PC 기반 컨트롤에 직접 통합 가능: Beckhoff 의 하이엔드 측정 기술 [마쉬넨마르크트코리아 2017년 2월]
극도로 정밀하고 빠르고 견고하다: EtherCAT 측정 기술 모듈
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시간동기성< 1μs
23℃ 일 때100ppm
24비트
최대50,000 samples/s
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Beckhoff의 측정기술 제품라인에정밀 측정기술과 고속 측정기술을 구비한 새로운 시리즈가 확대되었다. 이 고성능 EtherCAT측정기술 모듈은 정확성, 측정과 시간 정밀성, 동기화 등 장시간측정 정확도와 관련하여 시스템 통합형 자동화에서 고가의 특수 장치에서만 제공했던 것을 추가하였다. Beckhoff는 기존의 PC 및 EtherCAT기반 제어장치에 플랫폼 또는 시스템 갭이 없는 시스템 통합 솔루션을 제공한다. 제품 스펙트럼은 간단한아날로그 12bit 단자에서 샘플링 레이트50kSamples/s인 고정밀 24bit 컨디션 모니터링 모듈까지이른다.
사이클 타임, 상태 모니터링, 예측 정비와 관련하여기계와 시스템 엔지니어링에 제시되는 고객들의 요건은 갈수록 늘어나고 있다. 여기에 고정밀 측정기술은 경쟁력을 유지하기 위한 중요한 조건 중 하나이다. 엔드 오브 라인 테스트벤치는 제조 시스템과 포장 시스템에서 표준이 되고 있다. 짧은 사이클 타임에각각의 최종 제품을 검사하거나 측정하고, 추후 추적을 위해데이터를 저장한다. 추적성은 공장 교정 인증서 모델과 지속적으로 입증해야 하는 측정 보안과같이 까다로운 측정 기술을 필요로 한다. 이를 위해 고비용과많은 수고를 들여 시스템 외부의 측정 장치를 버스 시스템을 통해 연결해야 하는 경우가 많았다.
Beckhoff는 이러한 요건에방향을 맞춘 시리즈를 측정 기술 EtherCAT 모듈, 공장 교정 인증서에배정하는 식별 번호(ID)를 지닌 모듈에 도입하여 시스템에 통합된 효율적인 솔루션을 제공한다.EtherCAT 측정 기술 모듈을 이용하여 아날로그 표준 측정 기술(12/16bit),에너지 측정 그리고 컨디션 모니터링으로 구성되는 기존의 Beckhoff 측정 기술에 정밀측정 기술과 고속 측정 기술인 네 번째 시리즈를 확대할 수 있다.
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Beckhoff 측정 기술은 아래의 I/O 측정 영역 3개와 새로운 정밀측정 기술 영역을 포함한다.
1. 표준 아날로그 측정 12/16 Bit
2. 서비스 네트워크의 에너지측정
3. 컨디션 모니터링 (진동 측정 기술)
4. 새로운 기능: 정밀 측정 기술 |
자동화 세계의 이정표
새로운 등급의 이 장치는 자동화 세계에서 하나의 이정표이다. 이 장치는 견고하고사용하기가 쉬운 효율적인 측정 기술을 제공한다. 특히 스위치 캐비닛환경에서 짧은 시간에 조립하여 산업용으로 디자인되었다. 포괄적인 자가진단기능이 있어, 정비가 필요 없는 무인 시스템에서도 장기적으로 원활하게 작동한다. 이 EtherCAT측정 기술 모듈은 오류 측정 결과를 실시간으로 자동 식별한다. 이런 기능이 없었다면오류가 발생하여도 정상적인 것으로 간주할 수 있다. 이 기능은 지속적으로 EtherCAT을 통해 진단 보고서형식으로 불러 올 수 있으며, 다음의 형태로 실현된다.
–– 단락, 회로 단선, 바이패스를 식별하기위한 포괄적인 연결 진단
–– 포괄적인 셀프 테스트와반복적인 내부 시험
–– 과부하 식별을 위한지속적인 온도와 입력 값 모니터링
높은 해상도, 높은 측정 정확도, 높은 샘플링 레이트와같은 특성은 그 동안 연구실 측정 기술에서 사용해 왔지만, Beckhoff가 이 분야에서 쌓은노하우로 전통적인 자동화 산업에도 적용할 수 있게 되었다. 정밀 측정기술과 산업을연결하여 전통적인 제조 시스템, 시험 시스템, 테스트 시스템 제조사들에게자신들의 노하우를 기술적으로 더욱 응용할 수 있는 새로운 가능성이 열렸다.
