제어를 위한 연결:위치 및 모션 센서용 통신 인터페이스

통신 인터페이스는 센서(제어 시스템의 "신경")와 컨트롤러("뇌") 사이의 가장 중요한 연결을 제공합니다. 일반적으로 특정 유형의 제어 시스템에 맞게 조정된 기능과 함께 이 링크를 제공하기 위해 인상적인 다양한 통신 기술이 도입되었습니다. 모션 제어에 널리 사용되는 몇 가지 통신 기술을 살펴보겠습니다.

특수 사례를 위한 특별 솔루션

모션 제어를 위한 피드백을 제공하는 일부 센서의 경우 측정 기술이 통신 인터페이스를 결정합니다. 인크리멘탈 엔코더는 엔코더 샤프트가 특정 양만큼 회전할 때마다 하나씩 신호 펄스의 연속 스트림을 제공합니다. 컨트롤러가 펄스 사이의 간격에서 회전 속도를 정확하게 결정할 수 있기 때문에 속도 제어에 탁월합니다.

많은 증분형 인코더는 90° 위상차로 A 및 B라는 두 개의 출력 신호를 전송하여 컨트롤러가 회전 방향을 결정할 수 있도록 합니다. 일부는 또한 정의된 회전 각도에서 회전할 때마다 Z 신호를 출력합니다. 이것은 정확한 기준점을 제공합니다.

증분 인코더와 컨트롤러 간의 연결은 각 인코더를 컨트롤러에 연결하는 전용 케이블을 사용하여 점대점이어야 합니다. 통신은 일반적으로 신호 수(A, B 및 Z)에 따라 케이블의 도체 쌍 수와 함께 트위스트 페어 배선을 통해 전송되는 차동 신호를 기반으로 합니다.

인코더의 출력 드라이버는 컨트롤러의 인터페이스와 호환되어야 합니다. 푸시-풀(HTL) 또는 RS-422(TTL) 출력 드라이버가 일반적으로 사용됩니다. 이 표준은 신호 전압을 지정합니다.

절대 위치 센서

이 기사의 나머지 부분에서는 인코더 및 경사계와 같은 절대 위치 센서에 중점을 둘 것입니다. 이러한 장치는 전압/전류 레벨(아날로그 인코더) 또는 디지털 워드 또는 "전보"(디지털 인코더)를 전송하여 특정 순간에 측정된 위치를 보고합니다. 이러한 장치는 위치 제어 애플리케이션에 이상적입니다.

아날로그 센서는 전위차계(가변 저항기)를 사용하는 초기 제어 시스템과 함께 오랜 역사를 가지고 있습니다. 최근에는 D/A 컨버터가 내장된 디지털 센서가 출시되었습니다. 전압(예:0-5V) 또는 전류(예:0-20mA) 출력으로 사용할 수 있습니다. 여기에는 프로그래밍 가능한 D/A 변환기가 있어 미리 결정된 기계적 동작 범위(1분의 1 회전에서 여러 회전까지)를 전체 시스템의 전기 출력 범위(예:0-5V, 0-20mA)에 걸쳐 설정할 수 있습니다. ). 이는 가장 중요한 동작 범위에서 정확도와 해상도를 향상시킵니다. 아날로그 센서는 점대점 연결이 필요하며, 종종 전기 저항을 제한하기 위해 비교적 큰 전선을 사용합니다.

비트 병렬 인터페이스가 있는 앱솔루트 엔코더는 각 비트에 대해 별도의 도체가 있는 디지털 워드로 측정값을 보고합니다. 응답은 거의 즉각적입니다. 연결은 일반적으로 리본 유형 케이블을 통해 지점 간입니다. 이러한 유형의 케이블은 상대적으로 부피가 크고 유연하지 않기 때문에 비트 병렬 시스템은 단거리에서 가장 잘 작동합니다.

