산업 제어 설계에 필요한 구성 요소

작성 날짜: 오월 7, 2021
업데이트 날짜: 칠월 1, 2024

일부 제조 작업은 자동화와 로봇 기술로부터 주요한 이점을 보았으며, 산업 자동화 시스템은 제어 및 데이터 수집 시스템을 필요로 합니다. 시설이 최고 효율로 운영되기 위해서는 자동화 및 제어 시스템이 신뢰성과 가시성을 염두에 두고 설계되어야 합니다. 이러한 시스템은 패널 장착 컨트롤러부터 센서와 IC의 혼합이 있는 소형 임베디드 보드에 이르기까지 다양한 구성 요소를 필요로 합니다.

산업 제어 시스템용 보드를 설계하는 경우 제품에 필수적인 몇 가지 공통 구성 요소를 찾게 될 것입니다. 이러한 구성 요소는 모든 필수 데이터/신호 수집 작업을 수행하고, 더 큰 제어 시스템의 일부로 필요한 처리 및 생성 작업을 수행하도록 설계되었습니다. 박스 빌드를 하든 제어 및 모니터링 시스템용 소형 보드를 만들든, 필요한 구성 요소를 찾을 수 있는 곳이 여기 있습니다.

산업 제어 설계를 위한 필수 구성 요소

산업 제어 설계에 필요한 구성 요소는 기능별로 다른 카테고리로 나눌 수 있습니다. 고수준에서 이러한 시스템은 더 큰 제어 시스템 내에서 신호를 생성하고 수집해야 하며, 제어 알고리즘의 일부로 데이터를 처리할 수도 있어야 합니다. 귀하의 산업 제어 보드는 무선으로 통신하고, 주변 장치에 전력을 관리하며, 고온에 견딜 수도 있어야 합니다. 더 이상 지체하지 않고, 산업 제어용 보드를 설계할 때 고려해야 할 몇 가지 기능적 측면이 있습니다.

전력 조절

이것은 산업용 애플리케이션을 위한 시스템의 기본 요구 사항입니다. 산업 제어 또는 모니터링 시스템용 보드는 최대 24V의 전력이 필요할 수 있으며, 단일 보드는 제대로 작동하기 위해 여러 수준의 전력을 필요로 할 수 있습니다. 전력 공급 모듈은 전기기계적 또는 전기열적 요소를 작동시키는 데 사용되는 경우 특히 높은 전류를 공급해야 할 수도 있습니다. 저전력 애플리케이션에 이상적인 다양한 스위칭 컨버터 또는 LDO를 찾을 수 있습니다. Mean Well IRM-03-12S AC/DC 조절기와 같은 더 큰 모듈은 고전력 산업 시스템용으로 설계되었습니다.

Mean Well IRM-03-12S AC/DC 전력 조절기 및 블록 다이어그램. 출처: IRM-03-12A 데이터시트.

보드 식별

제 회사가 자동화 시설로부터 보드 레이아웃 서비스를 찾는 전화를 받기 시작하기 전에, 마지막으로 누군가가 EEPROM에 대해 언급한 것은 Arduino를 참조할 때였습니다. 귀하의 보드가 더 큰 시스템에 여러 개 나타나거나 제품 라인의 일부로 보드를 출시하는 경우, 전기적으로 접근할 수 있는 고유 식별자가 보드에 필요합니다. 여기에 EEPROM이 등장하는데, 이를 통해 보드에 고유 식별자를 로드할 수 있습니다.

보다 고급 제품은 무선 기능과 다중 I/O를 통합한 MCU/SoC를 사용할 수 있습니다. 이러한 구성 요소는 고유 식별자로서 MAC 주소를 가지므로 이 경우 EEPROM이 필요하지 않습니다. 산업 모니터링을 위한 IoT 장치의 실험적 메시 네트워크는 이러한 통합 MCU/SoC가 부품 수와 비용을 줄이기 때문에 이 방향으로 가고 있습니다.

