PMX - 높은 수준의 계측 기술을 기계 전자공학 시스템에 결합한 새로운 제어 시스템

 일상 생활에서 사용하는 제품에 대해 고객의 제품 수요와 제품에 대한 고객의 요구사항은 점점 더 커지고 있습니다. TV, 휴대폰 같은 전자 기기 업계나 자동차 제조업체에서 신모델을 출시하는 주기가 훨씬 짧아지고 있다는 점을 고려하면 이러한 현상은 명백한 사실입니다.

제조업체는 지금의 트렌드에 맞추어 나가야 합니다. 제조업체는 이러한 트렌드에 대처할 수 있도록 테스트 및 생산 시스템을 최대한 유연하게 설계하고 현대화해야 합니다. 트렌드를 따르기 위한 이러한 일종의 규칙들은 하드웨어 및 그 컴포넌트, 그리고 소프트웨어의 다양성을 줄여야 하는 상황에서도 마찬가지로 적용됩니다. 이 말은, 시스템의 설정, 작동, (원격) 관리에 필요한 시간을 일관되게 단축함으로써 비용을 가능한 줄이고 경쟁력을 유지해야 한다는 관점에서 보면 처음에는 모순처럼 보일 수도 있습니다. 어떻게 하면 이 모든 것을 달성할 수 있을까요?

이번 기사에서는 다음의 주제들이 논의됩니다 :

  1. 기계전자공학 시스템에 대한 시장의 요구, 그리고 시간에 따른 변화
  2.  현대 제어 기술의 업무
  3. 고품질의 계측 기술이 제공하는 이점은?
  4. 테스팅 및 생산 기술에서 스마트 기능이 가진 장점은?
  5. 현대적 자동화의 개념 및 효율적인 진단

1. 기계전자공학 시스템에 대한 시장의 요구, 그리고 시간에 따른 변화

 모든 부서에 적절한 리소스를 배치하여 개별적으로 제품 개발 및 생산 시스템을 설계하고 진행하던 시대는 지났습니다. 이러한 시스템을 통한 설계는 특정 분야에서 특화될 수는 있지만 다른 분야로의 재사용이 불가능한 매우 특정적인 설계로 이루어진 경우가 많았습니다. 시스템의 개별 컴포넌트 사이의 상호작용은 종종 복잡한 전송 채널과 인터페이스 변환기를 통해서만 가능했습니다. 계속해서 복잡해지는 시스템 설계에서 그 효율성을 더욱 높이기 위한 지속적이고 일관된 변화가 일어나게 되었는데, 바로 모듈형 시스템에서 구조물의 기능을 하는 컴포넌트와 이러한 컴포넌트들을 연결하는 인터페이스를 표준화하는 것이었습니다.

마찬가지로, 제품 개발 및 생산 계획에서도 새로운 기술을 쉽게 통합할 수 있는 유연한 시스템을 찾고 있습니다. 또 다른 고려 사항은 새로운 시스템이 나올 때마다 트레이닝을 다시 해야 할 필요가 없어야 한다는 점입니다. 따라서, 자동화 작업과 제품 개발 작업 사이에 근본적인 구별이 필요합니다. 제품 개발에는 높은 기록 속도와 함께 정밀한 계측값 수집이 요구됩니다. 이와는 달리, 자동화의 경우, 계측 데이터의 중요도는 다소 낮추고 진단 데이터를 더 우선으로 하여, 장치가 최적의 상태에서 실행될 수 있도록 실시간 작업을 수행해야 합니다. 서로 차이가 있는 이들 영역은 기계전자공학 시스템에서 오랫동안 같이 성장해 왔습니다. 이상적으로는, 시스템의 컴포넌트는 두 영역에서 이용될 수 있을 정도로 충분히 유연합니다.

2. 현대 제어 기술의 업무

동일한 내용이 테스팅 및 제어 소프트웨어에도 적용됩니다. 테스트 영역에서 얻어진 계측량은 적합한 소프트웨어로 저장 및 분석되어야 합니다. 데이터 양이 방대하기 때문에, 이 소프트웨어는 PC에 기반하며, 계측 컴퓨터로의 전송은 이더넷 인터페이스를 통해 이루어집니다. 평가 소프트웨어의 일부 기능 및 실행 방식은 추후에 생산 환경에서 제어 기술의 일부 기능 및 실행 방식과 결합하여 다시 이용됩니다.

