Actuation Technologies and Their Control
Sensing Technologies and Interfacing Techniques
Remote and Networked I/O
8.1 서론
Discrete Input & Output Devices and General Manufacturing Measurements
디지털 입출력 장비와 일반 제조 수단
역사적으로, 이산 제어(discrete control)의 관행은 연속 공정 제어(continuous process control)와 기술 및 적용 원칙에서 거의 중복되지 않으며 상당히 다르게 발전했습니다. 초기 이산 제조 기계는 순전히 기계적인 장치였으며, 구동축(drive shafts), 캠(cams), 레버(levers)의 독창적인 조합을 통해 수력(water power)을 활용하여 점점 더 복잡한 자동화 목표를 달성했습니다.
전기 모터의 출현은 처음에는 큰 변화를 일으키지 않았으며, 기계적 제어가 여전히 일반적이었습니다. 고도로 자동화된 조립 및 제작 시스템은 종종 모터로 구동되는 중앙 캠축(camshaft)을 기반으로 했고, 시스템의 전체 순서는 캠축의 한 번 회전으로 정의되었습니다. 모든 동작은 이 축의 캠에 의해 구동되었으며, 돌기(lobes)가 적절한 간격으로 동작을 유발했습니다.
8.1.1 제어 기능의 분리
제어와 작동(actuation)의 첫 번째 진정한 분리는 특히 자동차 산업에서 전기 기계식 릴레이(electromechanical relays)의 사용이 증가하면서 시작되었습니다. 이는 궁극적으로 래치(latches) 및 조합 기능을 생성하기 위해 배열된 복잡한 릴레이 제어 구성으로 이어졌으며, 전기 구동식 유압 또는 공압 밸브(솔레노이드 작동 밸브 또는 단순히 솔레노이드 밸브)를 사용하여 동작을 만들었습니다.
제어와 작동이 분리된 이 새로운 세계에서는 일부 기능이 실제로 손실되었습니다. 작동 기술은 투박하고 단순했습니다. 공압 및 유압 실린더는 관련 솔레노이드 밸브가 작동되면 기계적 정지점(mechanical stop)으로 정의된 이동 한계까지 무작정 늘어났습니다. 이러한 액추에이터의 이동 속도는 유압 또는 공압 공급 라인에 유량 밸브 또는 압력 조절기를 설치하여 어느 정도 제어할 수 있었으며, 이는 수동으로 조절되었습니다.
그러나 숙련된 캠 기술자들이 가능하게 했던 동작 전체에 걸친 가속 및 감속의 정밀한 제어는 상실되었고, 새로운 작동 기술이 도입될 때까지는 회복되지 않았습니다.
1980년대 일부 산업에서 시작된 추가적인 작동 및 제어의 정교화(sophistication)는 점점 더 필수적이게 되었습니다. 증가하는 인건비로 인한 추가 자동화의 필요성과 광범위한 제품 선택 및 맞춤화에 대한 소비자들의 요구 증가로 인해, 자동화 전문가들은 더욱 유연한 기계를 생산하도록 요구받았습니다. 종종 이러한 기계는 약간 다른 제품이나 다른 크기의 제품을 제조하기 위해 전자 제어 하에 자동으로 조정될 수 있는 소프트한 구성 가능(soft-configurable) 기계여야 했습니다.
이러한 추세는 서보 모터(servo motors), 스테핑 모터(stepping motors), 서보 제어 유압 장치(servo-controlled hydraulics)를 포함한 더 유연한 작동 기술의 사용으로 이어졌습니다. 제어 분야의 상응하는 발전과 함께, 이러한 기술들은 동작에 대한 정밀한 제어 능력을 되찾았고, 소프트웨어 제어 하에 자동 조정이라는 이점을 추가했습니다.
8.1.2 감지 기술의 진화
이와 동시에 이산 제어(discrete control)에 사용되는 감지 기술에 극적인 영향을 미친 또 다른 추세가 있었습니다. 초기 시스템에서는 단순한 공압 실린더에 의해 구동되는 기계적 동작의 이동 끝을 감지하기 위해 리미트 스위치(limit switches)가 자주 사용되었습니다. 종종 이 리미트 스위치는 다음 순서의 기능을 작동시키기 위해 제어 체계에 직접 통합되었습니다.
그러나 유연한 기계는 더 유연한 감지(sensing)에 대한 요구사항을 가져왔습니다. 많은 경우에 액추에이터가 단일 위치에 도달했는지 감지하는 것만으로는 더 이상 충분하지 않았습니다. 오히려 여러 위치를 감지하거나, 항상 액추에이터의 절대 위치(absolute position)를 지속적으로 감지하는 것이 필요해졌습니다. 이러한 목표를 달성하기 위해 엔코더(encoders), 선형 전위차계(linear potentiometers), 자기변형 변환기(magnetostrictive transducers)와 같은 감지 장치들이 더 널리 사용되기 시작했습니다.
센싱 기술은 제품 제조와 관련된 모든 관련 매개변수를 측정하고 제어해야 하는 필요성과 함께, 더욱 높아지는 품질 요구사항의 부과라는 또 다른 추세에 의해서도 발전했습니다. 이제 이산 제조 장비는 제품 제조 시점의 온도와 유압 또는 공압 압력을 측정하고, 공정 중이거나 완료된 제품의 중요한 치수를 측정하는 것이 일반적입니다. 이 데이터는 품질 목표를 달성하기 위한 제어 체계에 사용되거나, 제품 품질의 증거로 저장됩니다.
따라서 이전에는 “켜짐” 또는 “꺼짐” 상태만을 감지할 수 있는 디지털 입력(digital inputs)이 이산 제어에 사용되었지만, 이제는 제어 엔지니어에게 중요한 많은 변수들을 감지하기 위해 아날로그 입력(analog inputs)이 널리 사용되고 있습니다.
이 주제의 나머지 부분에서는 위에서 언급된 기술과 장치들을 더 자세히 살펴보겠습니다.
8.2 구동 기술 및 제어
오늘날 일반적으로 사용되는 구동(Actuation) 기술에는 다음이 포함됩니다.
- 유체 동작 기기
- 공압(Pneumatic) 실린더, 로터리 액추에이터(Rotary Actuator) 및 에어 모터
- 유압(Hydraulic) 실린더 및 모터
- 전기 모터
- 직류(DC) 모터
- 교류(AC) 동기 모터 및 가변 주파수 드라이브(Variable Frequency Drive)
- 서보 모터(Servo Motor)
- 스테핑 모터(Stepping Motor)
- 이 외에도 피에조 수축(Piezoconstrictive) 장치 및 보이스 코일(Voicecoil) 액추에이터와 같은 여러 특수 액추에이터가 있으며, 이에 대해서는 간략하게 설명하겠습니다.
