센서 기술의 발전이 스마트 공장을 강화하다

스마트 공장13 11월 2021

전통적인 제조업은 지난 한 세기 동안 분명히 발전해 왔습니다. 주요 요인은 생산성과 유연성의 증가, 안전성 및 보안성 향상이 필요하다는 점이며, 동시에 비용 절감도 요구됩니다. 업계의 답변은 무엇일까요? 스마트 팩토리입니다.

스마트 공장을 위한 감각

원자재 주문에서 최종 생산에 이르기까지, 스마트 공장은 제조 산업에 혁명을 일으켜 최적화를 통해 생산 속도를 높이고, 인간의 실수를 줄이며 효율성을 증가시켰습니다.

스마트 팩토리는 제조 공정의 주요 매개변수를 모니터링하기 위해 지능적인 기계, 장치, 측정 및 시험 장비를 사용합니다. 이러한 개선은 공장 현장 인프라를 변화시켜 일관되고 정확한 의사소통을 촉진하는 환경을 제공하며, 기계, 데이터 저장소 및 액세스 포인트를 연결하면서 운영 시스템이 최대 효율성과 생산성을 유지할 수 있도록 합니다.

이러한 기술 발전은 기계 요구 사항을 변화시키며 특히 높은 진동 환경에서 신뢰할 수 있는 센서에 대한 수요를 증가시켰습니다. 센서는 정확한 데이터를 수집하고 제조 공정에 구현하여 제품의 품질을 개선하는 데 있어 공장 지능화에서 중요한 역할을 합니다.

센서 기술의 최근 발전으로 인해 이제까지 불가능했던 프로세스 제어와 데이터 수집이 가능해졌습니다. 프로세스 제어는 통신을 통해 시스템 품질을 조정할 수 있습니다. 예를 들어, 다양한 제품의 허용 오차를 소프트웨어를 통해 쉽게 프로그래밍한 후, 인터 통합 회로(I2C) 또는 직렬 주변 장치 인터페이스(SPI) 프로토콜에 의해 구현할 수 있습니다. 이와 같은 방식으로, 센서에서 얻은 데이터는 제품 품질을 최적화하고 제조업체가 생산 공정을 위한 가장 효과적인 방법을 찾는 데 도움을 줄 수 있습니다.

기본적인 온도 및 습도 모니터링부터 정교한 위치 및 압력 센싱까지, 스마트 팩토리는 제품 이동, 로봇 및 밀링 프로세스 제어, 환경 요인 감지를 통해 공장 운영을 발전시키는 데 도움을 주는 다양한 유형의 센서를 필요로 합니다.

TE 커넥티비티의 스마트 팩토리를 위한 센서 솔루션

TE Connectivity(TE)는 세계에서 가장 큰 연결 및 센서 회사 중 하나로, 고객이 개념을 스마트하고 연결된 창조물로 변환할 수 있도록 돕는 혁신적인 센서 솔루션을 제공합니다. TE의 폭넓은 센서 포트폴리오에는 산업용 및 고도로 통합된 멀티 센서 모듈이 포함되어 있으며, 실시간 처리를 수행하여 스마트 공장의 성능을 향상시키는 솔루션을 제공합니다. TE의 많은 산업용 센서는 디지털 출력 기능을 가지고 있어 덜 복잡한 센서보다 공장 통신 시스템에 보다 쉽게 적응할 수 있습니다. TE의 센서는 높은 정확도와 해상도를 제공하여 신뢰할 수 있는 데이터를 제공합니다. 또한, 지능형 기계, 측정 및 테스트 장비, 통계적 공정 제어 시스템에 통합될 수 있습니다.

지능형 기계에서는 위치 센서가 움직이는 부품의 위치를 모니터링하고 측정하며, 종종 높은 정확도와 정밀도로 수행합니다. 온도 및 압력 센서는 기계가 올바르게 작동하는 데 중요한 변수들을 모니터링하고 측정합니다. 유량 스위치는 냉각액 및 절삭유와 같은 중요한 액체의 적절한 흐름을 모니터링합니다. 힘 센서는 성형, 굽힘 및 스트레스 관련 제조 과정에서 제품에 가해지는 힘을 모니터링합니다.

센서 유형	지능형 기계를 위한 TE 센서
위치	HR & MHR LVDT, KMA36 회전 센서
온도	NTC, RTD 및 열전대 프로브
압력	M5200 & U5200, MS4525, MSP100
유량	FX-1901, FS-23, FS-20

센서는 온도 및 압력 센서를 사용하여 측정 및 테스트 장비의 정확성을 높이고 적절한 작동을 모니터링하는 데 사용됩니다. 위치 센서(LVDT, 게이지 헤드)는 제품의 치수를 측정하며, 로드셀은 무게를 측정하여 제품이 사전에 정해진 한계 내에 있는지 확인하는 데 사용됩니다.

