IIoT 기술 매거진 - 아이씨엔


Home » 이슈포커스 » 산업용IoT » 필드 네트워크를 위한 AS-Interface 애플리케이션(1)

필드 네트워크를 위한 AS-Interface 애플리케이션(1)

제조 자동화의 고도화에서 말초 신경계에 해당하는 최하위 필드 레벨에서의 개방형 네트워크인 AS-Interface 통신은 1994년 실용화된 이후 수백만개의 AS-I 디바이스들이 설치되어 검증받았고, 2000년 IEC 표준 인증 및 2006년 KS 표준으로 고시됐다.

1994년 도입된 이래, AS-Interface(‘아지’ 또는 ‘아지 인터페이스’ 라고 칭함)라고도 알려진 액추에이터/센서 인터페이스 (Actuator / Sensor Interface)는 최하층 필드 레벨에서 폭넓게 쓰이는 버스 시스템이 되어, 이진 단말장치 네트워킹, 센서, 액추에이터 등은 물론, 자동화 부문의 아날로그 센서에도 사용되고 있다. 따라서, 이것은 산업 자동화에 쓰이는 여타의 필드버스 시스템으로는 통상 합리적인 비용으로 네트워크화 하기 어려운 분야에도 유용할 수 있다.

AS-Interface는 단순성, 비용 효율성 및 투명성을 주요 특징으로 개발되었다. AS-Interface 라는 용어에서 보는바 대로 이는 정보, 전자 및 전기기계 등을 사용하는 인터페이스라 할 수 있다. 사용자에게 미치는 결과로 말하자면, 시스템상의 주요 비용 수익을 선사하는 전혀 새로운 테크놀로지가 출현한 셈이다. AS-Interface는 개방형 시스템이며, 따라서 보편적으로 사용될 수 있다. 이는 논리제어연산장치(PLC) 또는 상위 필드버스(Fieldbus) 등에 직접 연결될 수 있다. 해당 컴포넌트들이 제조사에 구애되지 않고 독립적이면서도, 서로간에 신뢰성 있게 안정적으로 통신할 수 있도록 하는 데 역점이 놓여졌다. 1999년 이후 AS-Interface는 EN 50295 및 IEC 62026-2 규격으로 표준화되었다. 지난 2006년에는 우리나라의 국가표준인 KS표준이 됐다.

AS-Interface 시스템이 도입된 이래, 수백만 개의 슬레이브들이 마스터에 연결되고, 현장에 설치되면서 운용 공정에 투입되었다. 시스템은 지속적인 개발을 거듭하여, 현재는 하나의 마스터 장치에 연결되는 슬레이브 수를 두 배로 늘릴 수 있다. 게다가, 특수 프로파일을 사용하여 아날로그 디바이스들을 연결하는 것도 가능하게 되었다.

한편, AS-Interface 제품을 생산하는 상당 수 제조사들이 이제 다른 제품들과의 상호운용성을 보장하는 제품을 제공한다. 또 다른 혁신은, AS-Interface가 안전 기술로 진입하게 된 사실이다. 즉 “AS-Interface Safety at Work”가 그것이다. 이러한 모든 후속 개발과정에서, 한결 같은 “호환성”을 확보하는데 엄격한 규정을 부여하고 있기도 하다.

사례 1. 발효 영역에서의 식품 가공

AS-Interface 컴포넌트를 사용한 Cerestar Deutschland GmbH의 AS-Interface 애플리케이션
– GEMU Apparatebau GmbH & Co. KG

인류는 9000년 전 바빌론에서 맥주를 발효시켰다. 당시 발효는 자연발생적인 수준이었다. 오늘날에는 식재료를 통제 생산하기 위해 발효 기술이 사용된다. 이 발효 기술에 의해 미생물은 멸균 조건 하에서 발생하고 자란다.

