지능형 프로세스 자동화를 위한 제조업체 독립적인 IO-Link 인터페이스

인더스트리 4.0은 정보 기술(IT)과 통신 기술을 융합하여 ITC를 형성하는 것입니다. 이는 센서, 액추에이터 및 데이터 처리의 네트워킹을 기반으로 현장 장치 수준까지 엔드투엔드 통신을 지원합니다. 인더스트리 4.0의 비전은 제조업의 모든 기능, 영역 및 부문에 대한 전체 프로세스를 제어하기 위한 모든 애플리케이션의 디지털화, 자동화 및 네트워킹을 포함하여 경제 활동까지를 포괄합니다. 이러한 변화는 주로 고객의 요구사항이 증가하고 제조 기업이 더욱 빠르고 역동적이며 개별화된 고객의 요구를 충족시킬 수 있어야 한다는 필요성에 의해 주도되고 있습니다. 이를 위해서는 경직된 중앙 집중식 생산 제어 시스템에서 현장 장치 수준까지 분산된 인텔리전스로 전환해야 합니다.

생산 공정에 인더스트리 4.0을 도입하는 것은 실시간 운영에서 적응형 제조와 개별 공정의 최적화를 달성하기 위한 것입니다. 재료와 부품은 정의된 생산 및 공정 기술에 따라 독립적으로 선택되어야 하며, "제품이 시스템을 제어한다"는 모토에 따라 실시간으로 적응하고 재조정할 수 있어야 합니다. 더 많은 변종에 대한 빠른 대응, 복잡한 제품의 전환 주기 단축, 동일한 시스템으로 다양한 시리즈 또는 개별 제품 생산, 고객 맞춤형 개별 제품, 경쟁력 있는 비용으로 소규모 및 초소형 시리즈 생산 등을 통해 효율성과 유연성이 향상됩니다.

Industry 4.0은 시스템의 예방적 유지보수 및 서비스 개념에서 벗어나 공장 경계와 위치에 상관없이 예측 가능한 진단 및 원격 유지보수를 지향하고 있습니다. 이를 위해서는 센서나 액추에이터와 같은 연결된 지능형 데이터 소스에 대한 액세스가 필요합니다.

인더스트리 4.0의 한 가지 단점은 표준화가 빈번하게 이루어지지 않고 용어의 정의가 부정확하다는 것입니다. 시스템 간 일관성을 유지하고 글로벌 사용성을 확보하려면 국제 규범과 표준에 기반한 기술, 시스템, 프로세스에 대한 표준화된 프레임워크가 필요합니다. 또한 구조화 원칙, 인터페이스 및 데이터 형식의 근본적인 표준화가 필요합니다.

이전의 네트워킹 및 필드버스 시스템은 주요 PLC 제조업체에서 개발했으며, 시스템별 기술을 지원하고 해당 프로그래밍 및 구성 도구에 최적으로 조정되었습니다. 시장에는 프로피버스/프로피넷(Siemens), 디바이스넷 및 컨트롤넷(로크웰 오토메이션), 모드버스 및 캐노픈(슈나이더 일렉트릭), 인터버스(피닉스 콘택트) 또는 CC-Link(미쓰비시 전기) 등 여러 경쟁 시스템이 존재합니다. 사용되는 PLC 유형에 따라 사용되는 필드버스가 결정됩니다. 케이블 길이, 데이터 비트 수 및 기능 범위에는 상당한 기술적 차이가 있습니다. 진단, 수요 데이터의 비주기적 전송, 알람 처리 및 개별 버스 노드 간의 교차 트래픽과 같은 추가 기능은 모든 필드버스 시스템에서 지원되지 않습니다.

