2020년 9월 23일 수요일

T Technical Report

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PLC의 통합 과제

Suhel Dhanani
Principal Strategic Marketing Manager
Maxim Integrated
 
 
요약
 
오늘날 극도로 경쟁이 치열한 글로벌 경제 속에서 생산 공정의 작은 향상은 큰 경쟁 우위를 만들어 낼 수 있다.
 
이러한 사고방식이 생산 공장 전반에 걸쳐 근본적인 변화를 가져오면서 제조업체들은 최신 센서 기술을 효율적으로 사용하고 새로운 제어 구조를 채택하며 “빅데이터”와 분석의 잠재성을 발견하기 시작하고 있다. 인더스트리 4.0이라 불리는 혁명적인 변화가 생산 현장에서 일어나고 있다.
 
장비 OEM에게 있어 이러한 산업혁명은 막대한 기회를 의미한다. 환경과 공정 변수 추적에 사용되는 센서의 수는 계속 증가하고 있으며 공장 운영자가 PLC를 제어 공정에 더욱 가까이 배치해 병목 지점을 줄이고 제어 루프를 단축시키고자 함에 따라 분산 제어 구조로의 전환은 가속화되고 있다. PLC의 등장 이후 향상된 운용 효율과 수율에 대한 이점은 공장 운영에 대한 대규모 개편으로 이어지고 있다.
 
이는 엔지니어에게 적지 않은 과제를 안겨준다. 이러한 시장에서 앞서 나가려면 시스템 설계자는 점점 더 작아지는 패키지 안에 더 많은 I/O와 기능을 채워넣어야 한다. 문제는 최근의 첨단 PLC 모듈에서 아날로그 및 디스크리트 부품이 약 85%의 보드 공간을 차지하는 가운데 마이크로프로세서에서 디지털 스케일링을 통해 확보할 수 있는 공간이 거의 없다는 것이다.
 
엔지니어는 더 이상 보드의 명백한 문제들을 무시할 수 없게 되었다. 예전 시스템에서는 매우 잘 작동되었던 많은 아날로그와 디스크리트 부품들은 Micro-PLC와 임베디드 컨트롤러에 그대로 적용하기에는 너무 크다. 인더스트리 4.0의 비전은 PLC 시스템 설계 전체에 걸쳐 더 높은 수준의 통합을 통해서만 실현될 수 있다.
통합분배
 

다음 산업혁명이 이미 우리 앞에 와 있다
 
PLC는 1969년 Modicon 084 이후 줄곧 산업 혁신의 주축이 되어 왔다. 디지털 혁명에 힘입어 PLC는 지난 수십 년 동안 점점 더 강력해지고 더 많은 입력과 더 큰 워드 더 복잡한 명령어 세트를 처리할 수 있게 되었다.
 
오늘날 아날로그와 센서 기술의 혁신은 제조업체가 공장과 클라우드에서 방대한 컴퓨팅 자원을 완전하게 이용할 수 있도록 도와준다. 인더스트리 4.0은 이러한 인텔리전스 기능과 확산되는 센서의 활용 분산 제어 그리고 견고하고 매끄러운 연결을 결합할 때 무엇을 성취할 수 있는지에 대한 비전을 제시한다.
 
이제 PLC는 또 다시 혁명의 중심에 서 있다. 제조업체가 이러한 기술을 이용하기 위해 자본 지출을 증가시킴에 따라 PLC는 PLC OEM을 위한 새로운 비즈니스 기회를 창출한다. 그러나 이는 또한 시스템 설계자에게 다양한 과제를 안겨준다.
 
디지털 혁명에 힘입어 PLC는 수십 년 동안 점점 더 강력해지고 있다
 
기술발전
그림 1. 기술 발전은 또 다시 생산 환경에 변화를 초래하고 있으며
첨단 제어 및 자동화 장비에 투자하는 제조업체에게 많은 이득을 가져다 주고 있다.
 

새로운 통합 문제 해결 솔루션
 
PLC의 가장 큰 문제는 아무도 그것을 모른다는 것이다. 최근의 시장 조사에 따르면 대부분의 엔지니어들은 디지털 기술이 공간 절감을 위한 최적의 기회를 제공한다고 믿고 있지만 PLC 모듈에서 디지털 칩은 단 15% ~ 20%의 보드 공간만 차지할 뿐이다.
 
실제적인 문제는 PCB에서 아날로그와 디스크리트 부품이 차지하는 비중이다. 이들 디바이스는 PLC 모듈에서 사용 가능한 공간을 85%나 차지하지만(그림 3) 디지털 칩처럼 스케일할 수 없다. 따라서 필요한 기능을 제공하면서 PCB 공간을 보존하기 위해서는 더 높은 수준의 통합이 요구된다.
 
