인더스트리 4.0을 위한 지능형 필드 장비 구현 방법

글: 크리스토프 캐머러(Christoph Käemmerer) / 아나로그디바이스

 

인류는 끊임 없는 기술 개발과 산업화를 통해서 더 나은 발전 추구해 왔다. 역사적으로 보면 기술이 비약적인 발전을 이룬 시기들이 있는데, 이러한 시기를 산업 혁명이라고 부른다. 현재 우리는 또 한 번의 새로운 산업 혁명 시대로 접어들고 있다. 4차 산업 혁명, 즉 인더스트리 4.0이다.

 

1차, 2차, 3차 산업 혁명의 각각의 특징이 증기와 수력 발전을 사용하는 생산, 전기를 사용하는 대량 생산, 그리고 컴퓨터화라고 한다면, 4차 산업 혁명의 특징은 디지털 공장 자동화이다. 디지털 자동화는 산업의 모든 분야에서 일어나고 있으며, 자동 제어를 통해서 효율을 높일 수 있다. 이러한 제어를 통해서 예방적 유지보수가 가능하며, 생산성과 가동률을 극대화할 수 있다. 완벽하게 네트워크화된 운영을 통해서 원자재 조달을 더 잘 계획하고, 보관 비용을 최소화하고, 가동률을 향상시킬 수 있다. 오늘날처럼 빠르게 변화하는 시대에 가동 중단은 막대한 손해를 초래할 수 있다. 네트워크화된 공장은 계획대로 이행하기가 더 용이하며, 생산 공정에서 예기치 않은 가동 중단을 방지할 수 있다.

 

인더스트리 4.0에서 중요한 것은 새로운 개발만이 아니다. 기존 인프라를 계속해서 사용하고 확장하는 것 또한 디지털 공장의 비용을 낮추기 위해서 중요하다. 스마트 팩토리는 취득 원가(가능한 낮아야 함)와 대대적인 구조 변경 필요성(가능한 없어야 함)이 비용-이익 분석에서 반드시 살펴봐야 하는 중요한 요소들이다. 이를 고려할 때, 스마트 팩토리 구축 시 중요한 측면이 이른바 ‘스마트 트랜스미터’라 부르는 지능형 필드 장비를 사용하는 것이다. 스마트 트랜스미터를 사용하면 공장 모니터링과 진단을 할 수 있을 뿐 아니라, 향후 새롭게 추가되는 다른 필드 장비들과 네트워킹도 가능하다. 이러한 스마트 트랜스미터는 전체 설비에 걸쳐서 설치돼 있으며, 다양한 센서들을 연결할 수 있고, 이전에 연결되지 않았던 부품들까지 모니터링할 수 있다. 이러한 필드 장비는 인더스트리 4.0의 보편적이며 지능적인 기본 유닛을 형성한다. 이 글에서는 저항 온도계, 써모커플(열전대), 압력 센서 같은 다양한 센서들과 함께 사용할 수 있는 필드 장비에 대해서 좀더 자세히 설명한다.

 

오늘날 널리 사용되고 있는 필드 장비인 스마트 트랜스미터는 순수한 루프 피드 방식 또는 보조 에너지가 추가로 제공되는 방식의 지능형 필드 장비들이다. 스마트 트랜스미터는 트랜스미터를 스마트하게 만들어주는 소프트웨어를 내장한 마이크로컨트롤러를 비롯하여 그밖에 다양한 부품들을 포함한다. 필드 장비의 지능이 반드시 마이크로컨트롤러 소프트웨어에만 저장되는 것은 아니다. 예컨대 아날로그-디지털 컨버터(ADC) 같은 다른 반도체 모듈에도 진단 기능이나 그밖에 다른 안전성 기능들을 통합할 수 있다. 이렇게 하면 마이크로컨트롤러에는 추가적인 프로세싱 소프트웨어를 통합할 수 있다. 스마트 트랜스미터는 통상적으로 표준 4mA ~ 20mA 전류 루프를 사용하는데, 이는 트랜스미터의 최대 전력 소모를 제한한다. 또한 이것은 트랜스미터를 구성하는 개별 소자들의 전력 소모까지 강력히 제한하게 된다. 예를 들어서 3.2mA의 낮은 경고 전류를 사용하면 이 한계는 3.2mA이다. 최근의 스마트 트랜스미터 동향을 살펴보면 갈수록 전력 소모는 줄어들고, 공간은 적게 차지하며, 기능과 성능, 안전성, 예방적 유지보수 능력을 더욱 강력해지는 추세이다(그림 1).

