텍사스 인스트루먼트 백서 번역(영어 원본)Connected sensors are the heartbeat of industrial automation
Executive summary
In today’s hyper-competitive world of global markets, efficient industrial production often hinges on the speed, accuracy and reliability of each factory’s automation systems. Even manufacturers in regions with low labor costs are eager to increase the sophistication of their automation systems because they know that failing to do so could jeopardize their position in the global economy. The heart of industrial automation – that which keeps manufacturing lines beating – is a new generation of advanced intelligent sensors connected via low-latency and real-time networks to high-performance programmable logic controllers (PLC) and Human-Machine Interface (HMI) systems. Of course, time is money for manufacturers. An efficient production line will run as fast as possible as long as the product manufactured achieves an acceptable level of quality. Fast and reliable sensors must monitor or measure conditions on the production line very quickly, in milliseconds or less. And then the network must communicate this information with minimum latency and no interruptions. A host of industrial communications protocols such as PROFIBUS®/PROFINET®, Ethernet/IP™, EtherCAT®, POWERLINK, SERCOS® III and others are typically called upon to achieve the deterministic communications performance required. And processing elements, such as PLCs, must respond in real time with the right course of action or the production rate will suffer and profi ts evaporate (see Figure 1 below).
Texas Instruments Incorporated (TI) has a long history of providing high-performance effi cient and scalable technology to all aspects of industrial automation. TI’s extensive portfolio across analog and embedded processors enable customers to design complete system-level solutions. Innovative and highly differentiated TI solutions highlighted in this white paper make industrial communications more affordable and more accessible while driving greater automation and productivity.
The anatomy of industrial automation Industrial automation systems are typically made up of four major elements that are connected with each other by speed, low-latency and real-time high-speed communications. The four elements are: sensors, human machine interface, PLCs and motor drives.
Sensors
Contemporary factory automation systems increasingly rely on intelligent sensors for the information and data on which they operate. Previously, sensors would monitor and measure, but not analyze. Now, as sensors have gained more intelligence, they have been able to better evaluate what they are sensing and do so in real-time. Sensors perform a very wide variety of functions, including identifying temperature, motion, optical objects and positioning, weight, acceleration, chemical composition, gases, atmospheric or other types of pressures, liquid fl ow and many other aspects of the physical world.
Human Machine Interface (HMI)
The human machine interface is a unit or subsystem that communicates with a person, who is controlling the machine. Given the current state-of-the-art technology, most HMIs on industrial automation systems typically incorporate a graphical display subsystem such as a touch screen because of its intuitive ease-of-use and rapid learning curve.
Programmable Logic Controllers (PLC)
Generally, PLCs or programmable logic controllers are microcontroller- or processor-based systems that accept inputs from various sensors distributed throughout the factory and from the system’s human operators. Based on the information provided from these two sources, the PLC will initiate actions to control the processes taking place in the production line.
Motor drives
Motor drives are those machine parts that respond physically to the directions of the PLC. In an automobile assembly plant, for example, a sensor could provide input to the PLC regarding the positioning of a car body.
The PLC would respond to this information with instructions to a motor control unit which, in this case, could control a robotic arm that is performing spot welding task on the vehicle.
In an industrial automation system, these four elements are brought together with a high-speed, lowlatency network that ensures rapid response on the part of the PLC, resulting from sensor or operator inputs. Taken as a whole, today’s industrial automation systems are real time, deterministic and highly precise systems capable of accurately controlling high-speed processes.
Challenges ahead
The basic challenge facing industrial automation in the future will be the same as those challenges it has overcome in the past. To achieve even better results, control systems must continue to improve their real-time responsiveness, reliability, accuracy, precision and overall sophistication. Essential for meeting these challenges will be continued developments in networking and other connectivity technologies.
In the industrial automation marketplace there are currently more than 120 serial communications standards and upwards of 25 Ethernet-based protocols that can be deployed in factories today. The problem – if it is one – is not a shortage of solutions, but rather a multiplicity of them and how they have heretofore been deployed.
Each of the popular industrial communications protocols such as PROFIBUS/PROFINET, EtherCAT, Ethernet/IP and others is backed by one or more major suppliers of sensors, PLCs, HMIs and motor drives. Implementing an industrial automation system with elements from several vendors can often require deploying several of the communications protocols that are upported by the different vendors. This adds to the complexity of the overall system and can drive up costs. For instance, many of today’s automation systems are typically confi gured with a central processing unit (CPU) to run the application and another discrete component such as an application-specifi c integrated circuit (ASIC) or a fi eld programmable gate array (FPGA) that is dedicated solely to communication protocol processing. This is especially true in automation elements that are treated as a “slave” device by the communication protocol. |
텍사스 인스트루먼트 백서 번역(한국어 번역본)산업 자동화의 중추, 연결된 센서
개요
오늘날 초경쟁적인 글로벌 시장에서 효율적인 산업 생산은 주로 공장 자동화 시스템의 속도와 정확성 그리고 신뢰도에 좌우된다. 노동 비용이 적은 부문의 제조업체는 자신들의 자동화 시스템을 보다 정교하게 만들고 싶어 한다. 그렇게 하지 못하면 글로벌 경제에서 자신들의 위치가 위태로워 질 수 있다는 것을 잘 알고 있기 때문이다.