기존 자동화 기술에서 통신은 지금까지 가장 낮은 필드버스 레벨, 즉 센서와 액추에이터에서 끝났습니다(그림 1). 대부분의 경우 통신을 지원하지 않는 모듈이 사용되며, 이는 순수 아날로그 또는 스위칭 입력 및 출력 신호로 제한됩니다. 시중에 판매되는 디지털 인터페이스가 있는 센서와 액추에이터는 표준화되어 있지 않고 통신을 위해 회사별 하드웨어와 소프트웨어를 사용합니다. 센서에 따라 설치하기 위해 제어 시스템에 특수하고 값비싼 모듈을 사용해야 합니다. 다양한 케이블 유형과 핀 할당이 있는 이기종 배선은 높은 설치 비용으로 이어집니다. 아날로그 신호와 디지털 신호의 간섭 내성을 보장하기 위해서는 높은 차폐 조치가 필요합니다. 실제로 신호 전송 중 간섭은 종종 차폐의 결함이나 부적절한 차폐로 인해 발생한다는 사실이 여러 차례 밝혀졌습니다. 또한 다양한 인터페이스와 전송 프로토콜의 네트워킹 및 통합은 복잡하고 오류가 발생하기 쉽습니다. 기계를 변환하거나 장치를 교체 또는 점검할 때는 장치에서 수동으로 파라미터를 설정하거나 별도의 도구를 사용하여 각 센서와 액추에이터에 대해 직접 설정해야 합니다. 이는 시스템의 안전한 작동에 있어 오류와 조작의 주요 원인입니다. 필드 디바이스 레벨에서 상위 레벨로 지속적인 통신이 이루어지지 않기 때문에 센서와 액추에이터의 진단 데이터를 사용할 수 없습니다. 그러나 시스템 내 위치 및 열, 추위, 진동, 먼지, 습기 등 까다로운 산업 생산 조건에서의 사용으로 인해 시스템 다운타임의 원인이 되는 것은 바로 이러한 어셈블리인 경우가 많습니다. 진단 데이터가 없으면 문제 해결 및 수정이 어렵고 시간이 오래 걸리는 경우가 많습니다. 예기치 않은 다운타임을 피하기 위한 예방적 유지보수는 아예 생각조차 할 수 없습니다.

이처럼 다양한 버스 시스템과 표준이 없다는 것은 자동화 기술 개발에 있어 큰 단점입니다. 자동화 제품 제조업체들도 이를 인식해야 했습니다. 따라서 주요 공급업체들은 센서와 액추에이터의 통신을 위해 일반적으로 유효하고 전 세계적으로 표준화된 I/O 인터페이스 기술을 개발하기 위해 컨소시엄을 구성했습니다. 그 결과, 비용 효율적인 지점 간 연결을 통해 스위칭 장치와 센서를 제어 레벨에 표준화되고 필드버스 독립적이며 제조업체 독립적으로 연결할 수 있는 IO-Link 개념이 탄생했습니다. 이 통신 표준은 IEC 61131-9 표준에 정의되어 있습니다. IO-Link 장치는 현장 장치 수준에서 최고 자동화 수준까지 투명하고 지속적인 통신을 제공합니다(그림 2). 개방형 인터페이스인 IO-Link는 모든 일반 필드버스 및 자동화 시스템에 통합할 수 있습니다. IO-Link를 사용하면 아날로그, 스위칭 및 디지털 신호를 병렬로 사용하던 이전 방식 대신 궁극적으로 디지털 전송만 사용하게 됩니다. IO-Link는 액추에이터/센서 레벨까지 중앙 고장 진단 및 로컬라이제이션의 가능성을 제공합니다. 시스템 제어에서 센서의 동적 파라미터화가 가능하기 때문에 필드 디바이스는 작동 중에 각 생산 요건에 맞게 조정할 수 있습니다. 따라서 IO-Link 인터페이스가 있는 필드 디바이스는 인더스트리 4.0 구현을 위한 기반을 형성합니다.

IO-Link 인터페이스는 자동화 기술의 USB 인터페이스라고 불릴 만합니다. 두 인터페이스 모두 신호 전송을 위한 비용 효율적인 직렬 지점 간 연결이며 플러그 앤 플레이 작동에 적합합니다. 주요 특징은 나사식 플러그 연결이 가능한 표준화된 케이블을 사용하여 매우 간단하게 배선할 수 있다는 것입니다. 이 커넥터 솔루션은 단자 스트립을 제거하여 배선 시간을 크게 절약할 수 있을 뿐만 아니라 부정확하고 부적절한 연결로 인한 오류의 원인을 방지합니다. 아날로그 신호 전송, 스위칭 접점 및 외부 파라미터화를 위한 별도의 멀티핀 플러그 케이블을 제거하면 각 장치를 중앙 주변 장치에 별도로 연결할 필요가 없으므로 배선 작업은 물론 제어 캐비닛에 필요한 공간도 줄어듭니다. 제조업체 독립적인 표준화를 통해 센서 및 IO 모듈의 다양한 인터페이스와 다양한 연결 케이블을 줄일 수 있습니다.

