 수 있습니다.

이 기사에서는 IIoT를 위한 정교한 IO 설계에 관련된 과제에 대해 논의합니다. 그런 다음 모듈식 시스템 솔루션인 Maxim Integrated의 솔루션을 소개한 후 이를 기성 솔루션 또는 현대식 맞춤형 IIoT 응용 제품의 참조 설계로 사용하는 방법을 설명합니다.

IIoT에서 증가하는 PLC의 역할

공장 자동화 시스템에서 조정자 역할을 하는 PLC는 수년 동안 센서, 액추에이터 및 기타 장비를 호스트 시스템에 연결하는 데 필요한 여러 인터페이스를 제공해 왔습니다. IIoT 응용 제품에 서비스를 제공할 때 PLC 시스템은 훨씬 더 많은 장치와 로컬 처리 기능을 지원하는 동시에, 개별 기계에 장착하거나 작업 셀 또는 하위 조립 라인에서 방해가 되지 않도록 작은 크기를 유지해야 합니다. 개발자가 산업 환경에 필요한 여러 인터페이스와 관련된 상세 사항을 설계할 때 이러한 사항이 문제가 될 수 있습니다.

많은 경우 이는 개발자의 시간을 비효율적으로 만들며 스마트 공장, 적응형 제조, 예측 유지 보수 및 인공 지능 방법을 기반으로 하는 기타 새로운 기능을 위한 고수준 솔루션에 시간을 투자하는 것이 좋습니다. 센서 및 액추에이터에 대한 유연한 모듈식 인터페이스 접근법을 사용하면 개발 시간이 단축되지만, 해당 인터페이스 솔루션은 열악한 산업 환경을 견딜 수 있도록 견고해야 합니다.

산업 인터페이스

일반적인 산업 환경에는 주변 장치와 호스트 시스템 간의 디지털 및 아날로그 신호 모두를 위한 다양한 인터페이스 혼합이 필요합니다. 이 중에서 IO-Link 산업 표준은 호환되는 말단 장치와 레거시 센서 및 액추에이터를 연결하는 효과적인 접근법으로 등장했습니다.

표준 지점 간 IO-Link 연결에서 개발자는 PLC의 IO-Link 마스터를 사용하여 표준 M12 커넥터로 종단된 저가형 3선 또는 4선 비차폐 케이블을 통해 IO-Link 트랜시버로 연결합니다. IO-Link는 전기 인터페이스 및 기능 프로토콜을 통해 열악하고 전기 잡음이 심한 산업 환경에서도 안정적인 통신을 보장합니다. Maxim Integrated의 MAX14819와 같은 IO-Link 마스터 장치는 IO-Link 전기 인터페이스 및 프로토콜 구현의 복잡성을 숨겨 줍니다. 전기 인터페이스의 경우 MAX14819에는 정격 L+와 L- 전원 및 IO-Link 표준에 필요한 C/Q 데이터 신호를 생성하는 데 필요한 회로가 통합되어 있습니다. 통신 프로토콜의 경우 장치에는 IO-Link 메시징 방법의 기초가 되는 IO-Link 프레이머, UART 및 FIFO가 통합되어 있습니다( “IO-Link 트랜시버를 사용하여 전력 감소, 성능 향상, 개발 간소화 실현” 참조).

센서 또는 액추에이터를 PLC의 IO-Link 마스터에 연결하려면 개발자는 호환되는 IO-Link 장치를 찾거나 Maxim의 MAX14827A 트랜시버를 사용해 손쉽게 직접 만들 수 있습니다(그림 1).

그림 1: 개발자는 주변 장치 센서의 Maxim Integrated MAX14827A IO-Link 트랜시버를 PLC 또는 기타 호스트 시스템의 Maxim MAX14819 IO-Link 마스터와 페어링하여 IO-Link 지점 간 통신 링크를 빠르게 구현할 수 있습니다. (이미지 출처: Maxim Integrated)

IO-Link가 최신 산업 환경에 자리를 잡았지만 다른 표준 인터페이스도 계속해서 레거시 및 최근 환경 모두에서 적용되고 있습니다. 그 중에서 RS-485는 가장 널리 사용되는 직렬 인터페이스 표준 중 하나로 남아 있습니다. RS-232 또는 RS-422와 같은 이전 직렬 인터페이스에 대한 더 견고한 대안으로 설계된 RS-485는 24AWG 연선을 통한 양방향 통신에 사용되는 표준 전기 인터페이스입니다. 이 인터페이스의 공통 모드 성능 특성은 잡음이 심한 환경에서도 확장된 케이블 길이에 걸쳐 안정적으로 작동해야 하는 요구 사항을 충족하는 데 중요한 역할을 합니다. 이에 따라 여러 공장 네트워크의 기초를 제공하고 프로피 버스 및 필드 버스의 물리층(PHY) 역할을 합니다.