 

그림 1: 인더스트리 4.0용 스마트 트랜스미터에 대한 요구사항

 

그림 2는 전형적인 스마트 트랜스미터 신호 체인을 나타낸다. 먼저 센서와 ADC를 포함한다. ADC는 아날로그 프런트엔드와 아날로그 프리프로세싱 유닛을 포함한다. ADC를 통해 변환된 디지털 신호가 절연 벽을 통과해서 마이크로프로세서로 전달된 다음, 다시 인터페이스로 연결된다. 오늘날 플랜트 자동화에는 4mA ~ 20mA 인터페이스를 사용하는 2와이어 솔루션이 주로 활용된다. 이를 위해서는 디지털-아날로그 컨버터(DAC)가 필요하다. HART(highway addressable remote transducer) 프로토콜을 사용하여 이 인터페이스를 양방향으로 사용할 수 있다. 통제실도 HART 호환이 가능하다면 HART 프로토콜을 통해서 좀더 복잡한 프로세스를 전송할 수 있으며, 그럼으로써 필드 장비를 더 잘 활용할 수 있다.

 

그림 2: 스마트 트랜스미터 블록 다이어그램

 

이제부터는 각 부품들의 역할을 좀더 자세히 살펴보고, 효과적이고 공간을 절약하도록 설계된 데모 회로를 소개한다. 이 회로는 인더스트리 4.0의 모든 요구를 충족하는 아나로그디바이스(Analog Devices)의 모듈 제품을 사용하여 높은 정밀도와 낮은 전력 소모 특성을 구현했다. 그림 3은 이 데모 회로의 회로도(위)와 실제 사진(아래)을 보여준다.

 

그림 3: 레퍼런스 회로의 회로도(위)와 실제 사진(아래)

 

먼저, 센서를 ADC에 연결한다. 이 데모 회로에 적용된 것은 AD7124 24bit 델타-시그마 ADC이다. 이 ADC는 집적도가 매우 높은 모듈 제품이다. 공간을 절약할 수 있도록 아날로그 프런트엔드 기능들을 통합하고 있어 외부에 계측 증폭기나 연산 증폭기를 사용할 필요가 없다. AD7124는 다양한 센서들과 함께 사용하기 위해 4개 또는 8개의 차동 입력을 지원하도록 유연하게 설계가 가능하다. 또한 이 ADC 제품은 3가지 서로 다른 전원 모드를 지원할 뿐 아니라, 예컨대 수동 온도 센서용으로 필수적인 프로그래머블 전원 소스도 포함하고 있기 때문에, 다양한 전력 소모 형태의 제품 설계가 가능하다.

 

정밀도와 출력 데이터 속도는 어떤 전력 모드를 선택하느냐에 따라 달라진다. 따라서 필드 장비를 3.2mA의 전력 한계 이하에서 동작하도록 설정하면 좀더 강력한 마이크로프로세서를 사용하거나 추가적인 센서들을 연결해서 병렬 측정을 할 수 있다. 또한 AD7124는 다음과 같은 다양한 진단 기능들을 포함한다:

 

▶ 모든 데이터를 유효 레지스터로 읽기/쓰기

▶ 유효한 데이터만 레지스터로 읽기

▶ 전압 레귤레이터(LDO)가 깔끔하게 분리되었는지 확인

▶ ADC 변조기와 필터 성능 확인

▶ 과전압 및 저전압 확인

 

이러한 기능들을 포함하므로 안전성 표준을 수월하게 충족할 뿐만 아니라, HART 프로토콜을 통해 이 정보를 전달함으로써 필드 장비에 대한 유지관리 작업을 사전에 계획할 수 있다. 이를 통해 가동률을 높이고 필요한 유지보수를 줄일 수 있기 때문에, 인더스트리 4.0은 효율을 크게 향상시킬 수 있는 것이다.

 

스마트 트랜스미터에서 또 다른 중요한 측면이 절연이다. 절연 상태가 부적절하면 접지 루프와 과전압으로 이어질 수 있는데, 만약 2-와이어 연결을 통해 전송이 이루어질 경우 이는 해당 장비뿐 아니라 연결된 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC)까지도 손상시킬 수 있다. 반면에, 절연 상태가 우수하면 루프 피드 필드 장비에 대한 전류 제한에 부딪치곤 한다. 이 데모 회로에서는 ADuM1441 디지털 절연기가 사용되었다. 데이터 속도가 낮으면 전력 소모도 훨씬 더 적어지므로 주어진 전력 소모 제한 범위 내에서 적절한 절연이 가능하다.

