지금까지 모션컨트롤러와 프로그래머블 로직 컨트롤러(Programmable Logic Controller, 이하 PLC) 그리고 산업용 PC는 제어 시스템 내에서 별개의 구성요소였다. 현재는 프로그래머블 오토메이션 컨트롤러(Programmable Automation Controller, PAC)가 부상하면서 모션컨트롤러와 PLC의 경계가 허물어지고 있다. 글 | Marissa Tucker·Jim Wiley, 파카하니핀(www.parker.com)
프로그래머는 모션컨트롤러와 드라이브 그리고 비전시스템 등을 포함한 폭넓은 하위 제어 장치에 명령을 내릴 분산 제어 체계를 만들어야 하며, 이를 위해 사용자 지정 응용프로그램을 PC에 구축해야 하는 상황에 직면하고 있다. 현장에서는 지금까지는 별개로 취급되던 제어 구성요소를 병합하는 추세가 생겨나고 있다. 이는 새로운 장비를 설계하거나 기존의 기능을 확대하는 업무에 혼란과 복잡성을 가중시킬 우려가 있다.
다행히 각기 다른 제어 구조에 대한 약간의 지식을 가지고 제대로 된 질문을 할 줄 알면 어떤 제어 체계가 자신의 응용사례에 가장 적합한지를 신속하게 식별할 수 있다. 제어장치 선정 절차를 시작하기 전에, 선택 가능한 사항에는 무엇이 있고, 왜 그것들을 이용하는지 이해하는 것이 중요하다.
PLC PLC는 마이크로프로세서와 메모리 그리고 다양한 주변기기로 이루어진 제어 장치다. PLC는 일반적으로 래더 다이어그램 및 업계 표준화된 프로그래밍 언어 설정인 IEC 61131-3을 사용한다.
PLC의 인기 비결은 전장 작업에 익숙한 기술자들이 래더 로직이라는 언어를 친숙하게 받아들인다는 점이다. 대부분의 개발자들과 유지보수 기술자는 래더를 프로그래밍하고 디버깅한 경험이 있다. 따라서 교육의 필요성을 최소화할 수 있다. 표준화된 프로그래밍은 향후 장치가 쉽게 서비스될 수 있도록 하고, 기존 프로그래머에 대한 의존성을 줄임으로써 긴 수명을 보장한다.
PLC의 주된 한계는 본질적으로 릴레이와 타이머 그리고 I/O를 대체하기 위해 설계되었다는 점인데, 이 점이 모션제어와 시각화의 영역에서 기능성을 제한한다.
기존의 PLC는 고급 기능을 제공하기 위해 스마트 드라이브와 독립형 모션컨트롤러 등 주변 장치에 일반적으로 의존해왔다. 이 구조의 잠재적 단점은 각 장치마다 별도의 프로그램 유지가 필요하다는 점이다.
스마트 드라이브와 독립형 모션컨트롤러는 종종 처음부터 IEC 61131-3 PLC를 사용하는 장점을 상쇄하는 고유의 언어를 사용한다. 이러한 종류의 제어 체계에서는 PLC에 의한 제어와 모션컨트롤러에 의한 제어의 경계가 명확하지 않고, 따라서 향후 유지가 상당히 어렵다. 적절한 문서가 없으면 장비를 이해하기 위해 장비를 열고, 연결을 추적하기 위해 멀티미터를 이용하거나, 노트북을 이용하여 앞서 설명한 주변 모션 시스템에 직접 접속하는 작업을 포함하게 된다. 만약 수리자가 모션컨트롤러가 사용하는 독자적 언어에 익숙하지 않으면, 진단 절차는 과도한 장비 중단 시간 및 비용 증가를 초래할 수 있다.