IO-Link와 마찬가지로 엔지니어는 RS-485 통신의 구현을 단순화하도록 설계된 통합 장치를 손쉽게 찾을 수 있습니다. 산업 응용 분야를 위해 특별히 개발된 Maxim Integrated의 MAXM22511 RS-485 트랜시버는 이 인터페이스의 구현을 단순화할 뿐만 아니라 열악한 환경에서 무결성을 보호해 줍니다. 개발자는 MAXM22511의 케이블 측을 연선에 연결하고 MAXM22511의 UART 측을 마이크로 컨트롤러 또는 다른 디지털 장치에 간단히 연결하여 추가 부품 없이 전기적으로 분리된 RS-485 인터페이스를 구현할 수 있습니다(그림 2). 장치 내에 통합된 고전압 커패시터가 데이터 채널을 격리하며, 장치의 DC-DC 조정기에 내장된 변압기가 온칩 저드롭아웃(LDO) 조정기를 통해 케이블 측에 분리된 전원을 제공합니다.

그림 2: Maxim Integrated의 MAXM22511 트랜시버는 케이블 측에서 전기적 이벤트로부터 내장된 분리 보호를 제공하는 동시에 산업 RS-485 인터페이스의 구현을 간소화합니다. (이미지 출처: Maxim Integrated)

실제로 일반적인 산업 자동화 시스템에는 IO-Link 및 RS-485 인터페이스 지원이 필요할 가능성이 높습니다. 입력 측에서 이러한 시스템은 일반적으로 IEC 61131-2 및 다음 3가지 입력 유형 모두를 준수하는 디지털 입력 장치를 지원해야 합니다. 3가지 입력 유형은 기계식 스위칭 접점을 가진 이전 3선 센서를 위한 Type 1, 반도체 인터페이스를 가진 2선 센서를 위한 Type 2, 최신 2선 또는 3선 저전력 센서를 위한 Type 3입니다.

여기서 개발자는 전류 설정 저항기를 추가하기만 하면 Type 1, 2 또는 3으로 구성 가능한 IEC 61131-2 준수 입력 채널 8개를 제공하는 Maxim의 MAX22192로 전환할 수 있습니다.

출력 측에서는 이러한 시스템 대다수가 액추에이터 또는 기타 장비의 정밀 제어에 필요한 고속 스위칭을 지원할 수 있는 디지털 제어 구동기에 의존합니다. 엔지니어는 하이사이드 스위치 또는 구동기로 구성할 수 있는 8개 채널을 제공하는 Maxim Integrated의 MAX14912와 같은 장치를 사용할 수 있습니다.

DC 모터의 직접 제어와 같은 더 특수한 출력 요구 사항의 경우 개발자는 부품 수 및 설계 복잡성을 줄이도록 설계된 완전 통합식 모터 제어기 솔루션을 제공하는 Maxim의 MAX14870으로 전환할 수 있습니다. 펄스 폭 변조(PWM) 신호 및 방향(DIR) 제어 신호에 반응하여, 장치의 통합 구동기가 최소한의 부품 추가를 통해 최대 36V에서 DC 브러시 모터 및 계전기를 직접 구동합니다(그림 3). 설계자는 MAX14870의 출력 기능을 Maxim의 MAX14890E 인코더 수신기와 결합하여 정밀한 동작 제어 하위 시스템을 구현할 수 있습니다.

그림 3: Maxim Integrated의 MAX14870에는 구동기와 스위치가 통합되어 있으므로 개발자가 적은 수의 추가 부품으로 PWM 제어 모터 하위 시스템을 구현할 수 있습니다. (이미지 출처: Maxim Integrated)

차세대 PLC 설계

특수 IC의 다양한 어레이가 출시됨에 따라 산업 시스템에 필요한 다양한 인터페이스를 구현하는 데 수반되는 여러 저수준 설계 과제가 해결되었습니다. 하지만 자체 설계 요구 사항이 있는 수많은 필수 인터페이스 장치로 인해, 엔지니어는 여전히 마이크로 컨트롤러가 포함된 여러 인터페이스 장치를 가능한 작은 설계 실장 면적에 결합해야 하는 과제를 해결해야 합니다. Maxim Integrated의 MAXREFDES212 Go-IO PLC 시스템은 정교한 IIoT 응용 제품의 기초를 구축하고자 하는 개발자에게서 이러한 장애물을 없애 줍니다.