Cerestar Deutschland GmbH는 Krefeld 설비에서 기본적인 발효 기능을 갖춘 식품 가공 시스템을 설계하고 제조하였다. 이 시스템은 공정 기술 상의 형식뿐만 아니라 자동화 구조 면에서도 고도로 현대적이고 미래지향적인 기술을 향한 커다란 한 걸음을 의미했다. AS-Interface와 PROFIBUS PA를 사용한 이 시스템은 현재 세계에서 가장 큰 필드버스 운영 설비중의 하나로 꼽히고 있다.

400개 이상의 격판 밸브를 사용한 GEMU의 발효조는 이 시스템의 핵심이다. 밸브와 리프트 드라이브뿐만 아니라 모든 파트-턴 밸브 액추에이터들에도 GEMUAS-Interface 제어 헤드가 장착되었다. 표준화된 필드 박스는 분산형 주변 디바이스를 통해 필드 장치를 공정 제어 시스템에 빠르게 연결할 수 있도록 한다.

이점
계획, 설치, 시동과 관련하여 AS-Interface 시스템이 제공하는 커다란 잠재적 절감 효과는 명백하다. 한편으로는 노동집약도가 낮은 설치 방식으로부터 비용을 크게 절감할 수 있고, 다른 한편으로는 설계 및 문서화 작업의 부담이 현저히 낮아지는 이점이 있다.

사례 2. 안전문에서의 Safety at Work와 그 제한

조립 라인의 안전을 위한 버스 호환적 안전 기술의 성공적인 사용
– Lemforder AG & Co. KG

자동차 제조업체인 ZF Lemforder Fahrwerktechnik AG & Co. KG는 엑슬의 조립을 위해 여러 개의 조립 라인을 만들고 있다. 이 라인들은 독일 북부 개발 센터의 특수 장비 개발부에서 설계되고 제조도 거의 그 곳에서 이루어진다. 수년 동안 AS-Interface를 성공적으로 사용해 오고 있었기 때문에 버스에도 안전 관련 컴포넌트를 구현하는 것은 당연한 순서였다. 이전에 제조된 시스템에서는 안전 기술은 전통적인 방식으로 배선되었고 안전 릴레이에 의해 실행되었다.

새로운 시스템은 다양한 개별 스테이션들과, 전체적인 생산 과정에서 특정 공정이나 하부 공정의 조립을 담당하는 수동 워크스테이션들로 구성되어 있다. 스테이션들은 컨베이어 벨트에 의해 서로 연결된다. 시스템의 일부분만이 벽으로 둘러싸이며, 안전 게이트와 문은 기계나 공정이 위험을 초래할 수 있는 부분에만 설치된다. 각 스테이션은 신호를 처리하기 위한 각자의 버스 세그먼트를 갖는다.

기존의 AS-Interface 제품과 더불어 E-STOP 스위치, 인터로크 기능을 갖춘 안전문 제동장치가 사용된다. 이중 채널 AS-Interface 안전 모니터는 안전 버스 스테이션 및 안전 릴레이의 기능을 모니터링하기 위해 사용된다. AS-Interface 안전 컨소시엄 참여 회사들에 의해 판매되는 장치들은 매우 폭넓은 기능을 갖고 있다. 안전과 관련하여 가장 중요한 측면 중의 하나는 연결된 안전 버스 슬레이브들의 모니터링 기능이다. 이 안전 버스 슬레이브들은 차례로 코드 시퀀스를 전송하고 이 시퀀스는 모니터에 의해 평가된다.

만약 버스에 셧다운 신호나 심지어 오류가 발생한 경우, 모니터는 즉시 그 출력을 재설정하고 관련된 기계 컴포넌트를 안전하게 정지시킨다. 또한 모니터는 그 진단 기능을 PLC에서도 사용할 수 있다. 오류 발생 시 그 오류가 컴포넌트의 고장이든 실수에 의한 ESTOP 스위치 작동이든, 이 정보는 시스템을 정상 동작 상태로 복구시키기 위해 조치가 필요한 부분을 즉시 파악하는 데에 사용된다. 대량 생산 설비에서 시스템 정지와 그로 인한 생산량 감소가 고비용의 문제임을 고려할 때 이 기능은 필수적이다. 그러나 모니터가 없더라도 PLC에 진단 기능을 구현하는 것은 가능하다. 다만 그런 경우에는 너무 복잡해지고, 모니터가 어차피 수행할 연결 작업을 컨트롤러가 수행해야 하는 단점이 있다.

hilscher

시스템에 사용되는 EUCHNER TZ..AS 안전 스위치는 AS-Interface 주소를 가지고 있어, 하나의 입력점으로서 안전문의 안전 상태를 표시하는 데에 사용된다.