산업용 PC의 등장 1980년대 중반에 처음으로 도입된 산업용 PC는 산업 환경에서 일반적인 일정한 진동, 극한 온도 및 습기 또는 먼지가 많은 조건을 견딜 수 있도록 설계된 하드웨어 및 운영체제를 갖춘 높은 신뢰성을 갖춘 컴퓨터다. 산업용 PC는 비주얼 베이직, C#, C++ 등을 이용하는 사용자 지정 응용프로그램을 프로그래밍하는 데 익숙한 개발자들에게 강력한 도구다. 산업용 PC의 사용은 유연성을 증가시키고, 사전에 구축된 API를 이용하거나 고유한 통신 드라이버를 사용함으로써 사용자의 다양한 기기로 통신하는 것이 자유로워진다. 이러한 자유는 함께 작동하도록 의도되거나, 애초에 이렇게 설계되지 않았을 스마트 서브시스템을 이용한 새로운 응용사례의 개발로 이어진다. 스마트 서브시스템의 예로 스마트 드라이브나 다축형 제어장치 형태의 독립형 모션컨트롤러가 있다.
모션컨트롤러 제조사는 대개 개발자가 명령을 송신할 수 있게 해 주는 API를 제공한다. 이는 완전한 별도의 언어를 배울 필요를 덜어준다. 그 대신 일부 개발자들은 필요할 때 이러한 복잡한 루틴 실행을 요구하는 PC 응용프로그램으로 모션 시스템의 실시간 기능을 활용하고, 네이티브 임베디드 언어로 기기를 프로그래밍하는 것을 선택한다.
PC 응용프로그램은 유연성 이외에도 전통적인 PLC 시스템 대비 다양한 장점을 가지고 있다. HMI(인간 기계 인터페이스)가 제어 응용사례 자체에 구축되어 시각화를 위해 추가 기기를 사용할 필요를 줄여준다. 또한 하나의 프로그래밍 언어만으로 모든 서브시스템을 제어할 수 있다.
하지만 이러한 단일 응용프로그램은 장비가 노화됨에 따라 단점이 될 수도 있다. 조직의 성숙이나 기술 변화에 따라 선호하는 프로그래밍 언어가 변화하는데, 이는 개발이나 변경 혹은 이전 응용사례의 유지를 어렵게 만든다. 또 API는 어떤 한 조직에 의해 표준화되지 않으며, 따라서 새로운 언어나 운영체계로의 이동은 같은 서브시스템을 사용할 때조차도 어렵거나 불가능한 경우가 있다.
모션컨트롤러 모션컨트롤러는 설계자들에게 한 장비 내에서 모터의 이동을 제어하고 조정하는 고도로 전문화된 기능을 제공한다. 모션컨트롤러 제공 업체가 스마트 드라이브·PCI 카드·이더넷을 기반으로 필드버스가 만들어진 모든 영역에 대한 솔루션을 개발했듯, 다양한 폼 팩터를 이용할 수 있다. 중앙 집중식 또는 분산 솔루션은 시스템 설계자들에게 최상의 성능과 크기 그리고 비용의 관점에서 자신의 필요에 가장 잘 맞는 시스템을 만들어내는, 거의 무한한 가능성을 제공한다.
일반적으로 모션컨트롤러는 동작 명령에 들어맞도록 설계된 고유 언어에 의존한다. 대부분의 모션컨트롤러는 온도 모니터링 및 개별 I/O 제어처럼 대개 PLC와 관련된 장비 제어 기능의 일부 역시 포함하도록 진화했다.
모션 언어의 고유한 특성을 바탕으로 특정 제어장치를 중심으로 설계된 장비는 고급 기능을 포함할 수 있다. 하지만 확장에 대해서는 제한이 있을 수 있다. 단일 PCB 보드 모션컨트롤러는 공장에서 새 부품을 주문하지 않으면 쉽게 모션컨트롤러의 추가 축을 추가할 수 없다. 반면 통신을 기반으로 한 모션컨트롤러는 축을 추가하는 데에 보다 유연하다. 하지만 통신 기술이 서로 다른 기기 제조사에 의해 널리 제공되며, 시장 도입률이 증가하고 있다는 점을 숙지하는 것이 중요하다.
