글: 스릭 구라푸(Srik Gurrapu), 산업 자동화 사업부 매니저
텍사스 인스트루먼트(TI) / www.ti.com
제조 라인을 숨쉬게 하는 산업 자동화의 핵심은 저지연(low-latency)과 실시간 네트워크를 통해 PLC(programmable logic controllers)와 HMI(Human-Machine Interface) 시스템이 연결된 새로운 세대의 첨단 지능형 센서이다. 물론, 제조업체들에게 시간은 곧 돈으로 연결된다.
생산물이 일정 수준의 품질 수준을 달성하기만 한다면, 효율적인 생산 라인은 가능한 빨리 가동될 것이다. 빠르고 신뢰할 수 있는 센서는 몇 밀리초 이내에 생산 라인의 상태를 매우 신속하게 모니터링하고, 측정할 수 있어야 한다. 그러고 나면 네트워크는 반드시 아무런 방해 없이 최소 지연 시간으로 이러한 정보를 전달하여야 한다. PROFIBUS?/PROFINET?, 이더넷/IP™, EtherCAT?, POWERLINK, SERCOS? III 등과 같은 산업 통신 프로토콜의 호스트는 필요한 결정적 통신 성능을 달성할 수 있어야 한다. 그리고 PLC와 같은 프로세싱 요소들은 반드시 올바른 작동 과정에 따라 실시간으로 응답을 해야 한다. 그렇지 않으면 생산율이 떨어지고 이윤이 줄어들 것이다(그림 1 참조).
텍사스 인스트루먼트(TI)는 오랜 기간 산업 자동화의 전 분야에 효율적이고 확장 가능한 고성능 기술을 제공해오고 있다. 아날로그와 임베디드 프로세서에 걸쳐 있는 TI의 종합적인 포트폴리오는 고객들이 시스템 레벨의 솔루션을 완전하게 설계할 수 있도록 해준다. 이 백서에서 주요하게 다루는 혁신적이고 고도로 차별화된 TI의 솔루션은 자동화와 생산성을 한층 증대시켜줌과 동시에 산업 통신을 보다 적합하고 접근 가능하게 만들어 준다.
그림 1. HMI + PLC + 센서 + 모터 제어로 구성된 산업 자동화 시스템
산업 자동화 구조
산업 자동화 시스템은 일반적으로 속도, 저지연, 실시간 고속 통신에 의해 서로 연결되는 네 개의 주요 요소들 구성된다. 바로 센서, HMI(Human Machine Interface), PLC, 모터 드라이브이다.
센서
현대의 공장 자동화 시스템은 점점 더 지능형 센서에 의지해 정보와 데이터를 운영해 가고 있다. 과거의 센서는 모니터링 및 측정은 가능했지만 분석은 하지 못했다. 오늘날의 센서는 보다 지능화 되어, 감지되는 것들을 보다 능숙하게 평가하고 실시간으로 이를 수행할 수 있다. 센서는 온도, 움직임, 가시적 물체, 위치, 무게, 가속, 화학적 조성, 가스, 대기 또는 기타 압력의 유형, 액체 흐름, 물리적 세계의 다양한 측면들을 식별하는 것을 포함해 매우 다양한 기능들을 수행한다.
HMI(Human Machine Interface)
인간-기계 인터페이스는 기계를 제어하고 있는 사람과 통신을 하는 유닛 또는 서브시스템이다. 현재의 최첨단 기술이라면, 직관적으로 사용하기 편리하고 학습 곡선(learning curve)이 가파르기 때문에 산업 자동화 시스템의 HMI 대부분에 일반적으로 터치 스크린과 같은 그래픽 디스플레이 서브시스템이 통합되어 있다.
PLC(Programmable Logic Controllers)
일반적으로 PLC는 공장 전체에 분포되어 있는 다양한 센서로부터 입력을 허용하거나 시스템 운영자로부터 입력을 허용하는 프로세서 기반 시스템이거나 마이크로컨트롤러이다. 이러한 두 개의 소스로부터 제공받은 정보를 토대로 PLC는 생산 라인에서 실행되는 프로세스를 제어할 수 있는 조치를 시작한다.
모터 드라이브
모터 드라이브는 PLC의 지시에 물리적으로 응답하는 기계 부품들이다. 예를 들어, 자동차 조립 공장에서 센서는 자동차 본체의 배치와 관련해 PLC에 입력을 제공할 수 있다. PLC는 이러한 정보에 응답을 하며 이러한 경우, 모터 컨트롤 유닛에 지시를 내려 차량에 스팟 용접(spot welding) 작업을 수행하는 로봇 팔을 제어할 수 있다.