구동 기술의 선택은 일반적으로 각 기술의 특성이 적용(Application) 분야의 요구 사항 및 환경과 얼마나 부합하는지에 따라 결정됩니다. 예를 들어, 공압 실린더는 작은 공간에서도 상당히 높은 힘으로 직선 운동을 만들어 낼 수 있습니다. 이 실린더의 힘은 실린더의 피스톤 면적에 가해지는 공기압을 곱하여 결정되며, 이는 다음의 식 8-1(실린더 액추에이터에서 얻는 힘)에 나타나 있습니다.
F=PA (8-1)
여기서:
F = 힘 (파운드 단위)
P = 가해진 압력 (PSI 단위)
A = 실린더 면적 (제곱 인치 단위)
충분한 공기 공급이 이루어지면 높은 구동 속도도 가능하므로, 공압 구동(Pneumatic Actuation)은 많은 소형 고속 자동화 시스템에 적합하며, 이러한 장점 때문에 광범위하게 사용되고 있습니다.
하지만, 더 높은 수준의 힘이 요구되는 적용 분야에서는 공압 구동의 두 가지 한계가 두드러집니다. 첫 번째는 구동 매체인 공기의 본질적인 압축성(Compressibility)입니다. 이는 공압 시스템에 최소한의 탄력성(Resilience)이 존재함을 의미합니다.
두 번째 한계는 구동에 사용할 수 있는 압력입니다. 안전성과 실용성 문제로 인해 일반적인 “작업장 에어(Shop Air)” 시스템에서 공급되는 공기압은 약 80 PSI(5.5 bar)로 제한됩니다. 이는 주어진 실린더 직경에 대해 달성 가능한 힘의 상한을 설정합니다.
더 높은 힘이 필요한 적용 분야에는 유압(Hydraulic) 시스템이 주로 사용되며, 최대 5000 PSI(345 bar)의 압력을 사용할 수 있습니다. 단점으로는 국소적인 유압 펌프(Hydraulic Pump)가 종종 필요하기 때문에 비용이 많이 들고, 유압유(Hydraulic Fluid)의 불가피한 누출로 인해 청정 환경에서는 이 기술을 사용할 수 없다는 점입니다.
관련 제어 기술의 비용이 감소함에 따라 서보 모터와 스테핑 모터를 포함한 전기 구동(Electrical Actuation) 기술의 사용이 증가하고 있습니다. 적절한 기어(Gearing)를 사용하면 이러한 장치는 엄청난 양의 힘을 생성할 수 있지만, 일반적으로 회전 운동(Rotary Motion)의 형태입니다. 자동화 시스템에서 자주 요구되는 직선 운동(Linear Motion)을 얻기 위해서는 리드 스크류(Lead Screw) 또는 벨트 드라이브(Belt Drive)가 흔히 사용됩니다. 드라이브 및 제어 비용, 그리고 회전 운동을 직선 운동으로 변환하는 데 드는 비용은 전기 모터 구동 사용에 상당한 장애물이 될 수 있지만, 가능한 청결성과 제어 범위가 종종 가장 중요한 고려사항이 됩니다.
8.2.1 유체 동력 구동(Fluid Power Actuation) 제어
유체 동력(유압(Hydraulic) 또는 공압(Pneumatic)) 액추에이터(Actuator)를 제어 시스템과 연결하는 가장 일반적인 방법은 솔레노이드 밸브(Solenoid Valve)를 사용하는 것입니다. 솔레노이드 밸브는 전기로 작동되는 밸브로, 코일에 전기를 가하면 자기장이 생성되어 밸브를 전환하는 금속 액추에이터(Actuator)에 작용합니다.
8.2.2 솔레노이드 밸브의 구성
제어용 공압 밸브는 종종 2방향(two-way), 3방향(three-way) 또는 4방향(four-way) 밸브로 분류됩니다.
2방향 밸브는 공압 연결이 가능한 2개의 포트(Port)를 가지고 있습니다. 밸브가 작동되면 (일반적으로 상시 닫힘(Normally Closed) 구조의 밸브를 가정) 두 포트 사이에 연결이 이루어져 유체(Flow)가 흐를 수 있습니다. 이러한 밸브는 예를 들어 공기가 흐르면 회전하고, 공기가 제거되면 정지하는 에어 모터(Air Motor)에 사용될 수 있습니다.
3방향 밸브는 3개의 포트로 구성됩니다. 이 중 하나(“부하(Load)” 포트)는 “배기(Exhaust)” 포트와 연결되거나, 작동 시 “공급(Supply)” 포트와 연결됩니다. 이러한 밸브는 종종 단동식(Single-acting) 공압 실린더를 제어하는 데 사용됩니다. 단동식 실린더는 한쪽 방향으로만 압축 공기에 의해 구동되며, 스프링이 장착되어 있어 휴지(Rest) 위치로 복귀합니다. 압축 공기원은 공급 포트에 연결되고, 실린더는 부하 포트에 연결됩니다. 작동 시 이 두 포트는 상호 연결되어 압축 공기가 실린더로 흐르게 되며, 실린더는 스프링의 힘을 이겨내고 전진(Extend)합니다. 그러나 작동이 해제되면 실린더 피스톤(Piston) 뒤의 압력이 해제되어야만 실린더가 수축(Retract)할 수 있습니다. 이는 밸브의 배기 포트를 대기(Atmosphere)에 개방하여 이루어집니다. 밸브가 작동 해제 위치로 돌아가면, 압력이 가해진 실린더와 연결된 부하 포트가 배기 포트에 다시 연결되어 압력이 대기로 방출됩니다.
4방향 밸브는 일반적으로 이중 작동(Double-acting) 실린더를 제어하는 데 사용되며, 피스톤의 양쪽에 공압 연결부가 있습니다. 밸브 연결부는 배기 및 공급용으로 2개, 제어 대상 실린더의 양쪽 끝을 위한 2개가 추가로 제공됩니다. 한 위치에서 밸브는 실린더의 한쪽 끝을 공급 압력에 연결하고 다른 쪽 끝을 배기에 연결합니다. 밸브가 전환되면 이러한 연결이 역전됩니다.
유압 밸브는 압축 공기를 대기로 배출하는 대신, 감압된 유압유(Hydraulic Fluid)가 배관을 통해 저장 탱크(Reservoir Tank)로 돌아간다는 점을 제외하고는 유사하게 작동합니다.
소형 자동화 기계용으로 제작된 초소형 솔레노이드 밸브는 0.5입방인치(8cc)만큼 작을 수 있으며, 개별 배관 없이도 밸브에 공통의 공기 공급을 제공하는 에어 매니폴드(Air Manifold)에 장착되는 경우가 많습니다. 일부 공급업체는 인쇄 회로 기판(Printed Circuit Board)에 장착된 밸브 어셈블리(Valve Assembly)를 제공하여 장치의 공압 및 전기적 연결을 단순화합니다.