Beckhoff는 지난 SPS IPCDrives 2016 박람회를 기점으로 샘플링 레이트 10 ~ 50kSamples/s의 기본 등급 EtherCAT 측정 기술 모듈로출발하였으며, 이 분야는 고객들의 요건에 따라 계속해서 확대할 예정이다.
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빠르다: 기본 등급 24bit 해상도에서 초당 50,000 샘플까지 가능
시간이 정확하다: 시스템 내부적으로 그래고 외적으로는 상위 시계와 EtherCAT-Distributed-Clocks을 통해 1μs 미만의 정확한 동기화
값이 정확하다: 100ppm의 측정 정확성 및 온도 안정성이 높을 때에 측정 범위에따라 더욱 개선됨
예측하여 작동한다: 지속적으로 높은 작동 안전을 보장하기 위해 통합된 연결 진단 및 기능 진단
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산업 및 시험 필드를위한 다방면의 EtherCAT측정 기술 모듈
이 새 장치는 산업 설비와 테스트 필드에서 다양하게 사용할 수 있게설계하였다. 많은 통합 측정 범위(30 V ~20 mV, ±20 mA, 풀 브리지/하프 브리지/쿼터 브리지, DMS,IEPE, 열전대, RTD)에서 이용할 수 있고, 다양한 수의 채널을 통해적절히 분리할 수 있다.
EtherCAT 측정 기술 모듈의주요 특징은 획득한 데이터 품질이 매우 우수하며, 이러한 품질은 다음과같은 다양한 조치를 통해 도달된다.
–– 채널들 간 교차 감쇠가뛰어나다.
–– 최신 세대의 고품질제품을 잡음 없이 측정한다. 따라서 높은 24bit 해상도, 즉 통상적인 16bit보다 256배 섬세한 측정값해상도를 100% 활용할 수 있다. 또한 100Mbit 데이터율을 지닌 EtherCAT은 수백 개의 24bit 채널도10kSamples/s로 전송하기에 충분히 여유가 있다.
–– 이 측정 하드웨어는제조 공정 중 전 처리로 인해 즉시 또는 장시간 안정적으로 사용할 수 있다.
–– 장애에 대한 내구성이있고 진동 부하에도 효과적인 아날로그 라인에 대해 장기적으로 안전한 차폐 컨셉트를 구현하였다.
–– 영향을 끼치는 요소에대해 연속적으로 파악 조정하여 측정 불확실성이 근소하다. Beckhoff는 반복 오류, 비선형성, 오프셋 오류, 이득 오류, 잡음과 같은 개별적인오류 비율을 명세서에 제시한다
일부 측정 범위는 23 °C일 때 기본 측정 정확도가 100ppm(0.01%)에 도달하는데, 이는 온도 안정성이 높을때에 달성되는 수치이다. 이 수치는 전통적 측정 기술에서는 일반적이긴 하지만 자동화 분야에서는혁명적인 요소이다. 새로 소개된 기본 등급에서는 특성에 따라 다양한 샘플링 레이트가 제공된다. 이 샘플링 레이트는 통상적인EtherCATMaster에 의해 사이클 타임 100 ~ 500 μs일 때 타임 스탬프를 포함하여오버샘플링으로 획득할 수 있고 높은 시간 해상도가 가능하다.
–– 다기능 단자에서 10kSamples/s
–– 2채널 디커플링 U, I, 측정 브리지 (DMS)에서 20kSamples/s
–– 2채널 IEPE 디커플링에서 50kSamples/s
ExtendedRange 기능으로 107% 확장, 공칭 한계에 이르는또는 이를 넘어서는 측정이 가능하다. 이런 방식으로 각각의센서 영역을 100% 활용할 수 있고,EtherCAT 측정 기술 모듈은 보정 측면에서도 유연하다.Beckhoff 보정값을 비활성화하고 사용자측에서 고유의 값으로 대체할 수 있다. 이는 비선형성 보상을위한 다항 보정에도 적용된다. 또 다른 특성으로 IEEE1588 또는 다른 EtherCAT 네트워크를 통해 절대적인협정 세계 시로 외부 동기화에 이르기까지 1 μs 미만으로 모든 채널과단자를 동시 샘플링하는 것이다.
