확장 가능한 제어 시스템 설계

지난 수년간, 고성능 통합 모션, 프로세스 및 세이프티 제어를 관리하는 다부문 제어 시스템이 공동 제어 플랫폼을 갖춘 대형 어플리케이션을 위해 활용되어온 반면, 여전히 장비제조업체는 사용 중인 어플리케이션과 장비 사이즈가 다양하기 때문에 여러 개의 제어 플랫폼과 네트워킹 아키텍처를 사용하고 있는 실정이다. 이는 각각의 플랫폼과 네트워크마다 고유한 설계 환경, 사용자 인터페이스 그리고 협력업체 지원 모델이 모두 상이하여 발생하는 현상으로 장비제조업체나 엔드 유저 모두에게 불필요한 복잡성을 초래하고 있다.

최근 로크웰 오토메이션은 EtherNet/IP™을 지원하는 소형 컨트롤러, I/O, 서보 드라이브, 비쥬얼 라이제이션 및 간소화 툴로 구성된 소규모 어플리케이션용 통합 아키텍처 시스템을 활용한 완벽한 포트폴리오를 출시하였다. 이러한 확장성은 복잡한 패킹이나 재료 취급 공정과 같이 다수의 축을 필요로 하는 공정과 동일한 프로그래밍 환경으로 설계할 수 있기 때문에, 최대 16모션 축이 필요한 어플리케이션과 같은 모션 부문에서 특별한 유용성을 발휘한다.

네트워크 컨버전스 EtherNet/IP 프로토콜은 로크웰 오토메이션의 중소형 통합 아키텍처 시스템에서 중요한 역할을 한다. 장비제조업체와 이들의 엔드 유저가 정보 흐름을 간소화할 수 있도록 하며, EtherNet/IP 연결성과 더불어 모션, 세이프티 그리고 표준 제어 기능이 통합된 기능을 통해 장비제조업체가 사용하는 장비들과 관련하여 단일 네트워크 아키텍처의 강점을 활용하도록 한다. 이러한 네트워크의 컨버전스는 특히, 고속 모션 제어가 필요한 장비의 경우 별도의 모션 네트워크를 구성할 필요가 없어지기 때문에 상당한 절감 효과를 볼 수 있으며, EtherNet/IP 내에서의 시간 동기화 기능으로 초정밀 모션 제어가 가능해지고, 모든 노드에 참조시간을 전달하여 네트워크에 별도의 일정 관리 작업을할 필요가 없어진다. 또한, 데이터 패키지의 사이즈와 콘텐츠가 역동적으로 변화하기 때문에 네트워크 트래픽 역시 감소하게 된다. 그리고 다층 구조의 네트워킹 전략을 표준형의 단일 네트워크 아키텍처로 전환하게 되면 엔지니어링, 시운전 및 배치에 소요되는 시간을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 통합 위험까지 낮출 수 있다.

[이미지. Allen-Bradley CompactLogix 5370 PACs]

스마트한 제조 운영 확장 가능한 제어 방식을 적용하면, 장비제조업체는 변화하는 설계 변수나 점점 증가하는 엔드유저의 어플리케이션 요구에도 더욱 효과적으로 대응할 수 있게 되고, 이에 따라, 더 많은 엔지니어링 자원을 장비 혁신 부문에 투입할 수 있게 된다. 만약 제어와 네트워킹 플랫폼을 하나로 표준화하도록 고객을 설득시키는데 성공한다면, 장비제조업체를 담당하는데 소모되는 고객 지원 및 유지보수 부담까지도 간소화할 수 있다. 엔지니어들이 단일 플랫폼에 대한 트레이닝만 해도 되는 상황이라면, 장비제조업체는 더욱 집중적인 지원을 할 수 있을 뿐만 아니라 트레이닝에 소요되는 총 비용을 절약할 수 있고, 해당 제어 아키텍처에 능숙한 엔지니어들을 더 많이 확보하게 되면, 고객 지원 서비스의 일관성과 품질을 향상시킬 수 있게 된다.

