Embedded PLC IoT 보드

1. 알리익스프레스 인클로저 케이스

알리익스프레스에서 인클로저 투명 케이스를 구매하였다.

알리익스프레스에서 인클로저 케이스를 저렴하게 구매하였다. 도면 자료를 도저히 찾을 수 가 없어서 직접 수령 이후 보드조립 규격에 맞도록 사이즈를 측정하였다. 사실, 해당 케이스는 작년 여름 쯤에 3000원 가격 정도에 구매하였으나 이전 프로젝트 (데이터수집장치) PCB 설계에 한번 실패하고 많은 돈을 잃었기 때문에 그동안 활용할 생각을 하지 못하였다...
산전수전끝에 얼마전에 하드웨어 문제를 찾아서 개선했고 USB UART 회로를 구현하는데 성공하였다. 그래서 이번에는 좀 더 완벽한 형태의 PLC (Programmable Logic Controller)를 만들어보고자 한다.

※ 인클로저 케이스란?
전자기기, 자동차, 산업기기 등의 기계에 부착되어 장치(PCB)를 보호하는 케이스를 의미한다.

 
구매한 인클로저 케이스의 경우,  보드를 규격에 맞게 설계 한 뒤 조립하면 아래와 같은 모습이 된다.

중국에서는 이미 내가 구매한 인클로저 케이스를 활용하여 제품을 만들고 있다.

이미 중국 시장에서는 맞춤형 PLC 보드를 제작하여, 여러가지 형태의 PLC를 만들고 있었다. 보드를 대충 분석해보니 릴레이 디지털 출력과 디지털 입력 기능 정도만 있었던 것 같다. 그리고 별도 래더 프로그램을 개발할 수 있도록 만들었다. 

2.  PLC (Programmable Logic Controller) 시스템 원 보드화

PLC라는 장치를 이해하기 위해서는 시퀀스 전기회로에 대해 알고있을 필요가 있다. 해당 블로그에서는 이미 PLC 장치와 시퀀스 개념을 설명하였으니 한번 참고해보록 하자. (PLC 개념에 대해 알기 쉽게 설명한 유튜브도 같이 올려두니 참고 바란다.)
https://machinejw.tistory.com/112

PLC(Programmable Logic Controller) 와 시퀀스

https://www.youtube.com/results?search_query=PLC%EB%9E%80%3F

https://www.youtube.com/results?search_query=PLC%EB%9E%80%3F

(1) 회로도 및 PCB 설계 ( 3주 소요 )

PCB 설계 작업 : EasyEDA
부품 및 BOM : LCSC
SMT 발주 : JLCPCB

2 layer의 경우 전원 관련 위주의 배선을 하였고 3 layer는 고속 통신 신호 배선을 위주로 진행하였다.

회로도 1, 2

회로도 3, 4

• 보드를 만들기로 계획하고 대략 3주간 작업을 진행하였다. (개인적인 프로젝트라 퇴근 후나 주말에 시간을 틈틈히 활용하여 설계하였다. )
• EasyEDA를 활용하여 4 Layer PCB 설계를 진행하였다.
• 단가를 줄여보려 노력하였지만, 현재 기준으로 높은 달러 환율로 인해 많이 줄이지 못하였다.
• 오픈소스 H/W 전자 회로도를 지속적으로 해석하고 분석하여 기능에 적합한 회로를 설계하려고 노력했다.

(2) PLC 보드 외관 ( 3D 모델링 )

보드의 TOP(윗면)과 BOTTOM(바닥면)

• 보드 양면에 부품들을 배치하여 SMT를 진행하기로 결정하였다. 단면에 부품들을 모두 배치를 시도해봤지만 부품 간 간격이 매우 가깝기 때문에 쇼트 가능성이나 배선의 불편함이 동반된다. (물론 단면 부품 배치가 SMT 외주에는 비용이 훨씬 덜 든다. 대략 1.5배 정도 차이가 났었던 걸로 기억한다. 발주 비용절감을 포기한 샘이다...)

LCSC 기준으로 왼쪽부터 스크류 타입, 플러그블 시스템 타입, 스프링 클램프 타입으로 분류된다.

• 배선용 터미널 단자의 경우 가장 부품이 넉넉한 스크류 타입의 단자대로 구성하였다. (튜닝의 끝은 순정.)
• 플러그블 시스템 타입은 별도의 커넥터가 필요한 단점이 있으며, 스프링 클램프 타입은 배선이 편리하지만 부품 재고가 넉넉하지 않고 종류도 많이 없었다.

모델링에서 터미널 블록 색깔이 다른 이유는 제공되는 3D 모델이 저 마다 다를뿐 실제로는 같은 색이다.

