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AS-Interface 전기기계 컴포넌트(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.

AS-Interface의 전기기계 컴포넌트

전기기계 기술은 혁신적인 설치 및 조립 기술을 갖춘 AS-Interface 시스템으로 완성된다. 이는 세가지 사항을 고려하는 것을 기반으로 한다.
* 코딩된, 2도체 플랫 케이블
* 플랫 케이블에 접속하는 압핀형 연결기법
* 네트워크의 설치 및 조립이 용이한 모듈형 디자인

전기기계는 시스템의 통합 컴포넌트이며, AS-Interface에 의한 비용 절감에 가장 중요한 기여를 한다. 보조장치 요소가 더욱 간단하여질 수록 기계 내에서 이들은 보다 자주 사용되며, 설치 비용도 훨씬 많이 절감된다. 간단한 이진 센서를 위해 25달러의 비용을 가정해보자. 조사해본 바에 의하면, 컨트롤러 상의 알맞은 입력점에 이러한 간단한 센서를 연결시키는 것은 최대 75달러까지 비용이 든다. – 달리 말하자면, 센서 비용의 최대 세배까지! 여기에서 AS-Interface 전기 기계 컴포넌트를 사용함으로써 실현될 수 있는 엄청난 절약을 가능하게 할 잠재력을 가지게 된다.

AS-Interface는 이 문제점을 해결하기 위해 놀랄 만큼 간단한 기술을 제공한다. 이는 언뜻 보기에는 관련이 없을 것으로 보이는 세가지 기본 아이디어를 기반으로 한다. 이들 아이디어와 함께 광범위한 제품군에서 해당 제품을 어떻게 구현하는지에 대해 다음 장에서 살펴보도록 한다. 이 다양성에도 불구하고 이들은 전자공학, 정보학 및 전기기계학의 아이디어들을 지능적으로 조합함으로써 가능하게 된 간단한 설치 기술을 보유하고 있다. 고집적 슬레이브 IC 없이, 똑똑한 오류 감지 코드없이, 지능형“피어싱 테크닉(Piercing technique)”없이는, ASInterface도 시스템으로서의 자신의 개발 목표를 충족시킬 수 없다.

2-도체 케이블

(1) 황색 AS-Interface 표준 케이블
필드버스 케이블의 가장 간단한 형태는 2-도체 케이블이다. 이 케이블은 접속된 센서와 액추에이터를 작동시키기 위한 전원과 데이터를 전송할 수 있어야 하며, 플랫 케이블 형태이어야 한다. 왜냐하면, 단지 이런 형태의 제품만이 피복을 벗기거나 절연시키지 않고도 도체가 피어싱될 수 있게 하기 때문이다.(그림 참조)

AS-Interface 케이블의 특징
평평한 형태의 2-도체 케이블
외부 규격은 약 8 x 4 mm, 단면적 1.5mm2
기계 상의 극성 반전(reverse polarity) 방지
쉴딩 처리되지 않음
VDE 0295 클래스 6에 따른 미세가닥 도체
색상별로 코드 구분: (-)용 밝은 파랑 및 (+)용 갈색
피복 색상“트래픽 옐로우(traffic yellow)”
다양한 피복 재료 사용 가능

케이블의 극성이 반전되는 착오를 확실히 방지하기 위해, 코드 피복은 케이블이 극성이 맞을 경우에만 접촉 지점에 삽입될 수 있도록 고안되었다. 사다리꼴 케이블 단면은 컴포넌트들의 밀봉을 보다 용이하게 한다.

도체 단면적 1.5mm2 으로 규격화되어 있다. 도체는 DIN VDE 0295에 따른 클래스 6에 해당하는, 주석도금된 미세가닥의 구리이다. 이 도체 절연체는 0.5mm 두께를 갖는다. +극 도체는 갈색이며, -극 도체는 밝은 파랑색이다. 허용 온도 범위는 -30℃ ~ 90℃ 이다.

아래의 외부 피복 재료가 AS-Interface 케이블에 최근에 유용하게 사용된다.
1. EPR, DIN VDE 0207 Part 21에 해당하는 고무 화합물 EM3
2. TPE YM5, DIN VDE 0207 Part 5에 해당
3. PUR, CENELEC HD 22, T 10에 해당

이 물질의 기계적 화학적 특징은 실제 애플리케이션에서 발견되는 거의 대부분의 내성 요건을 충족시킨다. 제한된 굽힘 성능(bending capacity)과 일정 경도를 가진 이 폴리우레탄 케이블은 이 유형을 더욱 설치가 어렵게 한다: 즉, 이중 피복을 통과하는 데에는 어느 정도의 힘이 요구된다.