그리고 생산 환경에서의 기계전자공학 시스템은 그 실시간 작동을 높은 수준으로 유지하여, 모든 컴포넌트가 오류 없이 원활히 상호작용할 수 있어야 합니다. 하드웨어에 내장되어 타겟 시스템에서 바로 실행되는 제어 소프트웨어가 이 목적에 매우 적합합니다. 그렇지만, 프로젝트 계획은 간편해야 하고 문제해결(디버깅)도 단순해야 합니다. 이를 위해, 1990년대 초에 국제표준 IEC61131으로 일정한 기준이 만들어졌습니다. 오늘날의 모든 컨트롤러는 여기에 기초합니다. 이것은 릴레이 및 기계 제어 기술에 기반하여 그 시기까지 사용된 순수 전기기계 컨트롤러에서 기본적으로 비롯된 것입니다.

자동화에 전자기술이 접목된 이래, 많은 제조업체에서 이 표준을 따르는 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC)를 개발했습니다. 이것은 작업의 단순화라는 측면에서 볼 때, 사용자의 편의를 높인 상당한 진전임이 분명합니다. 하지만 사용자는 여전히 PLC의 한두 제조업체에 묶여 있는 상태였기 때문에, 소프트웨어 솔루션뿐만 아니라 표준화된 제어 기능을 이용할 수 있도록 개발 작업이 더 이루어졌습니다. 이렇게 하여, Soft PLC CODESYS가 탄생하였고 CODESYS의 탁월한 성능으로 이제는 전세계적으로 자리매김하게 되었습니다.

IEC61131-3에 따라 표준화된 오늘날의 CODESYS 제어 소프트웨어는 성숙하고 이상적인 자동화 도구를 제공하며, 여기에는 애플리케이션 개발자를 위한 미리 정의된 기능 및 메소드가 다수 포함되어 있습니다. 현대적인 프로그래밍 기법도 구현되었습니다. 애플리케이션을 생성하고 테스트하여, 컴파일러를 통해 기계어(machine code)로 번역하여 타겟 자동화 시스템에 전송하는 방식입니다.

3. 고품질의 계측 기술이 제공하는 이점은?

 시장은 더 짧은 시간 안에, 더 많은 기능이 있는, 더 높은 품질의 신제품을 요구하고 있습니다. 제조업체가 당면한 과제는 기존에 테스트된 계측값과 테스팅 컴포넌트를 생산 환경에서 이용함으로써, 품질 요건을 충족함과 동시에 특히 시장 출시 타이밍을 맞추는 것입니다. 개발 및 프로토타입 제작에는 정확도 등급이 0.05 이상인 고정밀 계측 기술과 높은 샘플링 속도가 필요한데, 계측 대상의 아주 작은 변화라도 계측하고 기록할 수 있어야 하기 때문입니다. 이것이 제품 및 품질의 특성을 정확하게 기록하고 반복성을 보장하기 위한 유일한 방법입니다. 정확한 기록 및 반복성 보장을 위해, 계측 장치는 계측 성능 및 신호 품질이 우수해야 합니다.

이는, 최종 제품의 품질 및 생산 시스템에 대한 요구가 증가하는 만큼, 보다 정확한 센서 시스템 그리고 보다 정확한 계측량 수집이 필요하다는 것을 말해 줍니다. 종래의 PLC로는 현재 요구되는 품질을 달성할 수 없습니다. 신호 해상도가 높고 (24 비트) 무감 컨버터 입력 단계(insensitive converter input stage)가 있는 PMX와 같은 계측 앰프만이 이러한 요건을 충족할 수 있습니다. PMX는 이러한 목적을 충족하기 위해 반송파 주파수 (carrier frequency) 방식을 추천합니다. 이 방식에서의 계측 신호는 먼저 변조가 이루어지고, 그 후에 증폭됩니다. 이렇게 하면 AC 험(잡음) 및 열전 전압(thermoelectric voltages)과 같은 시스템에 의한 간섭 효과를 없앨 수 있습니다.

중요: 모든 계측 채널은 그 구성 레벨에 상관 없이 19,200 Hz의 샘플링 속도로 기록됩니다. 이런 방식으로 PMX 계측 시스템은 전체 성능이 초당 계측값 400,000에 이릅니다. 이것은 종래의 PLC로는 절대 달성할 수 없는 수준입니다. 이와 같이 기존 시스템은 그 한계가 분명하기 때문에 고품질의 계측 및 제어 작업에 이용하는 것을 고려하기 어렵습니다.

PMX 데이터 수집 시스템은 한편, 상황에 따라 이용할 수 있는 서로 다른 인터페이스가 있습니다. 널리 사용되는 TCP/IP 프로토콜을 통해 계측 데이터 수집에 이더넷을 이용하여, 방대한 양의 데이터를 외부 평가 시스템에 저장할 수 있습니다. CAN, EtherCat, Profinet, Ethernet/IP 같은 실시간 필드버스를 PMX에 이용하여 자동화 작업을 수행할 수도 있습니다. PMX의 멀티-클라이언트 기능을 이용하여, 모든 데이터 및 진단 정보를 이 모든 인터페이스에서 병렬로 사용할 수도 있습니다. 이것은 자동화 세계에서 유일한 기능입니다. 이런 방법으로, 프로젝트를 계획하고 애플리케이션을 생성할 때 리소스를 상당히 절약할 수 있습니다.

