제어 시스템 연결: 위치·모션 센서용 신뢰할 수 있는 통신 인터페이스

통신 인터페이스는 센서(제어 시스템의 '신경')와 컨트롤러('두뇌') 사이의 결정적 연결 고리입니다. 이 링크를 제공하기 위해 인상적인 다양한 통신 기술이 도입됐으며, 보통 특정 유형 제어 시스템에 맞춘 기능과 역량을 가집니다. 모션 제어용으로 널리 쓰이는 통신 기술들을 살펴봅시다.

특수 케이스를 위한 특수 솔루션

모션 제어 피드백을 제공하는 일부 센서의 경우, 측정 기술이 통신 인터페이스를 결정합니다. 인크리멘탈 엔코더는 엔코더 샤프트가 일정량 회전할 때마다 한 개씩 연속적인 신호 펄스 스트림을 전달합니다. 컨트롤러가 펄스 간격으로 회전 속도를 정확히 알 수 있어 속도 제어에 탁월합니다.

많은 인크리멘탈 엔코더는 A, B 두 출력 신호를 90° 위상 차로 전송해 컨트롤러가 회전 방향을 알 수 있게 합니다. 일부는 회전당 한 번, 정의된 회전 각도에서 Z 신호도 출력합니다. 이는 정확한 기준점을 제공합니다.

인크리멘탈 엔코더와 컨트롤러 간 연결은 포인트투포인트여야 하며, 각 엔코더를 컨트롤러에 전용 케이블로 연결합니다. 통신은 보통 트위스트 페어 배선으로 차동 신호 전송하며, 케이블 내 도체 쌍 수는 신호 수(A, B, Z)에 따라 달라집니다.

엔코더 출력 드라이버는 컨트롤러 인터페이스와 호환돼야 합니다. 푸시풀(HTL) 또는 RS-422(TTL) 출력 드라이버가 흔히 쓰이며, 이 표준들은 신호 전압을 지정합니다.

절대 위치 센서

이 글 나머지 부분은 엔코더와 인클리노미터 같은 절대 위치 센서에 초점을 맞춥니다. 이 장치들은 특정 순간 측정된 위치를 전압/전류 레벨(아날로그 엔코더)로 보고하거나 디지털 워드 또는 '텔레그램'(디지털 엔코더)으로 전송합니다. 이 장치들은 위치 제어 애플리케이션에 이상적입니다.

아날로그 센서는 긴 역사를 가지며, 초기 제어 시스템은 포텐셔미터(가변 저항)를 썼습니다. 최근엔 내장 D/A 컨버터를 가진 디지털 센서가 도입됐습니다. 전압(예: 0-5V) 또는 전류(예: 0-20mA) 출력으로 제공됩니다. 기계적 운동 범위(분수 회전부터 다중 회전까지)를 시스템 전체 전기 출력 범위(예: 0-5V, 0-20mA)에 매핑하도록 프로그래밍 가능한 D/A 컨버터를 탑재해, 가장 중요한 운동 범위에서 정확도와 분해능을 높입니다. 아날로그 센서는 포인트투포인트 연결이 필요하며, 전기 저항을 제한하기 위해 상대적으로 굵은 게이지 와이어를 씁니다.

비트 병렬 인터페이스 절대 엔코더는 측정값을 디지털 워드로 보고하며, 비트마다 별도 도체가 있습니다. 응답은 사실상 순간적입니다. 연결은 포인트투포인트, 보통 리본 케이블로 이뤄집니다. 이 케이블이 비교적 두껍고 뻣뻣해 비트 병렬 시스템은 짧은 거리에 적합합니다.

