IO-Link 1.1의 정의 및 사용 방법

이 기사에서는 IO-Link 및 IO-Link 1.1 버전이 지닌 이전 버전과의 차이점에 대해 설명합니다. 그런 다음 IO-Link가 어느 분야의 자동화 설치에 적합한지에 대해 설명합니다.

그림 1: 최근 몇 년간, 특히 로봇 엔드 효과 및 기타 공압 응용 분야에서 IO-Link의 사용이 급증했습니다. (이미지 출처: SICK Inc.).

IEC 61131-9 표준 배경

IEC 61131-9 표준(IO-Link 상표명의 하위 브랜드)은 기계 자동화에 일반적으로 사용되는 액추에이터 및 센서에 연결성을 부여하는 하나의 시스템을 정의하는 개방 표준입니다. 일부 예측에 따르면, IO-Link 기능성을 갖춘 장치의 판매는 향후 몇 년 동안 매년 두 배씩 증가(2023년까지 120억 달러를 초과)할 것으로 예상하고 있습니다. 이러한 사실은, 새로 구입한 하드웨어와 기존 하드웨어에서 IO-Link 기능을 검색하고 활용하는 OEM 및 설비 엔지니어 수의 증가와 함께 특히 지난 몇 년 동안 IO-Link 사용이 크게 증가했음을 의미합니다.

간단한 연혁

1982년 국제 전기 기술 위원회(IEC)는 프로그래밍이 가능한 컨트롤러 및 해당 소프트웨어에 대한 기본적인 규칙을 마련했습니다. 이 표준은 1993년에 업데이트되면서 그 명칭이 IEC 1131로 변경되었으며, 1997년에 후속 업데이트를 통해 명칭이 국제 표준 IEC 61131로 변경되었습니다.

IEC 61131(즉, IO-Link 표준)의 Part 9는 두 개의 IEC 소위원회(하나는 측정 및 제어 장치에 중점을 두고 다른 하나는 산업 네트워크에 중점을 둠)에 의해 수립된 '작은 센서 및 액추에이터를 위한 단일 드롭 디지털 통신 인터페이스'에 관한 것입니다. 단일 드롭 통신 인터페이스(약칭 SDCI)는 IO-Link가 단일 케이블(최대 20m)을 사용하여 시스템의 각 센서 또는 액추에이터를 연결하는 것을 의미합니다. 그리고 이 케이블은 수십 년 동안 산업용 I/O 응용 제품에 널리 사용되는 일반적인 비차폐 3선 케이블(또는 경우에 따라 5선 케이블)입니다.

그림 2: IO-Link 연결 기능이 있는 센서입니다 (이미지 출처: SICK Inc.).

IO-Link가 DeviceNet, PROFINET, CC-Link, EtherNet/IP 및 EtherCAT과 경쟁하는 것으로 잘못 알고 있는 경우가 대단히 많습니다. 정확히 설명하자면 IO-Link는 표준화된 I/O 기술일 뿐입니다. 실제로 IO-Link의 주요 목적은 현재 통신 네트워크, 후면판 버스 및 필드버스 프로토콜을 보완하는 것입니다. 많은 경우, 선택한 네트워크만으로는 불가능한 피드백 및 자동화 기능을 IO-Link가 지원합니다.

그림 3: IO-Link는 필드 장치를 다른 일반 필드버스 및 산업용 네트워크에 통합하는 과정을 단순화시켜 IIoT(산업용 사물 인터넷) 기능의 폭을 넓혀갑니다 (이미지 출처: SICK Inc.).

IO-Link의 SDCI 지점 간 통신을 사용하면 필드 장치(센서 또는 기타 슬레이브 등)의 한 지점에서 IO-Link 허브 또는 마스터 컨트롤러의 다른 지점이 연결됩니다. 일부 제조업체는 마스터를 IO-Link 박스 또는 모듈이라고 합니다. 종단점 간의 통신은 네트워크와 버스의 교차 장치 통신과는 다르며, 일반적으로 패킷 또는 '텔레그램'으로 전 세계적으로 브로드캐스트되어 수신자 최종 장치 또는 기타 슬레이브에서 읽히게 됩니다.

