공장 자동화를 위한 컨트롤러 선택 시 고려해야 할 중요 항목

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기계 자동화를 위한 컨트롤러를 선택할 때 고려해야 할 중요 항목이 많다. 장비의 운영 요구를 분석하는 것부터 OEM 또는 기계 제작자가 지정한 컨트롤러 범위를 평가해야한다. 제조 환경에 장비가 어떻게 적용되는지에 따라 컨트롤러는 자동화 시스템의 완벽한 솔루션을 제공하거나 아니면 개별 부품만을 제어하게 된다.

PLC 또는 PAC와 같은 컨트롤러는 단일 스테이션, 기계, 프로세스 장치, 전체 조립 라인 또는 전체 플랜트를 제어할 수 있다. 통합 제조 시스템을 자동화하는 경우 이더넷을 통해 통신하는 여러 확장 및 원격 I/O베이스를 사용되는 단일 대형 컨트롤러는 엔드 투 엔드(end to end) 제어를 제공한다.

그러나 다른 애플리케이션에서는 시스템을 여러 개의 논리적 섹션으로 분할하여 자동화를 구획화해야 할 경우도 있다. 이때는 수요와 기능에 따라 자동화는 더 작은 PLC 또는 마이크로 PLC로 분할 및 확산할 수 있다(그림 1).

대부분의 자동화 엔지니어는 이 두 가지 선택이 매우 다른 플랫폼을 제안하기 때문에 복잡하게 생각하지만 반드시 그렇지 않다. Productivity Series PLC와 같은 컨트롤러 제품군은 각각 동일한 프로그래밍 소프트웨어를 사용하면서 다양한 크기 옵션을 제공한다(그림 2). 단일 프로그래밍 환경은 프로젝트 간 호환성을 위해 프로그램을 한 PLC에서 다른 PLC로 쉽게 변환하거나 이동할 수 있기 때문에 시간과 비용을 절약하면서 애플리케이션 유연성을 제공받을 수 있다.

이 경우 어려운 부분은 큰 PLC에서 단일 프로그램을 실행할지 또는 여러 개의 작은 PLC에 동일한 프로젝트를 배포할 것인지를 결정하는 것이다.

아래는 해당 애플리케이션에서 사용하기에 가장 적합한 컨트롤러를 결정하는 데 도움이 되도록 고려해야 할 요소 목록이다. 이것은 PLC, PAC 또는 PC 기반 컨트롤러를 선택하는 것보다 크기, 성능 및 기능을 모두 고려해야 하기 때문에 더 복잡하다.

컨트롤러를 선택할 때 고려해야 할 요소

• 자동화 (신규 또는 기존 시스템)
• 환경 문제
• 개별 장치
• 아날로그 장치
• 루프 제어
• 특수 모듈 또는 기능
• I/O 위치 (로컬 및 원격)
• 커뮤니케이션
• 프로그래밍

시스템이 새로운 시스템 또는 기존 시스템인가에 따라 선택해야할 중요 요소가 좌우된다. 이미 설치된 제품이 있는 경우 새 시스템과 호환되는 것이 좋다. 단 일부 컨트롤러 제품은 동일한 제조업체의 다른 제품과도 호환되지 않는 경우가 있다.

극한의 환경 조건이 존재하면 주변온도 한계가 큰 문제가 될 수 있다. 일반적인 컨트롤러의 작동 온도 범위는 0-55°C (30~130°F)이지만 설비 현장의 실제 조건 또는 시설에서 시행 중인 특정 코드는 보다 엄격한 표준에 따라 설계해야 한다.

I/O의 개수, 유형 그리고 위치

스프레드시트에 모든 개별 입력 및 출력을 나열하고 아날로그 센서, 디지털 센서, 솔레노이드, 액추에이터, 제어 밸브 등과 같은 각 유형을 정의해 보는 것이 좋다. 신호 유형, 전력 요구 사항, 통신 프로토콜 및 기타 고려 사항을 포함시켜야 한다.

