ADI의 솔루션을 기반으로 하는 산업제어용 아두이노 플랫폼

산업용 OEM 제품에서 무엇보다 고려해야 할 부분..
데이터 공유와 이전을 위한 간편한 IO 설정 방안

글_
코널 와터슨(Conal Watterson) 수석 마케팅 엔지니어,
알레산드로 레오나르디(Alessandro Leonardi) 어카운트 매니저,
지아코모 파테르니아니(Giacomo Paterniani) FAE / 아나로그디바이스(Analog Devices Inc.)

소프트웨어 설정 가능한 시스템은 산업용 OEM이 제품의 복잡성을 단순화할 뿐만 아니라, 공장 현장에 유례없이 뛰어난 유연성을 제공한다. 이 글에서는 자동화 시스템의 신속한 개발 및 배포를 위한 아두이노(Arduino) OPTA 플랫폼을 소개하고, 이 모듈에 통합된 아나로그디바이스(Analog Devices) 기술이 제공하는 기능들과 입력/출력(I/O) 모듈의 완전한 신호 체인을 위해 ADI가 제공하는 보완적인 솔루션들에 대해 살펴보고자 한다.

머리말
제어 자동화 장비를 위한 새로운 소프트웨어 설정 가능 입력/출력(software-configurable input/output, SWIO) 기능은 언제든지 채널을 설정할 수 있는 기능을 갖추고 있어, 어떤 핀에서든 모든 산업용 IO 기능에 액세스할 수 있게 해준다. 이러한 기능 덕분에, 설치 시 고객 맞춤형 설정이 가능해 제품 출시 기간을 단축하고 설계 리소스를 절감할 수 있으며, 다양한 프로젝트 및 고객이 보편적으로 활용할 수 있는 범용 제품의 구현이 가능하다.

아두이노(Arduino)는 PLC(programmable logic controller) 크기를 최소화하고 설정 가능성을 향상하기 위해 AD74412R을 자사의 소형 PLC 플랫폼에 통합했다. 그림 1에 표시된 아두이노 OPTA는 이러한 4 채널 SWIO 솔루션을 위한 이상적인 플랫폼 역할을 한다. 이는 시스템 설계자들과 최종 사용자들이 아두이노 PLC 통합 개발 환경(IDE)을 사용하여 건물 및 공정 제어 환경에서 쉽게 프로그래밍할 수 있게 해준다. SWIO 단일 칩 솔루션은 아날로그 출력, 아날로그 입력, 디지털 입력, 저항 온도 감지(RTD) 측정 기능을 제공하며, 직렬 포트 인터페이스(SPI)를 통해 데이터 전송 및 프로그래밍을 지원한다.

아두이노 모듈 상세 정보
아두이노는 전자 기기와 소프트웨어를 설계, 제조 및 지원하여 전 세계 사람들이 물리적 세계와 상호 작용하는 첨단 기술에 접근할 수 있도록 한다. 아두이노 제품은 직관적이고 단순하면서도 강력해 사용자의 다양한 요구를 쉽게 충족한다. PLC IO 확장 모듈은 이를 잘 보여주는 예로, 손쉽게 설정 가능한 산업용 기기로 활용될 수 있다.

모듈의 하드웨어는 완전한 소프트웨어 설정 가능성을 지원하므로, 최종 사용자가 입출력 연결을 클라우드를 통해 직접 프로그래밍할 수 있다. OPTA PLC에 연결된 IO 확장 모듈 내의 AD74412R은 인더스트리 4.0 애플리케이션을 위해 완전한 설정 가능 솔루션을 제공하는 유연성을 갖추고 있다. 이 인터페이스는 사용자 친화적으로 설계되어 있으며, 밸브, 2-와이어 RTD, 압력 센서, 위치 센서, 4~20mA 디바이스, 버튼, 스위치 등 다양한 기기들을 쉽게 연결할 수 있게 해주며, 이 모든 것은 소프트웨어를 통해 프로그래밍이 가능하다. 또한, 이 구성 요소는 안전한 환경에서 인더스트리 4.0 구현을 지원하며, IP20 보호 기능을 지원하고 IEC 61131-3 규정을 준수하는 견고한 설계를 갖추고 있다. 이와 함께, 이 확장 모듈에는 3-와이어 RTD 정밀 측정을 위한 2개의 전용 포트가 포함되어 있다.

이 OPTA 확장 모듈은 하드웨어 기능을 향상함과 동시에 아두이노 IDE를 통한 프로그래밍의 편의성을 유지한다. 개발 도구는 여러 가지의 즉시 사용 가능한 스케치, 튜토리얼 및 라이브러리를 제공하여, 짧은 코드 길이와 사전 매핑된 리소스로 인해 레일 인스톨러(rail installer)의 출시 시간을 크게 단축시킨다. 뿐만 아니라 OPTA는 직관적인 아두이노 클라우드 대시보드를 통한 실시간 원격 모니터링, OTA(over-the-air) 펌웨어 업데이트를 지원하고 다양한 연결 장치와의 안전한 통신 기능을 갖추고 있다. 표 1에는 OPTA 장치의 주요 기술 규격이 소개되어 있으며, 그림 2에는 핵심 기능들이 설명되어 있다.