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| 견고한 메탈 하우징은 모든 측정기술 표준 인터페이스를 위한 유연한플러그 프론트엔드를 지니며, 통상적인 모든 측정기술 환경에 간단하게 통합할 수 있다. 이 새로운 세대의 측정 기술 하드웨어는 EtherCAT 특성을 100% 활용하여 고품질의 측정 데이터를 유지한다. |
내부 기능, 구조, 연결면에서 실무 중심
강력한 컨트롤러는 Beckhoff의 산업용 PC와 새로운 EtherCAT측정 기술 모듈을 특징으로 한다. 최신 마이크로 컨트롤러제품은 뛰어난 효율성으로 높은 컴퓨팅 능력을 제공하며, 각 채널을 모듈로개별적으로 매개변수화 할 수 있다. 수많은 연산 기능이 EtherCAT측정 기술 모듈 내에서 일차 처리된 측정값을 제공한다. 그러한 측정값으로는다음의 예를 들 수 있다.
–– 보다 나은 선형성을위한 다항 보정
–– 포괄적인 내부 온도측정과 보상
–– EtherCAT, EtherCAT을 초기화 없이 작동시간에 맞추어 샘플링 레이트 변경
–– 39차까지의 2단계 필터 머신
–– 2단계 적분기/미분기
–– 샘플링 포인트표 등을이용하여 비선형 센서 보상을 위한 계수 회로
–– TrueRMS 연산과 PeakHold드래그 인디케이터
실제적인 요건에 방향을 맞추었다는 것은 딘 레일로 설치 가능한 메탈모듈 형태의 새로운 구조에서도 확인된다. 일반적으로 알려진 EtherCAT단자에 플러그 방식으로 꽂을 수 있고, 아날로그 케이블 차폐를전도 방식으로 그리고 고정식으로 수용할 수 있고, 아날로그 전자장치의열 배출이 우수하며, 스위치 캐비닛 뒷벽으로 라인을 빼기가 유리하다. 금속 하우징은 정비가힘든 구역에도 적합하여 고급 전자장치에 안정적인 보호 케이스를 형성하며, 전자기 유입의 영향을막아낸다.
또한 고품질 햅틱 기능과 룩앤필 기능으로 구현된 EtherCAT측정 기술 모듈은 다양한 사용 사례에 적합한 연결 솔루션을 제공한다. 정비 플러그가 있는푸시인 케이지 클램프는 일반적인 요건을 갖춘, 지속적으로 작동 안정적인표준 솔루션으로, 페룰을 장착하거나 페룰을 장착하지 않고 빠르게 제작할 수 있다. 진동 진단을 위한 BNC 기술은 베이어닛 잠금장치로빠르게 조립할 수 있고, 빠른 배선 변경을 위해 동축 케이블을 통해 훌륭히 차폐된다. 보완적으로 하이엔드사용 사례를 위해 고급 LEMO 커넥터도 있다. 이는 제작하기가 다소번거롭지만, 연속적으로 차폐되어 원활한 작동 플러그로 사용할 수 있다.
자동화 소프트웨어 TwinCAT은 PLC,Motion Control, Safety, 측정 기술 어플리케이션 등의 런타임 모듈과 엔지니어링을 위한 베이스이다. MicrosoftVisual Studio®는 전체 TwinCAT 시스템의 핵심 프로그래밍 플랫폼이자 구성 플랫폼이다. 또한 Microsoft Visual Studio®에는 매우 강력한 차팅 툴에 속하는 TwinCAT 측정 제품군이 통합되어있어, 한자리 μs 범위의 신호를 묘사할수 있다. 트리거, 차트 동기화, 커서 등 전통적인기능 외에, TwinCAT Scope View는 멀티코어 서포트도제공하여, 고주파 신호를 위한 시스템의 완전한 컴퓨팅 능력, 즉 오버샘플링 값을활용할 수 있다. 특히 TwinCAT 컨디션 모니터링 라이브러리와연동하여 파워 스펙트럼 또는 크기 스펙트럼을 이용한 주파수를 계산하고, Scope View에서 그래프로 묘사할수 있다.