출력점으로는 인터로크와 2개의 LED가 사용될 수 있다. 스위치의 경우, 진단 기능은 PLC 내의 기능 모듈에 의해 구현된다. 그 이유는 Safety at Work 프로토콜에서 2개의 다른 상태는 PLC 내에서만 분리될 수 있는 부호로 인코딩되기 때문이다. 모니터는 이 2개의 상태를 인식할 필요도, 인식할 수 있는 기능도 없다. “문폐쇄 잠금”이라는 정보만이 모니터에게 정보 단위로서 의미를 갖는다. 그러나 컨트롤러는 인터로크에 오류가 있는지 혹은 문이 열려 있는지를 인식할 필요가 있다. 이 기능은 다양한 PLC에서 사용 가능한 특수 기능 모듈을 통해 수행된다.

진단 결과는 안전 스위치의 2개의 LED 상에 직접 표시될 수 있다. 이 결과는, 작은 진단 기능이 필수적으로 안전문 스위치에 통합되어 있기 때문에, 다시 AS-Interface 출력점을 사용해 확인될 수 있다. 이 점에서 AS-Interface 버스는 하나의 신호만이 표시될 수 있는 기존의 배선을 사용하는 표준 스위치에 비하여 현저히 더 많은 가능성을 제공한다. 그러나 컨트롤러에서는 다양한 블링크 시퀀스 및 그와 유사한 표시 방식이 사용될 수 있다. E-STOP 스위치의 평가는 버스 상에서도 수행될 수 있으므로, PLC에서 안전 시스템의 전체적인 상태를 검출할 수 있다.

성공 사례
배선 비용이 거의 70%까지 감소되었다. 다른 중요한 혜택으로는, 제어 캐비닛이 현저히 소형화되고 간소화되었다는 점이다. 일관적으로 버스를 사용하기 때문에 배선이 훨씬 더 단순해졌다. 이것은 또한 오류와 에러의 가능성을 상당히 낮추고 따라서 시스템의 높은 가용성을 보장하는 결과를 가져왔다.

요약

* AS-Interface Safety at Work의 구현은 안전 컴포넌트들의 배선과 관련해 비용절감 효과를 가져온다.

* 복잡성의 감소는 시스템 내에서 고장을 일으킬 수 있는 부품의 수가 줄어든다는 의미이므로 시스템의 가용성이 높아진다. 추가적인 배선 없이도 시스템의 정밀 진단이 가능하다.

* 배선이 투명하고 간단하므로 오류가 발생해도 시스템은 운전 모드로 더 빨리 복구될 수 있다. 모니터에 통합된 기능 덕분에 결함 있는 유닛을 교체할때도 기존의 기술을 사용할 때처럼 간단히 할 수 있다.

* 자동화와 안전 기능 모두가 하나의 버스 내에서 구현될 수 있다.

* 오직 AS-Interface 케이블만이 제어 캐비닛 밖에서 사용된다.
Safety at Work은 아직 발전 초기의 기술이지만 매우 많은 혜택을 제공한다. 배선의 단순성과 사용자 친화적인 운용 방식은 AS-Interface의 모토인 “항상 단순하게“와 더불어 안전 기술에 있어 기존의 자동화 기술보다 더 큰 중요성을 갖는다.