산업 자동화 시스템에서 이러한 네 가지 요소들은 센서나 운영자 입력에서 발생하는 PLC의 일부에 신속하게 응답을 할 수 있도록 고속, 저지연 네트워크로 통합 구성된다. 전체적으로 오늘날의 산업 자동화 시스템은 고속 프로세스를 정확하게 제어할 수 있는 고도로 정밀한 실시간 확정적 시스템이다.
향후 과제
앞으로 산업 자동화가 직면하게 될 기본적인 과제는 과거에 극복했던 과제들과 유사하다. 보다 나은 결과를 얻으려면 제어 시스템의 실시간 응답성, 신뢰도, 정확도, 정밀도, 전반적인 정교함을 반드시 지속적으로 향상시켜 나가야 한다. 이러한 과제들을 충족시키려면 무엇보다 네트워킹과 다른 커넥티비티 기술들을 지속적으로 개발해야 한다.
산업 자동화 시장에는 현재 공장들에 배치할 수 있는 120여 가지 이상의 직렬 통신 표준과 25개 이상의 이더넷 기반 프로토콜이 존재한다. 문제는 솔루션의 부족이 아니라 오히려 그것들의 중복성과 그것들이 어떻게 배치되었는지에 있다.
PROFIBUS/PROFINET, EtherCAT, 이더넷/IP 등과 같이 인기 있는 산업용 통신 프로토콜은 각각 한 곳 이상의 센서, PLC, HMI, 모터 드라이버 공급자들이 후원을 하고 있다. 몇몇 벤더들의 요소들로 산업 자동화 시스템을 구현하려면 서로 다른 벤더들이 지원하는 몇 개의 통신 프로토콜이 필요할 수 있다. 이로 인해 전체 시스템의 복잡성이 더해지며, 비용이 증가될 것이다. 예를 들어, 오늘날 다수의 자동화 시스템은 일반적으로 통신 프로토콜 프로세스 전용인 FPGA(Field Programmable Gate Array)나 ASIC(Application-specific Integrated Circuit)과 같은 여타의 디스크리트 소자(discrete component)와 애플리케이션을 실행할 수 있는 CPU로 구성된다. 이는 통신 프로토콜에 의해 "슬레이브(slave)" 디바이스로 취급되는 자동화 요소들의 경우 특히 그러하다.
대부분의 산업 자동화 통신 프로토콜은 계층 종속 아키텍처(hierarchical master/slave architecture) 를 채택하고 있다. 마스터 디바이스는 전형적으로 PLC이거나 지능형 제어 유닛이다. 슬레이브 디바이스는 일반적으로 작동이나 제어 프로세스를 시작하지 않는 센서와 모터 드라이버이다. 자동화 시스템의 기본 네트워크에 필요한 고속 저지연 통신을 달성하기 위해 이러한 다수의 프로토콜들은 이러한 슬레이브 디바이스와 관련해 MAC(Media Access) 레이어의 기능을 강화해 왔다. 이로 인해 슬레이브 디바이스에 프로토콜 프로세스에 대한 국소적인 부담이 크게 부가되어 분포되어 있는 슬레이브 디바이스에 프로토콜 프로세스 전용 ASIC이나나 FPGA를 배치하게 된다.
산업 자동화 시스템에는 마스터 디바이스보다 슬레이브 디바이스가 더 많기 때문에 이로 인해 전반적인 시스템 비용이 대단히 증가하게 된다.
그림 2. Sitara ARM AM335x 프로세서 블록 다이어그램
*15×15 패키지에서는 1GHz만 이용 가능하다.
13×13는 600MHz에 적합하게 설계되었다.
**TSC를 이용하면 이용 가능한 ADC 채널이 제한될 것이다.
SED: 단일 오류 검출/패리티(single error detection/panity) •HW(아날로그 & 프로세서) + SW(통신 & 애플리케이션)
TI와 과제 해결
산업 자동화가 직면하고 있는 과제를 해결하려면 통신을 간소화하고 연결하는 첨단 기술이 필요하다.
TI는 산업 자동화 시스템 마케터들에게 임베디드 프로세서와 센서, 소프트웨어 빌딩 블록, 지원 툴을 위한 일체의 솔루션을 제공하고 있다. 이러한 기술은 반드시 PLC, HMI, 센서, 모터 드라이브와 같은 그러한 시스템들에 있는 주요 요소들의 요건에 부합할 수 있도록 쉽고 비용 효율적으로 확장되어야 하며, 슬레이브 디바이스와 마스터 디바이스의 계층 수준 요건을 지원하여야 한다. TI는 또한 언제나 고유한 공장 자동화 시스템의 배치를 단순화할 효율적인 지원 솔루션을 제공하는 데에도 중점을 두고 있다.
