여기에서 설명할 애플리케이션은 새로운 인더스트리 4.0(Industry 4.0)을 만족시키는 기능들을 도입해 PLC(Programmable Logic Controllers) 애플리케이션 도메인을 지원하고자 개발된 ST마이크로일렉트로닉스(이하 ST)의 솔루션이다.

이번에 소개하는 솔루션의 목적은 PLC기능들을 확인하는 것으로, 커넥티비티 및 자동화 기능이 간단한 툴로 구현된다. 모듈형 솔루션으로 주요 하드웨어 보드 3개로 구성되고 상품명은 Nucleo-F401RE, X-NUCLEO-IDW01M1, X-NUCLEO-PLC01A1이다.

STM32 MCU(Nucleo-F401RE) 호스팅 보드에서 구동하는 전용 펌웨어와 안드로이드 및 iOS 운영체제용으로 개발된 앱(태블릿이나 스마트폰에서 구동하는 유명 소프트웨어)으로 보완되며, 전용 그래픽 유저 인터페이스(Graphic User Interface, GUI)를 이용해 원격으로 PLC를 제어한다.

주요 IC는 8채널 디지털 입력 종단 CLT01-38SQ7, 8채널 디지털 출력 VNI8200XP(두 IC 모두 산업용 IO 관리용으로 확장 보드 X-NUCLEO-PLC01A1에 포함), Wi-Fi 모듈 SPWF01SA(XNUCLEO-IDW01M1에 실장) 그리고 STM32F401 32비트 MCU(NUCLEOF401RE 보드의 핵심)다. 

인더스트리 4.0 이니셔티브를 견인하는 주요 요소에는 M2M(Machine to Machine) 통신, 빠른구성(Configurability), 데이터 보안, 에너지소비 최적화가 있다. 산업계와 더불어 공장 자동화(FA)에 관심 있는 모든 분야가 대체로 이를 추구하는 방향으로 나아가고 있기 때문에, 오래 된 기계나 장치들은 교체되거나 가능하면 이러한 기능들로 업그레이드될 것이다.

이 글에서 소개할 ST가 개발한 솔루션은 인더스트리 4.0 도메인을 지원하는 것을 목표로 공장 자동화 시장에 적합한 최고 수준의 IC들을 조합한다. 이 시스템은 차세대 PLC가 어떻게 산업 분야에서 안전하게 동작할 수 있는지를 보여주고, 동시에 사용자 친화적인 GUI로 직관적인 래더(Ladder) 로직 환경에서 어떻게 사용자를 돕는지를 보여준다.

시스템 기능

Wi-Fi 커넥티비티 및 산업용 디지털 I/O 솔루션은 둘 다 STM32 마이크로컨트롤러로 제어되며, 산업용 애플리케이션을 위한 소형 시제품을 실현할 수 있게 해준다.

이러한 시제품을 구현하기 위해 3개의 다른 보드인 NUCLEO-F401RE, X-NUCLEO-IDW01M1, X- NUCLEOPLC01A1을 사용하는 빌딩 블럭 방식을 적용했다. 이를 통해 사용자는 각각의 보드를 평가하면서 해당 IC와 친숙해질 수 있다.

특유의 모듈화 방식을 적용한 프로토타입에 불과하지만 그 최종 결과물은 PCB 레이아웃 상에서 탁월한 견고성과 신뢰성을 보여준다. 

Nucleo-F401RE 

Nucleo-F401RE 보드는 32비트 MCU STM32F401RE에 기반한 제품이다. 이 MCU는 ARM Cortex-M4 코어를 적용한 제품으로 FLASH 메모리는 512KByte다. 시리얼 통신, 12비트 ADC, 16/32 비트 타이머가 peripheral로 통합되어 있으며 이러한 기능들은 이 프로젝트에서 주요하게 쓰인다.

ST의 모든 확장 보드(X-Nucleo)와 연결이 가능할 뿐만 아니라 아두이노 시스템과의 호환이 가능하여 다른 솔루션도 사용할 수 있다. Nucleo-F401RE 는 Nucleo platform 프로그램에 속한다.

Nucleo 플랫폼은 ST가 새롭게 선보이는 솔루션으로, 아두이노 시스템과의 호환성 덕분에 작고 단순한 시제품 구현을 목표로 한다. ST의 X-NUCLEO 프로그램에 포함된 모든 확장 보드와 연결도 가능하며 아두이노 호환이 가능한 다른 보드와의 연결할 수 있다.

또한 모든 Nucleo 보드는 Morpho connector를 탑재하고 있어 모터 제어 애플리케이션 지원이 가능하며, 마이크로컨트롤러 핀아웃(pin-out)을 완벽하게 지원한다.