이 플랫 케이블의 전기적 값은 규격의 요구를 충족시킨다. 정격 전압은 300V이며, 시험 전압은 1.5 kV이다.

AS-Interface 표준형 케이블 외부 피복은“트래픽 옐로우(traffic yellow)”이며, 이 시스템의 트레이드 마크가 되었다.

(2) 흑색 AS- Interface 케이블
황색 플랫 케이블은“버스 라인”으로 정해졌다. 즉 이 케이블은 항상 데이터와 전원 공급을 위해 사용된다는 것을 의미한다. 외부 2차 전압에 대해 동일한 설치 기술을 사용할 수 있기 위해, 서로 상이한 색상 그러나 동일한 특징을 갖는 케이블이 규정되었다. 저전압 범위(최대 30V DC)에서 2차 전압을 위해, 흑색 피복 케이블은 케이블 설치 시에 혼동을 피하기 위해 규격화되었다.

압핀형 연결기법

“피어싱 기법(piercing technique)”이라고도 불리는 AS- Interface 의 압핀형 연결기법은 비용 절감에 상당한 기여를 하기 때문에 수많은 제품들의 중심 특징이 되고 있다. 아래 기술된 모듈방식 기술과 연결해서 개발되고 완벽하게 테스트되었기 때문에, 이는 오늘날 모듈형 디자인이 있건 없건 다수의 제품들에서 발견될 수 있다. 그림 3.42에서는 아래와 같은 원리를 설명한다: 접촉날은 피복을 뚫고 삽입되어 전기적 도체와 접촉한다. 이는 낮은 접촉 저항과 신뢰성있는 데이터 전송을 보장하며, 케이블을 자르고 피복을 벗겨야 하는 번거로움도 없앴다.

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케이블 고정은 케이블 자체에는 부정적인 영향을 미친다. 그러나, 이로써 극성 반전 가능성은 완벽히 차단된다. 밀폐 가장자리 또는 고무 마개는 접속을 밀봉하며, 이로써 IP 67의 밀폐 등급을 얻을 수 있다.

AS- Interface 의 모듈방식 기술

모듈 기술은 AS-Interface 의 전형적인 특징이 되어왔다. AS-Interface 가 저비용으로 미세-입자 솔루션을 완성하기 위한 기술적 필수조건을 제공하고, 제품 고안에 대한 새로운 가능성이 활짝 열렸다. 따라서, AS- Interface 컨소시움은 시스템 개발의 일부로서 새로운 전기기계적 컨셉을 고안했다.

AS- Interface 모듈 기술을 사용하는 제품들은 구획화되었다. 이들 중 낮은 부분, “커플링 모듈”은 네트워크 구성 용의 간단한 설치 기술을 AS-Interface 플랫 케이블과 함께 제공한다. 이의 상위 부분, “사용자 모듈”은 네트워크 내의 기능을 포함한다. 이들은 (일반적으로) 슬레이브들이다. 반면에 커플링 모듈들은 설치를 보다 손쉽게 하고, 다양한 사용자 모듈은 AS-Interface 네트워크를 위해 장치들을 사용하고 선택하는 데에서 고도의 유연성이 구현될 수 있게 한다.

구조물을 구성하기 위한 세가지 유형의 커플링 모듈이 제작되어 있다: 전기적으로 연결되어, 교차분배기 또는 T-분배기 또는 간단한 연결 단위로서 쓰일 수 있는 2개의 (황색) AS- Interface 플랫 케이블과 함께 사용하는 용도; 2차 전원공급을 위한 황색 및 흑색 플랫 케이블의 일반적인 연결 용도; 원형 케이블과 함께 사용하는 용도. 또한 기장착된 주소지정 플러그를 갖는 다양한 변형들도 존재한다. 그림 3은 원리를 설명하여 준다.

사용자 모듈이 폭넓게 제공된다. 수많은 기업들은 M12 커넥터 시스템으로 전환 기능을 담당하는 수동 분배기 모듈과 커플링 모듈을 차단하기 위한 간단한 커버 이외에, 2차 전원이 포함되거나 포함되지 않은 액티브 유저 모듈도 제공한다. 기존 컴포넌트 연결에 사용되는 이들 모듈 이외에, 통합형 발광 버튼 또는 다양한 통합형 공압 밸브를 갖춘 모듈과 같은 커플링 모듈에 연결될 수 있는 ASInterface 제품들도 있다.