디지털 포인트투포인트 배선

포인트투포인트 배선에서 전용 케이블이 컨트롤러에서 각 개별 센서로 연결됩니다. 절대 엔코더용 SSI(직렬 동기 인터페이스)와 BiSS(양방향 직렬 동기) 인터페이스는 포인트투포인트 배선 시스템을 사용합니다. 이들은 PLC나 다른 컨트롤러에 직접 연결 가능한 디지털 인터페이스입니다. SSI 연결은 좋은 속도(클럭 최대 2MHz), 고분해능, 유연한 케이블링, 수백 미터까지 신뢰성 있는 통신(긴 거리에서는 보드레이트 감소)을 제공합니다. SSI 프로토콜은 기본 오류 감지(단선, 단락, 데이터 일관성)를 제공합니다.

BiSS는 SSI 진화 버전으로 서보모터, 로봇, 기타 자동화 시스템에서 제어 장치와 센서/액추에이터 간 실시간 통신을 지원합니다. 인터페이스는 컨트롤러가 슬레이브 장치 운영 매개변수 설정도 가능케 합니다. BiSS C(연속 통신), BiSS Line(전력 공급과 데이터 전송을 단일 케이블로 결합한 구성용) 등 여러 변형이 있습니다. 오픈소스 SSI와 BiSS 인터페이스 표준은 비독점적이며 무료 라이선스입니다.

SSI와 BiSS 통신은 포인트투포인트 연결(보통 RS-422)을 사용합니다. 여러 장치를 데이지체인으로 연결해 더 효율적인 케이블 레이아웃이 가능합니다.

필드버스: 공유 액세스 배선 시스템

포인트투포인트 배선은 짧은 거리와 제한된 장치 수 시스템에 적합하지만, 센서 수가 늘면 배선 레이아웃이 불편해집니다. 자동화 시스템이 정교해지고 연결 장치 수가 늘면서 여러 제조사가 필드버스 시스템을 도입했습니다. 이들은 버스 토폴로지 기반 네트워크로, 여러 장치가 공통 배선 백본을 공유합니다. 필드버스 시스템은 신뢰성, 속도, 상대적 비용 효율이 좋습니다. 응용 범위는 컨베이어, 제조 설비, 모바일 장비, 의료 장비, 풍력 터빈, 태양광 패널까지 다양합니다.

여러 장치가 공통 통신 채널을 공유하면 응답 시간 문제가 생길 수 있습니다. 버스 트래픽이 많으면 개별 센서 메시지가 예측 불가능한 지연을 겪을 수 있습니다. 이를 피하려 대부분 필드버스 설계는 운영자가 장치를 중요도순으로 순위 매기게 합니다. 중요 메시지가 우선 처리되도록 돕습니다. 필드버스 물리 계층은 보통 트위스트 페어 케이블(예: EIA-485) 기반입니다.

인기 필드버스 표준에는 보쉬의 CAN(Controller Area Network), CANopen, 지멘스의 프로피버스(Profibus), 알렌브래들리/로크웰의 디바이스넷(DeviceNet) 등이 있습니다. 북미에서 널리 쓰이는 DeviceNET은 CAN 물리 계층과 CIP(Common Industrial Protocol) 상위 프로토콜을 결합합니다. SAE J1939는 CAN 데이터 전송 표준을 이용해 중장비에 최적화됐습니다.

네트워크는 물리 요소(와이어, 커넥터, 신호 흐름 제어 전자 부품)와 논리 요소(주소 체계, 통신 프로토콜, 장치 프로파일 등 소프트웨어 구현)로 구성됩니다. 필드버스 세계에서 많은 시스템이 CAN 표준으로 네트워크 물리 측면을 정의하고, CANopen, DeviceNet, J1939 등 상위 프로토콜이 엔드투엔드 기능을 제공합니다.

산업용 이더넷

산업용 이더넷은 사무실 이더넷과 같은 기술적 기반을 쓰지만 혹독한 공장 조건에 더 적합한 향상 기능이 있습니다. 산업용 스위치 유닛은 견고한 방수·방진 인클로저를 가질 수 있고, 많은 장치가 취약한 RJ45 커넥터 대신 견고한 M12 커넥터를 씁니다.