X-NUCLEO-IDW01M1

X-NUCLEO-IDW01M1 보드는 SPWF01SA 디바이스에 기반하는 제품으로 다음과 같은 스펙을 탑재하고 있다.
STM32 ARM Cortex-M3 기반 MCU,통합 프로토콜 스택(TCP/IP, TLS/SSL), WEP/WPA/WPA2를 사용한 개인 보안, UART를 통해 호스트 인터페이스를 설정하는 간단한 AT 명령어 등이다.

이 모듈은 태블릿이나 아이패드와 같은 원격 디바이스에서 PLC를 제어를 위해 입출력 정보를 교환할 수 있도록 WEP 보안 키로 보호되는 P2P(point to point) 연결을 지원한다. 

이 모듈은 서버 노드(server node)로서 구성된다. 이는 Wi-Fi 모듈이 초기화될 때 네트워크에 표시되고 Wi-Fi 연결로 어떤 디바이스가 이용 가능한지 확인하고 이를 연결할 수 있다는 것을 의미한다. 일단 Wi-Fi 연결이 설정되면 사용자는 앱으로 Wi-Fi 파라미터(IP 주소 및 포트 번호)를 구성해 해당 입력/출력 관계와 래더 회로를 정의하고, 마지막에 모든 설정 프레임을 PLC로 전송할 수 있다.

이 디바이스는 펌웨어로 서버 노드나 클라이언트 노드로 구성할 수 있다. 이번 프로젝트의 경우, 서버로 구성하고 WEP 보안 키로 P2P 통신을 관리하기 위해 프로그래밍 된다(펌웨어 버전: X-CUBEWIFI1 V 1.1.0).

X-NUCLEO-PLC01A1

X-NUCLEO-PLC01A1 보드는 산업용 IO(디지털 입력 종단 CLT01-38SQ7과 디지털 출력 VNI8200XP가 핵심 디바이스)를 평가하기 위한 툴로, 최대 8개의 입력과 출력을 동시에 관리할 수 있다(병렬 출력 채널 연결 또한 지원하며, 부하 구동에 필요한 출력 전류가 채널 당 0.7A 이상이다. 이는 출력 IC가 지원하는 허용치의 최대값이다).

지원 SPI 통신은 교환이 필요한 정보를 기초로 서로 다른 데이터 포맷을 사용해 각각의 IC와 마이크로컨트롤러 간에 데이터를 교환한다.지원되는 데이터 포맷은 입출력 채널상태만을 관리하는 8비트이거나 디바이스 오류 정보 및 패리티 비트를 관리하는 16비트 데이터 포맷이다. 

두 개의 IC(VNI8200XP 및 CLT01-38SQ7)는 입출력 상태에 관한 광학 신호 전달을 지원하고, VNI8200XP에서만 오류 IC 상태 신호전달을 지원한다.
출력상태 신호전달은 LED 신호전달 출력 상태에서의 디지털 출력 IC(VNI8200XP)에 특히 주의를 기울여야 하며, 채널 당 한 줄 처리가 아닌(디지털 출력 CLT01-38SQ7 등) 전력 소비를 줄이기 위한 매트릭스 솔루션으로 구현되어야 한다.

산업 표준 IEC61131의 요구에 따라 I/O 인터페이스는 광 커플러(Optical Coupler)를 사용해 절연되고 EMC 내성 관점에서 요구사항을 만족시키도록 설계된다(IEC61000-4-2, IEC61000-4-4, IEC61000-4-5).

EMC 관련 제한은 ST 랩에서 확인됐으며, 제안된 IEC 테스트 설정에 따라 사전적합성 시험을 수행했다. 그 결과는 아주 잘 설계된 레이아웃과 IC의 견고성을 뚜렷하게 보여준다.

LED 매트릭스와 광 커플러, 절연 후 모든 회로에 공급돼야 하는 디지털 전압은 VNI8200XP에 내장된 DC/DC 레귤레이터에서 조정된 전압을 사용해 공급된다. 또한 통합 IC의 과부하 및 과열 보호 기능은 애플리케이션 수준에서 애플리케이션의 안전성을 향상시킬 수 있다. 

사용된 ST 디바이스
이 프로젝트에 사용된 주요 IC는 다음과 같다.

Wi-Fi IC SPWF01SA

이 Wi-Fi 모듈은 64 KB RAM 및 512 KB 플래시를 포함한 통합 STM32 ARM Cortex-M3 기반 MCU, 통합 TCP/IP 프로토콜, 다양한 보안 키 설정 기능, 통합 2.4 GHz 안테나, 호스트 시스템과 인터페이스하기 위한 통합 UART, UART를 통해 호스트 인터페이스를 설정하는 간단한 AT 명령어 등을 내장하고 있다. 스마트 기기, 홈 오토메이션, 산업 제어 및 데이터 수집, 무선센서, 의료 기기, M2M 통신을 지원하기 위해 개발됐다. 