오늘날 IO-Link를 지속적으로 개선하고 홍보하기 위해 노력하는 IO-Link 컨소시엄은 규칙, 표준 및 업데이트를 io-link.com에 게시합니다.

구성을 위한 IO-Link 소프트웨어

모든 IO-Link 장치는 사용하기 전에 설정이 필요합니다. 커미셔닝은 일반적으로 IO-Link가 준비된 장치 제조업체에서 무료로 제공되는 소프트웨어를 통해 수행되거나, PLC 또는 기타 고급 산업용 컨트롤러 제조업체에서 자동 설치를 명령하여 수행됩니다. 설계 엔지니어는 종종 이러한 제어 시스템 소프트웨어를 자주 사용하기 때문에 해당 환경 내에서 IO-Link 장치 파라미터의 구성을 단순화할 수 있습니다. 이러한 연결은 설치된 센서 및 기타 장치에도 제공되므로 파라미터를 즉시 조정할 수 있습니다.

그림 4: SICK Inc.의 광 커튼은 IO-Link 기능의 데스크톱 구성을 허용합니다 (이미지 출처: SICK Inc.).

일반적인 설정 과정에서 엔지니어는 소프트웨어를 사용하여 IO-Link 마스터와 해당 장치를 나머지 자동화된 설계에 가상으로 통합합니다. 엔지니어는 구성 메뉴를 통해 더 큰 시스템 아키텍처 요구 사항을 충족하도록 장치 및 마스터 파라미터를 설정합니다.

IO-Link 장치를 설정하기 위한 소프트웨어는 표준화된 IO 장치 설명(IODD) 파일을 사용합니다. 경우에 따라 전용 장치 유형 관리자 또는 DTM 파일이 IODD 파일을 보완하며, 장치 제조업체가 제공하는 기능 블록 이외에 애드온 명령어로 자체 GUI(그래픽 사용자 인터페이스)를 통해 장치 프로그래밍을 더욱 단순화할 수 있습니다.

IODD 파일에는 장치 이름, 모델, GUI를 채우는 이미지, 일반적인 작동 범위 및 IO-Link 시스템 인터페이스에 예상되는 신호가 포함되어 있습니다. IO-Link 컨소시엄은 ioddfinder.io-link.com에서 장치 제조업체가 구성하고 다운로드가 가능한 IODD 파일 라이브러리를 호스팅합니다. 궁극적으로 이러한 파일은 IO-Link 마스터(시스템에서 사용 중인 경우 허브에도)에 로드되어 기본적인 작동 및 진단 기능이 가능하도록 합니다.

IO-Link의 프로세스, 이벤트 및 장치 데이터

모든 IO-Link는 마스터를 통해 데이터를 자동으로 처리합니다. 데이터는 필드 장치로부터 정기적으로(컨트롤러가 주기적 데이터로 처리) 전송되거나, 요청 또는 필요에 따라(컨트롤러가 비주기적 데이터로 처리) 전송됩니다. 또한 컨트롤러는 다음과 같은 모든 데이터를 분류하고 처리합니다.

이벤트 데이터 — 비주기적 데이터의 한 형식으로, 축 이동 또는 센서 및 스위치 신호에 의해 유발되는 문제 해결 정보 외에 오류 및 유지 보수 경보 및 어떤 식으로든 문제가 있거나 손상된 스위치 신호가 포함됩니다.

프로세스 데이터 — 주기적 데이터의 한 형식으로, 위치, 레벨, 거리 등과 같은 기본 작동 정보로, 필드 장치가 지속적으로 수집하여 IO-Link 마스터에 업스트림으로 전송합니다. 일부 경우에, 이 프로세스 데이터 신호는 마스터로 보내는 중에 데이터 상태 값이 수반됩니다. IO-Link 통신의 양방향 특성을 활용하여 프로세스 데이터를 역으로(마스터에서 현장 장치로) 이동하여 장치의 동작을 변경하도록 트리거하거나 기계 조작자가 메모할 사전 설정 코드를 표시하도록 할 수 있습니다.