TwinCAT 측정 영역에는 새로운 EtherCAT측정 기술 모듈을 바로 이용할 수 있도록 조정된 특성들도 통합되었다. 필터 디자이너에는차트 필터 곡선을 편집하고 산출된 필터 계수를 드래그 & 드롭으로 새 측정기술 모듈에 다운로드하는 기능이 있다. 따라서 간단하게 Buterworth나Tschebyscheff와 같은 디지털 필터를 저역, 광대역, 고역 통과 필터로디자인할 수 있고, I/O의 자유롭게 구성 가능한 필터와 함께 이용할 수 있다. 대안으로 소프트웨어환경 내 필터 모듈에도 계수를 다운로드할 수 있다.
파악된 측정 데이터는 인더스트리 4.0과 IoT의 의미에 맞게 네트워크내에서 또는 클라우드 시스템 내에서 서로 연결되는데, 이는 TwinCAT은 클라우드 시스템으로통신을 지원하기 때문이다. TwinCAT Analytics는 TwinCAT 측정의 범위에서 클라우드시스템으로 분석하기 위한 특수 패키지이다. 이 제품은 눈에 띄는신호를 쉽게 식별할 수 있고 기록할 수 있다. Cloud Storage Provider를 이용하면 클라우드메모리 시스템에 저장되어 있는 이력 데이터에 쉽게 접근할 수 있다.
EtherCAT - 측정 기술 버스
EtherCAT 창안한 Beckhoff는 이 기술을 더욱발전시키는 데 선도적인 역할을 하고 있으며, EtherCAT을 위한 혁신적 제품과 모듈러 EtherCAT단자 시스템을 고안하였다. EtherCAT은 그 동안 측정 기술 분야에 널리 보급되었다. EtherCAT은 100MBit의 데이터로 연구실환경이나 제조 환경에서 측정 기술의 대부분을 커버한다. 장치 제조사들과 다양한지원업체들이 ETG에 통합되었는데, 이 ETG에는 약 4,000여개 회원사가 있으며, 이중 100여 개의 마스터 공급업체도 포함되어 있다. 거의 대부분의 센서들은 EtherAT과 연결되어 있다. Beckhoff는 EtherCAT 기반 모듈러 단자 버스 시스템과 IPC 기반 TwinCAT으로 수많은 기계의자동화 중추를 역할을 하고, 이러한 시스템을 정밀 측정기술로 풍성하게 만들었다. 모든 것을 한 제조사가담당하여 스위치 캐비닛 플래닝이 연속성을 지녀, 설치 공간이 줄고조달도 더욱 간단해졌다. EtherCAT을 통해 제어장치에 정밀 측정 기술을 직접 통합하여 시스템 구성이 간단하고 복잡성이 줄었다. 또한 EtherCAT 표준에 따라 간단하게매개변수 입력이 가능하고, Distributed-Clock (PTP/IEEE 1588을 통한 임의의 타임 소스 및 다른 소스와의 외부 동기화에 이르기까지)을 통한 동기 샘플링 및 컨트롤부터 I/O 레벨까지 연속적인진단이 가능하다.
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| 측정값의 본질적인 특성은 측정 불확실성(측정 값이 얼마인가?)와 정확한 시간 산출(측정된 시간이 언제인가?)이다. EtherCAT은 Distributed-Clocks으로 모든 입력과 출력의 정확한 시간 동기화가 가능하고, 상대적으로 네트워크내에 있는 장치들 상호 간에, 절대적으로 상위의 협정 표준시에도 1 μs을 훨씬 밑도는 시간불확실성을 제공한다. EtherCAT 측정 기술 모듈은 정밀 측정 기능을 이용하여 값 산출을 확연히 개선할 수 있다. 표준 자동화 기술을이용할 때보다 측정값이 시간과 비용 측면에서 훨씬 정확하게 측정된다. |
[출처] 마쉬넨마르크트코리아 2017 FEBRUARY
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