Maxim Integrated의 MAXREFDES212 Go-IO PLC 시스템은 차세대 PLC의 다양한 요구 사항을 충족하도록 설계된 작은 기판 몇 개로 구성된 모듈식 시스템입니다. 설계자는 응용 프로세서 기판(MAXREFDES211), IO-Link 공장 자동화 기판(MAXREFDES200), 동작 제어 기판(MAXREFDES201)을 IO 단자대와 별도의 IO-Link 호환 M12 커넥터를 제공하는 기본 기판(MAXREFDES215)에 연결합니다(그림 4). Maxim은 4개 기판에 대해 지정된 MAXREFDESxxx 명칭을 제공하지만, 이러한 기판은 MAXREFDES212 Go-IO PLC 시스템의 일부로만 사용할 수 있다는 점에 유의하십시오. Go-IO 시스템에 함께 연결된 기판은 3제곱인치 이하의 콤팩트한 마이크로 컨트롤러 기반 PLC를 제공하고 IO-Link, RS-485, IEC 61131-2 준수 디지털 입력, 출력 및 모터 제어기를 비롯한 전체 범위의 인터페이스를 지원하는 20개 이상의 IO를 제공합니다. 개발자는 즉시 Go-IO PLC를 사용하여 기존 산업 시스템을 보완하거나 맞춤형 PLC의 참조 설계로 사용할 수 있습니다.

그림 4: Maxim Integrated의 GO-IO PLC 모듈식 설계를 사용하면 개발자는 Arm 마이크로 컨트롤러 기반 응용 프로세서 기판(MAXREFDES211), 공장 자동화 기판(MAXREFDES200) 및 동작 제어 기판(MAXREFDES201)을 비롯한 각 기판을 기본 기판(MAXREFDES215)에 연결하여 PLC를 구성할 수 있습니다. (이미지 출처: Maxim Integrated)

캐리어 기판은 PLC의 물리적 프레임워크라는 역할 이외에도 표준 24V 벽 어댑터 또는 캐리어 기판의 나사 단자에 부착된 별도의 고전류 소스로부터 공급된 정격 전압을 애드온 기판에 제공합니다. 여기서 기판 설계에는 Maxim의 MAX17681 DC-DC 컨버터, 인덕터 및 MAX17608 전류 보호 IC가 통합되어 있어 다른 기판에 분리된 전력을 제공합니다(그림 5). 추가적인 MAX17608 장치는 개별 기판에서 사용 가능한 추가적인 24V 공급에 대한 보호를 제공합니다.

그림 5: Maxim의 Go-IO 캐리어 기판은 PLC 설계에 대한 이 모듈식 접근법에 포함된 다른 기판을 위한 전력과 커넥터를 제공합니다. (이미지 출처: Maxim Integrated)

캐리어 기판의 베이스에 연결하도록 설계된 응용 프로세서 기판은 Maxim의 MAX32630 마이크로 컨트롤러를 포함하며 조립된 PLC용 코드의 개발 및 실행을 위한 기능을 지원합니다(그림 6). FPU CPU를 갖춘 Arm^® Cortex^®-M4를 기반으로 하는 MAX32630은 새롭게 부상 중인 IIoT PLC에 필요한 저전력, 보안 및 프로세서 성능의 조합을 제공합니다. 캐리어 기판에서 전력을 공급받는 응용 프로세서 기판은 MAX17502 DC-DC 컨버터를 사용하여 24V 소스를 3.3V로 감압하여 MAX1806 선형 조정기 두 개에 공급하고, 이 조정기는 MAX32630에 필요한 1.8V 및 1.2V를 공급합니다.

그림 6: Maxim의 Go-IO 응용 프로세서 기판은 애드온 기판의 기능을 조율하는 Maxim의 MAX32630 마이크로 컨트롤러를 호스트하며, 이 모듈식 시스템에 사용되는 여러 기판을 상호 연결하는 데 사용되는 80접점 커넥터를 통해 공유된 SPI 버스로 통신합니다. (이미지 출처: Maxim Integrated)

개발 시스템과 연결하기 위한 USB 커넥터와 함께 기판은 1접점, I²C, UART 및 SPI 연결을 지원합니다. 실제로, 응용 프로세서 기판은 모듈식 Go-IO 시스템 전체에서 사용될 여러 SPI 버스를 제공합니다. SPI 버스 두 개(APP_SP1 및 APP_SP2)가 80접점 커넥터에 연결되어 다른 플러그인 기판에 사용됩니다. 아래 설명처럼 APP_SP2는 시스템 보호에서 특히 중요한 역할을 합니다.

