IO-Link를 사용하여 인더스트리 4.0 공장의 유연성, 가용성, 효율성 향상

인더스트리 4.0의 전형적 특징인 데이터 수집 및 분석을 지원하려면 디지털 센서, 액추에이터, 표시기 및 기타 장치를 추가, 제거 또는 재프로그래밍하는 등의 라인 및 프로세스 변경이 자주 필요할 수 있습니다. 이는 다양한 특성을 가진 레거시 자동화 네트워킹 프로토콜에서 효율적으로 구현하기 어려울 수 있습니다. 인더스트리 4.0 설치의 경우에는 설치된 네트워크와 점점 증가하는 국부적 센서, 액추에이터 및 표시기 사이에 또 다른 연결 및 유연성 계층이 필요합니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 IO-Link는 센서, 액추에이터 및 표시기와 같은 장치의 신호를 이더넷 IP, Modbus TCP/IP 및 PROFINET과 같은 상위 네트워크에 연결하고 여기에서 PLC(프로그래밍 가능 논리 컨트롤러), HMI(인간 기계 인터페이스) 장치, SCADA(감독 제어 및 데이터 수집) 시스템 및 클라우드에 연결할 수 있는 개방형 표준으로 개발되었습니다. IO-Link 직렬 연결은 IEC 60974-5-2에 정의된 단순 비차폐 3선 또는 5선 표준 케이블을 사용하여 IEC 61131-9로 표준화되었습니다. 자동화 시스템 설계자는 IO-Link가 인더스트리 4.0 공장에 필요한 연결된 장치의 신속한 배포 및 원격 구성, 모니터링 및 진단을 지원하는 데 특히 적합하다는 것을 알게 될 것입니다.

이 기사에서는 IO-Link의 기능과 이점을 검토하고 인더스트리 4.0을 지원하기 위해 센서, 액추에이터 및 표시기의 로컬 네트워크를 구축하기 위한 다양한 유형의 IO-Link 장치 사용을 포함하여 IO-Link 네트워크의 구조 및 작동에 대해 살펴봅니다. 또한 설계자가 Industry 4.0 에지 장치를 효율적으로 배포하는 데 사용할 수 있는, Banner Engineering의 실제 IO-Link 마스터, 허브, 데이터 컨버터 장치 예를 소개합니다.

IO-Link 응용 영역

IO-Link는 분산된 센서, 액추에이터 및 표시기에서 데이터를 캡처하고 데이터를 IO-Link 형식으로 변환하는 컨버터에 연결한 다음 이더넷, Modbus 및 PROFINET과 같은 상위 수준 공장 네트워크에 연결하기 위해 필요에 따라 IO-Link 허브 또는 마스터 장치에 배포하는 하위 수준 네트워크를 제공합니다(그림 1).

그림 1: IO-Link는 레거시 및 다른 센서, 액추에이터, 장치(왼쪽)와 인더스트리 4.0의 기존 SCADA, HMI 및 클라우드(오른쪽)를 연결하기 위한 완전한 솔루션을 제공합니다. (이미지 출처: Banner Engineering)

IO-Link의 주요 특성에는 다음이 포함됩니다.

• 개방형 표준
• 로컬 장치의 빠른 통합, 구성 및 커미셔닝을 지원하여 기술자의 직접적인 지원을 최소화하면서 전환 속도 및 유연성을 높일 수 있음
• 기존 자동화 네트워크와의 호환성
• 동기 또는 비동기 방식으로 통신 효율을 최대화할 수 있는 견고한 양방향 통신
• 장치 수준까지 원격 진단 지원
• 프로세스 최적화의 속도를 향상시키기 위해 센서 또는 액추에이터 파라미터를 동적으로 변경할 수 있음
• 가용성 최대화를 위한 통합 장치 식별 및 자동 파라미터 재할당