정의된 I/O 포인트 및 유형의 수는 제어 플랫폼에 큰 영향을 미친다. 일반적인 실수는 즉각적으로 처리할 수 있지만 확장의 여지가 없는 컨트롤러를 선택하면 난감해진다. 따라서 20%의 추가 I/O를 수용할 수 있는 공간을 포함하면 심각한 문제를 예방할 수 있다. 일부 컨트롤러는 특정 유형의 I/O, 특히 고속 입력 또는 출력과 같은 아날로그 및 특수 I/O를 제한하는 경우도 있기에 문제가 될 수 있다.

I/O 스프레드시트에는 필요한 모든 아날로그 장치에 대한 기능 및 신호 레벨이 나열되어 있어야 한다. 여기에는 전압 루프, 전류 루프, 열전대 및 RTD 입력에 대한 개별 총계가 포함되며 전압 및 전류 출력에 대한 총계가 포함돼야 한다. 신호 레벨 뿐만 아니라 총 아날로그 입력 및 출력 수가 지원되도록 컨트롤러 사양을 확인해야 한다.

특수 입력 및 출력 또는 인텔리전트 모듈도 분해하여 I/O 스프레드시트에 나열해야 한다. 특수 항목으로는 실시간 클록, 고속 카운터, 고속 출력, 포지셔닝, 서보/스테퍼 모터 등이 있다.

애플리케이션에 필요한 특수 기능은 컨트롤러에서 지원하지 않을 수 있다. 모든 컨트롤러가 시간을 알 수 있거나 고급 또는 간단한 모션 제어 기능을 가지고 있다고 생각해서는 안 된다. 미래에 필요한 기능을 사용하려면 애플리케이션 요구 사항과 컨트롤러 기능을 이해해야 한다.

필드 장치와 관련된 I/O 터미널의 물리적 위치도 신중하게 정의하고 스프레드시트에 추가해야 한다. 이 모듈식 분석은 로컬 및 원격 I/O 요구 사항과 필요한 실시간 통신 프로토콜을 배치하는 데 도움이 된다.

컨트롤러와 서브 시스템 사이에 장거리가 있는 경우 개별 필드 장치에 대한 장거리 배선 대신 원격 I/O가 좋은 옵션이다. 지원되는 통신 방법 및 속도는 애플리케이션에 적합해야 한다. 직렬 및 이더넷 기반 I/O는 옵션이다. EtherNet/IP와 같은 산업용 이더넷 프로토콜은 다양한 버전의 모듈과 함께 널리 사용된다.

통신

분산 I/O 외에도 여러 PLC, 주변 장치 및 엔터프라이즈 급 시스템 간의 통신이 필요할 수 있다. 이러한 의사소통 요구의 범위는 프로세스의 초기 단계에서 향후 더 복잡해질 것이라는 생각으로 결정해야 한다. 일부 컨트롤러에는 하나 또는 두 개의 통신 포트만 있을 수 있으며 그 중 하나는 프로그래밍 용도로만 사용될 수 있다. 컨트롤러는 가장 널리 사용되는 프로토콜이나 중요한 애플리케이션에 필요한 특정 프로토콜을 지원하지 않을 수도 있다.

산업용 이더넷 또는 직렬 통신을 통한 다른 시스템, HMI 및 필드 장치와의 통신을 정의해야 한다. 사물 인터넷 애플리케이션이 빠르게 성장함에 따라 더 많은 통신 포트와 통신 옵션이 있는 게 좋다. 하나 이상의 추가 이더넷 포트, 직렬 포트, USB 포트 및 기타 구성 가능한 옵션이 있는지 확인해야 한다(그림 3).

직렬 및 ASCII 프로토콜과 함께 EtherNet/IP, Modbus TCP 등과 같은 이더넷 프로토콜을 지정할 수 있어야 하며 이로써 현재 및 미래의 요구 사항을 지원할 수 있는 컨트롤러를 소유할 수 있다.