8.2.1 유체 동력 구동(Fluid Power Actuation) 제어
유체 동력(유압(Hydraulic) 또는 공압(Pneumatic)) 액추에이터(Actuator)를 제어 시스템과 연결하는 가장 일반적인 방법은 솔레노이드 밸브(Solenoid Valve)를 사용하는 것입니다. 솔레노이드 밸브는 전기로 작동되는 밸브로, 코일에 전기를 가하면 자기장이 생성되어 밸브를 전환하는 금속 액추에이터(Actuator)에 작용합니다.
8.2.2 솔레노이드 밸브의 구성
제어용 공압 밸브는 종종 2방향(two-way), 3방향(three-way) 또는 4방향(four-way) 밸브로 분류됩니다.
2방향 밸브는 공압 연결이 가능한 2개의 포트(Port)를 가지고 있습니다. 밸브가 작동되면 (일반적으로 상시 닫힘(Normally Closed) 구조의 밸브를 가정) 두 포트 사이에 연결이 이루어져 유체(Flow)가 흐를 수 있습니다. 이러한 밸브는 예를 들어 공기가 흐르면 회전하고, 공기가 제거되면 정지하는 에어 모터(Air Motor)에 사용될 수 있습니다.
3방향 밸브는 3개의 포트로 구성됩니다. 이 중 하나(“부하(Load)” 포트)는 “배기(Exhaust)” 포트와 연결되거나, 작동 시 “공급(Supply)” 포트와 연결됩니다. 이러한 밸브는 종종 단동식(Single-acting) 공압 실린더를 제어하는 데 사용됩니다. 단동식 실린더는 한쪽 방향으로만 압축 공기에 의해 구동되며, 스프링이 장착되어 있어 휴지(Rest) 위치로 복귀합니다. 압축 공기원은 공급 포트에 연결되고, 실린더는 부하 포트에 연결됩니다. 작동 시 이 두 포트는 상호 연결되어 압축 공기가 실린더로 흐르게 되며, 실린더는 스프링의 힘을 이겨내고 전진(Extend)합니다. 그러나 작동이 해제되면 실린더 피스톤(Piston) 뒤의 압력이 해제되어야만 실린더가 수축(Retract)할 수 있습니다. 이는 밸브의 배기 포트를 대기(Atmosphere)에 개방하여 이루어집니다. 밸브가 작동 해제 위치로 돌아가면, 압력이 가해진 실린더와 연결된 부하 포트가 배기 포트에 다시 연결되어 압력이 대기로 방출됩니다.
4방향 밸브는 일반적으로 이중 작동(Double-acting) 실린더를 제어하는 데 사용되며, 피스톤의 양쪽에 공압 연결부가 있습니다. 밸브 연결부는 배기 및 공급용으로 2개, 제어 대상 실린더의 양쪽 끝을 위한 2개가 추가로 제공됩니다. 한 위치에서 밸브는 실린더의 한쪽 끝을 공급 압력에 연결하고 다른 쪽 끝을 배기에 연결합니다. 밸브가 전환되면 이러한 연결이 역전됩니다.
유압 밸브는 압축 공기를 대기로 배출하는 대신, 감압된 유압유(Hydraulic Fluid)가 배관을 통해 저장 탱크(Reservoir Tank)로 돌아간다는 점을 제외하고는 유사하게 작동합니다.
소형 자동화 기계용으로 제작된 초소형 솔레노이드 밸브는 0.5입방인치(8cc)만큼 작을 수 있으며, 개별 배관 없이도 밸브에 공통의 공기 공급을 제공하는 에어 매니폴드(Air Manifold)에 장착되는 경우가 많습니다. 일부 공급업체는 인쇄 회로 기판(Printed Circuit Board)에 장착된 밸브 어셈블리(Valve Assembly)를 제공하여 장치의 공압 및 전기적 연결을 단순화합니다.
Figure 8-1: Valve Manifolds Integrated with Electronic Circuit Boards
(Courtesy: Clippard Instrument Laboratory, Inc.)
소형 저전력 밸브로 공급 가능한 것보다 더 많은 공기 또는 유압 유량(Flow)이 필요한 경우 두 가지 방법이 있습니다.
첫 번째는 더 큰 밸브를 사용하는 것입니다. 이 경우 더 높은 전류(Current)를 필요로 하므로, 고출력 솔레노이드(Solenoid)로 전환되어 추가적인 전기적 연결(Electrical Interfacing)이 필요할 수 있습니다.
두 번째 방법은 파일럿 밸브(Piloted Valve)를 사용하는 것입니다. 파일럿 밸브는 공압 또는 유압 압력으로 작동되는 밸브이며, 저전력 솔레노이드 밸브를 사용하여 필요한 작동 압력을 공급합니다.
솔레노이드 밸브의 전기적 연결은 전압(Voltage)과 전류 요구 사항에 따라 달라집니다. 이전에는 120 VAC와 같은 교류(AC) 전원 밸브가 일반적이었지만, 전자 제어의 보편화로 인해 24 VDC 밸브가 주로 사용되며, 일부 장비에서는 더 낮은 전압의 밸브도 흔히 사용됩니다. 어떠한 경우든 솔레노이드 밸브는 일반적으로 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC, Programmable Logic Controller) 또는 기타 제어 시스템의 적절한 정격(Rating)을 가진 디지털 출력(Digital Output)을 통해 제어됩니다(8.2.6: 출력 연결 기술 참고).
8.2.3 비례 제어 밸브(Proportionate Control Valves)
동작 특성에 대한 보다 정밀한 제어가 필요한 유체 동력(Fluid Power) 분야에서는 비례 제어 밸브가 사용되기도 합니다. 이러한 밸브는 앞서 설명한 표준 솔레노이드 밸브와 원리는 유사하지만, 밸브의 두 극단적인 위치(extreme positions) 사이의 중간 상태가 가능하도록 구성 및 제어됩니다. 이 밸브는 실린더로 공기 또는 유압유를 서서히 공급하도록 제어될 수 있어, 모든 과정이 전자 제어 하에서 동작에 대한 보다 점진적인 제어가 가능합니다. 위치 감지(Position Sensing)와 함께 피드백 루프(Feedback Loop)에서 사용되면 정밀한 위치 제어 또한 가능합니다.비례 제어 밸브는 자체 제어용 전자 장치를 갖추고 있는 경우가 있으며, 일반적으로 제어 입력으로 아날로그 신호(예: 0~±10 VDC)를 필요로 합니다.
8.2.4 전기 구동 제어(Electrical Actuation Control)
다양한 종류의 교류(AC) 및 직류(DC) 모터(Motor)와 점점 더 많이 사용되는 리니어 모터(Linear Motor)를 포함한 여러 형태의 전기 구동(Electrical Actuation)이 오늘날 산업 자동화에 일반적으로 적용되고 있습니다.