장치 데이터— 비주기적 데이터의 한 형식으로, 필드 장치 및 해당 모델, 파라미터 설정, 상태, 위치 및 기타 읽힌 값에 대한 정보입니다. IO-Link 통신의 양방향 특성을 활용하여 장치 데이터를 마스터에서 장치로 이동하여 새로운 파라미터 등을 설정할 수 있습니다.

IO-Link 1.0에서 1.1버전으로 업데이트 — 변경된 기능은?

2013년 IO-Link 컨소시엄은 IO-Link를 1.0 버전에서 1.1 버전으로 업데이트했습니다. IO-Link 1.1의 새로운 기능은 COM3이라는 채널을 통한 세 번째(표준으로, 가장 빠름) 데이터 전송 속도를 지원하여 COM1 및 COM2 연결로 이전에 가능했던 기능을 향상시킵니다.

COM1 — 최대 4.8kbit/초의 전송 속도를 가진 SDCI 통신 모드 • 18.0msec까지의 주기 시간

COM2 — 최대 38.4kbit/초의 전송 속도를 가진 SDCI 통신 모드 • 2.3msec까지의 주기 시간

COM3 — 최대 230.4kbit/초의 전송 속도를 가진 SDCI 통신 모드 • 0.4msec까지의 주기 시간

모든 IO-Link 1.1 마스터는 이 새로운 데이터 전송률과 이를 사용하는 현장 장치를 지원합니다. 또한 1.1 마스터는 1.0 및 1.1 장치를 모두 지원합니다.

1.1의 또 다른 새 기능은 유사한 사양을 가진 IO-Link 장치(다른 제조업체 제품 포함) 간에는 상호 교체 가능해야 한다는 요구 사항을 활용합니다. 이러한 요구 사항 그리고 1.1 마스터는 파라미터를 저장할 수 있다는 사실은 핫스왑 IO-Link 장치의 자동 구성을 가능하게 하므로 손상되거나 오류가 난 센서를 간편하게 교체할 수 있습니다.

IO-Link의 기존 대안

IO-Link는 여러 가지 상황에서 자동 설치 프로세스를 개선합니다.

많은 자동화된 시설에서 여전히 기계 상태 및 잠재적 문제를 수동으로 추적하는 운영자 기반 모니터링에 크게 의존하고 있습니다. 이러한 상황 가운데 IO-Link는 보다 간소화되어 효율적이고 신뢰할 수 있는 기계 모니터링을 위해 실행 가능한 대안을 제공합니다. 기존 I/O와 달리 IO-Link에는 양방향 통신 기능이 포함되어 있어 빠른 설정과 액추에이터 및 센서 상태의 진단이 가능합니다.

또한 IO-Link 지원으로 인해, 여전히 업계에서 많이 사용되고 있는 현장 장치 파라미터의 수동 설정이라는 방식을 공장에서 더 이상 사용할 필요가 없습니다. 이러한 기존의 접근 방식을 적용하는 경우 공장 엔지니어는 원격 장비(또는 기계)의 필드 장치에 물리적으로 액세스하여 장치를 읽거나 문제를 해결 또는 재구성해야 합니다. 이에 반해 IO-Link를 사용하면 운영자는 온라인 또는 로컬 라이브러리에서 파라미터를 다운로드할 수 있는데 이는 수리 또는 작동 전환 중 기계의 다운타임을 최소화하는 데 특히 유용합니다. 대부분 구성은 일반 제어 소프트웨어를 통해 이루어집니다.

기존 설정에서는 중앙 집중식 캐비닛 기반 제어도 일반적으로 사용됩니다. IO-Link 지원 필드 장치를 보완하기 위한 IO-Link와 관련된 하드웨어는 소형화되어 있으므로, 매우 좁은 장비 공간에 적합하고 분산 제어를 지원할 수 있습니다.

IO-Link는 아날로그 데이터의 사용을 단순화하여 4mA ~ 20mA의 아날로그 신호를 이해하기 위해 기존 장비에 사용되었던 특수 컨버터가 필요하지 않습니다. IO-Link는 또한 이산 및 2진(off-on) 신호뿐만 아니라 아날로그로 전송이 가능한 정보의 양을 늘립니다.