사례 3. 자동차 부품을 위한 조립 시스템

승용차 냉각 시스템 부품조립에서의 AS-Interface 적용 사례
– Horbiger-Origa

AS-Interface 액추에이터-센서 인터페이스를 사용하여 승용차 냉각 시스템 부품조립을 위한 회전 인덱스 테이블 장착 조립 시스템의 제어를 구현한다.

쌍방향 드라이브 유닛 외에도 그리퍼와 쇼트-스트로크 실린더와 같은 추가적인 공압 컴포넌트들이 에어박스를 이용한 시스템에 통합되어 있다.

총 10개의 쌍방향 드라이브 유닛과 추가적인 20개의 공압식 액추에이터들(에어박스 시스템)이 AS-Interface 버스가 제어하는 조립 시스템 내에서 함께 작동한다.

이점

* 설치 및 조립 작업 감소

* 기계 제작 시간 단축

* 용이한 문제 해결 방식으로 유지보수 향상

* 완벽한 설치를 통한 공간 절약

* 특수 기계 제작을 위한 고도의 유연성

사례 4. AS-Interface로 자동화된 생물학적 폐수 처리

폐수처리설비에서의 AS-Interface와 PROFIBUS-DP의 연계 제어
– Lake Constance, Wasserburg

독일에 있는 Lake Constance, Wasserburg의 새로운 생물학적 폐수 처리 설비는 1998년 11월 ifm flexpo gmbh의 폐수 처리를 위해 설치되었다. 이 처리 설비는 ifm 센서의 포일 생산에서 발생한 폐수에서 구리를 비롯한 중금속과 기타 위험 물질을 제거하기 위한 것으로서 Bio-Substrate 공정을 사용한다. 시스템의 제어는 전적으로 AS-Interface를 이용하여 구현되었다.

Bio-Substrate 공정
Bio-substrate 공정은 산업 폐수로부터 중금속 및 탄화수소나 AOX와 같은 기타 오염 물질을 제거하기 위한 흡착식 생물학적 공정이다. 금속 성분의 제거는 흡착식, 생물학적, 생화학적 메커니즘과 그에 따른 반응에 의해 이루어진다. 따라서 비용이 높지 않고 생태학적으로 의심스러운 화학물질도 사용되지 않는다.

단지 중화 과정 및 영양소 첨가 과정만이 요구된다. Bio-Substrate 반응기는 직립 원통형의 용기로서, 그 안의 물은 아래에서 위로 흐른다. 이 반응기에는 특수한 기질이 들어 있는데, 그 위에 특정한 혐기성 바이오매스가 침착되어, 하나의 반응 영역을 이루어 성장한다. 중금속이 수성 단계에서 바이오매스로 변화되는 과정은 기질 및 적절한 혼합 과정에 의해 촉진된다. 반응기에서 나오는 물에 어쩔수 없이 금속 성분이 포함된 미세한 고체가 넓게 분포되어 있기 때문에, Biosubstrate 반응기 다음 단계로 횡류식 미세 여과 유닛이 사용된다.

그 결과 여과된 물은 중금속을 거의 함유하지 않으므로 하수구로 배출되거나 재활용(예: 역삼투 과정에 의해) 될 수 있다. 고체를 함유한 농축물은 다시 Bio-substrate 반응기로 되돌려 보내진다.

제어 컨셉
제어 컨셉은 AS-Interface 필드버스 시스템을 기반으로 하며, 이 시스템은 PROFIBUS-DP를 통해 빌딩 서비스 관리 시스템에 연결된다. 모든 시스템 신호는 AS-Interface의 2-도체 케이블을 통해 수집된 후 AS-Interface 컨트롤러(중앙 제어 유닛)에 의해 처리된다. 센서 전원 또한 AS-Interface를 통해 공급된다.

AS-Interface 케이블은 시스템을 빠르고, 극성 방향 보호 배선에 맞는 형태로 되어 있다.

단순화된 제어반
AS-Interface는 컨트롤러와 전원 공급 장치, 그리고 지시등, 스위치, 전선 안전을 위한 I/O 모듈을 모두 포함하고 있으므로 제어 캐비닛의 복잡성을 감소시킨다. 기타 모든 I/O 모듈과 접촉기는 필드에서 분산형 AS-Interface 모듈에 의해 대체 된다.