부담이 적은 적용 분야에서 흔히 사용되는 모터 기술은 교류 유도 모터(AC Induction Motor)입니다. 이 모터는 일반적으로 모터 스타터(Motor Starter)를 사용하여 제어되며, 모터 스타터는 스위칭 메커니즘과 일정 형태의 과부하 보호 장치(Overload Protection)를 포함하는 서브시스템(Subsystem)입니다. 종종 모터 스타터에는 모터가 소모하는 초기 시동 전류(Starting Current)를 제한하는 회로(Circuitry), 일반적으로 저항기(Resistor) 또는 유도자(Inductor)가 장착되어 있습니다. 모터가 작동을 시작하면 추가 스위치가 작동하여 이 제한 장치를 우회하여 회로에서 제거합니다.
교류 모터에서 사용되는 에너지의 양 때문에, 최근 몇 년간 많은 혁신과 제품 개발의 초점이 되어왔으며, 그 세부 사항은 많은 분량에 달할 것입니다. 일반적인 교류 유도 모터는 여전히 산업의 핵심적인 역할을 할 수 있지만, 많은 적용 분야에서 더 진보된 기술에 자리를 내주고 있습니다.
가장 강력한 추세 중 하나는 가변 주파수 드라이브(VFD, Variable Frequency Drive)의 광범위한 사용입니다. 이는 모터를 일정한 60Hz(또는 50Hz) 교류 파형(AC Waveform)으로 구동하는 대신, 전자 회로를 사용하여 모터에 공급되는 전력의 주파수(Frequency)를 변화시켜 속도를 조절합니다. 모터에서 요구되는 출력이 크게 변동하고 종종 전체 출력보다 낮은 적용 분야에서는 VFD가 상당한 에너지 절감을 가져올 수 있습니다.
8.2.5 직류 모터 기술(DC Motor Technologies)
그러나 개별 제조(Discrete Manufacturing)의 많은 적용 분야에서는 훨씬 더 작은 모터가 종종 필요하며, 이들은 주로 직류 모터입니다. 드라이브 기술과 컴퓨터 성능의 비용이 감소함에 따라 스테핑 모터(Stepping Motor)와 서보 모터(Servo Motor)의 사용이 점점 더 광범위해지고 있습니다. 모터에 대한 자세한 내용은 이 책의 10장, ‘모터 및 드라이브 제어(Motor and Drive Control)’에서 다룹니다.
이러한 기술들이 제공하는 장점은 프로그램 제어 하에서 액추에이터를 빠르고 정확하게 위치시킬 수 있는 능력이며, 유연성(Flexibility)이 가장 중요한 로봇 공학 및 기타 적용 분야에 이상적입니다. 본질적으로 회전 운동(Rotary Motion)인 모터의 오랜 단점이었던 직선 운동(Linear Motion)에 대한 요구도 리니어 모터(Linear Motor)의 개발을 통해 해결되었습니다. 리니어 모터는 종종 스테핑 모터를 본떠 만들어지지만, 고정자(Stator)가 선형 형태로 길게 늘어난 형태입니다.
마이크로 일렉트로닉스(Microelectronics)와 같이 매우 까다로운 요구 사항이 존재하는 특정 산업에서는 다른 첨단 기술과 고도로 전문화된 형태의 전기 구동이 사용됩니다. 이러한 기술에는 전류가 가해질 때 특정 재료의 미세한 치수 변화를 이용하는 피에조 수축(Piezoconstrictive) 장치와 확성기(Loudspeaker)의 원뿔(Cone)을 움직이는 것과 동일한 원리를 이용하는 보이스 코일(Voicecoil) 액추에이터가 포함됩니다.
8.2.6 출력 연결 기술(Output Interfacing Techniques)
이 섹션에서 언급된 거의 모든 구동 장치는 궁극적으로 전자 제어, 일반적으로 프로그래머블 컨트롤러(Programmable Controller) 또는 기타 컴퓨터 기반 시스템의 제어를 받아야 합니다. 프로그래머블 컨트롤러의 경우, 이러한 기능에는 여러 유형의 출력 장치가 일반적으로 사용되며, 이들은 대개 프로그래머블 컨트롤러 시스템에 삽입되는 출력 모듈(Output Module) 형태입니다. 이 출력 장치들에 대해 간략하게 설명하겠습니다.
8.2.7 직류(DC) 출력
일부 산업에서는 역사적으로 교류(AC) 전원을 사용하는 장치를 선호해 왔지만, 새로운 적용 분야에서는 일반적으로 저전압 직류(DC) 장치가 선호되며, 24 VDC가 흔히 사용되는 제어 전압(Control Voltage)입니다. 이러한 선택의 이유는 안전성, 저전압 장치로 인해 완화될 수 있는 배선 표준, 그리고 이러한 장치를 전자 시스템에 연결하는 용이성과 저렴한 비용 때문입니다.
16개 또는 심지어 32개의 출력을 포함하는 프로그래머블 컨트롤러 직류 출력 모듈은 흔히 구할 수 있어, 제어의 밀도(Density)를 크게 높입니다.
직류 출력의 가장 일반적인 두 가지 형태는 오픈 컬렉터(Open-Collector) 트랜지스터(Transistor)와 전계 효과 트랜지스터(FET, Field Effect Transistor) 출력입니다. 이 두 가지 형태의 적용은 유사하며, 사용되는 용어는 다를 수 있지만, 이 글의 대부분에서는 동일하게 취급될 것입니다.
오픈 컬렉터(Open-Collector) 출력은 내부적으로 트랜지스터(Transistor) 소자를 스위치로 사용하여 외부 부하(Load, 예: 솔레노이드 밸브 등)에 전력을 공급합니다. 트랜지스터에는 베이스(Base), 컬렉터(Collector), 이미터(Emitter)라는 세 개의 단자가 있습니다(FET에서는 게이트(Gate), 소스(Source), 드레인(Drain)이라고 함). 오픈 컬렉터 출력에서 베이스와 이미터는 출력 모듈 내부 회로에 연결됩니다. 베이스는 제어 단자로, 컨트롤러의 로직을 구성하는 마이크로프로세서(Microprocessor) 회로에 연결되는 경우가 많으며, 이미터는 공통 단자(Common Terminal) 역할을 하며 일반적으로 주어진 모듈의 다른 출력 채널 이미터와 함께 연결됩니다. 컬렉터 단자는 외부 연결을 위해 인출(bring out)되며, 이것이 바로 ‘오픈 컬렉터’라는 용어의 유래입니다.
8.2.8 오픈 컬렉터 출력의 사용
외부적으로는 제어되는 부하가 컬렉터와 전원 공급 장치의 한쪽 극(Pole) 사이에 연결되고, 전원 공급 장치의 다른 쪽 극은 출력 모듈의 공통 단자에 연결됩니다. 마이크로프로세서에서 신호가 전송되어 트랜지스터를 켜면, 트랜지스터는 컬렉터에서 이미터로 전류가 흐르도록 하여 본질적으로 켜진 스위치처럼 작동합니다. 이것은 회로를 완성하여 외부 부하 장치에 전력을 보냅니다.