제조 라인을 숨쉬게 하는 산업 자동화의 심장은 저지연과 실시간 네트워크를 통해 프로그램이 가능한 고성능 로직 컨트롤러 (PLC)와 인간-기계 인터페이스 (HMI) 시스템이 연결된 새로운 세대의 첨단 지능형 센서이다. 물론, 제조업체들에게 시간은 곧 돈이다. 제조된 제품이 허용 가능한 품질 수준을 달성하기만 한다면, 효율적인 생산 라인은 가능한 빨리 가동될 것이다. 빠르고 신뢰할 수 있는 센서는 반드시 몇 밀리초 이내에 생산 라인의 상태를 매우 신속하게 모니터링하거나 측정할 수 있어야 한다. 그러고 나면 네트워크는 반드시 아무런 방해 없이 최소 지연 시간으로 이러한 정보를 전달하여야 한다. PROFIBUS®/PROFINET®, Ethernet/IP™, EtherCAT®, POWERLINK, SERCOS® III 등과 같은 산업 통신 프로토콜의 호스트는 필요한 결정적 통신 성능을 달성할 수 있어야 한다. 그리고 PLCs와 같은 프로세싱 요소들은 반드시 올바른 작동 과정에 따라 실시간으로 응답을 해야 한다. 그렇지 않으면 생산율이 떨어지고 이윤이 사라질 것이다 (아래 그림 1 참조).
텍사스 인스트루먼트사 (TI)는 오랜 기간 동안 산업 자동화의 모든 측면에 효율적이고 확장 가능한 고성능 기술을 제공해온 역사를 지니고 있다. 아날로그와 임베디드 프로세서에 걸쳐 있는 TI의 종합적인 포트폴리오는 고객들이 시스템 차원의 솔루션을 완전하게 설계할 수 있도록 해준다. 이 백서에서 주요하게 다루는 혁신적이고 고도로 차별화된 TI의 솔루션은 자동화와 생산성을 한층 증대시켜줌과 동시에 산업 통신을 보다 적합하고 접근 가능하게 만들어 준다.
산업 자동화 구조
산업 자동화 시스템은 일반적으로 속도, 저지연, 실시간 고속 통신에 의해 서로 연결되는 네 개의 주요 요소들 구성된다. 네 개의 요소는 센서, 인간 기계 인터페이스, PLCs, 모터 드라이브이다.
센서
현대의 공장 자동화 시스템은 점점 더 지능형 센서에 의지해 정보와 데이터를 운영해 가고 있다. 과거에 센서는 모니터링하고 측정은 하지만 분석은 하지 못했을 것이다. 오늘날에는 센서가 보다 지능화되었기 때문에, 감지되는 것들을 보다 능숙하게 평가하고 실시간으로 이를 수행할 수 있다. 센서는 온도, 움직임, 가시적 물체, 위치, 무게, 가속, 화학적 조성, 가스, 대기 또는 기타 압력의 유형, 액체 흐름, 물리적 세계의 다양한 측면들을 식별하는 것을 포함해 매우 다양한 기능들을 수행한다.
인간 기계 인터페이스 (HMI)
인간 기계 인터페이스는 기계를 제어하고 있는 사람과 통신을 하는 유닛이거나 서브시스템이다. 현재의 최첨단 기술이라면, 직관적으로 사용하기 편리하고 학습 곡선이 가파르기 때문에 산업 자동화 시스템의 MMIs 대부분에 일반적으로 터치 스크린과 같은 그래픽 디스플레이 서브시스템이 통합되어 있다.
프로그래밍이 가능한 로직 컨트롤러 (PLC)
일반적으로 PLCs나 프로그래밍이 가능한 로직 컨트롤러는 공장 전체에 분포되어 있는 다양한 센서로부터 입력을 허용하거나 시스템 운영자로부터 입력을 허용하는 프로세서 기반 시스템이거나 마이크로컨트롤러이다. 이러한 두 개의 소스로부터 제공받은 정보를 토대로 PLC는 생산 라인에서 실행되는 프로세스를 제어할 수 있는 조치를 시작할 것이다.
모터 드라이브
모터 드라이브는 PLC의 지시에 물리적으로 응답하는 그러한 기계 부품들이다. 예를 들어, 자동차 조립 공장에서 센서는 자동차 본체의 배치와 관련해 PLC에 입력을 제공할 수 있다. PLC는 이러한 정보에 응답을 할 것이며 이러한 경우, 모터 컨트롤 유닛에 지시를 내려 차량에 점용접 작업을 수행하는 로봇 팔을 제어할 수 있다.
산업 자동화 시스템에서 이러한 네 가지 요소들은 센서나 운영자 입력에서 발생하는 PLC의 일부에 신속하게 응답을 할 수 있도록 고속, 저지연 네트워크로 통합 구성된다. 전체적을 보아 오늘날의 산업 자동화 시스템은 고속 프로세스를 정확하게 제어할 수 있는 고도로 정밀한 실시간 확정적 시스템이다. |
