[기고] 모션 네트워크 – 산업용 통신 기반 드라이브-아이씨엔매거진

오늘날 글로벌 기업들에게 다국어 및 다문화 경쟁력은 큰 가치를 지니고 있다. 기업들은 전세계적으로 연결되어 있으며, 진정한 다양성과 다문화 인력을 통해 이익을 얻고 있다. 전기 모터와 로터리 엔코더와 같은 자동화 분야에도 이와 유사한 원리가 적용된다. 유연한 다중 표준 통신은 커넥티드 산업의 디지털화 분야에 중요한 요소이다. 힐셔(Hilscher)의 netX 마이크로 컨트롤러는 하나의 칩에 소규모 애플리케이션을 위한 통합 모션 기능이 추가되어 있으며, 이는 완벽하게 다국어를 구사하는 것처럼 기능한다.

netX 90 다중 프로토콜 칩은 이더넷 네트워크를 위한 실시간 산업용 통신 요구사항과 광범위한 통합 모터 제어 기능을 결합한 독보적인 마이크로컨트롤러 솔루션이다. 힐셔는 장기적인 전략을 기반으로 netX 칩과 펌웨어 기반 소프트웨어 솔루션을 통해 디지털 자동화 분야를 위한 산업용 통신 프로토콜을 지원해 왔으며, 이제 모션 제어와 같은 새로운 애플리케이션 영역으로 확장하고 있다.

힐셔는 netMOTION이라는 브랜드명으로 통합 통신 인터페이스를 갖춘 전기 모터와 로터리 엔코더의 모션 시스템을 제공하는 일련을 솔루션을 출시했다. netMOTION 솔루션은 이전보다 낮은 부품 원가로 훨씬 더 높은 수준의 효율성을 제공한다. 이 플랫폼의 핵심인 netX 90 다중 프로토콜 칩은 이러한 과제에 대응하는 가장 포괄적인 하드웨어 리소스를 제공하며, 대응 온도범위의 확장을 통해 열악한 산업환경에서도 안정적으로 사용할 수 있다.

듀얼 코어 시스템의 장점

아래 그림 1에 나타낸 것처럼 netX 90 칩의 아키텍처는 완벽하게 매칭된 두 개의 마이크로 컨트롤러 시스템을 결합하여 통신 전용 작업과 애플리케이션 전용 작업을 분리하고 있다. 네트워크 측면에서는 고도의 집적도를 통해 수동 부품을 줄임으로써 연결 비용을 절감할 수 있다. IEEE1588 시간 동기화를 지원하는 두 개의 프로그램이 가능한 통신 채널(xC)은 다양한 산업용 프로토콜을 지원하고, 미래의 네트워크 요건에 유연하게 적응할 수 있는 매우 유연한 스위치 역할을 수행한다.

애플리케이션 측면의 경우, 영구자석 동기식 모터(PMSM: Permanent Magnet Synchronous Motor) 또는 브러시리스 DC 모터(BLDC: Brushless DC Motor)를 비롯해 다양한 유형의 전기 모터를 위한 필드-지향 제어(FOC: Field-Oriented Control) 기능을 제공하는 하드웨어 기능이 netX 90에 포함되어 있다. 이러한 기능은 센서 기반 제어 애플리케이션에서 다양한 종류의 엔코더 신호와 홀 센서를 통해 로터 각도의 위치를 모니터링할 수 있도록 해준다.

데이터가 새로운 동력이 되는 커넥티드 디지털 자동화 분야에서는 사이버 보안과 클라우드 연결이 생산시설의 무결성과 가용성에 중요한 역할을 한다. 이를 위해 netX 90은 통합 보안 및 진단 기능을 갖추고 있다. 따라서 별도의 보안 칩을 사용하지 않고도 이러한 기능을 통해 IEC 62443 표준에 따른 요구사항을 구현할 수 있다. 또한 (D)TLS 기반 통신 프로토콜을 위한 하드웨어 가속기를 통해 암호화 레벨이 높은 경우에도 원활한 연결을 보장한다.

netX 90 아키텍처의 독보적인 기능 중 하나는 두 개의 마이크로컨트롤러 시스템이 짧은 지연시간과 고효율의 소프트웨어-API를 통해 상호 작용을 한다는 점이다. 이를 통해 사용자 애플리케이션에서 네트워크 인터페이스를 동작할 수 있어 다음과 같은 여러 이점을 제공한다:

• 첫째, 소프트웨어 프로토콜 스택을 사용하여 사전 인증된 펌웨어로 다양한 통신 표준을 구현할 수 있다.
• 둘째, 네트워크 트래픽이 증가해도 애플리케이션 자체에 영향을 미치지 않으며, 네트워크로부터 애플리케이션을 자동으로 보호할 수 있다.
• 셋째, 나노 초 범위의 매우 낮은 지터로 하드웨어에서 결정론적 네트워크 기반 동기식 필드-지향 제어가 가능하다.
• 넷째, 지연 없는 쓰기 및 읽기 액세스를 지원하는 cifX API를 위한 iDPM(internal Dual-Port Memory) 인터페이스로 주기적인 데이터 교환을 수행할 수 있다.

최고 정밀도의 모션 제어

netX 90 유닛의 이점은 중앙에서 제어되는 시스템과 장비에 특히 유용하다. 제어 시스템의 컴퓨팅 인텔리전스는 모션 제어를 실행하고, 네트워크를 통해 드라이브별 데이터 및 매개변수를 모터 제어 장치의 통합 통신 유닛으로 직접 전송한다. netX 90은 최고의 효율성과 작은 보드 공간으로 모션 애플리케이션을 통합할 수 있도록 해준다.

