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IO-Link 소개 ①

글/맥심 인티그레이티드 기술부

‘전통적인’ 센서-조정 및 설정 진단 방법

오랫동안 센서에는 탐지하는 요소와 탐지한 데이터를 컨트롤러로 전송하는 방법이 포함되어 있었다. 데이터는 아날로그 형태로 전송되는 경우가 많고 단방향적이다(센서에서 마스터로만 그림 1). 이로 인해 디지털을 아날로그로, 아날로그를 디지털로 변환하는 등 추가적인 단계가 필요하고 추가 비용과 공간이 요구되며 노이즈에 민감해진다. 이러한 센서들도 잘 구동되지만 기술이 진보함에 따라 센서 제조 업체들은 더 많은 기능들을 센서에 통합함으로써 바이너리 센서의 도입과 관련된 문제들을 해결하고 있다.
하지만 데이터가 여전히 센서에서 마스터까지 단방향으로 통신하는 제약이 있기 때문에 에러를 제어하는 데 한계가 있었으며 수작업으로 교정하기 위해 공장에 기술자를 파견해야만 한다. 제조 업체들은 인더스트리 4.0과 스마트 센서 재구성이 가능한 작업 현장에 대한 요구 사항에 대처하기 위해 더욱 향상된 솔루션을 갖춰야 한다. 이를 위해 등장한 솔루션이 IO-Link이다.

[그림 1] 아날로그 바이너리 센서의 진화

소형 바이너리 센서 드라이버

바이너리 센서는 온(on)과 오프(off) 두 가지 상태만을 갖고 있다. 바이너리 센서의 대표 사례는 압력 스위치, 온도 스위치, 포토센서, 근접 센서, 푸시 버튼 등이다. MAX14838/MAX14839(그림 2)와 같은 바이너리 센서 출력 드라이버는 산업용 센서로 사용되기에 최적화된 24V/100mA 드라이버이다. 이 디바이스들은 컨피규레이션이 가능하거나 핀 선택이 가능한 PNP/NPN/푸시-풀 드라이버와 센서 전력 요구 사항에 맞는 선형 레귤레이터를 내장하고 있으며, 센서(또는 센서 MCU)와 PLC의 디지털 입력(DI) 모듈 사이를 인터페이스 해준다.
광범위한 물리적 센서 유형을 지원할 정도로 유연성을 제공하기 위해 논리적인 입력으로 출력 드라이버를 PNP/NPN/푸시-풀 운영으로 구성할 수 있다. 사용자들은 추가 입력으로 normally open/closed 선택을 할 수 있다.
MAX14838/MAX14839은 고도로 통합된 제품으로 역극성 보호와 온보드 LDO, LED 드라이버가 통합되어 있기 때문에 작은 공간의 견고한 센서 솔루션에 이상적이다.

[그림 2] 24V - 핀 설정이 가능한 산업용 센서 출력 드라이버

IO-Link:개방형의 저렴한 센서 인터페이스

IO-Link는 산업용 시스템의 센서와 액츄에이터가 컨트롤러와 어떻게 연동해야 하는지에 대해 규정하고 있는 업계 표준 기술(IEC 61131-9)이다. IO-Link는 하드웨어 인터페이스와 IO-Link 제품을 위한 커뮤니케이션 프로토콜의 표준화를 목표로 IO-Link 컨소시엄을 발족한 41개의 센서 및 액츄에이터 제조 업체들로 구성되어 2008년에 설립되었다. 현재 반도체 및 소프트웨어 회사를 포함해 100개 이상의 기업들이 컨소시엄에 합류하고 있다. 맥심 인터그레이티드는 2009년부터 IO-Link 컨소시엄의 회원사로 참여하고 있다.
IO-Link는 표준 커넥터와 케이블 프로토콜 기반의 포인트 투 포인트 커뮤니케이션 링크이다. IO-Link 시스템은 업계 표준의 3와이어 센서와 액츄에이터 인프라에서 연동하도록 개발되었으며 IO-Link 마스터와 IO-Link 디바이스제품들로 구성되어 있다(그림 3).

[그림 3] IO-Link 마스터 디바이스 인터페이스

IO-Link 노드

센서 기업들이 과거의 아날로그 또는 바이너리 센서에서 IO-Link 기반의 스마트 센서로 이동하면서 IO-Link 노드의 설치 대수가 비약적으로 증가하고 이를 통해 미래에는 인더스트리 4.0이 목표하는 유연한 생산이 실현될 것으로 기대된다(그림 4).