오픈 컬렉터(Open-Collector) 출력 모듈에는 소싱(Sourcing) 및 싱킹(Sinking)의 두 가지 형태가 있습니다. 소싱 출력의 경우, 공통 단자(Common Terminal)는 직류(DC) 전원 공급 장치의 양극에 연결됩니다. 트랜지스터(Transistor)가 스위칭될 때, 이 트랜지스터는 부하 장치(Load Device)에 이 양(+)의 전압(Voltage)을 공급(Source)합니다. 이 경우 각 부하 장치의 다른 쪽은 전원 공급 장치의 음극에 연결됩니다.
싱킹 출력의 경우, 공통 단자는 전원 공급 장치의 음극에 연결됩니다. 트랜지스터는 켜지면 부하 장치의 한쪽 단자를 이 음(-)의 전압(종종 접지(Ground) 또는 공통(Common)이라고 함)으로 가라앉힙니다(Sink). 외부 부하의 다른 쪽이 전원 공급 장치의 양극에 고정적으로 연결되어 있다고 가정하면, 이 장치는 작동하게 됩니다.
8.2.9 직류(DC) 출력의 주의사항
일반적으로 소싱 출력의 사용이 선호됩니다. 이는 전원 공급 장치의 음극이 때때로 전기적 접지(Electrical Ground)와 연결되어 자동화 시스템의 프레임에 연결되기 때문입니다. 소싱 구성(Sourcing Configuration)에서는 부하가 음극에 고정적으로 연결되어 있으므로, 부하 장치로 연결되는 전선이 외부 금속 구조물과 실수로 단락(Short Circuit)되더라도 액추에이터(Actuator)가 의도치 않게 작동되는 일이 발생하지 않습니다. 그러나 싱킹 구성(Sinking Configuration)에서는 각 부하 장치의 한쪽이 항상 양(+)의 전압원에 연결되어 있어, 부하 장치의 다른 연결부에서 접지로 이어지는 의도치 않은 단락이 발생할 경우 장치가 작동하게 될 수 있습니다.
또한, 트랜지스터는 완벽한 스위치가 아니라는 점을 인지해야 합니다. 전원이 공급될 때 트랜지스터에 작은 오프셋 전압(Offset Voltage)이 발생하며, 이는 전류와 전압의 곱과 동일한 열(Heat)을 발생시킵니다. 이 열은 출력의 최대 전류 정격(Maximum Current Rating)을 결정하며, 이는 반드시 준수되어야 합니다.
마찬가지로, 트랜지스터 출력에는 최대 전압 정격이 있습니다. 일반적으로 사용되는 직류 전원 공급 장치와 제어 장치의 전압은 이 정격을 기준으로 선택됩니다. 그렇다 하더라도 이 정격은 의도치 않게 위반될 수 있습니다. 솔레노이드 코일(Solenoid Coil), 모터(Motor), 심지어는 전기 기계식 릴레이(Electromechanical Relay)와 같은 유도성 장치(Inductive Devices)는 전원이 차단될 때, 즉 꺼질 때 높은 전압을 생성합니다. 역기전력(Back EMF, Back-electromotive force)이라 불리는 이 전압은 예방 조치를 취하지 않으면 트랜지스터 출력을 파괴할 만큼 높을 수 있습니다.
종종 보호 다이오드(Protection Diode)가 유도성 부하(Inductive Load)에 역방향 극성(Reverse Polarity)으로 연결되어, 이 역기전력을 해가 없는 경로로 방출시키고 출력 트랜지스터를 보호합니다. 일부 출력 모듈은 보호 다이오드가 내장되어 있어 이러한 예방 조치가 필요 없습니다.
출력 트랜지스터 또는 트랜지스터가 포함된 제어 시스템의 또 다른 잠재적인 고장 원인은 정전기 방전(ESD, Electrostatic Discharge) 및 유도된 전기 노이즈(Induced Electrical Noise)입니다. 플라스틱 필름과 관련된 고속 공정을 비롯한 많은 공정에서 높은 수준의 정전기가 발생할 수 있으며, 고무 밑창 신발을 신고 양탄자 위를 걷는 사람에게서도 발생할 수 있습니다. 이 정전기 방전의 최종 경로에 제어 시스템의 노출된 출력 또는 입력 회로가 포함될 경우 손상이 발생할 수 있습니다. 이러한 환경에서는 금속 산화물 배리스터(MOV, Metal-Oxide Varistor)와 같은 전압 제한 장치를 사용하여 어느 정도의 보호를 제공할 수 있으며, 노출된 배선(Wiring)을 차폐(Shielding)하는 것도 도움이 됩니다.
또 다른 허위 신호(Spurious) 및 잠재적 손상 가능성이 있는 고전압의 원인은 인접한 배선에서 유도(Couple)될 수 있는 전기적 노이즈(Electrical Noise)입니다. 민감한 회로로의 유도성 또는 정전 용량 결합(Capacitive Coupling)을 피하거나 제한하기 위해 저전압 배선과 고전압 배선을 물리적으로 분리하는 것이 일반적인 관행입니다.
마이크로프로세서 기반 제어 시스템의 손상이나 오작동을 방지하기 위해 사용되는 거의 보편적인 보호 기술은 모든 외부 연결(입력 또는 출력)과 내부 마이크로프로세서 회로 사이의 광학적 절연(Optical Isolation)을 사용하는 것입니다. 마이크로프로세서는 사소한 전압 변동에도 매우 민감하여 재설정되거나 무작위로 실행될 수 있으며, 광학적 절연(Optoisolation)은 전기적으로 노이즈가 많은 산업 환경과 이 민감한 회로 사이에서 중요한 보호막(Protective Shield) 역할을 합니다.
8.2.10 교류(AC) 출력
전자 제어 시스템은 교류(AC) 부하 장치를 제어하기 위해 트라이악(Triac)과 전기 기계식 릴레이(Electromechanical Relay)라는 두 가지 기술을 사용합니다. 전기 기계식 릴레이는 잘 알려져 있다고 가정하겠습니다. 제어 시스템이 릴레이의 코일(Coil)에 전원을 공급하면 전자기적으로 기계식 스위치를 전환시키고, 이 스위치는 외부 부하 장치를 제어하는 데 사용될 수 있습니다. 릴레이의 단점 또한 잘 알려져 있습니다. 시간이 지남에 따라 접점(Contact)에 흠집이 생기거나 마모될 수 있으며, 특히 유도성 부하(Reactive Load)를 제어하는 데 사용될 때 그 경향이 두드러져, 고체 상태(Solid-State)의 대체품보다 훨씬 일찍 교체가 필요할 수 있습니다.
트라이악은 트리거(Trigger)될 때 양방향으로 전류를 통과시킬 수 있는 반도체(Semiconductor) 스위치로, 교류 부하 장치를 제어하는 데 매우 적합합니다. 그러나 트라이악의 몇 가지 특정한 특성은 설치의 성공과 신뢰성에 영향을 미칠 수 있으므로 주의해야 합니다.