그림 2. 필드-지향 제어(FOC: Field-Oriented Control) 시스템

많은 모션 및 드라이브 시스템 제조업체들은 경제적인 이유로 강력하면서도 확장 가능한 표준 하드웨어 기반의 중앙식 모터 제어 시스템을 선호한다. 그러나 제어 소프트웨어는 대부분 하드웨어와 무관하게 모듈식으로 설계된다. 필드 장치 세트와의 필요한 상호 작용은 적절한 애플리케이션 프로파일을 통해 확인할 수 있는 실시간 지원 통신 네트워크를 통해 직접 조정된다.

지난 수년 동안 PROFIBUS 및 PROFINET을 위한 PROFIdrive를 비롯해 CANopen 및 EtherCAT을 위한 DS402 또는 EtherNet/IP를 위한 CIP Motion/Sync와 같은 각 자동화 기술 표준에 대한 다양한 애플리케이션 프로파일이 등장했다. 프로파일은 제조업체 간의 상호 운용성을 보장하고, 시너지를 창출하기 위해 모든 관련 필드 장치에 제어 프로그램 구성요소를 구축하고, 재사용하는데 특히 중요하다.

모든 유사한 프로파일 표준에 대한 레퍼런스로 PROFIdrive를 예로 들면, 이는 드라이브와 센서, 모터 및 해당 애플리케이션에 중점을 두고 있는 여러 공급업체의 프로파일을 구성할 수 있다. PROFINET 표준은 ≥250µs 주기시간의 동기식 동작과 ≥1ms 주기시간의 비동기식 동작을 구분한다. 이에 따라 PROFIdrive는 각기 다른 다양한 애플리케이션 클래스(AC)를 파생시킨다.

PROFIdrive AC 1 및 AC 4는 시장에 폭넓게 사용되고 있으며, netX 90 칩에 통합이 가능하다. 비동기식 동작의 AC1은 펌프와 환풍기, 컴프레서에 구축된 모터의 회전 속도를 조절하기 위해 인버터 등에 사용된다. AC4는 모든 유형의 로봇이나 장비의 다중 축 애플리케이션 등에서 모션 시스템을 통한 중앙집중식 모션 제어와 동기식 속도 제어 기능을 가진 서보 모터 제어로 구성된다.

성공적인 통합을 위한 구성요소

힐셔는 모션 제어 기능을 신속하게 구현할 수 있도록 액세서리를 갖춘 하드웨어 보드와 개발환경 및 소프트웨어 예제로 구성된 netMOTION 개발 키트를 제공한다. 평가 및 개발 용도로 설계된 NXHX 90-MC 보드는 레퍼런스 디자인으로도 사용할 수 있으며, netX 90을 기반으로 일반적인 네트워크 인터페이스와 모터 드라이버 측을 손쉽게 개발할 수 있다. 설치된 소프트웨어는 다양한 실시간 이더넷 기반 통신 프로토콜의 설치 방식과 유사하게, 구축되는 모터의 유형과 위치 감지 및 애플리케이션 프로파일을 결정한다.

그림 3. netX 90 멀티 프로토콜 네트워크 칩은 넷모션(netMOTION)을 이용하여 산업용 통신과 다목적 모션 제어 기능을 단일 칩에 통합할 수 있다

netX 90은 어셈블리 옵션으로 외부 메모리를 확장할 수 있어 고객들은 소프트웨어 업데이트를 위해 통신 프로토콜 및 통합 웹 서버로 구성된 통합 플래시 메모리 표준 펌웨어를 IoT 연결과 (D)TLS 지원 및 동적 웹 서버 등을 추가로 포함한 확장된 통신 펌웨어로 대체할 수 있다. 내부적으로 동일한 DPM 레이아웃에 액세스할 수 있는 netX 90 유닛의 외부 호스트 인터페이스는 순수 네트워크 인터페이스로 사용할 수 있는 조정 및 확장 가능한 솔루션을 제공한다.

NXHX 90-MC 보드는 임베디드 애플리케이션의 구성, 개발, 디버깅에 필요한 모든 것을 포함하고 있는 이클립스(Eclipse) 기반 무료 IDE인 힐셔의 netX Studio CDT를 사용하여 직접 구동할 수 있다. PROFINET IO 디바이스와 EtherCAT 슬레이브 및 Ethernet/IP 어댑터와 같은 다양한 프로토콜에 대한 소프트웨어 예제에는 사용자가 약간의 구성 만으로 설치할 수 있는 소위 ‘로드 가능한 펌웨어(LFW: Loadable Firmware)’라는 통신 펌웨어가 포함되어 있다. 또한 애플리케이션 프로파일 개발을 위해 cifX-API로 개발된 샘플 프로젝트는 네트워크를 통해 제어장치와의 연결을 단계별로 설정할 수 있는 방법을 보여준다. 모션 및 드라이브의 경우, 홀 효과(Hall Effect) 센서와 옵션으로 제공되는 센서가 통합된 PMSM을 위한 서보 모터의 필드-지향 제어 샘플 소스가 포함되어 있다.

이와 함께 힐셔는 컨설팅에서 인증까지 산업용 통신을 통합하는데 필요한 완벽한 서비스 패키지를 제공한다. 필드-지향 제어 시스템 설계를 위해 힐셔는 파트너사들과 함께 netMOTION을 위한 광범위한 가치 창출과 서비스에 주력하고 있다. [제공. Hilscher(힐셔) https://www.hilscher.com/]