PAC PAC(프로그래밍 가능한 자동화 제어장치)는 PLC와 PC 그리고 모션컨트롤러를 하나의 기기로 병합한 것이다. 별도의 독립형 모션컨트롤러를 필요로 하지 않는 드라이브가 모터 부근의 지역 PID 루프를 닫는 동안, EtherCAT 등의 버스를 통해 PAC는 다축 모션 궤적을 제공한다. 이러한 아키텍처는 시스템 전체가 IEC 61131-3으로 연결되고 특이한 개발 환경 내에서 프로그래밍될 수 있도록 함으로써 표준화된 프로그램의 모든 이점을 얻을 수 있도록 해준다.
유지보수 측면 역시 크게 감소한다. 드라이브가 고장 모드를 결정하기 위해 PAC가 장비를 조회할 수 있기 때문이다. 이제는 장비가 수동으로 멀티미터를 판독하거나, 하부 기기에 직접적인 연결을 통해 데이터에 접근할 수 있는 장비를 개발하지 않아도 된다. PAC와 연결되는 것만으로 모든 장비의 정보에 접근할 수 있기 때문.
PAC를 선택할 때는 시간 테스트 결과만큼이나 장비 선택의 유연성을 보장하는 표준 프로토콜을 선택하는 것 역시 중요하다. 예를 들어 Parker Automation Controller는 주요 통신 프로토콜로 EtherCAT을 활용한다. 여기에 인기 있는 산업용 디바이스와의 호환성을 보장하는 EtherNet/IP·OPC 클라이언트/서버·Modbus TCP·PROFINET·PROFIBUS 등의 프로토콜과도 함께 사용할 수 있다.
보편적 질문 각 시스템 아키텍처의 종류 및 장단점을 이해한 뒤에는 다양한 사항들을 고려하는 것이 중요하다. 최적에 못 미치는 모션 제어 솔루션을 선택하는 것을 방지하기 위해서다. 사양 프로세스를 시작하기 전에, 적절한 질문을 통해 설계자의 잘못된 선택을 방지할 수 있다.
1. 적용 가능한 응용 설비 및 시장은 향후 20년에서 25년 간 어떻게 진화할 것인가? 어떤 새로운 기능 및 서브시스템이 필요하며, 사용자가 어떠한 기능과 서브시스템을 원하는지를 고려하라. 고려 중인 솔루션이 새로운 장비 및 서브시스템을 통합할 수 있는 유연성을 가지고 있는지 평가해야 한다.
2. 시스템이 중앙 집중식, 결정적 제어 체계를 필요로 하는가? 단일 PAC가 전체 시스템을 제어하는 산업용 응용사례에서 일반적인 고려 사항이다. 혹은 장비가 동작 제어에 부가적으로 (광학 실험실 기구처럼)다중 분산 스마트 장비의 조합을 요구하는가?
3. 어떤 통신 프로토콜이 가장 큰 유연성과 긴 수명을 제공하는가? 선택의 폭은 너무나도 넓다. 이 경우 사용자의 시스템에 가장 적합한 통신 방식을 선택하는 것이 중요하다(예를 들어, EtherCAT은 고속 모션 제어에 가장 적합하다). 또한 검증되고 널리 사용되며 설치 시 기존의 시스템보다 성장하는 버스를 설치하는 것이 중요하다.
4. 공간 제약은 시스템 아키텍처 및 구성요소에 대한 선택을 어떻게 제한 및 지시하는가? 시스템이 벤치 탑에 장착할 정도로 소형이어야 하는가, 아니면 넓은 거리까지 확장할 수 있어야 하는가? 예를 들어, 이더넷 기반의 통신 시스템은 넓은 범위로 데이터를 전송할 수 있다. 반면 기존의 모션컨트롤러는 디지털 및 아날로그 신호의 품질에 의해 제약을 받으며, 데이터 전송 범위 역시 제한을 받는다.