IO-Link 인터페이스가 있는 센서는 신뢰할 수 있는 진단 옵션을 제공합니다. 진단 메시지, 특히 예방적 상태 메시지는 설명과 함께 전달되어 HMI(휴먼 머신 인터페이스)에 표시될 수 있습니다. 이를 통해 센서 고장, 광학 센서의 오염, 허용되지 않는 작동 온도, 전선 파손 또는 단락이 발생할 경우 신속하게 대응하고 가동 중단 시간이 길어지는 것을 방지할 수 있습니다.

그러나 센서를 교체해야 하는 경우, 지금까지 오류의 주요 원인은 올바른 파라미터 설정 또는 잘못된 센서의 사용이었습니다. IO-Link 장치를 사용하면 파라미터가 IO-Link 마스터에 저장됩니다. IO-Link를 사용하면 고유 일련 번호, 공급업체 및 장치 ID로 장치를 식별할 수 있으므로 장치가 혼동되는 것을 방지할 수 있습니다. 디바이스가 교체되면 파라미터도 자동으로 센서로 전송됩니다. 따라서 잘못된 작동이나 조작을 방지할 수 있습니다. 또한 파라미터 변경 사항을 문서화하여 나중에 추적할 수 있습니다.

IO-Link 데이터 전송은 24V 신호를 기반으로 하므로 전자기 간섭에 특히 민감하지 않습니다. 신호 전송은 순수 디지털 방식으로 이루어지며 체크섬을 통해 보안이 유지되므로 아날로그 신호와 마찬가지로 신호 변환으로 인한 전송 오류 및 부정확성을 배제할 수 있습니다. 일반적으로 차폐 케이블과 별도의 접지 조치는 필요하지 않습니다.

IO-Link 시스템은 프로피넷, 이더넷/IP와 같은 상위 통신 시스템과 IO-Link 장치 사이의 게이트웨이 역할을 하는 IO-Link 마스터로 구성됩니다. IO-Link 장치는 센서, 스위칭 장치, 밸브 또는 신호등과 같은 통신이 가능한 필드 장치입니다.

IO-Link를 통한 데이터 전송은 항상 IO-Link 마스터와 슬레이브로서 IO-Link 장치 간에 수행됩니다. 필드버스 인터페이스 모듈과 PLC 인터페이스 모듈 모두 IO-Link 마스터로 사용할 수 있습니다. 스위칭 장치는 이전과 같이 스위칭 입력 또는 스위칭 출력으로 작동하거나 스위칭 상태를 IO-Link 모드에서 디지털 방식으로 전송할 수 있습니다. 두 신호가 동일한 핀 4를 통해 전송되므로 병렬 작동은 불가능합니다. IO-Link 시스템에서는 필요에 따라 IO-Link가 있는 구성 요소와 없는 구성 요소를 결합하여 병렬로 작동할 수 있습니다. IO-Link를 지원하지 않는 표준 장치는 특수 표준 IO 포트 또는 마스터의 호환 가능한 IO-Link 포트를 통해 연결할 수 있습니다. 따라서 바이너리 또는 아날로그 센서는 마스터를 통해 필드버스 레벨에 연결할 수 있습니다. IO-Link 포트의 하위 호환성은 IO-Link 인터페이스 모듈을 통해 두 가지 작동 모드, 즉 IO-Link 모드와 표준 IO 모드(SIO)를 통해 보장됩니다. IO-Link 센서는 바이너리 장치처럼 작동할 수 있습니다. 즉, IO-Link 스위치 센서를 기존 자동화 솔루션에도 통합할 수 있습니다. 초기화하는 동안 IO-Link 마스터가 자동으로 통신을 설정합니다. 표준 센서와 IO-Link 센서의 혼합 작동은 IO-Link 표준에 의해 지원됩니다.