하드웨어 요구 사항

하드웨어 요구 사항은 메모리 양, 스캔 시간 속도 및 배터리 백업이다. 컨트롤러에는 데이터 및 프로그램 요구 사항을 모두 지원할 수 있는 충분한 시스템 메모리가 필요하다.

시스템이 얼마나 많은 장치를 지원해야 하는지 결정하면 필요한 데이터 메모리 추정에 도움이 된다. 데이터 메모리는 가변 스토리지 및 동적 데이터 조작에 모두 사용된다. 타이머 및 카운터의 사전 설정 세트 포인트, 누적 시간/카운트 및 기타 내부 플래그는 데이터 메모리에 포함된다.

히스토리 데이터를 컨트롤러에 저장해야 할 경우 훨씬 더 큰 데이터 테이블 크기가 필요하다. 데이터 로깅 요구 사항, 데이터에 액세스하기위한 액세스 방법, HMI/SCADA, 히스토리 언 데이터베이스에 대한 인터페이스에 대한 세부 정보를 지정해야 한다. 네트워킹, 프로토콜 및 메모리 요구 사항은 모두 산업용 사물 인터넷에 연결하기위한 요구 사항이다.

사용된 프로그램 크기 및 명령어 유형도 메모리에 영향을 준다. 시퀀스가 많고 복잡한 제어 기능과 오류 논리가 있는 큰 프로그램은 메모리 요구를 증가시킬 수 있다. 프로그램 및 데이터 파일의 수를 기반으로 컨트롤러 메모리 요구를 추정할 수 있지만, 일부 컨트롤러에는 태그 기반 프로그래밍으로 되어 있고 다른 컨트롤러에는 유형이 다른 확장 가능한 데이터 테이블이 있을 수 있다.

프로그램 지침마다 메모리 요구 사항이 다르다. 이는 일반적으로 프로그래밍 매뉴얼에 명시되어 있다. 프로그램 및 데이터 테이블에 사용하는 메모리 양은 컨트롤러마다 크게 다르다. 유용한 법칙은 각 개별 I/O 장치에 대해 5-100 워드의 메모리를, 아날로그 I/O에 대해 25-500 워드의 메모리를 제안한다. 단 복잡한 애플리케이션에서는 추정하기가 어렵다. 더 좋은 방법은 애플리케이션의 일부에 대한 예비 코드를 개발하고 실제 메모리 사용량을 확인하는 것이다.

기계의 빠른 사이클 타임에는 빠른 컨트롤러 스캔 시간이 필요하다. 컨트롤러 CPU 속도와 명령어 실행 속도는 컨트롤러가 더 빠른 Boolean logic을 가질 수 있지만 데이터 처리 명령어를 실행할 때 속도가 느릴 수 있다.

소프트웨어 요구 사항

소프트웨어 플랫폼 및 프로그래밍 방법은 유저의 선택에 달렸다. 선택 과정에서는 PID 루프, 부동 소수점 연산, 드럼 시퀀싱, 프로그램 인터럽트 및 서브 루틴의 가용성을 고려해야한다.

일부 컨트롤러는 특정 애플리케이션에 필요한 프로그램 명령을 지원하지 않는다. PID 루프 기능이 그렇다. 폐루프 공정제어 요구를 지원하기 위해 사용자 정의 코드를 작성하는 대신 내장 PID 명령어를 사용하는 것이 훨씬 쉽다(사용 가능한 경우). 필요한 PID 루프 수는 과소평가되기 쉬우므로 애플리케이션 및 컨트롤러 지원을 모두 확인해야한다. 즉 모든 프로그래밍 기능을 주의 깊게 살펴봐야 한다. 드럼, 시퀀서 및 실시간 클록은 제어 시스템을 위해 프로그래밍을 요구할 수 있다.

자료 제공: AutomationDirect(www.AutomationDirect.com)