통신 프로토콜에도 중요한 업그레이드가 있습니다. 산업 애플리케이션, 특히 모션 제어는 일반 이더넷 네트워크에서 발생할 수 있는 예측 불가능한 전송 지연(레이턴시, 지터) 없이 실시간 동작을 요구합니다. 프로피넷 IRT, 이더넷/IP, 이더넷 파워링크 같은 산업용 이더넷 시스템은 수정된 프로토콜 스택과 특수 하드웨어로 중요 메시지에 네트워크 대역폭 우선 접근권을 부여합니다. 이를 위한 특수 구성요소는 시스템 복잡도와 비용을 늘릴 수 있습니다.

이더넷이 무제한 장치 수와 유연한 토폴로지 옵션 비전을 제공하지만, 실시간 모션 제어 애플리케이션 특히 시스템 성능 문제는 로컬 트래픽 감소와 중요 구성요소 직접 통신 경로 제공 등 설계 타협을 요구할 수 있음을 유의해야 합니다.

IO-Link는 필드버스나 산업용 이더넷 네트워크와 공장 바닥 간단 센서/액추에이터 간 연결을 단순화하도록 설계된 저비용, 구현 쉬운 통신 시스템입니다. IO-링크 마스터 게이트웨이 장치 한 쪽엔 플랜트 전체 네트워크 인터페이스가, 다른 쪽엔 개별 센서 장치 포인트투포인트 연결들이 있습니다.

엔드 디바이스용 IO-링크 인터페이스는 상대적으로 단순해 센서/액추에이터 레벨에서 복잡한 통신 프로토콜 지원이 필요 없습니다. IO-링크는 측정 데이터, 장치 구성 지시, 온도 등 운영 조건 매개변수 정보 등 다양한 데이터 타입을 지원합니다.

무선 통신

무선 기술은 이동 기계(예: 무인 유도 차량)나 자주 이전해야 하는 장비와 통신을 가능케 합니다. 와이파이(IEEE 802.11)와 블루투스는 단거리 무선 통신용 널리 쓰이는 표준입니다. 더 긴 거리를 위한 다른 표준들도 있지만 비트레이트가 낮을 수 있습니다. 신흥 5G 네트워크는 고데이터레이트와 낮은 레이턴시를 약속합니다.

무선 통신은 전기적 노이즈 환경에서 유선 연결보다 덜 신뢰적일 수 있고, 고도로 시간 의존적인 피드백 신호에는 적합하지 않을 수 있습니다. 창고 로봇 경우 무선 신호로 특정 위치에서 자재 회수 지시를 내릴 수 있지만, 조향, 속도 제어, 충돌 회피 센서는 신뢰성 있고 즉각적인 응답을 위해 제어 시스템에 하드와이어드 되는 게 일반적입니다.

호환성을 위한 개방 표준

단일 벤더가 복잡한 자동화 시스템 모든 부분에 베스트인클래스 장비를 공급할 수 없으므로, 산업용 네트워킹 기술 공급업체들은 독점 네트워킹 시스템에서 개방형(벤더 중립) 인터페이스 및 네트워킹 표준 지원으로 이동했습니다. 이 표준들로 모션 제어 장비 구매자는 서로 다른 벤더의 표준 인증 구성요소를 섞어 써도 모두 함께 작동할 것이라 기대할 수 있습니다.

중요 산업 표준 기구에는 오픈 디바이스 벤더 협회(DeviceNet, Ethernet/IP 표준 후원), CAN 인 오토메이션 협회(CANopen 프로토콜 후원), 프로피버스 누처오가니자치온(Profibus, Profinet 인터페이스 후원) 등이 있습니다.

이 기사는 크리스천 펠(Christian Fell) FRABA Inc. 제너럴 매니저(미국 뉴저지주 해밀턴)가 작성했습니다. 자세한 정보는 여기를 방문하세요.