데이터 수집 및 신호 생성

이 두 가지 역함수는 ADC(수집)와 DAC(생성)으로 구현됩니다. 산업용 애플리케이션의 경우, ADC는 일반적으로 매우 높은 샘플링 속도를 필요로 하지 않습니다 왜냐하면 높은 주파수를 자주 다루지 않기 때문입니다. 그러나 측정 및 신호 생성을 위해서는 애플리케이션에 충분히 높은 해상도를 보장해야 합니다. 여러 구성 요소와 인터페이스해야 할 수도 있으므로 채널 수도 확인해야 합니다.

낮거나 중간 주파수에서 깨끗한 사인파나 사각파를 생성해야 하는 경우, 필요한 주파수 범위에 따라 발진기 IC나 맞춤형 발진기가 더 적합할 수 있습니다. Linear Technologies의 LTC1799은 작은 패키지로 제공되며 1 kHz에서 33 MHz까지 2.5%의 주파수 허용 오차로 출력합니다. 이 발진기와 많은 다른 발진기들은 작은 패키지에 들어 있으며 간단한 구현을 가지고 있습니다(아래 참조).

LTC1799 1 kHz에서 33 MHz 발진기. 출처: LTC1799 데이터시트.

처리 능력

일부 데이터를 수집한 후에는 그 데이터를 무언가에 사용해야 합니다. MCU, FPGA 또는 기타 PLD는 필요한 처리 능력과 단일 구성 요소에서 유용한 주변 장치를 제공합니다. 산업 제어에서 수집된 데이터의 전형적인 사용은 제어 루프의 일부로서입니다. 이 애플리케이션은 반드시 큰 클록 속도를 필요로 하지 않으며, 대부분의 애플리케이션에는 MHz 범위의 것이 충분할 것입니다. 애플리케이션의 크기와 복잡성에 따라 높은 온보드 메모리가 필요할 수도 있습니다.

4-20 mA 전류 루프 생성

사실상의 4-20 mA 표준을 사용하고 있다면, 프로세스 제어 시스템을 위한 전류 루프를 생성하기 위한 드라이버가 필요할 것입니다. 모터 드라이브, PLC 출력 프로그래밍 가능 드라이버, 고전압 I/O 및 선형 버스의 센서는 모두 이러한 제어 루프를 사용합니다. Texas Instruments의 XTR305 아날로그 드라이버는 4-20 mA 루프 드라이버 또는 +/- 10 V 드라이버를 위한 정밀 조건을 제공하며, DAC에서 공급될 수 있습니다. 이 구성 요소는 또한 제어 루프 애플리케이션을 위한 수신 모드를 가지고 있어 측정을 위해 ADC 채널을 사용할 필요가 없게 합니다.

XTR305 블록 다이어그램. XTR305 데이터시트에서.

증폭기

시스템에서 필요한 전압 범위와 필요한 대역폭에 따라 다양한 증폭기가 필요할 수 있습니다. 일반적인 용도의 연산 증폭기나 계측용 증폭기는 DAC와 함께 저레벨 신호를 증폭하거나, 무거운 변압기 없이 아날로그 전압 신호를 증폭하는 데 유용합니다. 일부 증폭기는 산업용 애플리케이션을 목표로 설계되어 일반적인 연산 증폭기 IC보다 더 견고합니다.

ESD 보호

산업 시스템은 고전압 근처에서 작동할 수 있으며, 중요 시스템은 ESD 안전이 필요할 수 있습니다. 여기에는 보드가 노출될 수 있는 최대 전압과 상승 시간에 따라 다양한 회로 보호 구성 요소가 유용합니다. 예를 들어 간단한 퓨즈, 릴레이, TVS 다이오드, 가스 방전 튜브 등이 있습니다.

산업 제어 설계를 위한 기타 구성 요소

물론, 산업 제어 보드에 필요한 구성 요소 목록은 방대하지만, 위에 나열된 옵션들은 다음 보드에 등장할 가능성이 매우 높습니다. 다음 산업 제어 설계에 필요할 수 있는 기타 구성 요소로는:

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