디스크리트
그림 3: 이러한 Micro PLC에서 아날로그와 디스크리트 부품은 보드 공간의 80% 이상을 차지한다.
 
그림 2: 1997년에 첨단 수퍼컴퓨터는 150m2 크기로 1.8 TeraFLOPS의 처리 성능을 제공했지만
오늘날에는 비디오 게임 콘솔의 크기로 같은 성능을 제공할 수 있다.
 
빅데이터의 비전 실현
 
꾸준히 지속되어 온 무어의 법칙에 힘입어 우리는 현재 방대한 양의 처리 성능을 마음껏 이용하고 있다. 이를 통해 기업은 테라바이트 심지어 페타바이트의 데이터를 이용해 정책 결정을 향상시키고 새로운 통찰을 얻으면서 과정을 최적화할 수 있다.
 
제조업체에게 가장 큰 과제는 이러한 데이터를 수집하고 이용하는 것이다. 다음 세 가지 기술 동향은 이러한 문제를 해결하기 위해 등장했다.
 
• 확산되는 센서의 활용. 센서와 인터페이스 가격이 지속적으로 하락함에 따라 제조업체는 더 많은 변수와 데이터 유형을 추적할 수 있게 되었다.
• 분산 제어. 공정 컨트롤러를 제어 기기에 더 가까이 배치함으로써 병목 지점을 없애고 제조 처리량과 유연성을 향상시킨다.
• 매끄러운 연결. 제조업체는 생산 공장을 기업 네트워크에 연결해 빅데이터와 분석의 잠재적 가치를 발굴한다. 이는 매우 많은 혜택을 가져다 주지만 시스템 수준에서 많은 보안 문제를 발생시킨다.

 
이러한 문제를 해결하기 위해서는 아날로그 설계에 새로운 접근 방법이 필요하다. 시스템 설계자가 카탈로그에서 적합한 규격의 부품을 선택한 다음 뛰어난 레이아웃 기술로 PLC 패키지 안에 넣으면 그만이던 시대는 지났다.
 
오늘날 시장은 공간과 에너지 효율에서 단계적 기능 향상을 요구한다. 성공적인 설계자가 되기 위해서는 아날로그 회로의 효율을 높이고 전력 소모를 줄일 수 있는 기회를 체계적으로 찾아낼 필요가 있다.
 
다행히 새로운 솔루션들이 Maxim Integrated와 같은 회사에서 개발되고 있다. Maxim은 산업 시장의 발전에 따라 통합 능력을 강화하고 있다. 단일 IC에 다양한 개별 기능들의 결합은 시스템 설계자에게 크기 전력 소모 및 비용에서 많은 이점을 제공한다.
 
Maxim의 Micro-PLC 기술 시연 플랫폼은 10배 더 작은 PLC 풋프린트 50% 더 낮은 발열 동작 70배 더 빠른 디지털 I/O 처리성능이 어떻게 달성되는지 보여준다(그림 4). 이러한 성취는 Maxim의 제품 개발과 고유의 공정 기술에 대한 스마트 통합 전략을 통해 구현되었다.
 
오늘날 시장은 공간과 에너지 효율에서 단계적 기능 향상을 요구한다
 
 
Micro PLC에서 I/O 밀도 증가
 
I/O는 인더스트리 4.0에서 요구되는 PLC와 셀 수 없이 많은 센서 액추에이터 사이를 연결하는 필수적인 링크이다. 제조업체가 생산 공장에 더욱 많은 센서를 추가함에 따라 PLC의 사용 가능한 공간은 더욱 줄어들고 있지만 장비 설계자는 채널 밀도를 더욱 높여야 한다.
 
I/O 절연 구조는 공간을 크게 절감할 수 있는 기회를 제공한다. 전통적인 방식은 채널당 하나의 광커플러를 사용하여 각각의 광커플러 출력을 마이크로컨트롤러의 디지털 입력에 연결하는 것이다. 이러한 방법은 부품 수 보드 공간 디지털 I/O 핀 사용에서 많은 비용이 든다.
 
그림 4: Maxim의 Micro-PLC 기준 설계는 엔지니어가
최첨단 아날로그 통합을 이용할 경우 얼마나 많은 공간을 절약할 수 있는지 보여준다.
 
최근에는 MAX31911과 같은 멀티채널 시리얼라이저가 센서의 24V 디지털 출력을 변환 조정 직렬화하고 PLC 마이크로컨트롤러에 의해 요구되는 5V CMOS 호환 레벨로 전환한다. 이 방식은 필요한 절연 채널 수를 단 3개로 낮춰준다.
 