IO-Link 사용 시 기존의 4mA ~ 20mA 아날로그 신호 관련 추가 정보

기존 설치의 아날로그 센서에는 차폐 케이블, 특수 커넥터 및 다음이 필요합니다.

• 아날로그 디지털 또는 A/D 출력 컨버터

• 디지털 아날로그 D/A 입력 컨버터(양방향 통신용)

이러한 요소들로 인해 설계 비용과 복잡성(특히 보정이 필요한 경우)이 더해지며 경우에 따라 데이터 전송 속도를 저하시킬 수도 있습니다.

앞서 언급했듯이 IO-Link는 차폐되지 않은 3선 케이블 또는 전력이 있는 동등한 5선 케이블을 사용하며, 아날로그 장치에도 적용되므로 센서와 컨트롤러 간의 신호 전송이 더욱 안정적이며 데이터 손실이 없습니다. IO-Link는 장치가 센서, 액추에이터, 그리퍼 또는 밸브인지에 관계없이 통신을 위한 단일 인터페이스 역할을 하며, 2진 스위칭, 아날로그 IN/아날로그 OUT 또는 RS232를 위해 서로 다른 인터페이스를 필요로 하는 설치보다 훨씬 간단합니다.

IO-Link의 주의 사항 및 제한 사항

지금까지 IO-Link가 자동화된 설계 분야에서 지닌 몇 가지 이점을 살펴보았습니다. 그러나 간단한 접근 방식이 충분한 분야(또는 설계가 독립형 기계인 경우)에서도 IO-Link 구현을 위한 추가적인 노력과 복잡성이 항상 정당화되는 것은 아닙니다.

IO-Link 설정에서의 잠재적인 제한 요인은 언급한 대로 케이블 선이 20m를 초과해서는 안 된다는 것입니다. 이는 특히 피드백을 위해 아날로그 신호를 사용하는 대체 시스템과는 대조적으로 대규모 자동화 작업에서는 매우 흔하게 훨씬 긴 케이블 선을 수용할 수 있습니다.

최근까지 또 다른 IO-Link 제한 사항은 주기 시간이었습니다. COM3 통신 모드(0.4msec까지의 주기 시간)의 도입으로 IO-Link 1.1은 동작 제어와 관련된 일부 자동화 작업을 포함하여 상당히 까다로운 자동화 작업에서도 수용됩니다. 물론 IO-Link 1.0 장치는 여전히 COM1 및 COM2의 제약 사항을 갖고 있습니다. 그러나 일반적으로 하나의 마스터에서 다양한 주기 시간을 가진 장치를 작동할 수 있으므로 증분식 시스템 업그레이드가 가능합니다.

모든 장치의 IODD 파일에는 마스터가 특정 장치를 해결할 수 있는 시간 간격(주기 시간)에 대한 마스터 정보가 포함됩니다. 이는 처리 시간에 필요한 마스터 자체의 시간과 함께 전체 응답 시간에 영향을 미칩니다. 입출력 프로세스 데이터에 대한 IO-Link 제한은 32바이트로 유지되며, 이로 인해 특정 판독기 및 추적기 응용 제품 대해 IO-Link 장치를 사용할 수 없거나 복잡하게 만들 수 있습니다. 하지만 그런 경우에도 온보드 처리 기능이 있는 장치가 이러한 제한을 해결하고 있습니다.

마지막 잠재적 제한 사항은 IO-Link 기능이 있는 모델에 모든 특수 센서 유형이 제공되는 것은 아니라는 것입니다.

물리적 하위 부품 및 설치

그림 5: IO-Link 허브(왼쪽), 단일 장치 IO-Link 마스터 모듈(중간) 및 IO-Link 마스터입니다 (이미지 출처: SICK Inc.).

IO-Link 마스터

IO-Link 마스터(언급한 대로, 일부 제조업체에서는 모듈 또는 상자라고도 함)는 다음 세 가지 작업을 수행하는 하드웨어 부품입니다.

