제조 현장에서 모션컨트롤 통합을 위한 통신 프로토콜 구현 방법

Kollmorgen

지난 10년 동안 공장에서 이더넷 통신의 필요성이 증가했다. 모든 단계의 기계 작업과 성능에 대한 자세한 정보는 생산성 향상에 중요한 역할을 한다. 성능 리포트에서 예방적 유지보수와 기능 이상으로 확대되면서, 같은 기계 내에서 또는 다른 장소 공장에 설치된 여러 컨트롤러를 연결해야 할 필요가 생겼다.

머신 제어 형식

모션 제어는 두 가지 형식으로 통합한다.

모션과 머신 컨트롤러는 분리되어 있다. 모션 컨트롤러는 모션과 머신 컨트롤에 중점을 두고, 기존 PLC(프로그래머블 로직 컨트롤러)나 PC가 나머지 머신 컨트롤을 처리한다.
독립형 모션 컨트롤러는 캠 같은 모션 유형과 토크 속도, 기어링, 시간 임계적 입력/출력(I/O) 같은 작동 모드를 더 많이 지원한다. 모션 컨트롤에 중점을 두면, 모션 컨트롤러와 머신 컨트롤러가 분리되었을 때 모션 성능과 정밀도가 증가한다.

두 번째 유형의 머신 컨트롤은 기계와 모션 컨트롤을 하나로 결합한다.
강력해진 프로세서로, 모션 컨트롤러는 PLC 기능을 수행한다. 따라서 PLC나 PC 기반 머신 컨트롤러가 필요없으므로 전체 비용은 절감된다.

정보 전달

모션 컨트롤러는 의료, 실험실 자동화, 로봇 공학, 인쇄, 라벨링, 재료 성형, 제약, 포장, 식품, 음료, 타이어, 고무, 우편 정렬을 포함한 다양한 산업에서 사용된다.
모션 컨트롤러의 기본 데이터는 장비 성능에 영향을 미친다. 데이터는 장비가 얼마나 효율적으로 위젯(widgets)을 만드는지, 얼마나 많은 위젯이 만들어졌는지, 기계 오류나 한계에 대한 경고, 올바르지 않은 온도에서 작동하는 기계의 히터와 같은 예상치 못한 변수를 포함한다.

기계가 정상적으로 최고 효율로 작동하는지 그리고 언제 비정상적으로 작동하는지 파악하면 비용, 시간, 자원을 절약할 수 있다. 모터의 전류가 예상보다 많이 늘어나면 기계적인 문제가 발생하여 절단기가 잘못된 길이로 자른다. 이러한 문제를 신속하게 파악하고 해결하기 위해서, 시스템 성능 데이터를 제공하도록 프로그램밍해야 한다.
머신 컨트롤러에서 모션 컨트롤러로 이동하는 정보는 명령에 초점을 맞춘다. 이러한 명령은 기계 설정을 위한 지시나 방법이다. 또한 거리나 속도, 캠 모션 포인트, 기계 운영자를 위한 일상적인 유지 보수의 주기적 알림 같은 모션 사양을 포함한다.

3가지 유형의 정보 전송 매체

· Ethernet-PLC Oriented: 이더넷/IP, Profinet, EtherCAT^{^?}, SERCOSIII^?, 공급 업체별, 기타 기존 PLC에 통합된 일반적인 산업용 이더넷 필드 버스
· Ethernet-PC Oriented: UDP와 HTTP 같은 전통적인 PC 기반 네트워크
· 비이더넷 방식(Non-Ethernet Methods): 웹 서버, SD 카드, 원격 메모리, FTP, VPN/eWON

이더넷 통신 기본 사항

· 케이블 소재는 동선, CAT5 또는 CAT6 케이블이며 RJ45 종단부다. 각 노드 사이의 케이블 길이는 100미터까지 가능하다.
· 연결 토폴로지는 라인과 스타와 링이지만, 많은 네트워크 구현은 세 가지 서브 세트만 지원한다.
· 정밀 모션 제어를 유지를 돕는 많은 모션 또는 기계 애플리케이션에 필요한 전기 절연으로 제작되었다.
· 네트워크와 구성 방식에 따라 정보를 전송한다.
· 업데이트 시간은 애플리케이션과 네트워크에 따라 500밀리초 이상, 250마이크로초이다.
· 자동 네트워크 구성과 무결성 검사를 통해 네트워크 전송의 품질을 보장한다.
· 모션 컨트롤러와 머신 컨트롤러 혹은 외부 컨트롤러 사이에 전달되는 정보는 단일 객체나, 데이터 배열/구조의 형태에서 매개 변수나 변수, 태그라고도 한다.