보완적인 ADI 솔루션
AD74412R에 MAX14906의 디지털 출력 기능과 전원, 보호, 프로세싱, 보안 및 통신을 위한 솔루션을 결합하면 완전한 범용 IO 모듈을 구현할 수 있다. 인더스트리 4.0을 향한 혁신 및 공장 디지털화가 진행됨에 따라 더 많은 수의 IO 채널들이 요구되고 있는데, 이는 ADP1032와 같은 통합 전원 솔루션을 통해 지원될 수 있다. ADP1032는 2개의 조절된 출력과 함께 갈바닉 절연 기능도 제공하여, SPI 및 GPIO 신호를 격리하고 절연된 DC-DC 컨버터를 통합함으로써 아날로그 프런트 엔드(AFE)를 보호한다. 마찬가지로, MAX17671을 사용하여 모듈에 24V 입력을 제공하도록 하면 외부 부품 사용을 최소화할 수 있어 콤팩트한 PCB 설계가 가능하다.

AD74412R용 리눅스 드라이버 외에도, ADI는 MAX32650과 같은 저전력 마이크로컨트롤러(MCU)을 위한 SWIO 솔루션을 개발할 수 있게 no-OS 드라이버를 제공한다. 최근에는 보안 문제로 인해 제조 시스템의 사이버 보안에 대한 법률적 관심이 높아졌으며, 이는 “디지털 요소가 포함된 모든 제품”에 대한 사이버 보안 요구 사항을 의무화한 EU 사이버 복원력법(EU Cyber Resilience Act)에 의해 더욱 고조되었다. MAX32650은 안전한 보안 부팅 및 키 저장 기능을 제공하며, 포괄적인 신뢰점(root-of-trust, RoT) 및 인증 솔루션을 제공하는 MAXQ1065 암호화 컨트롤러와 함께 사용할 수 있다.

결론
AD74412R을 사용하는 SWIO는 원격 IO 모듈에 이상적이며, 제어함 외부의 공간 제약이 있는 환경에 고정 기능 IO 채널을 이중화 할 필요가 없게 해준다. 이러한 모듈은 전통적인 4~20mA IO를 이더넷 기반 통신에 연결하기 위해 제어 계층 내에 전략적으로 배치된다. 엣지 노드 이더넷 주소 지정 기능(addressability)은 클라우드 기반 알고리즘에 대한 낮은 수준의 인사이트 활용을 용이하게 한다. 강력한 저전력 MAC-PHY인 ADIN1110을 통해 구현되는 T1L 및 APL(advanced physical layer)과, LTC9111 단일쌍 PoE(SPoE) 전원 공급(PD) 컨트롤러는 이러한 이더넷 에코시스템 분야를 위해 최소한의 리소스로 원하는 결과를 달성할 수 있도록 하는 효율적인 솔루션을 제공한다

참고 자료
1. “Cyber Resilience Act–Factsheet.” European Commission, December 2023.

저자 소개

코널 와터슨 박사(Dr. Conal Watterson)는 아일랜드 리머릭에 위치한 아나로그디바이스(Analog Devices) 공장 및 공정 자동화 최종시장팀 수석 엔지니어이다. 그는 2010년 이후 리머릭 대학교(University of Limerick)에서 박사(Ph.D.) 및 공학 석사(M.Eng.) 학위를 취득했으며, 산업용 필드버스 네트워크, 진단/신뢰성, 고속 신호 처리 및 절연 기술과 관련한 다수의 논문과 기고를 발표했다. 주요 관심 연구 분야는 산업 자동화 컨트롤러 및 모듈 신호 체인, 범용 IO를 위한 새로운 기술의 통합, 새로운 이더넷 토폴로지, 본질적 안전 요구 사항, 그리고 사이버 복원력 법안을 충족하기 위한 보안 처리 기술이다.

알레산드로 레오나르디(Alessandro Leonardi)는 밀라노 소재 아나로그디바이스(Analog Devices)의 어카운트 매니저이다. 그는 밀라노 공과대학교(Politecnico di Milano)에서 전자공학 학사 및 석사 학위를 받았으며, 졸업 후 ADI에서 필드 애플리케이션 연수생 일원으로 활동했다.

지아코모 파테르니아니(Giacomo Paterniani)는 볼로냐 대학교(University of Bologna)에서 의생명공학 학위를 받았다. 모데나 & 레조 에밀리아 대학교(University of Modena and Reggio Emilia)에서 전자공학 석사 과정 수료 후, 같은 대학교에서 1년간 연구원으로 근무했다. 2022년 4월에 아나로그디바이스(Analog Devices)의 대학원 프로그램(graduate program)에 대학원생 필드 애플리케이션 엔지니어(FAE)로 참여하고, 2023년 4월에 FAE가 되었다.