IO-Link 장치에 연결하는 방법

IO-Link 네트워크의 장치는 최대 20m 길이의 3개 또는 5개 컨덕터 비차폐형 케이블을 사용하여 연결됩니다. IEC 60947-5-2는 마스터 및 장치 핀 할당을 정의합니다. 수 커넥터는 장치에 할당되고 암 커넥터는 마스터에 사용됩니다. 커넥터는 최대 5개 핀을 가진 M5, M8 또는 M12일 수 있습니다. 마스터에서 핀 1과 3 사이에 최대 200mA(밀리암페어), 24VDC가 제공되어 장치에 대한 선택적 전원 공급 장치 역할을 수행합니다. 핀 4는 IEC 61131-2에 따라 디지털 입력(DI) 또는 디지털 출력(DO)으로 정의되며 IEC60947-5-2에 따라 레거시 장치와의 역호환성을 지원합니다.

두 개의 마스터 포트 클래스 A와 B가 있습니다. 클래스 A 포트에서 핀 2와 5는 연결되어 있지 않고(NC), 클래스 B 포트에서 해당 핀은 DI, DO, NC(연결되지 않음)로 구성될 수 있거나 추가 전원 공급 장치를 제공할 수 있습니다. 대부분의 산업 설치에서는 M12 빠른 분리 커넥터가 사용됩니다. 그림 2에는 IEC 60974-5에 정의된 핀 할당 요약이 표시되어 있습니다.

• 핀 1: +24VDC, 200mA(최대)(L+)
• 핀 2: 디지털 I/O(PNP만 해당)
• 핀 3: 0V(L-)
• 핀 4: 디지털 I/O(NPN, PNP 또는 푸시-풀) 및 IO-Link 통신
• 핀5: 중간 핀 NC(선택적)

그림 2: IO-Link는 센서 및 액추에이터 같이 에지에 있는 장치에 전력 및 데이터 연결을 제공하기 위한 단순 솔루션입니다. (이미지 출처: Banner Engineering)

IO-Link를 선택해야 하는 이유

IO-Link는 저렴하지만 표준화되고 신뢰할 수 있는 배선으로 간단한 장치 설치 또는 교체를 사용하여 인더스트리 4.0 네트워크의 실질적인 성능 향상에 기여합니다. 또한 이는 분리형 센서를 기존 네트워크에 통합하는 과정을 간소화하도록 설계되었습니다. IO-Link의 이점에는 다음이 포함됩니다.

데이터 가용성 - IO-Link를 사용하여 분리된 장치와 고립된 자동화 부문을 통합 네트워크에 연결함으로써 실현됩니다. 센서-레벨 데이터를 사용할 수 없거나 이러한 데이터의 획득이 쉽지 않은 경우가 있습니다. IO-Link를 사용하면 데이터를 쉽게 획득할 수 있고 실시간으로 사용 가능하므로 프로세스를 최적화하고 사전 예방적인 기계 및 센서 유지 보수를 지원할 수 있습니다. IO-Link는 정기적인 일정에 따라 자동으로 전송되는 주기적 데이터 또는 요청 시 또는 필요에 따라 전송되는 비주기적 데이터로 추가 분류할 수 있는 세 가지 기본 데이터 유형을 지원합니다.

• 프로세스 데이터: 이는 장치가 마스터에 전송하는 센서 판독값과 같은 정보뿐만 아니라, 타워 조명 기구의 특정 세그먼트를 비추는 것과 같이 장치 작동을 제어하기 위한 마스터의 정보를 말합니다. 프로세스 데이터는 주기적이거나 비주기적일 수 있습니다.
• 서비스 데이터: 여기에는 장치에 대한 정보가 포함되며 장치 데이터라고도 합니다. 서비스 데이터에는 장치 파라미터 값, 장치 설명, 모델과 일 번호가 포함됩니다. 서비스 데이터는 비주기적이며 필요에 따라 장치에서 읽어 오거나 해당 장치에 쓸 수 있습니다.
• 이벤트 데이터: 여기에는 오류 처리가 포함되며 파라미터 설정 초과와 같은 오류 메시지 또는 이미징 센서의 렌즈가 오염됨과 같은 유지 보수 경고가 포함됩니다. 이러한 데이터는 트리거 이벤트가 발생할 때마다 비주기적으로 전송됩니다.

