[TECH REPORT] 공장 보정 후 출고되고 원격 설정이 가능한 IO 모듈

[아나로그디바이스=션 롱 디렉터, 콘라드 쇼이어 선임 수석 MTS] 오늘날 산업용 네트워크는 공장의 센서들을 실시간, 원격으로 모니터링 및 설정할 수 있게 해주는 첨단 프로토콜을 지원하기 때문에 생산 중단을 크게 줄일 수 있다. 하지만 배선함에서 센서와 액추에이터들을 프로세스 컨트롤러에 연결하는 것은 여전히 많은 수작업을 필요로 하고 때로는 귀찮은 작업일 수 있다.

예를 들어 디지털 출력(DO) 전압으로 구동되던 밸브를 프로세스 변경 때문에 4~20mA 아날로그 출력(AO) 전류를 사용하는 것으로 바꿔야 한다면 기술자가 배선함으로 가서 배선을 다른 IO 모듈에 연결하거나 또는(랙 유형 모듈을 사용하는 경우) IO 카드를 교체하거나 해서 이 밸브 연결을 DO 채널에서 AO 채널로 물리적으로 옮겨야 한다. 디지털 입력(DI) 센서를 아날로그 입력(AI)으로 변경할 때도 마찬가지다.

비록 엔지니어가 새로운 프로세스의 시운전 단계에서는 충분한 채널(일부 이중화 허용)을 지원하는 IO 모듈을 선택했더라도 시간이 지나면서 센서와 액추에이터가 점점 더 추가되면 나중에는 사용 가능한 예비 채널이 줄어들어 추가적인 변경 사항을 수용할 수 있는 특정 유형의 채널이 부족해지는 불편한 상황이 발생할 수가 있다.

어떤 채널도 더이상 사용할 수 없는 상황에서 여분의 DI는 AI 채널이 필요한 기술자에게는 별로 쓸모가 없다. 새로 값비싼 IO 모듈을 추가하는 것은 이미 빽빽한 배선함의 한계 내에서 불가능할 수도 있다. 다양한 유형의 IO 채널들을 주기적으로 재보정해야 하는 요구사항까지 고려하면 수작업 개입 및 그로 인한 생산 중단 시간은 빠르게 늘어나게 된다.

공정 자동화 엔지니어는 기술자가 배선함까지 찾아가지 않고도 모든 신호 유형(아날로그 또는 디지털)에 대해 모든 기능(입력 또는 출력, 전압 또는 전류)을 수행하도록 원격으로 설정(및 보정)할 수 있는 범용 IO 채널을 원한다.

이 글에서는 산업 환경에서 사용되는 센서 및 액추에이터 신호의 주요 기능을 간략히 살펴본 후 공장에서 보정되고 원격으로 설정 가능한 범용 IO 모듈로 가는 길을 명확하게 제시하는 새로운 레퍼런스 디자인을 소개한다.

▶ 디지털 IO

DI 및 DO 신호는 통상 0~24V 범위의 DC 전압이다. DI는 개별 액체 수위를 감지하고 물체를 감지하고 푸시버튼 스위치 상태를 표시하는 것과 같은 용도에 사용된다. DO는 모터와 액추에이터를 구동하고 솔레노이드에 에너지를 공급하는 것과 같은 용도에 사용된다. 이들 신호는 부하를 어떻게 참조하는가에 따라서 하이사이드, 로우사이드, 푸시-풀의 다양한 구성일 수 있으며, 주요한 사양인 구동 전류는 수백 밀리암페어부터 수 암페어까지 이른다.

▶ 아날로그 IO

아날로그 IO 신호는 4~20mA 범위의 전기 전류이거나 통상적으로 0~10V 범위의 DC 전압이다(다만 바이폴라 옵션과 더 넓은 전압 범위를 사용할 수 있다). AI는 거리, 압력, 빛 같은 양을 정밀하게 측정하는 센서로부터 신호를 받고 AO를 사용해 액추에이터의 동작과 위치를 정밀하게 제어할 수 있다.

▶ 온도

산업 환경에서 온도 측정에 주로 사용되는 센서는 크게 두 가지로 서모커플(TC)이나 2-와이어, 3-와이어, 4-와이어 유형의 저항온도감지(RTD) 둘 중 하나를 사용한다. 서모커플은 견고하고 넓은 온도 범위에서 동작하며 RTD보다 상대적으로 저렴하다. RTD는 좀더 안정적이고 더 높은 정확도를 제공하며 선형성이 더 우수하다.

신호 출력 레벨은 사용하는 TC/RTD 유형에 따라 다르며 AI 채널로 연결할 수 있다. 견고성(IEC-61000-4 과도 내성 표준에 따른 적합성으로 나타내는)은 모든 유형의 산업용 IO 인터페이스에 대한 중요한 성능 기준이다.