Modbus TCP/IP

이더넷 기반 Modbus^? TCP/IP는 Modbus RTU 프로토콜을 바탕으로 구축되었다. 이것은 다양한 장치와 제어기를 함께 쓰며, 산업 표준이 된다. Modbus TCP/IP는 32비트나 16비트 형식의 이진과 비이진 데이터(binary and non-binary data) 전송을 위한 표준 주소 블록 체계를 가지며, 비결정적이며 데이터 업데이트 시간이 다르다. 보통 두 장치 사이 업데이트 시간의 성능 범위는 20~200밀리초이다.

Modbus TCP/IP 인터페이스를 모션 컨트롤러에 통합하려면 모션 컨트롤러의 프로그래밍 소프트웨어 구성을 설정해야 한다. 네트워크의 Fieldbus 편집기 삽입을 위한 선택 사항이 있다. 텍스트 프로그래밍이 없으므로, Modbus 주소를 미리 설정된 태그나 변수에 간단하게 연결한다. 링크는 드래그 앤 드롭 방식(drag and drop method)이나 드롭다운 대화 상자(dropdown dialog box)로 추가하여 설정한다.

머신 컨트롤러에 Modbus 연결을 설정하려면 IP 주소를 구성해야 한다. 태그 파일을 가져오면 모션 파라미터를 머신 컨트롤러의 태그나 애플리케이션 프로그램에 사용할 수 있다.

이더넷/IP

Ethernet/IP™는 유연성과 확장성, 통합 용이성 때문에 널리 사용된다. 폴링 I/O(Polled)과 플렉스 I/O(Flex), 명시적 메시징을 포함한 구성을 할 수 있다. 모션 컨트롤러에 내장하거나 그 기계와 프로세스 매개 변수에 직접 액세스할 수 있다.
모션 제어는 설정 화면으로 사용자가 이더넷/IP에 적합한 매개 변수를 설정하고, 애플리케이션을 쉽게 연결하여 구현한다.

머신 콘트롤러의 스크린으로 노드와 데이터 테이블 셋업을 할 수 있다.

UDP(사용자 데이터그램 프로토콜)

UDP는 기계 제어 애플리케이션의 단순성과 속도로 산업 자동화 분야에서 널리 쓰인다. UDP는 Visual과 함께 개발된 애플리케이션에 자주 사용된다.
기본(VB)과 비주얼 스튜디오(VS), 기타 언어는 일반적으로 기계 자동화계 외부에서 사용하나, 통신 오버헤드가 적으므로 프로토콜이 자동화 애플리케이션에도 적합하다. 업데이트 속도는 1~4밀리초다.

이더넷/IP 설정과 달리, 버스 화면 없이 Kollmorgen PDMM 모션 컨트롤러의 UDP로 연결할 수 있다.
PLC 기능 블록으로 애플리케이션에 직접 통신한다. 입력되는 정보는 모션 제어 매개 변수로 읽고 분석한다.

HTTP(Hypertext Transfer Protocol)

HTTP는 ‘웹을 작동하게 하는’ 언어로 불렸다. 기계 자동화를 위해 특별히 개발된 것은 아니지만 HTTP는 공장 자동화 분야에서도 사용된다. VB(Visual Basic)와 VS(Visual Studio), Excel, C#, C++, Java 같은 PC 기반 컨트롤러에 사용되는 언어는 HTTP 통신을 지원한다. HTTP는 50~300밀리초의 통신 속도로 비결정적이며, 기계 설정 정보를 통신할 때와 같이 서보 업데이트 속도로 중요한 정보를 전달할 필요가 없는 애플리케이션에서 잘 작동한다.

모션 컨트롤러에서 HTTP 인터페이스는 컨트롤러 설정 화면으로 구현되므로 사전의 모든 변수를 HTTP 네트워크로 사용할 수 있다. 외부 컨트롤러의 HTTP 설정과 통신은 간단하여 모션 컨트롤러의 IP 주소와 매개 변수 이름만 필요하다.

