글/ 비엔 베리토 A. 하비에르(Bien Verlito Javier) 제품 담당 AE, 제퍼슨 A. 에코(Jefferson Eco) 애플리케이션 개발 엔지니어 / 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)
 

개요

이 글에서는 레거시 아날로그 신호를 산업용 이더넷에 연결하는 문제를 해결하는 데 도움이 되는 소프트웨어 구성 가능 입출력(I/O) 디바이스와 이를 위한 전용 절연 전원 및 데이터 솔루션에 대해 설명한다. 또한 소프트웨어 구성 가능 I/O 디바이스 고유의 채널 유연성과 오류 감지 및 진단 기능의 이점에 대해 알아본다. 마지막으로, 시스템 수준의 평가 결과를 통해 시스템 견고성과 전력 소모를 포함하여 시스템 솔루션의 전반적인 이점을 살펴본다.
 

머리말

산업용 이더넷이 발전함에 따라 공장에서는 연결되고 스마트한 제조가 가능해졌다. 하지만 현장 계측기는 레거시 아날로그 신호(즉, 4 ~ 20mA, 0 ~ 10V)를 사용하여 이더넷 영역에 연결해야 한다. 이는 고정 기능 I/O 모듈에 해결해야 할 과제를 던져준다. 시스템 설계자는 서로 다른 센서와 액추에이터를 포함하는 여러 모듈을 설계해야 하지만, 고정된 기능 모듈의 몇몇 채널들은 사용되지 않은 채 남아 있을 수 있다. 소프트웨어 구성 가능 I/O 모듈을 이용하면 I/O 시스템의 모든 채널을 효율적으로 사용할 수 있다. 또한 케이블 연결이 복잡하면 이러한 고정 기능 I/O에 센서와 액추에이터를 잘못 연결할 수 있다. 이러한 오류를 찾아서 해결하는 데에는 시간이 많이 걸리며, 부하를 I/O 채널에 수동으로 다시 연결해야 하는 번거로움이 요구된다.
소프트웨어 구성 가능 I/O 시스템은 레거시 아날로그 신호에서 산업용 이더넷 영역으로 매끄러운 전환을 제공한다. 소프트웨어 구성 가능 I/O 디바이스는 원격 구성을 통해 어느 채널에나 모든 기능(아날로그 I/O, 디지털 I/O, RTD)을 제공할 수 있어 커미셔닝이 용이하다. 이러한 유연성과 진단 기능을 결합하면 원격 문제해결이 가능하므로 기술자의 시간과 노력을 아낄 수 있다. 그림 1은 레거시 아날로그 신호 방식으로부터 소프트웨어 구성 가능 I/O를 통해 스마트한 디지털 연결 센서로 매끄러운 전환을 제공하는 산업용 연결 기술의 진화를 보여준다.
일례로 아나로그디바이스의 AD74413R 소프트웨어 구성 가능 I/O와 ADP1032 2채널 절연형 마이크로파워 관리 장치(µPMU)의 조합은 견고한 소프트웨어 구성 가능 I/O 솔루션을 제공한다. AD74413R은 자동 오류 감지 및 진단 기능이 내장된 쿼드 채널 소프트웨어 구성 가능 I/O이다. ADP1032는 AD74413R에 절연된 전력과 데이터 채널을 제공하도록 맞춤화되어, 컴팩트하고 절연된 소프트웨어 구성 가능 I/O 시스템을 제공한다.
 

그림 1. 소프트웨어 구성 가능 I/O를 이용한 레거시 디바이스의 이더넷 연결
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채널 유연성

다양한 I/O 요구사항을 가진 많은 산업용 애플리케이션들 위해, 시스템 설계자는 각 요구에 맞춰 신속하게 구성할 수 있는 유연한 시스템을 필요로 한다. AD74413R의 4개 채널은 다음과 같은 다양한 입력 및 출력 모드로 구성할 수 있다.

• 높은 임피던스
• 전압 입력
• 전압 출력
• 외부 전원 전류 입력
• 루프 전원 전류 입력
• 전류 출력
• 디지털 입력 로직
• 루프 전원 디지털 입력
• RTD 측정

한 세트의 외부 디스크리트 소자들을 통해 4개 채널 중 어느 채널에서나 모든 기능을 지원할 수 있으므로 완전한 유연성을 제공한다. 만약 액추에이터나 센서가 잘못 배선되었을 경우, 단일 SPI로 채널을 재구성할 수 있다.
 
사용 가능한 모든 기능은 단일 패키지에서 제공된다. 이에 따라 하드웨어 설계에 필요한 부품 수가 더 적기 때문에 다음과 같은 이점이 있다:

• 조립 및 테스트 비용 절감
• 더 높은 신뢰성과 더 쉬운 디버깅
• 간소화된 조달
• 범용 I/O를 디스크리트로 구현한 것보다 더 높은 채널 밀도

 
그림 2는 연결된 부하와 관계없이 AD74413R의 모든 기능을 지원하는 데 필요한 외부 부품을 보여준다.


그림 2. AD74413R와 모든 기능에 필요한 외부 부품

 

오류 감지 및 진단 기능

AD74413R은 자동 오류 감지 기능과 다양한 진단 기능을 갖고 있어 오류를 차단하는 데 도움이 된다. ALERT 핀을 오류 조건에서 마이크로컨트롤러를 인터럽트하는 데 사용할 수 있으며, 이후 사용자는 경고 레지스터를 조사하여 오류의 정확한 원인을 결정할 수 있다. 또한 사용자는 진단 신호를 활성화하여 식별된 오류를 자세히 진단할 수 있다.


그림 3. 소프트웨어 구성 가능 I/O 오류 감지
 
AD74413R은 다음과 같은 오류를 감지할 수 있다.

• 리셋
• 캘리브레이션 메모리 오류
• SPI CRC 오류
• ADC 오류
• 전원 공급장치 오류
• 온도 오류
• 개방 회로/단락 회로 오류

 
이러한 기능들을 활용하여 사용자는 시스템에서 발생하는 모든 오류를 원격에서 해결할 수 있다. 기존 시스템에서는 센서와 액추에이터가 제어실로부터 멀리 떨어져 잠재적으로 위험한 장소에 설치되는 경우가 많고, 복잡한 케이블 연결로 인해 어떤 케이블이 어떤 센서나 액추에이터에 연결되어 있는지 알기가 어렵다. 이러한 시스템을 물리적으로 재배선하는 작업은 많은 비용과 시간이 소요된다. AD74413R 모듈은 구성 가능성과 진단 기능을 제공하므로 특정 채널에 어떤 센서나 액추에이터가 연결되었는지를 확인할 수 있다.