이 모듈들은 45 x 80mm의 표준화된 EMS(전기기계 시스템) 인터페이스의 기본치수로 제작되었으며, 최대 4개의 M12 포트를 차지할 수 있다. 최근 추가로 설계된 모듈은 90 x 80mm의 규격을 가지며, 최대 8개의 M12 커넥터를 공급할 수 있는 성능을 갖고 있다.

모듈들을 연결시킬 때, 먼저 플랫 케이블이 커플링 모듈 상의 케이블 가이드로 삽입된다. 케이블에 접촉할 때 정확한 위치로 인도하기 위해, 케이블 고정장치(cable fittings)는 케이블 자체와 동일한 외양을 갖는다. 또한 이들 장치는 확실한 부착과 손쉬운 제거를 가능하게 한다. 확실한 접촉을 위해, 두 개의 접촉날이 각 도체에 제공된다. 칼날 형태는 높은 전류 이동 용량 및 낮은 접촉 저항을 갖도록 실험을 통하여 최적화되었다. 케이블 고정장치들은 사용자 모듈로 나사 조임에 의해 압착된다. 두 개의 압핀은 케이블 고정장치의 외부 윙을 함께 압착하며, 케이블을 잠그고, 접촉날로 케이블을 밀어 넣는다. 동시에, 케이블 고정장치는 보다 낮은 가이드로 서서히 내려간다. 이 프로시져 이후에, 위로부터의 압축은 접촉을 신뢰성있게 유지하는 데에 필요하지 않다. 이로써, 사용자 모듈은 언제든 필요시에 제거되고 대체될 수 있다.

특수 애플리케이션을 위해, 다양한 부가적 사용자 모듈 변형이 시장에 출현했으며, 이들 중 몇몇은 AS-컨소시움에 의해 원래 개발된 모듈 기술을 사용하며, 이들 중 몇몇은 서로 상이한 접근방법을 사용한다. 그러나, “황색 케이블”은 이들 모두에 일반적으로 사용된다.

제어반에 사용된 AS- Interface

AS- Interface 가 필드 사용을 위해 고안되었지만, 제어 캐비닛 및 로컬 결합에서도 이를 사용함으로써 배선도 보다 더 간단해질 수 있다. 방수 등급 및 종단기술에 대한 다양한 요구로 인해, 이는 완벽하게 상이한 디바이스 컨셉들을 이끌어왔다.

제어 캐비닛에서 사용하기 위해, 대부분의 제품들은 IP20 보호 등급으로 제공된다. 일반적으로 제어반을 위해 개발된 다수의 접촉 기술 – 플러그, 스크류 종단(screw terminal), 케이지 클램프(cage clamp) 또는 압핀형 연결기법 – 은 ASInterface 플랫 케이블에서는 배제된다.

분산 설치

AS- Interface 는 위에 이미 언급했던 것과는 상당히 상이한 방식으로 기계 및 시스템을 위한 설치 기술에 점점 더 영향을 미치고 있다.

산업 자동화 기술은 분산화로의 경향을 증명하고 있다. 분산화된 기능성 유닛들은 이들이 명확한 기능을 수행하며, 손쉽게 서비스 면에서 대체될 수 있으며, 보다 광범위한 자동화 작업으로의 통합이 용이하다는 이점들을 제공한다. 이러한 경향의 표시는 중앙 제어반에서 처리되는 경향이 있는 보다 많은 기능들의 주변장치로 변해간다는 것이다. 보기를 통하여, 인버터와 모터는 단일한 유닛으로 융합되며, 공압 실린더, 제어 밸브 및 위치 피드 백은 통합되고, 전체 섹션의 운송 장비들은“키트(장치)”의 일부로서 제공된다. 이러한 유닛들이 접속면에서 필요로 하는 요소는 AC 파워 케이블이며, 압축된 공기 또는 유압 라인및 황색 AS- Interface 케이블이다.

AS- Interface 는 분산화된 유닛을 구성하기 위한 경향을 지원하며, 실제로 이러한 개발이 최초 장소에서 감당할 수 있게 하는 것이다.

아이씨엔 매거진 2008년 09월호

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