▶ 범용 IO(UIO) 모듈 레퍼런스 디자인

통합 수준을 높이고자 최근의 IO 모듈은 개별 채널을 입력이나 출력 둘 중 하나로 동작하도록 설정할 수 있지만 아날로그 도메인과 디지털 도메인은 여전히 분리돼 있다. 그런데 <그림 2>는 새로운 유형의 IO 모듈 레퍼런스 디자인의 기능 다이어그램을 보여준다. 이 IO 모듈은 하나의 범용 UIO(Universal IO) 핀을 소프트웨어를 통해 단일 접지 핀(GND)에 대해 AI, AO, DI, DO 중 하나로 동작하도록 설정할 수 있다.

설정 가능한 모드에는 아날로그 전압 입력(0~10V), 아날로그 전류 입력(0~20mA), 아날로그 전압 출력(0~10V), 아날로그 전류 출력(0~20mA)이 포함된다. IEC 61131-2Type 1, 2, 3호환 0~24V 디지털 전압 입력과 푸시-풀/하이사이드 디지털 출력(최대 1.3A의 전류 구동 가능)도 포함된다.

또 RTD를 사용하는 온도 측정을 지원하며 서모커플 측정을 위한 빌트인 냉접점 보상 기능을 제공한다. 산업표준 4웨이 PCB 단자를 사용해 UIO 모드와 함께 2-와이어, 3-와이어, 4-와이어 온도 측정을 지원한다.

이 모듈은 MAX22000을 사용해 AI 및 AO 기능을 구현한다. MAX22000은 소프트웨어 설정 가능 아날로그 입력/출력 IC로서, 전압 또는 전류 모드로 동작할 수 있다. 아날로그 출력 신호는 내부의 18비트 DAC를 사용해 발생하고 24비트 ADC는 고전압 및 저전압 입력 범위의 저잡음 PGA를 사용해서 RTD 측정을 지원한다.

DI 및 DO 기능은 누설이 적은 MAX14914A를 사용해 구현된다. 이 디바이스는 하이사이드/푸시-풀 드라이버로서 DI로 동작하도록 설정할 수도 있다. DIO 기능을 제공하는 것 외에도 MAX14914A는 하이사이드 모드와 푸시-풀 모드로 출력 전류를 모니터링한다. DO 상태에 해당되는 로직 레벨은 MAX22000의 GPIO를 통해서 폴링(poll)할 수 있는데, 이는 안전이 관건인 애플리케이션에서 필요한 기능이다.

▶ 소프트웨어 설정

이 모듈은 많은 마이크로컨트롤러(MCU) 및 FPGA 플랫폼에 널리 사용되는 산업표준 12-웨이 Pmod 커넥터를 사용한다. 간편한 테스트를 위해 이 모듈은 소프트웨어 GUI와 USB2PMB2# 같은 USB-대-SPI 어댑터를 통해 설정할 수 있다. USB2PMB2#은 보드에 대한 물리적인 인터페이스를 제공한다.

GUI는 2개의 탭을 제공한다. Universal IO 탭<그림 3>은 아날로그 또는 디지털, 입력 또는 출력 설정을 선택할 수 있는 드롭다운 메뉴를 제공한다. 선택된 모드에 따라 이 GUI는 현재 선택된 기능을 가능하게 하는 해당 IC에 대한 내부 연결의 간략화한 블록 다이어그램을 표시한다.

Analog Input 탭은 모니터링 용도에 사용할 수 있는 것으로서 UIO 핀에 나타나는 전압 또는 전류 신호를 MAX22005에 의해 측정된 것과 시각적으로 비교할 수 있다. MAX22005는 12채널 24비트 아날로그 입력 디바이스다. 16진 값을 표시하므로 두 ADC 코어 사이에 손쉽게 상관화가 가능하다.

▶ 보정

이 모듈의 가장 큰 장점은 보드 상의 MAX22005를 사용해서 전압 및 전류 보정을 실시할 수 있다는 것이다. MAX22005는 공장 보정이 돼 있는 12채널 아날로그 입력 IC로서 레퍼런스로서 동작하고 UIO 핀에 존재하는 아날로그 신호를 모니터링한다.

이 디바이스는 25℃에서 0.02% FSR 정확도로 공장 보정이 돼 있으며 ±50℃에 대해 0.05%의 FSR 정확도 오차를 나타낸다. GUI 상의 Universal IO 탭에서 ‘Autocal’을 클릭하면 보정이 실시된다. <그림 4>는 UIO 핀과 MAX22005에서 나타나는 아날로그 전압 신호의 FSR 정확도를 보여준다. 둘 다 정밀 계측기에 요구되는 0.02% FSR을 훨씬 능가하며 높은 수준의 상관성을 나타낸다.