디지털 점대점 배선

점대점 배선을 사용하면 컨트롤러에서 각 개별 센서까지 전용 케이블이 연결됩니다. 앱솔루트 엔코더용 SSI(직렬 동기 인터페이스) 및 BiSS(양방향 직렬 동기) 인터페이스는 점대점 배선 시스템을 사용합니다. PLC 또는 기타 컨트롤러에 직접 연결할 수 있는 디지털 인터페이스입니다. SSI 연결은 우수한 속도(최대 2Mhz의 클록 속도), 고해상도, 유연한 케이블 연결 및 최대 수백 미터까지의 안정적인 통신을 제공합니다(장거리에서는 전송 속도가 감소하지만). SSI 프로토콜은 기본적인 오류 감지(단선, 단락, 데이터 일관성)를 제공합니다.

BiSS는 서보 모터, 로봇 및 기타 자동화 시스템의 제어 장치와 센서/액추에이터 간의 실시간 통신을 지원하는 SSI의 고급 버전입니다. 또한 인터페이스를 통해 컨트롤러는 슬레이브 장치에서 작동 매개변수를 설정할 수 있습니다. BiSS C(연속 통신) 및 BiSS Line(단일 케이블에서 전력 전달 및 데이터 전송을 결합하는 구성을 위해 설계됨)을 비롯한 여러 BiSS 변형이 있습니다. 오픈 소스 SSI 및 BiSS 인터페이스 표준은 비독점적이며 무료 라이선스입니다.

SSI 및 BiSS 통신은 지점간 연결(일반적으로 RS-422)을 사용합니다. 보다 효율적인 케이블 레이아웃을 위해 여러 장치를 함께 데이지 체인 방식으로 연결할 수 있습니다.

Fieldbus:공유 액세스 배선 시스템

점대점 배선은 거리가 짧고 장치 수가 제한된 시스템에 적합하지만 센서 수가 증가하면 배선 레이아웃이 다루기 어려워질 수 있습니다. 자동화 시스템이 더욱 정교해지고 연결된 장치의 수가 증가함에 따라 여러 제조업체에서 필드버스 시스템을 도입했습니다. 이러한 기능 네트워크는 공통 배선 백본을 공유하는 여러 장치가 있는 버스 토폴로지를 기반으로 합니다. Fieldbus 시스템은 안정적이고 빠르며 상대적으로 비용 효율적입니다. 적용 범위는 컨베이어 및 제조 시설에서 모바일 장비, 의료 장비, 풍력 터빈 및 태양 전지판에 이르기까지 다양합니다.

공통 통신 채널을 공유하는 여러 장치가 있으면 응답 시간에 문제가 발생할 수 있습니다. 버스의 트래픽이 많을 때 개별 센서는 예측할 수 없는 시간만큼 메시지가 지연될 수 있습니다. 이 문제를 해결하기 위해 대부분의 필드버스 설계에서는 운영자가 중요도에 따라 장치의 순위를 지정할 수 있습니다. 이는 중요한 메시지가 우선적으로 처리되도록 하는 데 도움이 됩니다. 필드버스 시스템의 물리적 계층은 일반적으로 연선 케이블(예:EIA-485)을 기반으로 합니다.

인기 있는 필드버스 표준에는 Bosch의 CAN(Controller Area Network), CANopen, Siemens의 Profibus(Process Field Bus), Allen-Bradley/Rockwell의 DeviceNet이 있습니다. 북미에서 널리 사용되는 DeviceNET은 CAN 물리 계층과 CIP(Common Industrial Protocol) 상위 수준 프로토콜을 결합합니다. CAN 데이터 전송 표준을 사용하는 SAE J1939는 대형 차량에 최적화되어 있습니다.

네트워크는 물리적 요소(신호 흐름을 제어하는 ​​전선, 커넥터 및 전자 부품)와 논리적 요소(소프트웨어에서 구현되는 체계, 통신 프로토콜, 장치 프로필 등을 처리하는 요소)로 구성됩니다. 필드버스 세계에서 많은 시스템은 CAN 표준을 사용하여 네트워크의 물리적 측면을 정의하는 반면 CANopen, DeviceNet, J1939 등과 같은 상위 수준 프로토콜은 종단 간 기능을 제공합니다.

산업용 이더넷

산업용 이더넷은 사무실 이더넷과 동일한 기술 기반을 사용하지만 열악한 공장 조건에 더 적합하도록 개선된 기능이 있습니다. 산업용 등급 스위치 장치는 견고한 방수 및 방진 인클로저를 특징으로 할 수 있지만 많은 장치는 더 취약한 RJ45 커넥터 대신 견고한 M12 커넥터를 사용합니다.