산업 자동화 애플리케이션에서 TI 접근법은 Sitara ARM 기반 프로세서의 입증된 트랙 기록을 통해 검증되었다. Sitara AM18x ARM9[최근에는 AM335x ARM 코어텍스-A8 SoC]에는 향후 산업 자동화의 과제를 해결하기 위해 복합 프로토콜 프로세스, 높은 수준의 실시간 운영 체제, 그래픽 프로세스, 기타 리소스의 광대한 어레이를 위한 다중 프로세스 코어, 실시간 통신 엑셀레이터가 통합되어 있다.
특히, AM335x ARM 코어텍스-A8 SoC는 TI의 산업 자동화 전략의 좋은 예이다. 프로세스 속도가 275~ 1GHz인 AM335x SoC는 PLC뿐 아니라 중간에 있는 다른 자동화 요소들에 대한 지능형 센서 프로세스 요건에 부합하도록 확장할 수 있다. 이 외에도, AM335x 프로세서는 전력 소비량이 적어 전력 예산이 넉넉하지 않은 경우에 적합하다.
AM335x솔루션에는 복합 프로토콜 통신 능력이 통합되어 있어 프로토콜 프로세스 전용 디스크리트 ASIC나 FPGA가 필요하지 않다. 이는 그 자체로 슬레이브 디바이스의 비용을 40%까지 절감시켜 줄 수 있다. PROFIBUS와 EtherCAT 같이 인기 있는 프로토콜에 대한 지원을 AM335x 프로세서에 통합시키면 AM335x 프로세서 기반 디바이스와 네트워크를 연결하는 업무가 상당히 단순화된다.
예를 들어, AM335x 프로세서 기반 센서를 공장 자동화 시스템과 연결하는 것은 이미 대부분의 산업 프로그래머들에게 매우 익숙한 전형적인 PHY나 UART 인터페이스를 프로그래밍하는 것만큼이나 간단하다. 학습 곡선이 가파르지 않기 때문에 배치 시간이 단축되고 비용이 절감된다.
그림 3. PRU-ICSS 블록 다이어그램
그림 4. Sitara AM335x 확장형 플랫폼
산업용 제어 시스템에서 AM335x 임베디드 프로세서의 성공에 무엇보다 중요한 것은 PRU-ICSS(Programmable Real-time Unite based Industrial Communication Subsystem)이다. 이는 복합 프로토콜 프로세싱 온 칩을 가능하게 하고, 마스터 디바이스와 슬레이브 디바이스 모두에 없어서는 안 되는 저지연 통신을 보장해 준다.
PRU-ICSS는 200MHz에서 실행되는 두 개의 32bit RISC 프로세싱 코어로 구성된다. 이는 단일 주기 실행과 직접 I/O 인터페이스를 5나노초로 샘플링할 수 있으므로 실시간 통신에 필요한 고속 쓰루풋 레이트(throughput rates)를 보장해 준다. 또한 PRU-ICSS에는 코어별 메모리와 공유 메모리로 구성된 완전한 메모리 서브시스템뿐 아니라 32bit 인터럽트 컨트롤러도 장착되어 있다.
로직, 컨트롤, 연산뿐 아니라 이러한 능력 덕분에 PRU-ICCS는 PROFIBUS/ PROFINET, EtherCAT, 이더넷/IP를 포함해 인기 있는 모든 산업 자동화 프로토콜을 위한 실시간 슬레이브 통신 인터페이스를 지원하는데 가장 적합하다. 프로그램이 가능하기 때문에 PRU-ICSS는 또한 맞춤형 지적 재산(IP)이나 맞춤형 백플레인(backplane) 버스를 구현할 수 있다.
AM355x 프로세서는 산업 자동화 네트워크에서 실제로 어떠한 역할이든 효율적으로 수행할 수 있는 다용도 SoC이다. 예를 들어, 2D와 3D그래픽을 선택적으로 지원하므로 이는 HMI 유닛에 특히 적합하다. 또한 리눅스, 윈도우 임베디드 CE, 안드로이드와 같은 높은 수준의 운영 체제(HLOS)를 지원해 AM335x SoC는 운영자가 HMI와 기타 애플리케이션과 상호작용을 하기가 용이하다. TI의 SYS/BIOS와 다수의 서드파티 RTOS를 포함해 다양한 실시간 운영 체제(RTOS)는 개발자들에게 메모리 집약형 HLOS가 필요하지 않고, 저지연 실시간 성능이 필요한 센서와 모터 드라이버를 위해 효율적인 솔루션을 제공해 준다.