[그림 4] 노드 수의 증가 추세

IO-Link 시스템

IO-Link 마스터(멀티포트 컨트롤러 또는 게이트웨이)와 IO-Link 디바이스(센서 또는 액츄에이터) 사이의 포인트 투 포인트 연결은 표준 커넥터(보통 M12)와 최대 길이 20미터인 3 또는 4와이어 케이블을 사용한다. 마스터는 여러 개의 포트(일반적으로 4개나 8개)를 가질 수 있다. 마스터의 각 포트는 각각의 IO-Link 디바이스와 연결되며 기존 SIO 모드나 양방향 통신 모드에서 구동 가능하다. IO-Link는 필드버스(fieldbus)나 산업용 이더넷과 같은 업계 아키텍처와 연동되며 기존의 PLC나 HMI에 연결될 수 있기 때문에 기술을 신속하게 도입할 수 있다(그림 5).
IO-Link에 대한 더 상세한 사항은 www.io-link.com에서 2013년 7월에 발표한 IO-Link Interface and System Specification Version 1.1.2을 참고하면 된다.

[그림 5] 기존의 업계 프로토콜과 IO-Link의 호환성

IEC-61131-9의 SDCI로 표준화된 IO-Link 인터페이스

IO-Link는 IEC-61131-9로 표준화되어 있는 SDCI(Single-Drop Communication Interface)를 위한 표준이며 바이너리 센서 IEC 60974-5-2와의 이전 버전에 대한 호환성을 제공한다(그림 6과 표 1). IO-Link 센서는 바이너리 센서의 최고 성능에 양방향 데이터 기능을 추가했다. IO-Link 마스터는 바이너리 센서와 IO-Link 센서 모두와 인터페이스할 수 있어 기존 시스템에 IO-Link를 손쉽게 추가할 수 있다. IO-Link 표준은 산업용 시스템에 흔한 표준 커넥터를 사용해 비쉴딩 케이블로 20미터 이내에서 통신이 이루어져야 한다고 규정하고 있다. M8과 M12 커넥터가 가장 많이 사용되고 있는 제품들이다. 통신은 포인트 투 포인트이며 3와이어 인터페이스(L+, C/Q, L-)가 필요하다. 마스터와 슬레이브(slave) 디바이스 사이의 통신은 세 가지 전송 속도(COM1 4800 baud, COM2 38.4k baud, COM3 230.4k baud)로 반이중(half-duplex)으로 이루어진다.

[그림 6] IO-Link 핀 정의

[표 1] IO-Link 핀 정의

IO-Link 시스템의 전원 공급 범위는 마스터의 경우 20V~30V이며, 디바이스(센서나 액츄에이터)의 경우 18V~30V로, L+에서 최대 200mA의 전류를 보내줄 수 있다. IO-Link 디바이스는 L+가 18V 임계 값을 넘은 후 300ms 내에서 동작해야 한다.
두 통신 모드는 표준 I/O(SIO)와 SDCI이다. SIO 모드에서 현장의 기존 센서와 이전 버전에 대한 호환성이 보장되며 시그널 OFF나 ON일 경우 0V 또는 24V를 사용해 IO-Link 마스터와 통신한다. IO-Link 모드에서 통신은 세 가지 데이터 속도 중 하나에서 양방향으로 이루어진다. IO-Link는 한 가지 데이터 속도만을 지원하지만 IO-Link 마스터는 세 가지 데이터 속도 모두를 지원해야 한다. CQ와 L- 사이에 로직 ‘0’이 24V이며, CQ와 L- 사이에 로직 ‘1’이 0V인 C/Q 라인의 NRZ(Nonreturn-to-Zero)를 사용해 24V 펄스로 이루어진다. IO-Link 모드에서 핀 2는 디지털 입력으로 DI 모드에 있을 수 있으며, 디지털 출력으로 DO 모드에 있거나 연결되지 않을 수도 있다(NC).

물리 계층의 IO-Link에 표준화된 커넥터

IEC 61131-9에 정의된 대로 표준화된 커넥터와 케이블이 사용된다. 포트 클래스 A커넥터는 4 와이어 구성으로 3개의 기본 접속 와이어와 DI 또는 DO로 사용될 수 있는 4번째 와이어로 구성된다. 포트 클래스 B는 독립적인 24V 공급 장치로부터 추가로 전원 공급을 요구하는 디바이스를 위해 5개의 와이어로 연결할 수 있다(그림 7과 표 2).