통신 프로토콜에 대한 중요한 업그레이드도 있습니다. 산업용 애플리케이션, 특히 모션 제어는 종종 일반 이더넷 네트워크에서 발생할 수 있는 예측할 수 없는 전송 지연(대기 시간 또는 지터) 없이 실시간으로 작동하는 제어를 필요로 합니다. Profinet IRT, EtherNet/IP 및 Ethernet Powerlink와 같은 산업용 이더넷 시스템은 수정된 프로토콜 스택과 중요한 메시지에 네트워크 대역폭에 대한 우선 액세스 권한을 부여하는 특수 하드웨어를 통해 이 문제를 해결합니다. 이를 달성하는 데 필요한 특수 구성 요소는 시스템 복잡성과 비용을 증가시킬 수 있습니다.

이더넷은 장치 수와 유연한 토폴로지 옵션에 대한 비전을 제공하지만 특히 실시간 모션 제어 애플리케이션의 경우 시스템 성능 문제는 로컬 트래픽을 줄이고 중요한 구성 요소.

IO-Link는 현장에 있는 필드버스 또는 산업용 이더넷 네트워크와 간단한 센서 또는 액추에이터 간의 연결을 단순화하도록 설계된 저비용의 구현하기 쉬운 통신 시스템입니다. IO-Link 마스터 게이트웨이 장치의 한 쪽에는 공장 전체 네트워크에 대한 인터페이스가 있고 다른 쪽에는 개별 센서 장치에 대한 여러 지점 간 연결이 있습니다.

최종 장치용 IO-Link 인터페이스는 비교적 간단하여 센서/액추에이터 수준에서 복잡한 통신 프로토콜을 지원할 필요가 없습니다. IO-Link는 측정 데이터, 장치 구성 지침 및 온도와 같은 작동 조건 매개변수에 대한 정보를 포함한 다양한 데이터 유형을 지원합니다.

무선 통신

무선 기술은 자주 재배치되어야 하는 이동 기계(예:자율 안내 차량) 또는 장비와의 통신을 가능하게 합니다. Wi-Fi(IEEE 802.11) 및 Bluetooth는 근거리 무선 통신에 널리 사용되는 표준입니다. 더 낮은 비트 전송률을 가질 수 있지만 장거리 통신에 다른 표준을 사용할 수 있습니다. 새로운 5G 네트워크는 높은 데이터 속도와 낮은 지연 시간을 약속합니다.

무선 통신은 전기적으로 잡음이 많은 환경에서 유선 연결보다 신뢰성이 떨어질 수 있으며 시간 의존성이 높은 피드백 신호에는 적합하지 않을 수 있습니다. 예를 들어 창고 로봇의 경우 무선 신호를 사용하여 특정 위치에서 자재를 회수하도록 기계에 지시할 수 있습니다. 그러나 조향, 속도 제어 및 충돌 방지용 센서는 일반적으로 안정적이고 즉각적인 응답을 보장하기 위해 제어 시스템에 유선으로 연결됩니다.

호환성을 위한 개방형 표준

단일 공급업체는 복잡한 자동화 시스템의 모든 부분에 대해 동급 최고의 장비를 공급할 수 없으며 산업 네트워킹 기술 공급업체는 독점 네트워킹 시스템에서 개방형(공급업체 중립적) 인터페이스 및 네트워킹 표준을 지원하는 방향으로 이동했습니다. 이러한 표준을 통해 모션 제어 장비 구매자는 모든 것이 함께 작동할 것이라는 기대와 함께 다양한 공급업체의 표준 인증 구성 요소를 혼합 및 일치시킬 수 있습니다.

중요한 산업 표준 조직에는 Open Device Vendors Association 이 포함됩니다. , DeviceNet 및 이더넷/IP 표준의 후원자; 자동화 협회의 CAN , CANopen 프로토콜의 후원자; 및 Profibus Nutzer 조직 , Profibus 및 Profinet 인터페이스의 후원자.

이 기사는 뉴저지주 해밀턴에 있는 FRABA Inc.의 제너럴 매니저인 Christian Fell이 작성했습니다. 자세한 내용은 을 참조하십시오. 여기 .