부품의 신뢰도와 수명은 산업 자동화 시스템에 있어 또 다른 중요한 기준이다. 주로 이러한 유형의 시스템들은 상당히 도전적일 수 있는 가혹한 환경에 배치된다. 이를 배치하는데 필요한 시간과 비용으로 인해 공장 자동화 시스템의 예상 사용 수명주기는 일반적으로 꽤 길다. AM335x프로세서는 매우 신뢰할 만한 SoC인 것으로 입증되었다. 이는 확장된 온도 범위에서 운영되며, 인터럽트없이 100,000 시간 넘게 전원이 켜진 상태로 있을 수 있다.
TI는 또한 AM335x 솔루션의 제품 수명이 10년 이상일 것임을 보증한다.
시장에서의 유리한 출발
TI의 공장 자동화 솔루션은 자동화 공급자들이 시장에서 가장 선진적인 기능으로 시스템 설계를 신속하게 구현할 수 있는 종합적인 소프트웨어와 하드웨어 개발 툴을 통해 지원된다. 특히, AM335x 프로세서는 단순하지만 강력한 개발 툴인 ICE(Industrial Communications Engine)을 통해 지원한다.
이는 슬레이브 통신 능력을 개발, 테스트, 최적화할 수 있는 비용 효율적인 플랫폼을 자동화 벤더들에게 제공해 준다. ICE는 개발자들에게 PROFIBUS/ PROFINET, 이더넷/IP, EtherCAT 등을 포함해 몇몇 지배적인 산업 자동화 프로토콜과의 즉각적인 커넥티비티를 제공해 준다. Sercos 3을 위한 3색 LED를 포함해 프로토콜에 따라 LED 신호를 다양하게 조합할 수 있다. 8개의 디지털 출력은 온보드 LED와 24V 출력 드라이버와 연결된다. 또한 간단한 I/O 애플리케이션을 위해 8개의 24V 디지털 입력과 온도 센서를 이용할 수 있다.
개발자들은 핀 헤더의 신호를 통해 SPI(Serial Peripheral Interface) 통신과 PWM(Pulse with Modulation) 드라이버에 적합하게 I/O 기능을 확장시킬 수 있다. CAN과 PROFIBUS 중 직렬 통신 기반 필드 버스는 절연형 트랜시버를 이용한다. 모듈은 외부 플래시 메모리로부터 부스트되고, 직렬 플래시와 병렬 플래시, MMC를 지원한다. ICE의 소프트웨어 환경에는 TI의 SYS/BIOS OS, CCS(Code Composer Studio)™ 통합 개발 환경과 스타터웨어(StarterWare), 등 대부분의 마이크로컨트롤러 개발자들에게 익숙한 것들과 유사한 개발 환경이 포함된다.
IEC에 함께 제공되는 애플리케이션 스택과 샘플 애플리케이션은 개발자들이 자신들의 산업 자동화 애플리케이션을 상당히 유리하게 시작할 수 있도록 해준다. 온 칩 USB 에뮬레이터 인터페이스로 고객들은 외장 JTAG 에뮬레이터를 구입하지 않고도 자신만의 애플리케이션을 개발할 수 있다.
그림 5. Sitara ICE
경쟁적인 미래
제조 제품과 가공 재료들에 대한 국제적인 수요를 충족시킬 수 있으려면 산업 자동화 시스템은 지속적으로 속도와 정확성, 신뢰도, 정밀성이 향상되어야 한다.
제조업체들은 자산들의 효율성을 증대시키고 비용을 절감하며, 경쟁력을 갖추고, 시장을 점유하기 위해 점차 자동화되어 갈 것이다. 더욱이, 규모를 막론하고 모든 제조업체는 자신들의 생산 시스템을 공급망과 수요 모니터링 시스템을 포함해 다른 기업 비즈니스 시스템과 긴밀하게 결합시키기 위해 노력해야 한다.
이에 따라 통신 프로토콜 환경이 한층 더 이질적이게 될 것이므로 기업에서 다른 비즈니스 시스템뿐만 아니라 공장 자동화 시스템을 위한 복합적인 프로토콜의 지원이 더욱 강조될 것이다.
모든 제조업체의 목표는 제품과 가공 재료를 현명하고 신속하며 대단히 효율적으로 생산하는 생산자가 되는 것이다. 광범위한 아날로그 포트폴리오에 의해 보완되고, ICE 플랫폼을 포함해 광범위한 배열의 툴을 통해 지원되는 TI의 AM335x SoC 같은 최첨단 기술은 산업 자동화 업체들이 시장의 요건에 부합하는 능력을 갖추도록 해줄 것이다.
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