이진 입출력 신호
유량 모니터, 압력 스위치 및 디지털 레벨 검출을 위한 용량성 근접 스위치는 가까이에 있는 AS-Interface 모듈로 출력 신호를 전송하고, 이 AS-Interface 모듈은 다시 그 신호를 컨트롤러로 전송한다. 인버터, 모터, 공압 밸브는 상응하는 AS-Interface 모듈을 통해 모두 통합된다. AS-Interface의 PowerSwitch가 400VAC 펌프를 직접 현장에서 개폐하는 데에 사용된다. AS-Interface PowerBox는 230VAC 디바이스 제어에 사용된다.

이 AS-Interface 콘센트는 230V 장치를 분권적으로 제어하기 쉽게 한다. 공압식 드라이브는 AS-Interface Airbox를 통해 구동되며, 이 Airbox는 기존의 밸브 단자를 대체하고 마찬가지로 시스템 내에 분산적으로 설치될 수 있다. 이로 인해 거추장스럽고 비싼 병렬 배선이 필요 없어지게 된다.

아날로그 입출력 신호
시스템 프린터, 연속 레벨 측정값 및 ph 측정값과 같은 아날로그 입력 신호는 아날로그 입력 모듈을 통해 국지적으로 얻어지고, 후속 처리를 위해 2-도체 케이블을 통해 컨트롤러로 전송된다. 차트 기록기와 인버터는 아날로그 출력 모듈을 통해 제어된다.

시각화
ecolog asi 소프트웨어 패키지에 포함된 시각화 기능은 레벨과 같은 아날로그 값이 표시되도록 하고 시스템 내에서 정확한 오류 진단 기능을 수행할 수 있도록 한다. 모든 공정 데이터는 보기 쉬운 방식으로 전 설비에 걸쳐 생생하게 표시될 수 있다. 설비 사진과 같은 비트 맵은 시각화의 배경으로 삽입될 수 있다.

요약
Bio-substrate 공정은 기존의 물리 화학적 설비와 비교해 폐수 처리 비용이 약10~20% 정도 더 낮다. 설비 운전 및 유지보수를 위한 인력 투여 시간도 하루 평균 20분 정도이다. AS-Interface 컨트롤러는 빌딩 서비스 관리 시스템 (예: Kieback & Peter DDC3000)과 같은 호스트 시스템에 쉽게 연결될 수 있다. 사용자에게 이것은 “투명한 공장”을 향한 진일보된 빌딩 서비스 관리를 의미한다. 원격 유지보수와 구성 또한 가능하다.

비용을 절감시키는 다른 요소로는 다운타임을 단축시키는 시스템의 우수한 진단 기능을 들 수 있다. 또한 AS-Interface 기술의 단순한 구조로 인해 제어 캐비닛을 늘리거나 추가하지 않고서도 추가적인 컴포넌트를 갖춘 시스템을 용이하게 확장할 수 있다. 따라서 모듈 방식 시스템 컨셉이 용이하게 구현된다.

아이씨엔 매거진 2008년 11월호

이달의 추천기사 보기


추천 뉴스

힐셔 넷파이 netPI

이제 ‘라즈베리 파이’에서 IIoT를 안정적으로.. 힐셔 netPI 출시

힐셔 netPI, 라즈베리와 결합하여 산업용으로 활성화 산업용 통신 솔루션 선두업체인 힐셔(Hilscher Gesellschaft für Systemautomation mbH)는 ...

폭스콘

로크웰 오토메이션, 폭스콘 미국공장에 IIoT 솔루션 더한다

로크웰 오토메이션, 폭스콘의 소비자 가전 조립 공장에 업계 선두적인 IIoT 솔루션 구현 위해 폭스콘과 파트너십 ...

답글 남기기

이메일은 공개되지 않습니다. 필수 입력창은 * 로 표시되어 있습니다.

hilscher