다음은 VB2008 플랫폼에서 모션 컨트롤러로의 HTTP 통신의 예로, 기계 파라미터를 읽고 쓸 수 있는 컨트롤 스크린/패널이다. 모션 컨트롤러의 데이터는 주기적 읽기 명령을 사용하여 읽는다. 사용자가 버튼을 클릭하거나 동작 매개 변수값을 입력하면 데이터는 모션 컨트롤러에 전송되거나 기록된다.

EtherCAT

EtherCAT의 속도와 정확성은 원격 I/O나 드라이브와 같은 모션 컨트롤러에 장치를 연결하는 데 이상적이다. 산업 자동화 애플리케이션의 일반적인 형식은 CANC(Ether Over EtherCAT)이다.
COE는 1/4밀리초나 250마이크로초의 업데이트 시간으로 데이터를 결정적으로 전송한다. 지속적으로 만들어지는 부품 유형과 같은 데이터는 매주기 전송할 필요없으므로, SDO(side of the protocol)나 사서함이라 불리는 프로토콜의 비결정적 측면이 업데이트를 처리한다.

장치 공급 업체가 사전 정의한 ESI(EtherCAT Slave Information) 파일은 전송할 수 있는 매개 변수 집합을 정의한다.
PDO(process data objects, 프로세스 데이터 객체)라고 하는 일부 매개 변수는 주기적으로 업데이트된다. 백그라운드(SDO나 사서함 채널)에서 느린 속도로 전송되는 다른 매개 변수도 정의할 수 있다.

또한 EtherCAT 마스터가 포함된 모션 컨트롤러는 네트워크에서 장치를 검색하는 한편, 애플리케이션에서 사용할 수 있도록 구성하기 위해 초기화되면 장치 매개 변수를 설정한다.
모션 컨트롤러 인터페이스에서, 창은 무엇이 PDO 매개 변수이며 주기적으로 보내는지를 보여준다.
설정에서, 사용자는 순환 매개 변수를 애플리케이션의 PLC 변수에 연결한다. EtherCAT 네트워크로 받은 매개 변수는 특정 컨트롤러 기능 블록으로 PLC 프로그래밍 변수에 연결한다. 예를 들어, 서보 축의 위치를 읽을 때, 표준 PLC 개방 기능 블록을 MC ReadActPosition 으로 사용할 수 있다. 모션 컨트롤러 측면에서, 광범위한 변수는 비주기적으로 전달된다.

다중 인터페이스

일부 애플리케이션은 모션 컨트롤러에 연결하는 데 여러 이더넷 기반 네트워크 인터페이스가 필요하다.
이를 달성하는 한 가지 방법은 모션 컨트롤러의 단일 RJ45 포트에 연결된 외부 스위치를 사용하는 것이다. Modbus TCP/IP, Ethernet/IP, UDP의 세 가지 연결이 있다. Modbus TCP/IP는 HMI에, 이더넷 IP는 외부 컨트롤러 #1에, 세 번째인 UDP는 외부의 컨트롤러 #2에 연결하여 SCADA를 구현한다. 현실적으로 3개의 네트워크를 사용하면 성능에 어떤 영향을 미치는지가 문제다.

사용자는 전송된 정보와 업데이트 속도를 최적화하기 위해 네트워크 사용을 신중하게 계획해야 한다. 추가로 성능에 부정적인 영향을 최소화하기 위해, 모션 컨트롤러에 있는 프로그램 업데이트 속도도 최적화해야 한다.

웹 서버

웹 서버 역시 단순히 IP 주소를 입력하여, 모션 컨트롤러 안팎으로 정보를 처리하는 데 사용한다. 일단 연결하면 기계 작동 정보와 일정량의 원격 제어가 가능하다.
아래에 있는 스크린 샷은 PDMM 시리즈 컨트롤러의 웹 서버에서 가져왔다. 이것은 컨트롤러와 작동 상태 정보를 제공하기 위해 열 수 있는 로그 파일을 보여준다. 제어 엔지니어는 이 로그 파일로 컨트롤러 문제를 해결한다.

기계 작동 중에 모션 컨트롤러로 생성된 작동 데이터는 웹 서버를 통해 전송할 수도 있다.

메모리 카드

일반적인 정보 액세스 방법의 하나는 메모리 카드 사용이다. 이 방법은 네트워크를 사용하지 않고 사용자가 모션 컨트롤러로 데이터를 가져오거나, 컨트롤러에서 파일로 운영 데이터를 옮길 수 있다. 또한 SD카드로 컨트롤러와 시스템, 드라이브 구성 정보를 기존 모션 컨트롤러에서 다른 모션 컨트롤러로 전송할 수 있다. 이것은 기존 시스템에서 다른 시스템으로 컨트롤러의 펌웨어와 애플리케이션 소프트웨어, 매개 변수를 복제하는 짧은 시간 설정 방법을 제공한다.

