자동화 제어 시스템을 최적화하는 원격 I/O 장치

공장 및 산업 자동화 시스템은 통신 링크를 통해 안정적으로 작업자와 기계, 컴퓨터, 센서를 연결할 수 있어야 합니다. 이 공정은 일반적으로 공장 자동화 시스템의 제어에 따라 제품을 성형, 측정, 보정, 검사, 포장, 배송하는 일련의 워크스테이션을 통해 이동하는 원자재로부터 시작됩니다.

이러한 시스템에는 컴퓨터와 네트워크 통신 시스템이 생산 공정에 대한 높은 수준의 감시 회로 및 제어 기능을 제공하는 SCADA(감시 회로 제어 및 데이터 취득) 아키텍처가 필수입니다. SCADA 시스템은 실제 생산 시설에서 멀리 떨어져 있는 경우가 많으며, 원격 운영은 일반적으로 데이터 링크 및 그룹 상호 운용성을 제공하는 CDS(클라우드 데이터 서비스)를 사용하여 이루어집니다.

SCADA 시스템은 로컬 PLC(프로그래밍 가능 논리 컨트롤러)를 통해 기계를 제어하고 작업을 안내하는 네트워크 센서를 통해 피드백을 수신하여 공장 성능을 관리 및 모니터링합니다. PLC는 공정 설비 또는 기계와 인터페이스로 연결됩니다. 그림 1에서 볼 수 있듯이 원격 입력/출력(I/O) 부품은 자동화 공장의 통신 백본을 구성합니다.

그림 1: 원격 I/O 부품은 최신 자동화 공장의 신경계를 형성합니다. (이미지 출처: Banner Engineering)

이산 소자 센서와 액추에이터는 로컬 작업을 모니터링하고 제어합니다. 이들 장치의 신호가 적절한 허브를 통해 연결되고, 우선 마스터로 전송되어 로컬 처리된 다음 SCADA 시스템으로 전송됩니다.

산업용 데이터 버스

자동화된 기계는 많은 센서나 액추에이터를 사용할 수 있지만, 제어실에 직접 연결하려면 크고 비싼 케이블이 필요합니다. 이러한 상황을 피하기 위해 설계자들은 이러한 연결을 통합할 수 있는 여러 센서 버스를 개발했습니다. Modbus와 IO-Link는 널리 사용되는 두 가지 네트워크입니다(그림 2).

그림 2: IO-Link 및 Modbus 네트워크를 사용하면 자동화된 기계에서 사용되는 전선 수를 줄이고 표준화된 케이블 조립품을 사용할 수 있습니다. (이미지 출처: Banner Engineering)

이 네트워크를 사용하면 허브와 컨트롤러를 통해 제어실로 라우팅되는 전선의 수를 줄일 수 있습니다. 또한 표준화된 케이블 조립품을 사용할 수 있으므로 배선 및 유지보수 비용을 절감할 수 있습니다.

Banner Engineering은 자동화된 기계 설계자가 제어 시스템 아키텍처를 개선하는 데 도움이 되는 원격 I/O 블록을 설계합니다. 여러 신호를 통합 데이터 스트림으로 결합하여 배선 복잡성을 줄임으로써 설치, 통합, 진단 비용을 절감하는 제품을 공급합니다.

원격 I/O 블록의 예

Banner Engineering의 DXMR90-X1 프로그래밍 가능 컨트롤러(그림 3)에는 7개의 I/O 포트가 있으며, 여러 소스의 데이터를 결합하여 데이터를 로컬 처리 후 SCADA 시스템으로 보냅니다. 이 컨트롤러는 다양한 센서에서 데이터를 수집하고 이를 표준 이더넷 프로토콜로 변환할 수 있습니다. 7개의 포트에는 4개의 개별 Modbus 마스터가 포함되어 최대 4개의 독립 네트워크를 지원합니다. Modbus 슬레이브 장치 데이터를 이더넷/IP, Modbus TCP 또는 PROFINET 네트워크에 배포할 수 있습니다. 이 컨트롤러는 12V에서 120mA의 전력을 소비하는 12V DC ~ 30V DC 전원으로 구동되며, LED 표시기를 사용하여 상태를 표시합니다.

그림 3: DXMR90-X1 컨트롤러에는 7개의 I/O 포트가 있습니다. (이미지 출처: Banner Engineering)

콤팩트한 인클로저에 실장된 이 컨트롤러는 IP67 침투 보호(IP) 등급을 갖추고 있으므로, 방진 기능을 제공하며 단기간의 침수로부터 보호할 수 있습니다. 정격 온도 범위는 -40°C ~ +70°C입니다.