IO-Link를 사용하면 스위칭 신호용 라인이 직렬 통신에도 사용됩니다. 기술적으로는 데이터가 연속적으로 송수신되는 반이중 인터페이스입니다. M12 커넥터가 표준으로 사용됩니다. IO-Link 마스터까지의 최대 케이블 길이는 20미터입니다.

IO-Link 인터페이스 사양을 위한 초기 컨셉 단계에서는 스위칭 센서와 액추에이터에 초점을 맞추었습니다. 그 동안 IO-Link 인터페이스의 사용이 측정 장치에도 적합하다는 것이 인식되었습니다. 점점 더 많은 센서 제조업체들이 이미 다양한 물리적 측정 변수를 위한 장치를 제공하고 있습니다. IO-Link 사양에서는 포트 클래스 A 핀 할당에 따라 1, 3, 4번 핀만 영구적으로 정의되어 있습니다. 전류 요구 사항이 증가할 경우 추가 전원 공급에 사용되는 핀 2와 5는 아날로그 출력 0/4-20mA 또는 측정 장치의 두 번째 스위칭 출력에 대체로 사용할 수 있습니다(그림 3).

사용자가 아날로그 출력을 완전히 없애고 싶지 않다면 아날로그 출력, 스위칭 출력 및 디지털 인터페이스의 병렬 작동은 외부 파라미터화, 고장 메시지 평가 및 진단 신호 기능에 대한 흥미로운 가능성을 제공합니다. 나중에 제어 시스템을 순수 디지털 측정값 전송으로 전환하는 경우, 제어 소프트웨어의 구성을 변경하는 데 드는 노력은 제한적입니다. 비접촉식 온도 측정을 위한 적외선 온도계와 같은 측정 장치는 피코암페어 범위의 가장 작은 신호를 처리해야 합니다. 이를 위해서는 차폐 케이블 사용과 같은 외부 조치뿐만 아니라 높은 수준의 내부 간섭 내성 조치가 필요합니다. IO-Link 컨소시엄은 디지털 신호가 간섭을 받지 않기 때문에 IO-Link 장치를 연결하는 데 차폐 케이블이 필요하지 않다는 사실을 홍보하고 있습니다. 계측 기기용 IO-Link 인터페이스의 도입으로 특정 제한은 불가피합니다. 시장에서는 이미 이에 대응하여 차폐 기능이 있는 조립식 케이블을 제공하고 있습니다.

IO-Link 통신은 주기적 및 비주기적 데이터의 전송을 지원합니다. 프로세스 데이터와 프로세스 데이터의 유효성에 대한 상태 정보는 주기적으로 전송됩니다. 식별 데이터, 파라미터 및 진단 정보와 같은 장치 데이터는 IO-Link 마스터의 요청에 따라 비주기적으로 교환됩니다. 또한 오류 메시지(단락, 중단) 또는 경고 메시지(오염, 과열)와 같은 이벤트는 장치에서 마스터로 신호를 보냅니다.

장치 프로파일은 제어 시스템의 사용자 프로그램에서 장치에 대한 액세스를 표준화하기 위해 IO-Link에 대해 정의됩니다. 데이터 구조, 데이터 내용 및 기본 기능은 이 프로파일에 정의됩니다. 이를 통해 컨트롤러에 대한 동일한 프로그램 액세스를 보장합니다. "스마트 센서 프로파일" 장치 프로파일은 IO-Link에 대해 정의됩니다.

IO-Link 장치의 일부는 IODD(IO 장치 설명), 즉 장치 설명 파일입니다. IODD의 구조는 모든 제조업체의 모든 장치에 대해 동일합니다. 따라서 제조업체에 관계없이 모든 IO-Link 장치에 대해 동일한 처리가 보장됩니다. 여기에는 식별을 위한 모든 정보와 설명 텍스트, 값 범위가 포함된 장치 매개변수, 오류 메시지, 프로세스 및 진단 데이터, 통신 속성이 포함되어 있습니다(그림 4). 텍스트는 여러 언어로 저장할 수 있습니다. 연결된 장치의 포트는 IO-Link 마스터에서 할당됩니다(그림 5). IO-Link 마스터는 일반적으로 필드버스 슬레이브로서 제어 시스템에 연결됩니다.