센서는 정밀하고 일관되며 신뢰할 수 있는 다양한 프로세스 매개변수 측정을 위해 통계적 프로세스 제어에 구현됩니다. 견고한 하우징과 외장 케이스에서 제공되는 TE의 센서 포트폴리오는 장기적인 안정성을 제공하며, 유지보수 요구 사항을 줄이는 동시에 가혹한 환경에서도 안정적으로 작동합니다. 이러한 센서는 상호 교환이 가능하여 고장난 센서를 빠르게 교체할 수 있어 제조 현장의 중단 시간을 줄일 수 있습니다.

프로세스 저장 탱크의 물, 공기 라인 및 액체 수준을 모니터링하는 데 사용되는 압력 및 액체 수준 센서부터 주변 온도, 작업 스테이션 온도 및 작업 공간 점유 상태를 모니터링하는 데 사용되는 접촉 및 비접촉 온도 센서까지, TE의 센서 포트폴리오는 생산적이고 안전하며 편안한 작업 환경을 운영하는 데 필요한 솔루션을 제공할 수 있습니다.

스마트 팩토리를 위한 센서 발전

제조업체가 장비 및/또는 시스템 업그레이드를 구현함에 따라 생산 능력은 지속적으로 진화합니다. 이러한 업그레이드가 실현되면, 센서 기술이 발전하며 새로운 제품들이 도입됩니다. 예를 들어 온도 셧다운과 같은 결정 요인은 기본적인 아날로그 신호를 요구합니다. 온도 임계값이 초과되면 생산 공정이 중단됩니다. 이러한 구성 요소 중 가장 기본적인 것은 열 저항기(thermistors)로, 저항 값을 변경하는 [15] 모듈과 TE의 Measurement Specialties(MEAS)의 HS1101LF 상대 습도 센서 [2]가 있습니다. 이 센서는 습도에 따라 용량(capacitance)을 출력합니다. 이러한 간단한 구성 요소는 일반적으로 수동적인 장치에 변화하는 값의 지능을 제공합니다. 수동 구성 요소는 최종 공정을 구현하기 위해 추가적인 회로가 필요하지만, 결정 신호는 다양한 방식으로 아날로그 신호를 제공하도록 설계된 더 지능적이고 다기능적인 구성 요소에 통합됩니다. 더 발전된 센서는 온도 범위를 구현하거나 오작동 트리거를 줄이기 위해 히스테리시스(hysteresis)를 포함할 수 있습니다.

기본적인 아날로그 트리거를 넘어, 센서 데이터에서 나오는 다양한 전압 값은 감지 능력을 증가시킵니다. 반도체 공정이 계속해서 낮은 전압 수준을 사용하는 방향으로 발전함에 따라, 더 정교한 세분화 방법이 필요해지고 있습니다. 이러한 응용에서는 디지털 신호가 제한된 아날로그 전압 범위를 대체하지만, 일부 시장에서는 추가적인 의사 결정용 마이크로프로세서를 포함한 통신 프로토콜의 비용과 복잡성을 필요로 하지 않습니다. 이러한 응용에서는 펄스 폭 변조(PWM)와 시그마 델타 변조가 디지털 신호로 사용되며, 결과가 평균화되어 아날로그 출력으로 나타납니다. TE의 TSYS02S 디지털 온도 센서 [1]는 이러한 두 가지 출력 유형과 추가적인 I2C 옵션을 제공하는 제품의 예시입니다. 이 제품의 장점은 3볼트 논리용으로 생성된 아날로그 신호가 일반적인 3볼트 작동 증폭기보다 더 큰 해상도 범위를 제공한다는 점입니다. 다양한 옵션의 존재로 고객은 자신들의 예산과 의사 결정 회로의 정교함 수준에 맞는 온도 감지 솔루션을 선택할 수 있습니다.

참조 [1] TE의 TSYS02S 디지털 온도 센서는 PWM, SDM, I2와 같은 세 가지 유형의 아날로그 출력을 제공합니다. 이러한 세대의 아날로그 신호를 구현하려면 평균화가 필요하며, 이는 통신 프로토콜을 사용하여 더 높은 세분성을 달성할 수 있습니다. 이 센서 제품에서는 센싱, A/D 통신 및 데이터 출력이 하나의 패키지로 통합됩니다. 데이터 스트림의 비트 크기가 커질수록 세분성이 증가합니다. 주소 지정은 많은 센서 슬레이브 로드를 마스터가 제어할 수 있도록 하는 데이터 스트림의 중요한 부분으로, 더 나은 제어를 위해 데이터 수집을 증가시킵니다. 추가적인 클로킹 및 데이터 동기화는 아날로그 스타일 솔루션의 향상된 정확도와 신호 무결성에 비하면 최소한의 부작용에 불과합니다.