원격 구성 - 네트워크 운영자 및 기술자가 각각의 개별 장치를 실제로 확인하지 않고 소프트웨어 제어를 통해 장치 파라미터를 읽거나 변경할 수 있도록 합니다. 필요에 따라 센서 파라미터를 동적으로 변경하여 기존 프로세스를 개선하고, 제품 및 프로세스 변경을 가속화하며, 대량 맞춤화를 지원하고, 기계 및 라인 중지 시간을 최소화할 수 있습니다.

간소화된 장치 교체 - 장치를 원격으로 구성할 수 있는 기능을 통해 실현됩니다. IO-Link의 자동 장치 교체(ADR) 기능은 교체된 장치에 대한 자동 파라미터 조정 및 재할당을 제공할 수 있습니다. ADR을 통해 네트워크 운영자는 기존 파라미터 값을 교체된 장치에 가져오거나 필요에 따라 파라미터를 업데이트하여 신속하고 정확한 네트워크 변조 및 유지 보수를 보장할 수 있습니다.

확장된 진단 기능 - IO-Link의 주기적 및 비주기적 통신 기능을 활용하여 네트워크 운영자에게 공장 내 각 장치의 작동 상태에 대한 광범위한 정보를 제공합니다. 장치 작동을 원격으로 진단하는 기능을 사욯하면 저하되거나 사양을 벗어나 작동하는 장치를 빠르게 식별할 수 있습니다. 따라서 유지 보수 또는 장치 교체에 대한 일정을 더욱 효율적으로 지정할 수 있습니다.

표준화된 간단한 배선 - 이는 IO-Link의 주요 특징입니다. 다른 네트워크 프로토콜과 달리 IO-Link 장치, 컨버터, 허브, 마스터는 모두 간단한 저가형 비차폐 케이블 및 빠른 분리 커넥터를 사용하여 연결되어 있습니다. IO-Link의 마스터-슬레이브 아키텍처는 배선 요구 사항을 더 간소화하고 네트워크 구성 우려 사항을 제거합니다.

시작하기: IO-Link 마스터/컨트롤러

IO-Link 사용을 추가하거나 확장하는 자동화 시스템 설계자는 Banner Engineering의 DXMR90-4K 같은 IO-Link 마스터(또는 컨트롤러)를 선택하는 것으로 시작할 수 있습니다. 이 장치는 여러 소스의 데이터를 통합하고, 로컬 데이터 처리를 제공하며 더 높은 수준의 네트워크로의 연결을 실현합니다(그 3).

그림 3: DXMR90-4K IO-Link 마스터 장치는 4개 로컬 소스의 데이터를 결합하여 더 높은 수준의 네트워크로 연결할 수 있습니다. (이미지 출처: Banner Engineering)

DXMR90-4K의 4개 포트는 최대 4개 IO-Link 장치와의 동시 통신을 지원합니다. 이 장치는 데이터 수집, 에지 처리, 산업용 이더넷 또는 Modbus/TCP 연결을 위한 프로토콜 변환을 지원합니다. DXMR90-4K의 다른 특징에는 다음이 포함됩니다.

• 공간을 절약하고 배치를 간소화하는 콤팩트하고 가벼운 하우징
• IP67 등급으로 별도의 제어 캐비닛이 필요하지 않으므로 설치 비용 절감에 기여함
• 로보틱스와 같은 응용 분야에서 특히 중요할 수 있는 케이블링 복잡성과 무게를 최소화하는 통합 케이블 주행을 용이하게 함
• 동작 규칙 및 ScriptBasic 프로그래밍(높은 수준의 유연성 지원)을 사용하는 확장 가능한 내부 논리 컨트롤러

설치를 더 간단히 하기 위해 설계자는 Modbus 연결을 위한 R45C-2K-MQ 2포트 IO-Link 마스터와 같은 장치로 전환할 수 있습니다.