트라이악에서 제어 신호가 제거되면, 트라이악을 통과하는 전류가 거의 0에 도달할 때까지 켜진 상태를 유지합니다. 이 시점에서 트라이악 양단의 전압도 거의 0에 가까워야 합니다. 그렇지 않으면 소자 양단의 급격한 전압 상승으로 인해 다시 도통(Conduction) 상태가 될 수 있습니다. 불행히도 유도성 부하(솔레노이드 밸브, 모터, 릴레이 또는 트라이악으로 일반적으로 구동하는 거의 모든 다른 장치)를 구동할 때, 부하는 전압과 전류 파형 사이에 위상차(Phase Shift)를 발생시켜 트라이악이 꺼지지 못하게 합니다. 트라이악의 적절한 작동을 허용하기 위해, 트라이악의 주 단자 양단에 직렬로 연결된 저항기(Resistor)와 축전기(Capacitor)로 구성된 스너버 네트워크(Snubber Network)가 일반적으로 연결되어 소자 양단의 전압 상승 속도를 제어하고 트라이악이 꺼질 수 있도록 합니다.
이 스너버 네트워크(Snubber Network)의 아쉬운 부작용은 항상 소량의 전류가 누설(Leak)된다는 점입니다.
이 전류는 비록 소량이더라도, 트라이악(Triac) 출력이 꺼져 있을 때에도 소형 솔레노이드 밸브(Solenoid Valve)와 같은 매우 낮은 전력의 장치를 계속 작동시킬 수 있습니다. 또한, 신호 전달(Signaling)을 목적으로 트라이악 출력을 컨트롤러의 교류 입력에 연결하는 방법은 종종 실패할 수 있습니다. 이는 입력이 필요로 하는 낮은 전류가 트라이악 출력이 켜져 있든 꺼져 있든 스너버 네트워크에서 제공되는 누설 전류만으로도 충족되는 경우가 많기 때문입니다.
이러한 단점에도 불구하고, 트라이악과 관련 반도체(Semiconductor) 장치들은 그 한계를 이해하고 신중하게 적용하면 교류 제어에 있어 인기 있고 성공적인 선택지가 됩니다.
8.3 센싱 기술 및 연결 기술
센싱 장치(Sensing Devices)는 사용 목적이 수년간 진화함에 따라 그 정교함이 비약적으로 발전했습니다. 원래 간단한 리미트 스위치(Limit Switch)는 다음 동작을 시작하기 전에 기계적 동작의 완료를 감지하여 손상을 방지하고 기계가 오직 기계적 능력만으로 결정되는 속도로 작동할 수 있도록 하는 역할을 했습니다.
Figure 8-4: Limit Switches (Courtesy: Omron Electronics LLC)
유연한 기계가 등장하면서, 단일 메커니즘이 다양한 크기나 형상의 가공물(Workpiece)에 적응할 수 있도록 엔코더(Encoder)와 같은 새로운 감지 기술이 사용되었습니다. 그 후 산업 자동화에서 품질 문제가 가장 중요해지면서, 고속의 공정 중 검사(In-process Inspection)를 자동화하기 위해 머신 비전 시스템(Machine Vision System)과 같은 더욱 정교한 기술이 도입되었습니다.
이러한 발전은 제조 공정에서 인간의 개입이 점진적으로 대체되었음을 보여줍니다. 실제로 가장 초기의 “센서(Sensor)”는 작업자의 눈과 귀였으며, 작업자는 수동 제어 스위치(Manual Control Switch)를 통해 기계를 조작했습니다. 비록 전자 센서가 속도, 정확성 또는 일관성 면에서 인간의 능력을 능가하는 많은 부분이 있지만, 인간의 대응책이 내리는 더 기본적인 판단 중 일부는 비교 가능한 성능을 가진 기술로 진화하는 데 수십 년이 걸렸습니다. “부품이 뒤집혔나요?”와 같은 간단한 질문은 센서가 답하기에는 그리 간단하지 않을 수 있습니다.
8.3.1 리미트 스위치(Limit Switch)
원래의 의미에서 리미트 스위치는 메커니즘(Mechanism)이 이동의 끝 또는 한계(Limit)에 도달했음을 감지하기 위해 설치된 스위치입니다. 일부 자동화 시스템은 동작이 완료되었음을 추론하기 위해 시간 경과에만 의존하도록 설계되었지만, 동작 시퀀스(Sequence of Operation)의 다음 부분을 시작하기 전에 실제 동작 완료를 감지하는 것이 일반적으로 더 안전한 기술로 간주됩니다.
감지되지 않은 끼임(Jam)이 발생할 경우 기계적 손상이나 작업자에게 위험이 초래될 수 있다면 이는 특히 중요합니다.
가장 간단한 형태의 리미트 스위치는 기계 부품에 장착되도록 설계된 기계식 스위치입니다. 종종 이 스위치들은 스위치에 손상을 주지 않고 어느 정도의 초과 이동(Overtravel)을 허용하는 액추에이터(Actuator)를 갖추고 있습니다. 적용 분야의 환경 및 규제 요구 사항에 따라, 리미트 스위치는 노출된 전기 단자(Electrical Terminal)가 있는 플라스틱 케이스(Plastic-encased) 장치이거나, 습기로부터 밀봉된 완전한 금속 밀폐(Metal-enclosed) 장치일 수 있습니다.
신뢰성 문제로 인해 기존의 기계식 스위치 대신 비접촉식 전자 센서(Non-contact Electronic Sensor)를 사용하는 강력한 추세가 있습니다. 예를 들어, 홀 효과 센서(Hall-effect Sensor)는 자기장(Magnetic Field)의 근접성을 감지하며, 근접 스위치(Proximity Switch)는 비금속(Non-metallics)을 포함한 다양한 재료를 감지할 수 있습니다. 광전 센서(Photoelectric Sensor)는 일반적으로 적외선(Infrared) 광선을 방출하고 접근하는 물체로부터 반사되는 빛을 감지합니다. 주변광(Ambient Light)이 반사된 신호에서 효과적으로 걸러지도록 광선이 변조(Modulate)되는 경우가 많습니다.
각 유형의 센서는 다음과 같은 적용 분야가 있습니다:
- 일부 공급업체는 공압 또는 유압 실린더 내부의 피스톤에 자기 부품(Magnetic Element)을 장착하여, 홀 효과 센서를 실린더 외부에 장착하여 피스톤의 행정(Stroke) 중 여러 지점을 감지할 수 있도록 합니다.
- 근접 센서는 다양한 재료를 구별하거나, 먼지, 오일 또는 기타 오염 물질로 인해 광학적 감지가 신뢰성이 떨어질 수 있는 환경에서 물체를 감지하는 데 적용될 수 있습니다.