CLT01-38SQ7
산업용 디지털 입력 종단 디바이스로 8비트/16비트 포맷으로 외부 MCU와 정보를 교환하는 통합 SPI 주변장치를 내장하고 있다. 8비트 설정은 사용자가 리드아웃(판독) 상태 채널만 관리할 수 있는 반면, 16비트 통신은 데이터의 손상 여부를 확인할 수 있다. 이는 마이크로컨트롤러에서 입력되는 프레임의 패리티를 계산하고 이 최종 패리티를 프레임 내의 패리티 비트와 비교할 수 있게 해준다. 16비트 설정을 사용하면 과열 및 저전압 관련 하드웨어 정보를 얻을 수 있다.

하드웨어 관점에서 입력 핀의 V_CC 전압 범위에 대한 호환성은 센서(또는 디지털 출력 IC의 출력)를 연결해 그 하드웨어 상태 정보를 다시 얻을 수 있게 해준다. 

디지털 출력 디바이스 VNI8200XP
통합 SPI 주변장치(최대 속도 5 MHz) 및 8비트/16비트 통신 프레임의 선택 기능을 제공하는 산업용 디지털 출력(솔리드 스테이트 릴레이) 디바이스다.

이는 애플리케이션 요구사항에 따라 결정되는데 그 조건은 애플리케이션 진단(check-up) 속도나 애플리케이션 동작 시간 동안 처리할 필요가 있는 정보와 관련이 있을 수 있다. 이 경우에는 출력 채널만 처리해 그 상태(오류 여부)에 대해 피드백을 받아야 한다면 8비트 설정을 선택하는 것으로 충분하다. 반면에 내부 DC/DC 컨버터 레귤레이션, 케이스 온도 보호 상태(활성화/비활성화), 공급 전압 수준, 또는 프레임 손상 분석 등 디바이스 상태에 대한 더 많은 정보가 필요하다면 16비트 통신 설정을 제안한다.

이 IC는 애플리케이션 안전성을 최대한 향상시킬 수 있도록 여러 가지 첨단보호 기능을 내장하고 있다. 보호 기능으로는 각 채널에 대한 한계 과전류 보호, 각 채널의 접합 과열 보호(SPI 프레임에 대한 보고), 케이스 온도 보호, VCC 과전압 보호 등이 있다. 또한 애플 리케이션 PCB의 부품수를 줄이기 위해 3.3V와 5V를 선택할 수 있는 DC/DC 컨버터를 통합했다.

소프트웨어 툴

개괄
이 소프트웨어는 널리 알려져 있는 래더 프로그래밍 로직에서 영감을 얻었으며, PLC 파라미터 설정 및 프로그래밍에 쓰이며 IEC6131-3 표준에서 제시하고 있는 가이드라인을 따르고 있다.

사용자는 태블릿이나 아이패드를 사용해 입력(센서나 활성화된 디지털 출력에서 나오는 신호)과 출력(알람, 산업용 LED, 밸브 등과 같은 산업용 부하를 의미) 관계를 배치할 수 있고, 자신의 래더 방식과 PLC 시스템에 대한 구성을 보낼 수 있다.

ST가 안드로이드와 iOS용으로 개발한 프로토타입 앱은 태블릿이나 아이패드에 설치할 수 있다. 최대 7개의 구성(래더 로직 용어에서 Rung으로 명명)을 선택할 수 있으며 각각의 구성을 위해 입력과 출력 사이의 관계를 정의할 수 있다.
동시에 8개의 다른 설정을 프로그래밍 할 수 있다.

프로그래밍 절차
이제 모듈을 프로그래밍하기 위해 GUI를 사용하는 방법에 대해 간단히 살펴보자. GUI는 사용자가 다음과 같은 작업을 할 수 있는 다양한 페이지들을 제공한다.

① 입/출력 구성 및 연결을 설정한다.


② 포트 번호 및 IP 주소 연결 파라미터를 구성한다. 

③ 요청 Rung을 프로그램하고, 필요할 경우 프로그래밍하기 전에 원치 않는 Rung을 선택 해제하거나 실제 모듈 구성을 재설정한다.


결론
ST가 인더스트리 4.0 트렌드에 맞춰 시도한 시제품은 NUCLEO와 X-NUCLEO라는 프로토타이핑 보드로 개발된 모듈형 솔루션으로 PLC 기능을 제공해 커넥티비티 및 자동화 IC가 협업하여 M2M 통신을 관리한다.

이 PLC 보드는 우수한 열강도(thermal capability)와 서지(Surge) 견고성, 과도현상(Burst) 및 ESD 내성을 달성할 수 있도록 PCB 레이아웃이 설계됐다.
 

참고문헌 1. VNI8200XP datasheet: “Octal high-side smart power solid-state relay with serial/parallel selectable interface on-chip”, www.st.com 2. CLT01-38SQ7 datasheet: “High speed digital input current limiter”, www.st.com 3. SPWF01SA datasheet: “Serial-to-Wi-Fi b/g/n intelligent modules”, www.st.com 4. IEC61000-4-2/4/5: “EMC test Industrial standard” 5. IEC6131-3: “Ladder Logic industrial standard”