또한 단일 제어 플랫폼으로 표준화하면 사용자들이 재고로 보관하는 부품 수량이 줄어들게 되어 전체적인 부품 가용성을 역시 개선시킬 수 있다. EtherNet/IP의 도입을 통해 실현된 모듈화와 신속한 커뮤니케이션 덕택에 설치 비용을 비롯하여 네트워크에 필요한 스위치, 커넥터 그리고 모듈의 수량을 절감할 수 있다. 추가적으로, 엔드 유저의 제조 네트워크로의 연결과 통합이 손쉽게 가능한 제어 시스템을 선택하면 장비를 엔드 유저의 환경에 통합시키는 과정이 더욱 용이해져, 결국 신속한 시운전과 출시라는 결과로 이어진다. 일단 시스템이 설치되면, 단일 제어 플랫폼과 네트워킹 아키텍처는 사용자의 더 나은 관리 및 의사결정을 위하여 장비 데이터와 비즈니스 데이터의 컨버전스 작업을 실시하도록 도와줄 것이며, 이를 통해 스마트하고, 안전하며 지속 가능한 제조가 실현되는 것이다.

역량 검증 최근에 이루어진 평가를 보면, 로크웰 오토메이션 중소형 통합 아키텍처는 CompactLogix™ 5370 컨트롤러를 사용하는 관리형 그리고 비관리형 네트워크 스위치용 Kinetix 350 단일 축 서보 드라이브의 최대 16축에 대한 검증을 완료하였다. 네트워크 레이아웃은 스위치 레벨에서의 스타형 토폴로지에 초점을 두었으나, 장치 수준의 선형 혹은 링형 토폴로지도 지원하였다.

테스트가 진행되는 동안, 다양한 모션 중심 매트릭스를 선정해 평가하고 네트워크 트래픽이나 스위치 선택에 모션 제어가 영향을 받지 않음을 검증하였다(관리형 vs. 비관리형). 매트릭스는 포지션 오류(후속 오류), 단계 오류(등록 입력 오류) 그리고 오프셋 투 마스터를 포함하나 이들로 제한하지는 않는다. ’실제’ 네트워크 트래픽을 시뮬레이션하기 위하여, 모션 시스템을 비모션 트래픽에 노출시켰고, 트래픽 패턴은 20%의 멀티 캐스트, 80%의 유니 캐스트로 구성되었으며, 패킷은 최대 1,500 비트로 무작위로 이루어졌다.

최대 80%의 대역폭 활용도를 네트워크에 주입하고, 모션 관련 매트릭스를 히스토그램 데이터 수집 배열에 따라 일련의 순서로 기록한 후, 네트워크 트래픽이 모션 성능에 영향을 미치는 가에 대한 결과를 평가하였다. 최대 트래픽(80%)은 네트워크에 엄청난 로드가 걸린 상태를 표현한 것으로 대부분의 실제 네트워크 로딩 상황보다 과중한 상태를 나타낸 것이다.

고립형 네트워크 토폴로지 결과 테스트를 통해 고급 모션 로직과 이산 I/O 로직의 실행을 위한 중소형 통합 아키텍처의 사용을 검증하였다. 고립형 16축 스타형 토폴로지를 사용한 시스템 설계에 대하여 최대 80%의 네트워크 대역폭 활용도 그리고 관리형 및 비관리형 스위치를 모두 적용하여 테스트한 결과, 시스템은 16-포지션으로 구성된 축을 8 ms 업데이트율로 관리하는 것으로 나타났다. 지속적 작업은 750 단계이며, 주기적 작업은 40 단계/8 ms로 나타났다. 지속적 작업 사이즈를 통해, 사용자는 모션 작업, 시스템 작업 그리고 주기적 작업이 모두 실행 완료된 이후의 예상 실행 시간을 알 수 있다.

그리고 주기적 작업의 사이즈와 실행 빈도를 통해서는 지속적 작업을 얼마나 신속하게 실행해야 하는가를 결정하게 된다. 고립형 8-축 스타형 토폴로지, 고립형 4-축 선형/링형 토폴로지를 적용한 시스템 설계에 대한 추가적인 결과는 Scalability  – the Best Approach to Change 백서에서 확인할 수 있으며, 그 외에도 네트워크 토폴로지, 관리형 및 비관리형 스위치 선택, 네트워크 로딩, Ethernet 케이블 연결 권고방안과 같은 다양한 주제를 살펴볼 수 있다. 로크웰 오토메이션 중소형 통합 아키텍처는 장비 제조업체에게 단일한 개발 환경과 완벽하게 통합된 축 포트폴리오를 제공하고 있으며, 이러한 조합을 활용하면 설계의 유동성을 향상시키고 제어 시스템을 신속하게 확장하거나 축소하여 자동화와 관련한 다양한 요구사항을 보다 수월하게 충족시킬 수 있다.

로크웰오토메이션 www.rockwellautomation.co.kr