1. 연결된 IO-Link 현장 장치의 통신 지점 역할을 합니다. 모든 장치는 세 가지 표준의 통신 속도 중 하나를 사용하며, 어떤 속도를 사용하는지는 마스터에서 결정합니다.

2. 연결된 IO-Link 현장 장치에 대한 모든 IODD 파일 및 파라미터를 저장합니다. 즉, 시작 시 마스터는 장치 파라미터를 수락한 다음, 프로세스 데이터 및 값의 주기적 교환을 허용하는 정상 작동 모드로 전환할 수 있습니다.

3. PLC 및 PAC와 같은 최고 수준의 기계 및 자동화 제어에 연결하여 데이터를 필드버스, 네트워크 또는 후면판으로 통신합니다. 이러한 공유를 통해 즉각적인 기계 기능뿐만 아니라 IIoT 프로그램을 갖춘 시설에서 엔터프라이즈 수준의 분석을 위한 데이터 접근성을 높일 수 있습니다. PLC, HMI 및 PAC에 IO-Link 마스터를 연결한 결과, 이러한 부품 제조업체는 최근 몇 년 동안 자체 IO-Link 마스터를 터미널 및 모듈의 형태로 시장에 출시하기 시작했습니다. SICK Inc.의 IOLA2US-01101은 단일 포트 마스터의 한 예입니다.

작동 중인 IO-Link 마스터의 모든 포트는 비활성화되어 디지털 입력 및/또는 출력을 수용하도록 설정되거나, 반이중 모드에서 범용 비동기 수신기 송신기(UART)를 사용하여 IO-Link 모드에서 실행됩니다. 일반적인 IO-Link 마스터에는 8개의 포트가 포함될 수 있으며 다음과 같이 사용됩니다.

• 다양한 현장 장치에 직접 연결
• 마스터 확장 역할을 하는 IO-Link 허브에 연결(이를 통해 현장 장치 배열에 연결됨)

IO-Link 허브

오늘날 가장 진보된 IO-Link 허브(배포 블록이라고도 함)를 통해 단일 IO-Link 마스터를 100개 이상(경우에 따라 200개 이상)의 현장 장치에 연결할 수 있습니다. 표준 허브-링크 프로토콜의 성능은 간소화된 시스템 구성을 위한 전용 시스템보다 우수합니다. IO-Link 마스터와 허브 모두에 장치 정보를 저장하면 추가 또는 교체 현장 장치가 설계와 호환되는지 확인하여 시스템의 무결성을 유지합니다.

IO-Link 표준의 케이블 및 커넥터 기능

3선 케이블 구조: 앞에서 언급했듯이 IO-Link에서 사용하는 케이블은 24V 및 200mA를 전송할 수 있는 비전용 비차폐 3연선 구조입니다. 현장 장치(예: 액추에이터)에 전원이 필요한 경우 5선 버전이 사용됩니다.

M5, M8 및 M12 커넥터: IO-Link 마스터가 DIN 레일 블록 또는 제어 캐비닛 내부에 상주하기 위한 유사한 설계의 형태를 취하는 경우, 전선 연결은 일반적인 푸시인 터미널을 통해 이루어집니다. 그러나 IO-Link 연결이 케이블 커넥터를 사용하는 경우(기계 장착을 위한 구조를 가진 IO-Link 마스터에서와 같이), IO-Link 표준에는 M5, M8 및 M12 형상이 필요합니다. 5선 커넥터는 일반적으로 IP65/IP67에 정격되었습니다.

IO-Link 부품 견고성 정량화

IO-Link의 사용을 주도하고 있는 산업은 자동차 산업입니다. 하지만 제약 및 식음료 산업에서 점점 더 많은 IO-Link 부품, 특히 세척 등급이 있는 부품을 사용하기 시작했습니다. 이러한 견고한 부품은 완전히 분산된 제어를 위해 기계 장착 I/O 배열을 지원합니다. 이러한 설치에서 IO-Link 부품의 등급은 다음과 같습니다.