마지막 SPI 버스 두 개는 여기에 언급된 대로 사용되지 않습니다. SD_SPI 버스는 SD 카드 연결용으로 남겨두고 WIFI_SPI 버스는 Wi-Fi 모듈용으로 남겨두었습니다. 현재는 지원되지 않지만 설계 하드웨어 사양에는 전력 증폭기(PA), 저잡음 증폭기(LNA), 스위치 및 트레이스 안테나가 포함된 완전한 Wi-Fi 서브 시스템을 제공하는 Microchip Technology의 ATWINC1510-MR210PB1952 Wi-Fi 모듈이 포함되어 있습니다.

응용 프로세서 기판은 제어되는 디지털 도메인 내에서만 작동하지만, 산업 인터페이스는 항상 케이블 단락이나 정전기 방출로 인한 갑작스러운 고전압에 쉽게 노출됩니다. 소스가 무엇이든지 간에 좁은 전압 레일 내에서 작동하도록 설계된 디지털 전자 부품이 이러한 상황으로 인해 파손되거나 그 성능이 저하될 수 있습니다. 앞서 언급한 것처럼 Maxim Integrated의 MAXM22511 RS-485 트랜시버 IC와 같은 인터페이스 장치에는 디지털 회로를 케이블 측의 영향으로부터 보호하도록 설계된 분리 기능이 내장되어 있습니다. 하지만 기판 수준에서는 엔지니어가 전체 설계에 분리 기능을 내장해야 합니다. Go-IO PLC 시스템 참조 설계는 분리에 대한 시스템 수준 접근법을 보여 줍니다.

APP_SPI2 버스 연결을 보호하도록 설계된 MAXREFDES212 키트 및 참조 설계는 나머지 두 애드온 기판인 공장 자동화 및 동작 제어 기판 모두에 공통된 분리 접근법을 사용합니다. 이 방법에서는 여러 디지털 분리 장치가 APP_SPI2 SPI 버스 및 80접점 커넥터에서 운반되는 다른 신호 라인을 보호합니다. 이 커넥터는 애드온 기판의 장치를 응용 프로세서 기판의 MAX32630 마이크로 컨트롤러에 연결합니다.

여기서 Go-IO 설계는 MAX22192에 내장된 분리형 SPI 인터페이스의 이점을 활용하여 각 애드온 기판에 내장된 Maxim의 MAX3108 UART를 비롯한 다른 애드온 기판 장치에 보호된 기판 측 SPI 버스를 제공합니다. 또한 Go-IO 설계에는 SPI 트랜잭션에 최적화된 분리형 채널 6개를 제공하는 Maxim의 MAX14483 IC도 통합되어 있습니다. 마지막으로, 이 설계에는 추가적인 SPI 연결 및 특정 신호 라인에 보호를 제공하도록 구성된 몇 가지 Maxim의 MAX14130 4채널 디지털 절연기를 사용합니다.

MAX14483 및 MAX14130 디지털 절연기의 구성은 두 애드온 기판에서 약간 다르지만, 두 기판 모두 위에서 설명한 공장 자동화 기판의 설계에서 볼 수 있는 일반적인 아키텍처를 공유합니다(그림 7). 두 기판은 유사한 절연 접근법과 함께 Maxim의 MAX22192가 제공하는 IEC 61131-2 준수 입력과 MAX3108 및 MAXM22511을 통해 제공되는 보호형 RS-485 인터페이스에 액세스할 수 있습니다.

그림 7: Maxim의 Go-IO 공장 자동화 기판은 마이크로 컨트롤러와 특수 인터페이스 장치 간에 절연된 연결을 제공함으로써 개발자에게 디지털 입력, 디지털 출력, RS-485 및 IO-Link를 포함한 여러 산업 인터페이스 지원을 제공합니다. (이미지 출처: Maxim Integrated)

두 애드온 기판 간의 주된 차이점은 한 기판이 지원하는 공장 자동화 인터페이스와 다른 기판이 지원하는 동작 제어 기능을 지원하는 데 사용되는 장치의 구성에 있습니다. 공장 자동화 기판(MAXREFDES200)에서는 보호된 SPI 버스와 신호 라인이 고속 출력 구동기 및 IO-Link 서브 시스템에 연결됩니다. 여기서 기판 설계는 앞서 언급한 Maxim의 MAX14912 고속 스위치/구동기를 사용하여 디지털 출력 제어를 제공합니다. IO-Link 서브 시스템의 경우 기판 설계에 Maxim의 MAX14819 IO-Link 마스터 트랜시버 쌍이 사전 로드된 IO-Link 프로토콜 스택을 실행하는 STMicroelectronics의 STM32F412 마이크로 컨트롤러와 결합됩니다.