- 광전 센서는 먼 거리에서 감지하거나, 광섬유(Fiber Optic) 기술을 사용하여 다른 유형의 감지가 비실용적인 좁은 공간에서 활용될 수 있습니다.
8.3.2 리미트 스위치와 연결(Interfacing) 문제
리미트 스위치의 전기적 특성을 신중하게 고려하여 전자 제어 시스템에 연결하는 올바른 방법을 결정해야 합니다. 이는 기계식 스위치(Mechanical Switch)에도 해당됩니다. 일부 제어 시스템에 사용되는 낮은 전압은 기계식 스위치 접점에 쌓이는 산화 또는 오염층을 뚫고 지나가기에 충분하지 않을 수 있어, 신뢰성을 떨어뜨립니다. 이러한 이유로 제어 시스템과의 연결을 위한 기계식 스위치에는 금도금 접점(Gold-plated Contacts)이 자주 사용됩니다.
일부 감지 장치(특히 특정 광전 센서)에는 연결을 위한 내부 릴레이(Internal Relay)가 장착되어 있지만, 대부분의 장치에는 따라야 할 제약이 있는 고체 상태(Solid-state) 출력이 있습니다. 2선식(Two-wire) 및 3선식(Three-wire) 장치가 일반적으로 사용 가능합니다. 2선식 장치는 내부 전자기기에 전원을 공급하기 위해 장치를 통해 낮은 수준의 전류가 지속적으로 흐르는 것에 의존합니다. 이러한 이유로, 연결되는 전자 시스템은 이 “누설(Leakage)” 전류로 인해 잘못된 신호가 발생하지 않도록 허용해야 합니다. 센서가 활성 상태에 진입하면, 센서 양단의 전압을 몇 볼트(Volt)로 낮추기에 충분한 추가 전류를 끌어옵니다. 이 경우에도 제어 시스템은 이 오프셋 전압(Offset Voltage)이 있는 상태에서도 이를 켜짐(On) 상태로 안정적으로 인식해야 합니다.
3선식 센서의 연결은 덜 까다로운데, 센서로 연결되는 3개의 전선이 전원(Power), 공통 연결(Common Connection), 그리고 센서에서 제어 시스템으로 이어지는 별도의 출력 연결을 허용하기 때문입니다. 출력은 종종 오픈 컬렉터(Open-collector) 방식이며 싱킹(Sinking) 또는 소싱(Sourcing)일 수 있습니다. 물론 전류 및 전압 정격(Rating)을 준수해야 하지만, 누설 전류 및 오프셋 전압에 대한 추가적인 문제는 중요한 요소가 아닌 경향이 있습니다.
8.3.3 위치 감지 기술
이제 리미트 스위치(Limit Switch)가 제공하는 단순한 행정(Stroke) 끝 지점 표시를 넘어선 위치 정보가 필요한 경우가 많습니다.
다음은 그 예시입니다.
- 기계적 위치 결정에 대한 피드백 확인(예: 로봇 팔, X-Y 위치 결정 테이블 등)
- 주요 동작의 특정 지점에서 보조적인 이벤트(Secondary Event)를 트리거(Trigger)하는 경우
- 연속적인 위치 표시의 미분(Differentiation)을 통한 속도 제어 피드백(Velocity Control Feedback)
이러한 종류의 위치 감지에 가장 흔히 사용되는 분야는 서보 모터(Servo Motor)와 관련된 것이며(11장 참고), 이를 위해 사용되는 기술은 증분형(Incremental) 및 절대형(Absolute) 엔코더(Encoder)와 레졸버(Resolver)입니다.
다른 두 가지 위치 감지 기술도 주목할 만하지만, 그 적용 분야는 다소 더 전문적입니다. 전위차계(Potentiometer) 방식의 감지(Potentiometric Sensing)는 직선형 또는 회전형 전위차계를 사용하며, 이는 전기 접점(Electrical Contact)이 접촉하며 움직이는 전기 저항성 부품(Resistive Element)으로 구성됩니다. 종종 저항성 부품의 양 끝은 정밀하고 고정된 전압(Voltage)에 연결되며, 이 때 움직이는 접점에서 감지된 전압은 부품을 따라 움직이는 위치와 비례(Analogous)합니다. 이 방식은 위치에 직접적으로 비례하는 아날로그 전압(Analog Voltage)을 제공합니다(저항성 부품의 선형성(Linearity)에 따라 달라짐). 그러나 한 가지 유의해야 할 단점은 움직이는 접점으로 인한 마모 때문에 저항성 부품의 수명이 상대적으로 짧다는 것입니다.
마지막으로, 자기 변형 감지(Magnetostrictive Sensing)는 예를 들어 긴 유압 실린더(Hydraulic Cylinder)의 선형 위치 감지에 사용되기도 합니다. 이 기술은 전자기 기준 펄스(Electromagnetic Reference Pulse)가 유도되는 긴 도파관(Waveguide)을 사용합니다. 영구 자석(Permanent Magnet)은 일반적으로 움직이는 기계적 요소(예: 유압 실린더의 피스톤)에 연결되어 이 도파관 위를 이동하며, 기준 펄스가 이 자석의 자기장에 도달하면 변형 펄스(Strain Pulse)가 생성되어 도파관을 따라 다시 되돌아옵니다. 기준 펄스의 유도 시점과 변형 펄스의 수신 시점 사이의 정확한 시간 측정은 자석의 위치, 즉 피스톤의 위치를 알려줍니다. 자기 변형 감지를 통해 감지 부품을 완전히 밀폐할 수 있어, 많은 산업 환경에 적합한 기술입니다.
8.3.4 기타 물리적 변수 감지
오늘날 개별 제조(Discrete Manufacturing) 공정의 자동화는 매우 광범위한 물리적 변수를 감지해야 하는 필요성을 수반합니다. 이는 특정 가공물과 관련된 제조 조건을 영구적으로 기록하기 위한 경우가 많습니다. 또 다른 경우에는 이 측정이 제어되는 공정에 대한 피드백(Feedback)으로 직접 사용되기도 합니다. 이 책의 1장에서는 압력(Pressure) 및 온도(Temperature) 측정을 다룹니다.
8.3.5 전자 식별을 통한 제품 추적
많은 경우, 자동화 시스템은 작업 중인 특정 가공물을 식별할 수 있어야 합니다. 이는 고객의 사양에 따라 개별 제품을 맞춤 제작해야 하는 경우뿐만 아니라, 규제 당국이 제조 데이터의 추적 및 기록을 요구하는 경우에도 해당됩니다.
제품 추적의 한 가지 방법은 제품 또는 제품 운반체에 고유한 바코드(Barcode) 또는 데이터 매트릭스 코드(Data Matrix Code)를 적용하는 바코드 기술을 사용하는 것입니다. 그런 다음 고정식 바코드 리더(Fixed-mount Barcode Reader)를 사용하여 바코드 정보를 읽고, 일반적으로 RS-232 직렬 인터페이스(Serial Interface)를 통해 제어 시스템으로 전송합니다.
