스마트 공장 자동화 시스템의 제어 레벨 설계 과제

인더스트리 4.0에 적합하도록 설계된 공장 자동화 시스템은 실시간 통신을 구동하고 제어하는 장비에 대해 일반적으로 다음의 3가지 주요 레벨을 갖는다.

1. 필드 레벨: I/O 모듈, 액추에이터, 드라이브가 공장의 물리적 동작에 사용되는 단계

2. 제어 레벨: PLC 또는 CNC가 필드 레벨에서 정보를 수집하고 명령을 내리는 단계

3. 작업자 레벨: HMI 디바이스와 작업자가 정보를 주고 받고, 작업자가 명령을 내리는 단계

각각의 레벨은 최적화된 하드웨어 및 소프트웨어 솔루션을 필요로 하는 자체적인 까다로운 설계 과제를 수반한다. 이 중 제어 레벨과 관련된 과제가 특히 만족하기 어렵다.

모든 산업 자동화 설계와 관련된 과제(전력 소모, 긴 전원 수명, 신뢰성 요구사항) 외에도 제어 레벨에 사용되는 장비 설계자는 한 개의 컨트롤러가 지원할 수 있는 노드 수가 증가하면서 발생하는 특정 과제에 직면한다. 지원하는 노드의 수가 증가한다는 것은 전체 공장 솔루션에서 더 적은 컨트롤러를 필요로 한다는 것을 의미한다. 

이를 통해 자동화 솔루션 비용을 낮추거나, 아니면 보다 높은 수준의 자동화를 구현하도록 더 많은 노드를 지원할 수 있다. 그러나 지원하는 노드 수가 증가함에 따라 프로세서 성능도 증가시켜야 하기 때문에 전체 크기가 증가되지 않도록 낮은 전력을 소모해야 한다. 뿐만 아니라 대부분의 PLC는 팬을 요구하지 않도록 설계되므로 전력 소모는 핵심적인 설계 사항이다. 

공장에서 PLC와 CNC는 동시에 많은 수의 노드 또는 기능을 제어해, 실시간 차원의 동작은 핵심적이다. 엄격한 타이밍 요구사항을 충족하는 솔루션을 위해 다음의 두 가지 요소가 필요하다. 바로 ‘실시간 동작 시스템’과 산업용 통신을 위한 ‘유연한 시간 인식 주변장치’다. 실시간 동작 시스템(RTOS)은 핵심적인 타이밍 요구를 만족시키기 위해 지연 제어에 대한 결정과 기능을 수행하는 장치에 사용된다. 수년 간 상용 RTOS가 산업용 제어 애플리케이션에 광범위하게 사용되어 왔으며, 현재 리눅스 중심의 광범위한 오픈 소스 커뮤니티와 산업 자동화 애플리케이션에 요구되는 시간 인식 및 결정론을 추가할 수 있다는 모든 장점으로 인해 RT Linux^® 솔루션에 대한 관심도 증가하고 있다.

실시간 솔루션의 통신 주변장치 부분에서 주요 요구사항은 노드 수의 증가에 대한 요구가 존재해도 낮은 지연과 감소된 프로토콜 주기를 구현하는 방식으로 산업용 필드버스 프로토콜을 지원하는 것이다. 단일 설계로 여러 필드버스 표준을 지원해야 한다는 사실을 고려할 때 이러한 과제는 더욱 까다로워진다. 공장에서 이미 사용되고 있을 수 있는 이더캣(EtherCAT), 프로피넷(PROFINET), 이더넷(Ethernet)/IP 등과 같은 여러 다양한 표준과 최종 제품이 호환되게 하기 위해서는 다중 프로토콜 지원이 필요하다.

다중 프로토콜에 대한 지원은 각각의 프로토콜이 자체적인 특정 ASIC을 필요로 할 수 있기 때문에 하드웨어(ASIC)로 해결할 경우 각기 지원되는 필드 버스에 서로 다른 보드 설계가 필요하므로 복잡해진다. 하지만, 필드버스 프로토콜 변경에 소프트웨어나 펌웨어만 변경하면 되는 프로그래머블 방식을 취한다면 과제가 간단해질 수 있다.

이러한 실시간 통신 솔루션을 원활하게 구현하기 위해 컨트롤러는 다양한 레벨 - 공장의 필드버스 네트워크, 연결된 I/O, 액추에이터, 드라이브를 위한 백플레인, 기타 컨트롤러, OPC UA 같은 프로토콜을 통한 공장 진단 문제를 위해 데이터를 수집하는 서버 - 에서 통신을 해야 함으로 다수의 주변장치 인터페이스를 필요로 한다.

이러한 모든 것들로 인해 특히 이더넷과 같은 다수의 주변장치 인터페이스를 가져야 하며, 게다가 유연한 프로그래머블 통신 솔루션도 갖춰야 한다.

프로그래머블 로직 컨트롤러와 I/O 카드

현재 제어 레벨 공장 자동화 솔루션을 평가하는 데 사용할 수 있는 Sitara™ AM572x 프로세서용 TMDXIDK5728 산업용 개발 키트(IDK)가 나와 있다. AM572x 듀얼 코어 ARM^® Cortex^®-A15 프로세서는 산업 온도 범위를 지원하고, 최대 10만 작동 시간의 긴 수명을 달성할 수 있다. 또한 실시간 소프트웨어 지원과 프로그래머블 산업용 통신을 위한 듀얼 PRU-ICSS(Processor Real-Time Unit-Industrial Communication Subsystem)와 같은 광범위한 주변장치 세트를 갖추고 있어 산업용 애플리케이션에 매우 적합하다.

TMDXIDK5728은 이더넷용의 4개 포트를 제공한다. 이 4개 포트는 기가비트 스위치로부터 2개 + PRU-ICSS로부터 2개(디폴트 구성) 또는 PRU-ICSS로부터 4개를 구성할 수 있다. TMDXIDK5728은 Processor-SDK-RTOS와 함께 PRU-ICSS-INDUSTRIAL-SW를 통해 제공되는 AM57x 기반 산업용 필드버스 프로토콜을 위해 TI에서 새롭게 출시한 솔루션을 평가하는 데 사용할 수 있다. TMDXIDK5728은 실시간 산업 자동화 애플리케이션 개발을 위해 TI의 메인라인 리눅스 커널에 더해, 최적화된 RT Preempt 패치를 제공하는 Processor-SDK-Linux-RT 패키지를 실행할 수 있다.