IO-Link 허브

수많은 센서 또는 액추에이터를 단일 IO 마스터에 연결해야 하는 경우 설계자는 IO-Link 허브를 사용하여 센서 및 액추에이터 신호를 집계하고 단일 케이블을 통해 IO-Link 마스터로 전송할 수 있습니다. 예를 들어, R90C-4B21-KQ는 4개의 입력 포트를 갖추고 있으며 표준 M12 커넥터를 사용하여 마스터에 연결됩니다(그림 4). 이산 입력을 연결하고 값을 IO-Link 마스터에 보내는 IO-Link 장치 컨버터에 대한 콤팩트 바이모달(PNP 또는 NPN)입니다. 특징은 다음과 같습니다.

• ON/OFF 지연, ON/OFF/재트리거 가능 단발, ON/OFF, 펄스폭 연장기, 적산계를 포함하는 지연 모드
• 개수, 이벤트 수/분, 기간을 포함하는 측정 메트릭스
• 이산 미러링을 통해 신호(입력 및 출력)를 4개 포트 중 하나에 미러링
• 이산 I/O를 NPN 또는 PNP로 독립적으로 구성할 수 있음
• 견고한 오버몰딩 IP68 등급 설계

그림 4: R90C-4B21-KQ 허브는 4개 장치의 통신을 통합하고 IO-Link 마스터 장치로 연결할 수 있습니다. (이미지 출처: Banner Engineering)

IO-Link 신호 컨버터

이산 PNP 또는 NPN 신호, 아날로그 0VDC ~ 10VDC 신호 및 전류 트랜스듀서와 같은 다양한 신호 유형을 사용할 수 있는 센서 및 기타 장치를 연결하기 위해 IO-Link 네트워크에 다양한 유형의 컨버터를 사용할 수 있습니다. IO-Link 신호 컨버터의 예에는 다음이 포함됩니다.

• R45C-K-IIQ IO-Link - 아날로그 전류 입력 또는 출력 컨버터(그림 5)
• 아날로그 전압 입력 또는 출력을 위한 R45C-K-UUQ 컨버터
• 아날로그 전류 출력을 위한 R45C-K-IQ 컨버터
• 아날로그 전압 출력을 위한 R45C-K-UQ 컨버터

그림 5: R45C-K-IIQ IO-Link 컨버터는 아날로그 입력 및 출력을 사용하여 마스터 장치를 로컬 장치에 연결할 수 있습니다. (이미지 출처: Banner Engineering)

단일 AA 배터리 크기 정도인 IO-Link 인라인 컨버터도 사용할 수 있습니다. 이러한 컨버터는 다양한 신호 유형을 처리하여 IO-Link, Modbus 또는 다른 프로토콜로 변환할 수 있습니다. 예를 들어, S15C-I-KQ는 아날로그 전류 - IO-Link 컨버터로 4mA ~ 20mA 전원에 연결하여 해당 값을 IO-Link 마스터에 출력합니다. 이러한 컨버터의 작은 크기는 프로세스 또는 환경 모니터링을 위한 표준 프로토콜을 사용하여 네트워크에 대한 레거시 센서 추가를 간소화합니다. IP68 등급을 획득했으므로 산업 환경에 광범위하게 배치할 수 있습니다.

결론

IO-Link는 레거시 및 기타 에지 장치를 기본 이더넷 IP, Modbus TCP/IP 또는 PROFINET 네트워크와 연결하여 인더스트리 4.0 공장의 성능을 최적화하는 데 필수인 데이터를 수집하는 데 필요한 연결성을 제공합니다. IO-Link는 IEC 60974-5-2에 정의된 간단한 비차폐 3선 또는 5선 표준 케이블로 IEC 61131-9에서 표준화된 연결을 사용하여 높은 수준의 데이터 가용성, 확장된 진단, 원격 구성, 단순화된 장치 교체, 신속한 프로세스 및 회선 변경을 지원합니다.

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