5. 기존의 통합 및 프로그래밍 자원 중 이용할 수 있는 것은 무엇인가? 사용자들은 새로운 기술과 향후 장비를 유지하는데 사용될지 모를 제 3자의 서비스를 습득하는데 시간을 들이는 것을 꺼린다. 프로그래밍 언어의 선택은 조직 또는 유지 보수 요원이 얼마나 신속하게 응용사례를 진단하고 변화시키고 개발할 수 있는지를 결정하는 과정에서 중요한 역할을 한다.
중요한 질문을 던지지 않은 채 최적의 제어 방식을 결정하거나 구성요소를 너무 섣부르게 선택한다면 심각한 결과를 야기할 수 있다. 일반적인 설계상의 실수를 알고 방지하는 것이 중요하다.
1. 本末顚倒(본말의 전도). 응용사례에 대해 충분히 고려하지 않고 제어장치를 먼저 선택하는 경우, 이는 설계자에게 제약으로 작용하며 개발기간을 늘리고 초과비용을 발생시킨다.
설계자 중 한 명이 익숙한 제어장치가 있거나 모든 최신 부가 기능으로 단장한 제어장치와 사랑에 빠질 때 제어장치를 우선적으로 선택하는 우를 범한다. 이는 선택된 제어장치와 함께 작동하는 구성요소를 사용하게끔 강제한다. 그 결과, 제대로 작동·운영되는 시스템을 얻기 위해 다른 해결책을 찾을 필요성이 생기고, 결국 개발시간을 늘린다. 설계자가 응용사례가 수반하는 모든 사항을 이해하는 시간을 갖지 않는 경우에도 유사한 문제가 발생할 수 있다.
2. 성장의 여지 없음. 잘못된 제어장치는 새로운 기능이 필요한 상황에 처했을 때 기능 확장 또는 시스템 확장에 어려움을 겪을 수 있다. 모션 제어 시스템이 전 수명에 걸쳐 어떻게 진화할 것인지에 대한 주의 깊은 고려가 없다면 새로운 장비나 기능을 수용하는데 한계를 지닌 제어장치(예를 들면 I/O를 기반으로 한 기존 제어장치)를 선택하기 십상이다.
3. 한 푼 아끼고 크게 손해 보기. 당장 적은 돈을 절약하기 위해 부적절한 제어장치를 선택하거나 응용사례를 제대로 갖추지 못한다면 투자 대비 최적 수익을 기대하기 힘들 것이다.
초기에 시스템을 개발하는 단계에서 잘못된 제어장치를 선택한다면 추가적인 설계 시간을 요구하고, 부적절한 제어장치를 작동하기 위해 효율적이지 않은 구성요소를 채택하게 만든다. 또한 선택된 제어장치가 작동하도록 하기 위해 덜 효율적인 구성요소를 채택하도록 강제할 수 있다.
또한 사용자가 장비를 사용할수록 유지보수를 필요로 하게 된다. 따라서 만약 사용된 프로그래밍 언어가 고유한 것이거나 더 이상 일반적으로 사용되는 것이 아니라면, 특히 원래 설계자가 다른 기관으로 이동했을 경우, 그 장비를 계속 작동시키는 것이 어렵거나 불가능해질 수 있다.
시스템 사용성이나 수명을 연장하기 위해 기능이나 장비를 추가하는 확장이 필요한 경우가 있다. 하지만 사용된 필드버스가 더 이상 사용할 수 없게 될 수도 있다. 이 경우 시스템을 처음부터 재설계해야 하며, 엄청난 개발 시간과 자원을 필요로 하게 된다.
결론 오늘날 분기 수익성 중심의 비즈니스 환경에서는 설계자들이 응용사례에 당장 제공할 수 있는, 가장 저렴한 솔루션을 설계하도록 압력을 받는다. 하지만 제대로 된 질문을 던지고 질문에 적절하게 응답하는 과정이 필요하다. 새로운 모션제어 시스템이 시시각각으로 변화하는 응용사례의 요구 사항과 함께 진화하고, 앞으로 몇 년 동안 투자 수익을 보장하는 가장 좋은 방법이기 때문이다.
문의 | Parker Automotion Korea Division (AKD@parker.com)