4. 테스팅 및 생산 기술에서 스마트 기능이 가진 장점은?

사용자 및 시스템 운영자는 현대 스마트 기기의 편리한 작동법에 익숙하며 또한 그런 스마트 기기를 매일 사용하고 있습니다. 이제 PMX는 처음으로 그 편리함 - 지금까지 스마트폰과 태블릿 PC에서만 활용되던 소프트웨어 및 작동 기술 - 을 계측 및 테스트 기술로 가져왔습니다. 그리고, 표준화된 인터페이스를 통해, 인터넷 단말기로 장치의 모든 파라미터에 편리하게 액세스하여 장치를 구성, 작동, 분석할 수 있게 되었습니다. 그 결과 PMX 사용자는 미래 경쟁력을 최대한 보장받게 됩니다.

웹 브라우저 기반의 PMX 소프트웨어는 성능과 유용성 면에서 새로운 기준을 설정합니다. 소프트웨어를 작동시키려면 인터넷을 이용할 수 있는 장치만 있으면 됩니다. 장치의 웹 브라우저로 서비스와 유지관리에 관한 모든 계측, 진단 및 생산 데이터에 그리고 이들에 대한 평가 프로세스에 신속하고도 편리하게 액세스할 수 있습니다.

프로세스의 신뢰성 향상: 권한이 각기 다른 사용자 등급이 3단계로 되어 있어 PMX나 프로세스에 권한없는 사용자가 무단으로 액세스하는 것(Unauthorized access)을 최대한 방지합니다. 이렇게 하면, 시간 소모적이고 오류를 일으킬 수 있는 소프트웨어 설치를 사전에 막을 수 있습니다. 그리고, 이더넷 기술과 인터넷을 조합함으로써 큰 비용 부담 없이 장치를 원격으로 관리할 수 있습니다. 이러한 모든 요소는 생산 단계의 관리자 및 사용자 모두에게 이익이 됩니다.

5. 테스트 숍을 위한 현대적 자동화의 개념 및 생산의 효율적 진단

앞서 기술한 바와 같이, IEC61131-3 기반의 표준화된 제어 언어는 공정 및 공장 자동화의 세계 표준입니다. 모든 PLC는 궁극적으로 그 표준에서 실행됩니다. 여기에 포함되는 것으로는 인쇄물, 서적, 신문, 가구, 자동차 컴포넌트의 제조 및 제작에 사용하는 시스템이 있습니다.

현재 HBM의 PMX 계측 앰프는 실시간 적용을 위한 통합 제어 장치가 있습니다. 이것은 3S의 CODESYS V3 소프트웨어 플랫폼 및 IEC 61131-3 프로그래밍 시스템을 기반으로 합니다. 해당 시스템의 모든 프로그래밍 언어가 지원됩니다. 이 시스템은 처음으로 소음 없는 프리미엄급 계측 기술과 세계적인 표준 제어 기술을 한데 모은 것으로, 웹 시각화를 포함하여 사용자에게 자동화의 새로운 솔루션을 열어 주었습니다. 그리고, 효율적인 코딩을 보장하기 위한 도구가 표준 기능으로서 포함되어 있습니다.

다른 적용 분야로는 에너지 자동화, 모바일 자동화, 임베디드 자동화, 빌딩 자동화가 있습니다. PMX는 소형 태양광 발전 시스템, 수력 발전소, 통합 계량 및 충전 시스템, 의료 시스템, 온도 조절기를 제어하는 경우에 이용됩니다. 자동화 기술을 위한 포괄적인 소프트웨어 제품군인 CODESYS는 프로그래밍, 필드버스 및 I/O 구성, 시각화(화면표시), 모션 제어 및 기타 작업에 필요한 모든 것을 포함하고 있으며, 또한 라이브러리(libraries)와 함수(functions) 등의 사용자 정의 플러그인도 만들 수 있습니다. 



CODESYS 개발 소프트웨어 및 웹 시각화

 

PMX에 구현된 개별 모듈은 다음과 같습니다.