• IP20 — 방수 보호는 없지만 일반 먼지와 취급을 견딜 수 있는 보호 기능
• IP67 — 완전한 방진 및 침수 시 침투에 대한 일시적인 보호 기능(실외에서 유용할 수 있음)
• IP69K — 소독 절차와 관련된 고열 및 고압 세척의 침투에 대한 보호 기능

또한 일부 IO-Link 부품에는 ECOLAB 인증이 포함되는데, 이는 식품 및 음료 산업의 기계 제조업체가 식품 안전 현대화법과 관련된 규정을 준수하며 안전하지 않은 방법으로 식품 취급하거나 포장하는 것을 방지하는 데 도움이 되는 지정입니다.

IO-Link 1.1 사용 방법

IO-Link 기능을 갖춘 일반 부품

IO-Link에서 지원하는 현장 장치는 액추에이터 및 센서로 분류할 수 있습니다.

IO-Link 시스템의 액추에이터: 액추에이터는 전기 입력을 수용하고 일부 기계적 출력을 가져오는 전기 기계 부품입니다. IO-Link 호환 액추에이터 옵션은 다양하며, 공압 선형 액추에이터, 공압 매니폴드 및 밸브, 기타 솔레노이드 및 스테퍼 모터를 기반으로 하는 옵션이 포함됩니다. 이러한 장치에의 연결은 일반적으로 5연선 변형이며, 컨트롤러 주기 시간에 의해 발생하는 지연 없이 이중 채널 실시간 통신을 사용합니다. 이를 통해 동시 IO-Link 통신이 가능하여 데이터 평가 또는 기타 2차 응답을 신속하게 수행할 수 있습니다.

IO-Link 시스템의 센서: IO-Link 연결 기능을 갖춘 일반적인 센서에는 위치, 변위, 온도, 압력 및 색상을 추적하고 보고하는 센서가 포함됩니다. 기타 널리 사용되는 옵션으로는 IO-Link 광전 센서 및 IO-Link의 향상된 기능으로 보다 완벽하게 지원되는 RFID 감지 시스템이 포함됩니다.

광 커튼 관련 특별 사례

안전은 이 기사의 주제에서 벗어난 주제이기는 하지만, 일부 광 커튼이 IO-Link 연결 기능을 갖추어 통계 및 광 커튼과 관련된 실시간 데이터에 대한 액세스가 가능하다는 것은 주시할 가치가 있습니다.

몇 가지 예를 다음에서 확인하세요.

• Omron의 F3SG-SR 안전 광 커튼
• SICK Inc.의 광 커튼

IO-Link 통신 사용에 대한 세부 사항

IIoT 기능 및 클라우드 연결: IO-link는 마스터에 데이터를 저장하고 백업을 위해 데이터를 전송할 수 있습니다. 이는 IO-Link가 기존 산업 네트워크를 보완하는 방식과 더불어 IIoT 기능을 지원하며, 자동화된 파라미터화 및 데이터 수집의 모든 이점을 활용합니다.

다른 버스 및 네트워크로의 데이터 전송: IO-Link는 모든 일반적인 산업 네트워크 및 필드버스에 통합되고 양방향 마스터 장치 통신을 허용하므로 프로세스, 서비스 및 이벤트 데이터 등을 최상위 제어 및 엔터프라이즈 시스템과 업스트림으로 공유할 수 있습니다.

IO-Link를 사용하여 기존 장비 업그레이드

이전 버전과의 호환성: 앞에서 언급했듯이 IO-Link 1.1은 COM1, COM2 및 COM3 통신 속도를 사용하는 센서를 수용하므로 공장 엔지니어는 덜 정교한 전자 장치와 느린 데이터 전송률을 가진 기존 기술을 계속 사용할 수 있습니다. 새로운 1.1 마스터에서도 이전 버전과의 호환성이 유지되며, 이는 1.0 및 1.1 장치를 지원하기 위해 IEC 61131-9 표준에서 요구됩니다.

IO-Link 기술을 최대한 활용하는 업계 및 사용자

제조업체, OEM, 기계 조립자, 공장 기술자 및 최종 사용자 모두 IO-Link의 이점을 누릴 수 있습니다. IO-Link에 대한 자세한 내용은 여기를 클릭하여 MAXIM Integrated에서 제공하는 PDF 양식의 IO-Link 핸드북을 다운로드하세요.