 

AD7124와 ADuM1441 외에, 이 스마트 트랜스미터의 또 다른 중요한 구성요소는 마이크로컨트롤러이다. 이러한 용도로는 ADuCM3027/ADuCM3029 같은 ARM® 기반 마이크로컨트롤러가 주로 사용된다. 이들 디바이스는 동적 전류 소모가 38?A/MHz 미만이므로 스마트 트랜스미터에 사용하기에 이상적이다. 이들 ARM 마이크로컨트롤러는 산업용으로 널리 사용되고 있으며 안전성이 중시되는 애플리케이션에 적합하다. 또한 ADuCM3027/ADuCM3029는 AES-128/AES-256 암호화를 지원하므로 추가적으로 보안성을 높일 수 있다. 또한 이들 마이크로컨트롤러에 스마트 소프트웨어를 프로그램하면 진단 기능을 실행할 수 있다. 일례로, AD7124를 교정하면 이러한 필드 장비로 정확한 측정을 할 수 있다.

 

또한 HART 프로토콜을 채택하고 있기 때문에 인프라를 대대적으로 변경하지 않고도 지능형 필드 장비를 설계할 수 있다. 이 프로토콜은 4mA ~ 20mA 전류 루프를 통해서 사용할 수 있는데, 다만 HART 슬레이브와 HART 마스터를 필요로 한다. HART 프로토콜을 사용하면 필드 장비와 PLC 사이에 디지털 연결을 할 수 있어, 통제실과 필드 장비 간 스마트 연결이 가능하다. HART 구현을 위해서는 HART 호환 DAC에 연결할 수 있는 HART 모뎀이 필요하다. 이러한 디바이스는 기능 집적도가 높아야 하며 전력 소모가 낮아야 한다. 이 두 가지 요구, 다시 말해서 공간을 적게 차지하는 것과 저전력 소모는 인더스트리 4.0에 필수적인 요구사항이다.

 

HART 프로토콜을 사용하면 기존 전류 루프를 통해서 디지털 통신이 가능하다. 다만 이 신호를 깨끗한 전류 신호로 변조하기 위해서 HART 모뎀이 필요하다. 이러한 용도로 출시된 제품이 AD5700 초저전력 HART 모뎀이다.

 

스마트 트랜스미터 구현을 위한 마지막 구성요소는 디지털-아날로그 컨버터(DAC)이다. DAC 역시 인더스트리 4.0용으로 낮은 전력 소모와 높은 기능 집적도에 대한 요구를 충족해야 한다. DAC는 전체 회로에 있어서 매우 중요한 장치로서, PCB 공간을 절약할 수 있도록 가능하면 많은 기능들이 DAC에 통합돼야 한다. 예컨대 전체 필드 장비에 전력을 공급하기 위한 선형 레귤레이터를 통합할 수 있고, 또한 필드 장비가 PLC와 통신할 수 있도록 제어 및 모니터링 기능을 통합할 수도 있다. AD5421은 위의 HART 모뎀과 잘 맞는 DAC 제품이다.

 

이 글에서 설명한 신호 체인은 압력 또는 온도 측정용으로 인더스트리 4.0 가능 루프 피드 필드 장비를 어떻게 설계할 수 있는지를 보여준다. 이 스마트 트랜스미터는 스마트 모니터링, 제어, 피드백용으로 사용될 수 있으며, 공간을 적게 차지하고 저전력 소모를 달성하도록 설계되었다. 또한 이 회로에 선택된 아나로그디바이스 제품들은 현재는 물론 미래의 변화하는 요구들까지 충족할 수 있다.

 

저자 소개

크리스토프 캐머러(Christoph Käemmerer)는 2015년 2월부터 아나로그디바이스 독일 지사에서 근무하고 있다. 2014년에 에를랑겐에 위치한 프리드리히-알렉산더 대학에서 물리학 석사학위를 취득했다. 아나로그디바이스 리머릭 지사의 프로세스 개발 부서에서 인턴으로 근무했으며, 2016년 12월에 수습 과정을 마쳤다. 현재 아나로그디바이스의 FAE로 재직하고 있으며 주로 신생 애플리케이션을 맡고 있다. 연락처:  christoph.kaemmerer@analog.com