예를 들어 MAX31911은 SPI 데이지 체인을 지원하는 8채널 산업 인터페이스(그림 5)이므로 다중 시리얼라이저의 다수의 입력이 3개의 동일한 절연 신호를 공유할 수 있다. 그림 6은 비직렬 방식과 비교한 32채널 구현의 전력 소모 부품 수 전체 PCB 공간 풋프린트 광커플러 비용에서 달성된 극적인 절감을 보여준다.
 
그림 5: MAX31911은 디지털 입력 설계의 광커플러 수를 크게 줄여준다.
 
그림 6: MAX31911에 의해 구현되는 효율적인 절연 구조는 시스템 설계자에게 매우 많은 이점을 제공한다.
 

단일 IC에 다양한 개별 아날로그 기능들의 결합은 시스템 설계자에게 크기 전력 소모 및 비용에서 많은 이점을 제공한다
 


전력 설계에서 발열 저감
 
더 높은 I/O 밀도와 작은 폼팩터는 또 다른 기본적인 방식으로 설계 과제에 피할 수 없는 전력 소모의 영향을 추가한다. 시스템은 PLC의 과열을 방지하는 것 이상으로 전력 효율이 높아야 하며 특히 통상 팬과 배출구를 사용할 수 없는 애플리케이션에서는 그 중요성이 높아진다.
 
PLC에서 종종 간과되는 열 원천은 DC 전력 분배 공급에서 발생하는 I2R 손실이다. 흔히 24V는 PLC 백플레인에 사용되며 12V는 온보드 분배에 사용된다. 보다 나은 방법은 보드에 48V를 사용하는 것이다. 이 방법은 전류를 4배 감소시키므로 PCB 구리 손실이 16배 낮아진다.
 
그림 7: Maxim의 60V 동기 정류 방식 DC-DC는 열 크기 부품 수를 크게 줄여준다.
 
MAX17503과 같은 고전압 POL(point-of-load) DC-DC 컨버터를 사용하는 경우 중간 DC-DC 변환 스테이지가 필요 없다. 이 컨버터는 최대 60V 입력에서 직접 동작하므로 저전압에서 디지털 아날로그 혼합 신호 부하를 위해 단일 스테이지 변환을 제공할 수 있다. 따라서 소중한 보드 공간을 절약하고 스테이지 사이의 비용과 에너지 손실을 없애준다. 또한 이들 컨버터는 구리 손실을 최소화하고 커넥터 접촉 전류 정격을 낮출 뿐 아니라 신뢰성을 증가시키면서 동기 스위치 구조로 인해 낮은 발열 동작(통상 50% 더 낮음)을 유지한다(그림 7).

 
전력 서브시스템의 복잡성 감소
 
최근의 신호 조정 처리 및 통신 회로는 다양한 전력 레일 세트를 필요로 하며 종종 수 볼트 또는 1볼트 미만의 극히 작은 전력 차를 갖는다. 이러한 특성은 이미 복잡한 전기적 환경을 더욱 복잡하게 만든다. 여기에 다양한 전력 제어 방법을 통해 갈수록 복잡해지는 에너지 절감 방법이 더해져 전력 서브시스템의 비용과 복잡성은 더욱 증가된다.
 
Maxim의 Beyond the RailsTM 제품은 신호 체인을 간소화함으로써 단일 5V 전원으로 ±10V 바이폴라 입력을 다중화 증폭 필터링 및 디지털화할 수 있는 설계를 구현한다(그림 8). 이는 추가적인 ±15V 전원의 필요를 없애주므로 부품 수 시스템 비용 전력 소모 풋프린트를 줄여준다.
 
새로운 보안 위협에 대한 안전장치 통합
그림 8: Beyond the Rails 제품군은 단일 +5V 전원으로부터 최대 ±10V 레일을 지원함으로써 전력 서브시스템 설계를 간소화한다.
 
공장 네트워크가 외부와 차단되었을 때 IT 보안 문제는 언제나 불만을 품은 사원이나 내부 데이터 절도와 관련되었다. 이제 그러한 " 옛시절"은 지나갔으며 다시 돌아오지 않는다. 오늘날 인터넷에 연결된 PLC는 해커들 악성 소프트웨어 바이러스를 비롯한 여러 위협으로부터 보호되어야 한다.
 
시스템 레벨 소프트웨어가 초기 수준의 보호를 제공하지만 많은 경우 이것만으로는 충분하지 않다. 다음과 같은 위협에 대해 하드웨어 기반 보안이 요구된다.
 