원격 메모리

이더넷 연결로 외장 하드 드라이브에 연결해도 정보를 전달할 수 있다. 연결 방법은 모션 컨트롤러의 웹 서버로 IP 주소와 기타 정보를 설정하면 된다. 외장형 하드 드라이브는 같은 건물 내에서나 다른 곳에서 액세스할 수 있어, 사용자가 전체 공장 작동 정보를 저장하는 원격 중앙 메모리에 정보를 쉽게 넣을 수 있다. 또한 모션 컨트롤러의 프로그램에서, 기계가 작동하는 동안 작동 정보가 있는 원격 메모리 파일을 읽을 수 있다.

어떤 네트워크를 선택해야 하는가?

모든 옵션을 사용할 수 있는 경우, 애플리케이션에 가장 적합한 옵션은 다음과 같다.

- 네트워크에 대한 개인적인 경험이 있는가?
- 특정 네트워크의 경험(예: 이더넷/IP이나 HTTP)은 네트워크 가동과 작동 시간을 최소화하는 데 도움이 된다.
- 특정 네트워크에 대한 공급 업체의 경험이 있는가? 적시 통합에 중요한 애플리케이션의 경험이 있는가?
- 컴퓨터가 요구하는 속도로 네트워크를 업데이트할 수 있는가?
- 애플리케이션 세부 사항을 보고, 정보를 전달하는 데 필요한 업데이트 시간을 확인한다. 많은 애플리케이션에서, 두 가지 단계가 있다.
예: 1~5밀리초 내에 도착해야 하는 정보와 50~200밀리초 내에 도착할 수 있는 정보
- 모션 컨트롤러 성능이 다른 영역에 미치는 네트워크의 영향은? 네트워크 로딩이 다른 영역의 기계 성능을 손상시킬 수 있는가?
- 도구: 특정 네트워크에서, 제품/공급 업체가 통신을 설정하고, 전달되는 정보를 모니터하는 데 도움이 되는 도구와 설명서는 무엇인가?
- 필요 시, 공급자는 어떤 기술 지원(사람과의 상호 작용)을 하는가?
- 어떤 타사 도구를 사용할 수 있는가?
- 예를 들어, Modbus나 HTTP, UDP로 모션 컨트롤러의 통신 인터페이스를 설정하기 위한 온라인 무료 도구가 있다.
- 무슨 보안과 안전 조치가 있는지?

시운전

네트워크를 작동시켜 원하는 성능 목표를 달성하는 단계.

- 필요성을 정의하라. 네트워크로 전달할 정보는 무엇인가?
- 각 매개 변수의 업데이트 속도는?
- 산업 등급 이더넷 케이블을 사용하라. 추가 비용으로 소음 문제와 장비의 다운 시간을 방지한다.
- 컨트롤러에 업데이트 속도, 데이터 크기, IP 주소와 같은 통신 매개변수로 설정하라.
- 작게 시작하라. 기본적인 커뮤니케이션을 먼저 하라. 하나나 몇 개의 매개 변수로 성공적으로 송수신하라. 개발 프로세스에서 몇 가지 매개 변수를 조정하는 것이 더 빠르다.
- 나머지 매개 변수를 추가하라.
- 네트워크의 양쪽에서 기계 성능을 확인하라. 모든 정보가 제대로 도착하고 필요한 업데이트 속도에 도달했는가? 모션이나 컨트롤의 다른 측면에 미치는 영향이 있는가?

맺는 말

오늘날 공장의 일상적인 운영과 전반적인 생산에서 모션 컨트롤러 내외부로 정보를 전송하는 것은 중요하다. 공장 내의 이더넷 기반 통신은 지난 10년 동안 계속 증가했으며, 더 많은 기계 성능 측정과 추적 기능 개발로 더욱 증가할 것이다. 다양한 애플리케이션과 정보로 이 기술을 사용하는 공장은 경쟁력을 가진다. 최신의 기술을 비롯한 직원의 전문 지식의 구축으로 새로운 발전에 투자할 수 있다.

자료 제공: Kollmorgen(www.kollmorgen.com)

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