전류 측정의 경우 역시 거의 비슷한 정확도를 나타낸다. <그림 5>는 Fluke 724 캘리브레이터를 사용해서 PT100 RTD 센서를 에뮬레이트했을 때의 온도 판독 정확도를 보여준다. 정확도는 -100℃~+300℃ 범위에서 1℃ 이내로서 실온 환경에서 여유 있게 0.02% FSR 안에 든다. 전체 모듈의 총 정확도는 ±50℃ 온도 변화에 대해 최대 0.1% FSR이다.

▶ 전력 최적화

전력 추적 기능은 이 모듈이 발생하는 열의 양을 제한한다. 이는 낮은 대기전류(quiescent current) 특성의 선형 레귤레이터와 고효율 벅 컨버터의 조합을 통해 달성된다. 대기전류가 8µA에 불과한 MAX17651은 DC 입력으로부터 레귤레이트된 24V 전원을 제공하고 MAX17532 및 MAXM17552 벅 컨버터는 여러 아날로그 출력 전원 전압을 발생한다.

이 가운데 하나는 4.2~24V 범위 내에서 사전에 지정된 다섯 가지 값으로 프로그램할 수 있다. 이는 MAX22005의 GPIO 핀을 이용해 외부 FET을 사용하는 피드백 저항을 스위칭하는 방식으로 수행된다. 이 모듈은 정상적인 조건일 때 통상 10mA를 소모하지만 전류 입력 모드나 전류 출력 모드를 선택하면 소모량은 늘어난다. 녹색 LED는 외부 전원이 존재한다는 것을 표시한다.

▶ 견고성

이 모듈은 당장 필드 애플리케이션에 사용할 수 있는 것은 아니지만 IEC 61131-2에서 산업용 장비에 대해서 정의하고 있는 과도내성 요건에 대해서 테스트했을 때 높은 수준의 견고성을 나타냈다.

이 모듈은 42Ω의 총 소스 임피던스로 1.2/50µs 서지의 ±1.0kV까지 견딜 수 있다. 10개의 서지 펄스를 사용해서 서지 테스트(라인-대-라인 및 라인-대-접지)를 실시했을 때 이 모듈은 계속해서 잘 작동하고 어떤 손상도 입지 않았다.

디바이스 IC들의 데이터 및 제어 레지스터가 훼손되지 않았으며 호스트 어댑터를 통한 통신도 중단되지 않았다. 또 이 모듈은 필드 연결 단자 블록에서 테스트를 했을 때 접촉 방전 및 에어갭 방전에 대해 ±4kV 포트-대-접지까지 정전기 방전(ESD)을 견디는 것으로 나타났다. 어떤 손상도 관찰되지 않았으며 호스트 통신 역시 계속해서 잘 작동했다. <그림 6>은 75x20mm의 소형 폼팩터를 나타내는 이 모듈의 전면 모습을 보여준다.

<그림 7>은 각각 단일 기능만을 수행하고 수작업적인 설정과 보정을 필요로 하는 여러 개의 표준 모듈을 사용하는 대신 4가지 기능을 수행할 수 있고 소프트웨어를 통해 원격으로 설정과 보정이 가능한 하나의 범용 IO 모듈(UIO)을 사용하는 것이 유연성과 공간 절약 측면에서 어떤 이점이 있는지를 보여준다.

맺음말

인더스트리 4.0은 적응성과 유연성을 극대화한 산업용 장비를 요구한다. 하지만 IO 인터페이스를 수작업으로 배선 및 보정해야 하는 필요성은 이러한 측면에서 제한 요인이 돼 왔다.

원격으로 설정 가능한 IO 모듈 레퍼런스 디자인인 MAXREFDES185#은 궁극의 유연성과 설정가능성을 제공하는 미래 지향적인 IO 모듈에 대한 확실한 로드맵을 제시한다. 이 레퍼런스 디자인과 여기에 탑재된 IC들은 IO 모듈만이 아니라 PLC와 DCS 시스템, 스마트 센서와 액추에이터 같은 애플리케이션에도 적용할 수 있다.

Pmod는 Digilent Inc.의 상표다.

저자 소개
션 롱(Sean Long)은 맥심 인터그레이티드(현재 아나로그디바이스)의 산업 및 헬스케어 사업부 애플리케이션 담당 선임 디렉터로 2012년 5월에 맥심에 입사했으며 영국 버밍엄의 아스톤 대학에서 전기전자공학 학사학위를 취득했다.

콘라트 쇼이어(Konrad Scheuer)는 맥심 인터그레이티드(현재 아나로그디바이스)의 선임 수석 MTS(member of technical staff)로 2003년에 알렌 응용과학 대학교에서 전기공학 학사학위를 취득했다.