CODESYS engineering:

개발 전문가와 소프트웨어 엔지니어를 위한 IEC 61131-3의 전문 엔지니어링 – 확장가능 단일 플랫폼. 특히 구조화 텍스트(ST, Structured Text) 프로그래밍 언어는 대부분 C/C++ 과 같은 고급 언어에 해당합니다. Intelli-Sense(지능감지), AutoComplete(자동완성), 구문 오류 검출 같은 유용한 보조 기능 이외에도, 객체 지향 프로그래밍(OOP, object-oriented programming) 역시 구현되었습니다. 더욱 짧은 기간에 프로그램 코드를 생성하고 관리해야 하는 혁신적인 프로그래머가 이 모듈의 사용을 점차 늘려가고 있습니다. 그리고, 효율적인 코딩을 보장하기 위한 도구가 표준 기능으로서 포함되어 있습니다. 여기에 포함되는 것으로 함수(functions) 및 라이브러리(libraries), 코드 분석을 위한 정적 프로그램 코드 제어, 코드를 최적화하기 위한 프로파일러, 프로그램 코드용 테스트 스크립트를 만들기 위한 매니저가 있습니다.

CODESYS fieldbus:

IEC 61131-3 도구의 통합 지원 (즉, 아직도 널리 이용되는 CANopen 인터페이스가 PMX에서 지원됩니다). 데이터를 수신하거나 (CAN 마스터), 또는 CAN 데이터를 전송할 수 있습니다(SDO/PDO 모드). 이렇게 함으로써 추가적인 CAN-기반 필드 모듈을 PMX 시스템으로 유연하게 통합하여 해당 조건에 맞출 수 있습니다. 신호 또는 계측값은 CAN을 통해 판독할 수 있고, 액츄에이터(actuators)는 CAN 인터페이스를 이용하여 제어 및 조절할 수 있습니다.

CODESYS visualization:

고급 시각화 인터페이스가 PLC 프로그래밍 시스템에 완전히 통합되어 있습니다. 타겟 장치, PC 또는 웹 브라우저에 표시할 수 있습니다. CODESYS에는 시각화와 제어 요소 관련 라이브러리가 현대적인 디자인으로 광범위하게 포함되어 있어, 그중에서 사용자는 상황에 적합한 라이브러리를 선택할 수 있습니다. 스타일시트를 변환하여 전체 화면표시를 쉽게 변경할 수 있습니다. 사용자는 사전에 이미 정의되어 있는 스타일(Pre-defined style) 이외에, 자신만의 스타일을 만들 수도 있습니다.

CODESYS store:

프로그래머는 이 온라인 시장에 있는 많은 실행 프로그램 및 라이브러리 중에서 원하는 것을 선택할 수 있습니다. 3S가 운영하는 온라인 스토어의 코드는 온라인 상에 게시되기 전에 충분한 테스트가 수행되었습니다. 사용자는 자신의 코드를 게시할 수 있으며, 다른 사용자가 그 코드를 사용할 때 무료로 할 것인지 혹인 유료로 할 것인지 선택할 수 있습니다. 이것은 시간을 절약하고 기능성을 확장하기에 매우 효율적인 방법으로, 앱 스토어 형태의 소비자 시장에서 이미 이용되고 있는 익숙한 방식입니다.

CODESYS security:

기술과 경험의 노하우를 보호하는 것은 이제 많은 회사에게 있어 최우선 과제가 되었는데, 이 노하우에는 소프트웨어 솔루션이 포함됩니다. PMX에 통합된 CODESYS는 이와 관련하여 몇 가지 가능성을 제공합니다. 그 하나는 애플리케이션 프로젝트입니다. 암호 또는 CODESYS 보안 키(USB 동글)를 이용하여 프로젝트 파일 및 라이브러리를 암호화할 수 있습니다.

다른 하나는 개별 프로그램 모듈을 프로젝트별로 사용자가 관리하는 방식입니다. 세 번째 가능성은 타겟 장치(PMX)에 보안을 실행하는 것인데, 사용자를 등급으로 분류함으로써 프로그램, 제어 장치, 시각화 기능에 액세스하는 것을 제한하는 것입니다. 다른 효과적인 방법으로 부팅 프로그램을 암호화하는 것, 또는 실행 중인 프로그램의 통신을 암호화하는 것이 있습니다.

CODESYS 런타임 라이선스는 WGX001 기본 장치와 함께 이미 PMX에 포함되어 있습니다. PMX 패키지와 함께 제공되는 CD에는 CODESYS 개발 소프트웨어 V3.5가 들어 있고, 또한 코드 생성, 웹 시각화, CANopen 모듈 통합에 이용할 수 있는 유용한 샘플 프로그램들도 있습니다. HBM과 함께라면, 사용자는 하나의 제품에서 모든 것을 얻을 수 있습니다. HBM은 매칭 소프트웨어 솔루션으로 전체적인 계측 체인을 제공합니다. HBM의 전문가들은 프로그램 시작부터 그 완료까지, 필요한 경우, 문서화를 포함하여, 전체 작업을 평가하고 프로젝트를 관리합니다.

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