정격 출력의 경우 각 기판에 Maxim의 MAXM15462 DC-DC 컨버터 쌍이 통합되어 캐리어 기판의 24V 공급을 3V3_DIO, 3V3_MCU 및 5V0_DIO의 각 기판에 필요한 공급 수준으로 감압합니다. 또한 MAX22192의 통합 LDO는 24V 공급을 보호형 도메인에서 MAX14130 디지털 절연기 IC가 사용하는 3.3V VDD_IO 공급으로 변환합니다.

동작 제어 기판(MAXREFDES201)의 경우 설계에는 디지털 절연 장치가 MAX14870 모터 구동기 및 MA14890 인코더 세트와 결합됩니다(그림 8). 앞서 언급한 것처럼 MAX14870과 MA14890의 조합은 개발자에게 모터, 계전기 및 기타 장치로 구성된 정밀한 제어 시스템을 구현하는 데 필요한 핵심 기능을 제공합니다.

그림 8: 공장 자동화 기판에 사용된 것과 비슷한 보호 스키마를 통합한 Go-IO 동작 제어 기판은 개발자에게 모터, 릴레이 및 기타 산업 서브 시스템을 위한 고급 제어 기능을 구현하는 데 필요한 구동기 출력 및 인코더 입력을 제공합니다. (이미지 출처: Maxim Integrated)

엔지니어의 Go-IO PLC 시스템용 소프트웨어 개발을 가속화하기 위해 Maxim은 드라이버와 기본 테스트 루틴이 포함된 기본 소프트웨어 패키지를 제공합니다. 기본 프레임워크는 Maxim의 MAX32630 마이크로 컨트롤러에 펌웨어로 사전 로드되지만, 개발자는 시스템의 애플리케이션 프로그래밍 인터페이스를 통해 개별 장치와 상호 작용하기 위한 기본 설계 패턴을 보여 주는 샘플 소프트웨어를 참조할 수 있습니다(목록 1) 산업 IO 인터페이스에 초점을 맞춘 GO-IO PLC 시스템 하드웨어 참조 설계 및 부속 소프트웨어는 고급 산업 자동화 시스템을 구현하는 데 필요한 중요한 기반을 제공합니다.

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* ************************************************************************* */
int TEST_MAX22192_run_tests(void){
    int error;
    di_channel_t di_ch;
    
    TEST_print_line(0, 0, 0);
    TEST_print_header("MAX22192 Tests", 0);
    TEST_print_header("HW", 0);
    
    //Read input for channel 1
    di_ch = DI1;
    error = MAX22192_read_input(di_ch);
                printf("Test- MAX22192_read_input(%d): %d", di_ch, error);
    TEST_print_pass(error == 1, 1);
    . . . 
 
/* ************************************************************************* */
int TEST_MAX14912_run_tests(void){
    int error;
    int counter;
    do_channel_t do_ch;
    do_mode_t do_mode;
    uint8_t do_value;
    
    TEST_print_line(0, 0, 0);
    TEST_print_header("MAX14912 Tests", 0);
    TEST_print_header("HW", 0);
    
    //Write mode for channel 1
    do_ch = DO1;
    do_mode = DO_MODE_HS;
    error = MAX14912_write_mode(do_ch, do_mode);
                printf("Test- MAX14912_write_mode(%d, %d): %d", do_ch, do_mode, error);
    TEST_print_pass(error == 0, 0);
    . . . 

목록 1: Maxim Integrated의 샘플 소프트웨어 배포판에는 Maxim Integrated MAX22192 디지털 입력 IC의 개별 채널에서 읽기(MAX22192_read_input())와 Maxim Integrated MAX14912 디지털 입력 IC의 개별 채널에 쓰기(MAX14912_write_mode())를 포함하여 주변 장치 작동에 대한 기본 설계 패턴을 보여 주는 테스트 코드가 포함되어 있습니다. (코드 출처: Maxim Integrated)

결론

동적 제조, 예측 유지 보수 및 기타 고급 인공 지능 방법을 정교하게 적용하려면 센서, 액추에이터 및 기타 산업용 장비에 안정적으로 연결해야 합니다. Maxim Integrated의 Go-IO PLC 모듈식 시스템 및 참조 설계는 기존 환경에 대한 기성 플랫폼과 새로운 요구 사항을 해결하기 위한 확장 가능한 토대를 제공합니다. Go-IO PLC 플랫폼에서 제작함으로써 개발자는 콤팩트한 PLC 솔루션을 신속하게 배포하여 고급 제조 시스템을 구현할 수 있습니다.