SPI 네트워크

작동 방식:

마스터는 슬레이브 선택 선(SS1...SSn)을 통해 슬레이브를 활성화합니다.
마스터는 MOSI 라인을 통해 슬레이브에게 지시를 보냅니다.
슬레이브는 MISO 라인을 통해 응답합니다.
마스터와 슬레이브 간의 통신은 동시에 발생할 수 있습니다.
SPI 통신은 I2C보다 더 빠릅니다.
마스터는 데이터 교환의 타이밍을 제어하기 위해 클록(SCLK)을 제공합니다.

참조 [14] SPI 인터페이스의 4개 데이터 라인 구조는 I2C에 비해 더 빠른 데이터 획득을 가능하게 합니다.

I2C 네트워크

작동 방식:

마스터는 슬레이브 선택 라인(SS1...SSn)을 통해 슬레이브를 활성화합니다.
마스터는 MOSI 라인을 통해 슬레이브에게 지시를 보냅니다.
슬레이브는 MISO 라인을 통해 응답합니다.
마스터와 슬레이브 간의 통신은 동시에 발생할 수 있습니다.
SPI 통신은 I2C보다 빠릅니다.
마스터는 데이터 교환의 타이밍을 제어하기 위해 클럭(SCLK)을 제공합니다.

참조 [14] I2C 인터페이스의 직렬 데이터 라인 구조는 SPI보다 덜 복잡합니다.

직렬 통신 기능이 있는 센서 제품은 온도 [1] 및 습도 [3]를 감지할 수 있을 뿐만 아니라 온도와 습도의 조합 [3]도 감지할 수 있습니다. 다양한 압력 센서 [9-11]는 기압 및 압축 공기 압력 수준에 민감한 프로세스를 제어합니다.

위치 센서는 자기장 강도를 감지하여 정렬 [8], 선형 위치 [5], 또는 각도 위치 [5, 6, 7]를 결정합니다. 이러한 자기저항(MR) [14] 제품은 온보드 휘트스톤 브리지를 사용합니다. 출력값은 휘트스톤 브리지가 결정한 각도에 따라 위상이 다른 두 개의 사인파 형태로 나타납니다.

블록 다이어그램

회로도

일반적인 성능 곡선

KMT32B (SO8, TDFN)의 특성 곡선

참조 [5] TE의 KMT32B 센서는 로봇 팔의 위치를 결정할 수 있는 자기 각도 센서입니다. 출력 신호는 각도를 나타내는 위상 차이를 가진 사인파입니다.

제품 기능 및 가치에 대한 정보 외에도 패키징 옵션은 표면 실장 방식에서부터 관통형 실장을 사용한 보드 위 높이 조정까지 다양한 설치 방법을 제공합니다. 온도에 영향을 받는 구성 요소, 예를 들어 TE의 HTU20D(F) 센서와 같은 경우, 귀중한 설치 정보는 다른 구성 요소로부터의 열 전달을 줄이기 위해 보드에 슬롯을 사용하는 방법을 사용자에게 안내합니다. 이는 지원 회로가 생성하는 추가적인 온도보다 주변 온도를 기반으로 한 더 정확한 습도 측정을 제공하게 됩니다.

HTU20D(F) RH/T 센서 IC

온도 출력이 가능한 디지털 상대 습도 센서

상대 습도 측정값은 온도에 크게 의존합니다. 따라서 상대 습도를 측정하려는 공기와 습도 센서를 동일한 온도로 유지하는 것이 필수적입니다.

테스트 또는 자격 검증 시, 참조 센서와 테스트 센서는 습도 측정을 비교할 수 있도록 동일한 온도를 보여야 합니다.

HTU21P(F) 센서는 전자 센서로부터의 열 전달을 방지하거나 이를 가능한 한 낮게 유지할 수 있도록 설치되어야 합니다. 권장 사항으로는 환기, HTU21P(F) 센서와 PCB 나머지 부분 사이의 구리층 감소, 또는 센서 주변에 PCB에 슬롯(최소 너비 1mm)을 밀링하는 방법이 있습니다.

참고 [3] TE의 HTU20D(F) 습도 센서 데이터 시트는 실제 주변 온도를 기준으로 제품 성능에 있어 설치가 얼마나 중요한지에 대해 안내합니다.

요약

원자재 주문에서 최종 생산까지, 스마트 팩토리는 제조 산업에 혁신을 가져오며 생산 속도를 높이고, 인간의 오류를 줄이며, 효율성을 증대시켰습니다. 이러한 공장 현장의 발전은 기계 설비 요구 사항을 변화시켜 특히 진동이 많은 환경에서 신뢰할 수 있는 센서에 대한 수요를 증가시켰습니다. 필요한 수준의 정교함과 신호 전달 방법에 따라 신뢰할 수 있는 솔루션을 제공할 센서 제품이 준비되어 있습니다. 스마트 팩토리의 기능이 증가함에 따라 TE는 증가하는 시스템 요구 사항을 충족하기 위해 센서 기술을 발전시키는 데 최선을 다하고 있습니다.