• "복제" 또는 위조 부품. 위조 필드 센서와 I/O 모듈은 수익에 실제적인 위협이 되지만 더 큰 위험은 이러한 위조 부품이 산업 환경 전반에 대한 공격에 이용될 수 있다는 점이다. 보안 인증 IC의 사용은 가령 보일러 및 다른 핵심 부품으로부터 전송되는 온도 값을 신뢰할 수 있도록 보장하는 유일한 방법이다.
 
오늘날 인터넷에 연결된 PLC는 해커들 악성 소프트웨어 바이러스를 비롯한 여러 위협으로부터 보호되어야 한다
 
• 악성 소프트웨어 침투. 스턱스넷(Stuxnet)은 산업에 경종을 울린 계기가 되었다. 시스템 운영자는 SCADA 또는 DCS 시스템 기반의 모든 장비에서 정품 소프트웨어 실행을 보장해야 한다. 보안 부팅과 보안 업데이트 관리는 악성 소프트웨어 침투로부터 장치를 보호하는 최상의 방법이다. 또한 보안 보조프로세서를 사용해 디자인-인(design-in) 노력을 최소화하면서 이러한 문제에 완벽하게 대처하는 암호화 설계를 구현할 수 있다.
 
• 산업 스파이. 산업 스파이에 대한 우려가 증가하는 가운데 제조업체는 인증받지 않은 사용자가 산업 네트워크에서 영업 비밀을 훔칠 수 없도록 보장해야 한다. 암호화 및 인증 IC는 이러한 산업 스파이로부터 보호할 수 있으며 더 나아가 액티브 탬퍼 검출을 제공해 하드웨어 부품에 대한 무작위 공격(brute-force)을 방지할 수 있다.
 
Maxim은 ATM POS 시스템 및 프린터 카트리지와 같은 소모품을 위한 하드웨어 보안 구현에 풍부한 역사를 가지고 있다. Maxim의 보안 제품 포트폴리오는 간단한 인증 엔진에서부터 첨단 표준 기반 암호화 알고리즘을 구현하는 복잡한 보안 마이크로컨트롤러에 이르기까지 다양하다.
 
PLC에서 통합 이점 구현
 
인더스트리 4.0은 PLC 시장에서 앞서 나가기 위해 어떠한 방법을 취해야 하는지에 대한 근본적인 변화를 요구한다. 오늘날 더 작은 폼팩터 더 높은 I/O 밀도 향상된 기능의 성공은 더 작은 공간에 더 많은 기능을 탑재해야 하는 경쟁적인 요구를 관리할 수 있는 새로운 전략을 필요로 한다.
 
이와 같은 문제는 무어의 법칙으로 해결되지 않는다. 시스템에 들어가는 많은 아날로그 요소는 이러한 문제에 직면해 PLC 엔지니어가 더 이상 통합 문제를 무시할 수 없다는 것을 의미한다. 보드 공간에 얼마나 많은 기능을 채워넣는가에 성공이 달려 있던 시대는 지나갔다. 다가오는 시대는 제조업체가 인더스트리 4.0에서 약속하는 이점을 추구해 나감에 따라 체계적인 방식으로 높은 수준의 부품 통합을 추구하는 엔지니어가 요구될 것이다.
 
그림 9: Maxim은 모든 보안 요구와 가격대를 지원하는 완벽한 하드웨어 보안 제품 포트폴리오를 제공한다.
 
Maxim Integrated는 MAX232와 같은 뛰어난 산업 제품의 성공적인 유산을 바탕으로 특히 인더스트리 4.0에 의해 요구되는 통합 과제를 해결하는 광범위한 솔루션을 개발하고 있다.
 
Maxim 솔루션
 
Maxim Integrated의 아날로그 통합은 경쟁 우위를 극대화한다.
maximintegrated.com/Industrial-Integration
 
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저자 소개
Suhel은 Maxim Integrated의 제어 및 자동화 부문 전략을 책임지고 있는 수석 기술 직원이다. Maxim에 입사하기 전에는 알테라에서 산업 자동화 부문 마케팅을 담당했다. Suhel은 자이링스 알테라 타뷸라 등 여러 실리콘밸리 회사에서 20년 이상 제품/부문 마케팅 경험을 가지고 있다. 다수의 글을 발표했으며“Digital Video Processing for Engineers”의 저자이다. 아리조나 주립 대학(Arizona State University)에서 MSEE 및 MBA 학위를 받았으며 스탠포드(Stanford)에서 경영관리 석사과정을 마쳤다.