[그림 7] 대체 가능한 IO-Link 커넥터

[표 2] 대체 가능한 IO-Link 핀 정의

물리 계층 전기 규격

IO-Link 시스템의 전원 공급 범위는 마스터의 경우 20V에서 30V까지이며 디바이스(센서나 엑츄에이터)의 경우 18V에서 30V까지이다. 중요한 관련 규격(표 3)은 다음을 포함하고 있다:
• 13V 이상 상승 시 ‘로직 하이(logic high)’
• 8V 이하 하강 시 ‘로직 로우(logic low)’
높은 탐지 시간과 낮은 탐지 시간(타이밍 다이어그램에서 tH와 tL)은 1/16 비트(최소)이다. tND는 노이즈 억제 지속 기간이다(tND는 1/16비트 미만이어야 한다)(그림 8a와 8b).

[표 3] IO-Link 신호 전기 규격

[그림 8a] IO-Link 신호의 전기 임계값

[그림 8b] IO-Link 신호의 전기적 특징

비고: (a) = 탐지 없음 “L”, 그리고 (b) = 탐지 없음 “H”
통신은 11비트(=1 start bit+8 date bits +1 parity bit +1 stop bit)로 구성된 UART 프레임을 사용한다. 지속 기간은 디바이스에 따른 전송 속도로 규정한다.

자동화 계층의 IO-Link

IO-Link 바이스는 IO-Link 마스터의 포트에 포인트 투 포인트 연결되기 때문에 필드버스가 아니다. IO-Link는 필드버스나 다른 형태의 백플레인을 사용해 통신을 설정하는 게이트웨이 역할을 해야 하므로 IO-Link 디바이스가 필드버스 I/O 노드가 될 수 있게 해준다(그림 9).
시스템의 IO-Link는 유지 보수를 줄여주고 가동률을 높여주며 수동 작업의 센서 설치를 ‘플러그 앤드 플레이’ 형태로 혁신시켜준다. 파라미터 설정은 디바이스 설치 또는 재구성을 위해 컨트롤러에서 다운로드할 수 있다. 즉, 초기 설치를 위해 기술자가 더 이상 필요하지 않으며 디바이스를 재구성할 때 다운시간이 줄어든다는 것을 뜻한다.
IO-Link를 통해 지속적인 진단, 데이터 로깅 및 에러 탐지가 향상되어 운영 비용을 더욱 절감할 수 있다. 일반적으로 사용되는 커넥터와 케이블은 다이렉트 바이너리 센서 업그레이드와 더불어 표준화된 설치를 가능하게 해준다. IO-Link센서가 조정 가능한 구성(예를 들면, 진행 중에 변경될 수 있는 PNP, NPN 또는 push-pull 출력)을 보유하고 있기 때문에 벤더가 지원해야 하는 센서의 수 역시 줄어든다.

[그림 9] IO-Link 필드버스 연결

IO-Link - 인텔리전트 센서 구현

요약하면 IO-Link는 어떤 네트워크에서건 계층화될 수 있는 포인트 투 포인트 접속이다. I/O 모듈의 핵심인 IO-Link 마스터는 컨트롤 박스 형태 또는 IP 65/67 쉴딩 규격으로 원격 I/O 형태로 현장에서 직접 설치될 수 있다. IO-Link 디바이스는 최대 20m 길이의 액츄에이터 케이블과 표준 센서를 사용해 마스터와 결합된다. 센서나 액츄에이터 또는 두 가지 조합으로 가능한 이 디바이스는 디지털 포맷으로 IO-Link를 통해 직접 전송되는 신호(바이너리 스위칭, 아날로그, 입력, 출력)를 생성 및 소비한다.
IO-Link는 매우 강력하고 유연하기 때문에 PLC 클로저에서 센서가 설치된 작업 환경으로 지능을 이동시킬 수 있다. 예를 들어 C/Q 라인 이외에 핀 2(I/Q)를 DI/DO로 사용할 경우 바이너리 센서를 통해 디지털 입력을 받을 수 있고 임계값을 넘어설 경우 신호를 보내기 위해 DO 출력을 사용할 수 있다. 이 모든 것을 센서 스스로 실행한다.
앞서 언급한 바와 같이 IO-Link는 SIO 바이너리 신호의 이전 버전과의 호환성을 제공한다. IO-Link 기반의 센서를 통해 사용자들은 표준형 디지털 입력 통신을 통해 기존의 PLC와 통신할 수 있다. PLC 모듈은 IO-Link 마스터로 업그레이드 가능하기 때문에 C/Q 라인과 IO-Link를 통해 양방향 통신이 가능하다.

산업용 센서 에코시스템

그림 10은 바이너리 센서 출력 드라이버와 IO-Link 디바이스, IO-Link 마스터가 포함된 산업용 센서 에코시스템을 보여준다.

[그림 10] 산업용 센서 에코시스템

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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