DXMR90-X1은 표준 M12 커넥터를 사용하며, 전원 및 Modbus RS-485 연결에 사용할 수 M12 포트(포트 0) 1개 및 포트 0 연결 데이지 체이닝에 사용할 암 M12 포트 1개가 있습니다. 또한 Modbus 마스터 연결을 위한 암 M12 포트 4개와 암 M12 D-Code 이더넷 커넥터 1개가 있습니다.

이 컨트롤러는 허브를 통해 원격 센서에 커플링됩니다. Banner Engineering R95C-8B21-KQ는 8포트 IO-Link 허브(그림 4)로, IO-Link가 아닌 장치를 IO-Link 시스템에 쉽게 연결할 수 있습니다. 2개의 이산 소자 채널을 8개의 4핀 M12 커넥터 포트에 연결하여 16개의 입력 또는 8개의 입력과 8개의 출력으로 구성할 수 있습니다. 채널의 데이터는 IO-Link 마스터에 연결됩니다.

그림 4: R95C-8B21-KQ 8포트 허브는 NPN 출력과 PNP 출력을 모두 지원합니다. 표시등 LED를 통해 포트 활동 및 IO-Link 상태를 알 수 있습니다. (이미지 출처: Banner Engineering)

포트당 2개의 구성 가능한 I/O 핀이 PNP(소싱) 또는 NPN(싱킹) 출력을 지원합니다. 포트 활동을 나타내는 LED가 각 측면에 배치되어 있어 유연하게 실장할 수 있습니다. 이 허브는 선택한 포트 입력 또는 출력 이산 소자 신호를 PLC 또는 호스트 연결로 라우팅할 수 있는 호스트 미러링도 지원합니다.

이 허브의 정격 작동 전압은 18V DC ~ 30V DC이며 최대 전류 소모량은 400mA입니다. 포트당 최대 500mA의 통과 전류를 공급할 수 있으며 역극성 및 과도 전력으로부터 보호됩니다.

견고한 니켈 도금 황동과 PVC 본체로 포장된 이 허브는 실내 전용으로 IP65, IP67, IP68 등급을 획득했습니다.

아날로그 신호는 자동화 이전의 사양이지만 여전히 많은 센서가 아날로그 신호를 출력으로 사용하고 있으므로 Modbus 또는 IO-Link 프로토콜로 변환해야 합니다. Banner Engineering R45C-2K-MQ 2포트 컨버터는 두 아날로그 신호를 전압 또는 전류로 판독하여 Modbus 프로토콜로 출력합니다. 아날로그 입력은 2개의 M12 암 커넥터를 통해 이루어지며, 출력은 5핀 M12 수 커넥터를 통해 이루어집니다. LED는 입력 및 출력 상태를 나타냅니다. R45C-2K-MQ는 24볼트에서 최대 4A의 전류를 소모하는 18V DC ~ 30V DC 전원으로 구동됩니다. 이 컨버터는 -40°C ~ +70°C의 온도 범위에서 작동하며 실내 전용으로 IP65, IP67, IP68의 환경 등급을 받았습니다.

데이터 컨버터는 마스터 컨트롤러에서 디지털 명령을 받아 공압 액추에이터, 솔레노이드 또는 모터 스타터와 같은 장치에 아날로그 전압을 출력할 수도 있습니다. 컨버터를 제어 장치 근처에 배치하여 아날로그 신호 손실과 전자기 장해를 최소화할 수 있습니다. 자동화 설계자는 Banner Engineering R45C-K-UQ 컨버터(그림 5)를 사용하여 IO-Link 마스터에서 숫자 아날로그 값을 전송하여 아날로그 전압 또는 전류 값을 출력할 수 있습니다. 컨버터의 출력 전압 범위는 0V ~ 11V, 출력 전류 범위는 0mA ~ 24mA입니다.

그림 5: IO-Link-아날로그 출력 컨버터는 IO-Link 마스터에 의해 제어되는 전류 또는 전압 출력을 생성합니다. (이미지 출처: Banner Engineering)

다른 Banner Engineering 원격 I/O 장치와 마찬가지로 이 장치도 IP65, IP67, IP68 환경 등급이며, 작동 온도 범위는 -40°C ~ +70°C입니다. 18V DC ~ 30V DC 전원에서 50mA만 소모하며 통과 전력은 최대 4A입니다. IO-Link 마스터에 연결할 때는 기존의 4핀 M12 수 커넥터를 사용합니다. 아날로그 출력에서는 4핀 암 M12 커넥터를 사용합니다.

결론

Banner Engineering 원격 I/O 블록은 자동화 설계자의 제어 시스템 배포 최적화 작업을 지원합니다. 다중 프로토콜을 지원하여 전선 개수와 설치 비용이 절감되며, 기판 실장 프로그래밍 기능은 유연한 설계와 손쉬운 시스템 통합을 지원합니다.