파라미터화 및 진단은 기계 제어 장치의 기능 블록에 의해 자동으로 수행됩니다. 파라미터화 과정에서 기능 모듈은 먼저 IO-Link를 통해 연결된 장치의 식별 파라미터를 쿼리합니다. 그런 다음 데이터베이스 비교를 통해 해당 센서가 기계에 적합한지 여부를 확인합니다. 이 경우, 기능 모듈은 데이터베이스에서 센서와 관련된 구성 매개변수도 찾습니다. 필요한 경우, 이러한 매개변수는 IO-Link를 통해 각 센서에 자동으로 기록됩니다. 예를 들어 방사율, 스위칭 접점의 스위칭 포인트 및 기능, 아날로그 출력의 스케일링 및 최대값 메모리를 고온계에 대해 파라미터화할 수 있습니다(그림 6)(
).

명령 기능으로 온도 시뮬레이션, 자체 테스트 및 공장 설정으로 재설정도 가능합니다(그림 7). 무엇보다도 진단 기능을 사용하여 하드웨어 또는 소프트웨어의 오류, 유지보수 요청 또는 사양을 벗어난 장치 작동을 분석할 수 있습니다. 또한 제어 시스템에 통합하면 원격 유지보수를 위해 센서에 액세스할 수 있습니다.

IO-Link 장치의 사용자별 파라미터화는 USB IO-Link 마스터가 있는 PC를 통해, PLC 제어 시스템의 소프트웨어 도구를 통해 또는 시스템 제어 시스템의 기능 블록으로 프로그램 제어하는 세 가지 방법으로 외부에서 수행할 수 있습니다.

오래된 커미셔닝 엔지니어라면 예전에는 전류 측정 장치를 사용하여 아날로그 센서를 확인하는 것이 훨씬 쉬웠다고 주장할 것입니다. 장치의 버튼이나 스위치를 사용하여 파라미터를 설정할 수 있었기 때문입니다. 그러나 디지털 통신의 다른 장점들을 포기해야 한다면, 생산 비용 최적화를 위한 오늘날의 국제 경쟁에서 이것이 여전히 결정적인 구매 요인이 될 수 있는지에 대한 의문이 생깁니다.

이 서비스를 위해 IO-Link USB 마스터가 제공됩니다(그림 8). 이를 통해 USB 인터페이스를 사용하는 PC를 통해 IO-Link 장치를 작동할 수 있습니다. 특수 IO-Link 어댑터를 공급 라인에 연결하면 유선 또는 블루투스를 통해 무선으로 피드백 없이 데이터에 액세스하고 기록할 수 있습니다. 장치 매개변수를 복제하는 데에도 어댑터를 사용할 수 있습니다.

순수 디지털 신호 통신으로의 전환이 얼마나 빨리 이루어질지는 예측할 수 없으며, 기계의 자동화 정도, 산업 및 애플리케이션에 따라 크게 달라집니다. IO-Link 인터페이스와 아날로그 출력을 갖춘 최신 센서는 추가 비용 없이 제공되는 경우가 많으므로 시스템을 교체하거나 확장할 때 또는 신규 시스템에서도 이러한 장치를 미리 사용하는 것이 좋습니다. 이렇게 하면 나중에 센서 및 배선을 위한 변환 비용 없이 매우 간단하게 전환할 수 있습니다.

현재 3000개 이상의 IO-Link 제품을 사용할 수 있습니다. 현재 16개의 필드버스 시스템에서 IO-Link 마스터를 사용할 수 있습니다. 또한 8개의 제어 시스템 제조업체가 이미 중앙 집중식 마스터를 제공하고 있습니다. 또한 신호등, 밸브, 파워 컨택터 또는 주파수 변환기와 같은 액추에이터뿐만 아니라 물체 인식 또는 위치 감지를 위한 다양한 측정 변수용 센서 제조업체도 다수 있습니다. 현재 다양한 회사에서 디바이스 설계 및 기술 지원을 위한 기술도 제공하고 있습니다. 인증 요건과 공인 테스트 도구의 사용은 시중에 판매되는 모든 제품이 IO-Link 표준을 충족하도록 보장합니다.