산업 적용에 몇 가지 장점을 가진 또 다른 추적 기술은 RFID(Radio Frequency IDentification)입니다. 이 방식은 근처의 송수신기(Transceiver)로 고유한 식별 번호를 전송할 수 있는 “태그(Tag)”로 구성됩니다. 수동형 태그(Passive Tag)는 단순히 에칭된 안테나(Etched Antenna)와 집적 회로(IC, Integrated Circuit)로 구성되며, 안테나가 수신하는 RF(Radio Frequency) 에너지로부터 응답을 전송하기 위한 충분한 전력을 얻습니다. 능동형 태그(Active Tag)는 내부 전원을 포함하고 있어 약간 더 크며, 송수신기에서 수신된 추가 정보를 저장하는 기능을 갖춘 경우가 많습니다. 유비쿼터스(Ubiquitous) 공장 네트워크가 불가능한 환경에서는 이러한 태그가 장착된 가공물이 생산 단계를 거치면서 제조 관련 데이터를 축적할 수 있도록 해줍니다.
8.3.6 머신 비전(Machine Vision)
머신 비전(Machine Vision)은 이전에 인간의 개입이 필요했던 작업까지 자동화의 범위를 확장할 수 있는 잠재력 때문에 점점 더 많은 관심과 적용을 받고 있는 감지 기술입니다. 오늘날 머신 비전의 적용 분야는 위치, 치수 측정(Dimensional Measurement), 표면 결함(Surface Defects) 및 색상 등급(Color Grading)과 같은 광범위한 특성에 대한 자동 검사(Automated Inspection)뿐만 아니라 로봇 위치 결정 및 부품 방향에 대한 시각적 피드백(Visual Feedback)을 제공하는 것을 포함합니다.
사용 가능한 시스템은 기능과 비용 면에서 매우 다양합니다. 일부 패턴 매칭(Pattern Matching)과 기본적인 방향 설정을 수행할 수 있는 상대적으로 간단하고 저렴한 시스템부터, 통합 프로세서(Integrated Processor)를 내장하여 좀 더 고급 기능을 제공하는 스마트 카메라(Smart Camera), 그리고 고도로 정교한 작업을 위해 맞춤형으로 프로그래밍할 수 있는 더 크고 복잡한 시스템까지 다양합니다. 후자의 경우, 성공적인 적용을 위해서는 비전 시스템 설계에 경험이 풍부한 시스템 통합 전문가(System Integrator)의 전문적인 기술이 종종 필요합니다.
머신 비전 시스템의 전기적 연결에는 두 가지 측면이 있습니다. 첫째, 일반적으로 트리거 입력(Trigger Input)이 제공되는데, 이는 가공물의 존재를 감지하는 센서의 신호이거나 제어 시스템의 명령일 수 있습니다. 종종 비전 시스템에는 높은 생산율과 빠르게 움직이는 제품을 수용하기 위해 고속 트리거 입력이 제공됩니다.
비전 시스템의 출력은 종종 두 가지 형태 중 하나를 취합니다. 단순한 “양호/불량(Good/Bad)” 신호이거나, 후속 처리 또는 저장을 위해 캡처된 이미지(Captured Image)를 포함하는 더 복잡한 데이터입니다. 시스템에는 종종 저장된 패턴과 일치할 때 신호를 보내도록 프로그래밍할 수 있는 개별 출력(Discrete Output)이 포함되며, 더 높은 수준의 정보를 제어 시스템에 전달하기 위한 추가 통신 기능(직렬 또는 이더넷(Ethernet))을 갖추고 있는 경우가 많습니다.
8.4 원격 및 네트워크 입출력(Remote and Networked I/O)
자동화 제어에 사용되는 입출력(I/O, Input/Output) 기술에 대한 논의는 오늘날 공장 환경에서 네트워크 기술의 보급으로 인해 발생하고 있는 입출력 아키텍처(I/O Architecture)의 극적인 변화를 언급하지 않고는 완전할 수 없습니다. 과거에는 모든 센서, 밸브 및 기타 제어 장치가 단일 프로그래머블 컨트롤러(Programmable Controller)에 다시 배선되었지만, 점차 분산형 연결 방식이 적용되고 있습니다.
이러한 발전의 첫 단계는 모드버스(Modbus), 프로피버스(Profibus), 디바이스넷(DeviceNet)과 같은 “장치 레벨(Device-level)” 네트워크의 사용이었습니다. 이 네트워크는 공통 직렬 네트워크(Serial Network)에 장치를 결합하여 배선 비용을 절감하는 수단을 제공했습니다. 이러한 버스 기술의 광범위한 사용은 모션 컨트롤러(Motion Controller) 및 온도 컨트롤러(Temperature Controller)와 같은 기능적 서브시스템(Functional Subsystem)의 개발을 촉진하여, 시간 중요 정보(Time-critical Information)가 중앙 컨트롤러로 다시 전달될 필요가 없게 되었고 낮은 수준의 작업은 서브시스템의 로컬 처리 기능으로 오프로드(Offload)될 수 있게 되었습니다. 이러한 서브시스템은 버스를 통해 중앙 컨트롤러로부터 높은 수준의 명령을 받고 그 결과를 제공하게 됩니다.
공장 데이터 통신을 위한 이더넷의 거의 보편적인 수용으로, 각 장치 레벨 직렬 네트워킹 프로토콜의 변형이 이더넷을 통해 사용될 수 있도록 개발되었습니다. 이러한 변화의 초기 동기는 비용 절감(플랜트에서 이미 사용 중인 장비 및 배선과의 공통성 확보)이었지만, 그 결과는 입출력 아키텍처에 대한 또 다른 재고(rethinking)로 이어졌습니다.
감지 및 구동이 더 이상 물리적으로 근접한 제어 시스템에 묶여 있지 않게 되면서, 구동(Actuation)과 제어(Control)의 경계가 다시 모호해지고 스마트 센서(Smart Sensor)와 스마트 액추에이터(Smart Actuator)가 광범위하게 사용되고 있습니다. 로컬화된 처리(Localized Processing), 그리고 일부 경우에는 로컬화된 제어가 개별 제조(Discrete Manufacturing)에서 감지 및 구동의 모습을 변화시켰고 앞으로도 계속 변화시킬 것입니다. 이 섹션에서 언급된 기능들은 네트워크상의 서브시스템으로서 통합된 형태로 점점 더 많이 나타날 것이며, 동료(Peer) 및 감독(Supervisory) 시스템과 높은 수준의 정보를 교환할 것입니다. 이는 매우 흥미롭게 지켜볼 만한 추세입니다.
네트워킹 기술에 대한 더 자세한 정보는 22 디지털 통신(Digital Communications)과 23 산업 네트워크(Industrial Networks)를 참고하시기 바랍니다.