• 전원은 DC 잭을 활용하여 24V 2A 이상을 인가한다.
• 펌웨어 업로드와 PC 시리얼 통신을 위한 USB 커넥터는 C 타입 (USB2.0)을 사용했으며 펌웨어 업로드, 리셋 등에 필요한 버튼을 추가했다.
• 디지털 출력 타입은 릴레이 타입을 사용해보고자 했는데, 보드 내부 규격이 너무 커지기 때문에 TR (트랜지스터) 출력 타입 (24V 출력)으로 설계하였다. 내부에 1.6 A ~ 1.8A  리셋터블 퓨즈가 설계되어 있어서 2A 이상의 과전류 시 차단 될 것이다. (나머지 0.4A 는 보드 시스템 내부 전류로 계산된다.)
• 각각의 외부 단자에는 TVS 다이오드를 설계하여 ESD (정전기), 일시적인 과전압으로 부터 보호 될 수 있도록 하였다.
• 0.96인치의 OLED 디스플레이를 장착할 수 있도록 핀 헤더 소켓을 구성하였다.
• 나중에 디버깅 활용을 위한 JTAG 핀 헤더도 구성해보았다.

(3) PLC 보드 기능

 

 

"I will never forget you." (당신을 절대 잊지 않겠습니다)
-  PCB 설계 프로젝트 진행 중 별세하신 외할머니에 대한 추모 문구 -

모델 명칭을 EdgePoint 로 설정해보았다.

1️⃣ "Edge"→  솔루션을 연결하는 "스마트 브릿지" 역할을 강조한 네이밍
2️⃣ "Point" → 데이터 수집 & 제어의 중심점 (핵심)을 강조한 네이밍
현장과 솔루션을 연결하는 역할을 강조하는 EdgePoint !

• ESP32-WROOM-32E (안테나 내장형 ☜ 별도의 안테나를 구비할 필요가 없어 편리하다!)
• WiFi & Bluetooth 통신
• 디지털 입력 (DI)  5채널
• 디지털 출력 (DO)  5채널
• 아날로그 입력 (4-20mA)  4채널
• 아날로그 출력 (0-10V)  2채널
• CT 센서 입력  3채널
• PT100 센서 입력  1채널
• RS485 통신  1채널
• RS232 통신 1채널
• 패시브 부저 내장 (보드에 실장 되어 있음)
• TMP36 내장 온도센서 (보드에 실장 되어 있음)
• ESP32 개발 여분용 GPIO (I2C, SPI, GPIO 2채널)
• JTAG 핀헤더
• 0.96inch OLED 디스플레이 장착 핀 헤더 소켓
• MicroSD 카드 슬롯 (SPI 데이터로깅용)

(4) JLCPCB 견적

DFM 분석 이후 부품배치도. 양면 SMT를 위한 에지레일이 추가된 모습이다.

※ DFM ( Design for Manufacturing )분석이란?
PCB 디자인이 실제 생산 공정에서 문제없이 제조될 수 있는지 부품 배치 (방향), 트레이스 폭, 트레이스간 간격 등을 검토하는 과정이며 JLCPCB에서 SMT 발주 시 엔지니어가 DFM 분석을 무료로 진행하여 준다!
(DFM 분석이후 승인해야 PCB&SMT 생산을 시작한다.)

PCB는 5장, SMT 조립은 2장으로 결정했다.

PCB 5장, SMT 2장 생산 가격 431,588 원

 
비용은 배송(UPS Express Saver) 기준 총 299.11 달러이다. 한화로 431,588 원 인데 샘플 제작 PCB 치고는 나름 괜찮은 것 같기도 하다. 이번에 보드 색상은 파란색으로 결정하여서 생산되는 되는 2일 정도 더 걸릴 것 같다. 대략적으로 약 10일 정도 생각하고 있다.

3.  PCB 아트웍도 예술이다

• 레이아웃의 조형미
  • 균형 잡힌 트레이스, 대칭적인 구성, 균일한 간격은 하나의 디자인 패턴처럼 보임.
  • 특히 RF 회로나 고속 PCB의 임피던스 매칭을 고려한 곡선형 트레이스는 자연의 곡선과 닮아 있음.
• 컬러와 레이어의 조합
  • PCB의 레이어를 겹쳐보면 독특한 색감과 패턴이 나타남.
  • 블루, 레드, 그린의 시그널 레이어와 실크스크린의 조화도 하나의 디자인 요소.
• 최적화된 설계가 주는 미적 감각
  • 동작을 위한 최소한의 트레이스로 최상의 성능을 내는 것은 '미니멀리즘' 예술과 비슷함.
  • 필요 없는 트레이스를 줄이고, 신호 흐름을 가장 효율적으로 만드는 과정 자체가 미적인 완성도를 높이는 과정과 유사함.
• 수작업과 공예적인 측면
  • PCB 디자인은 단순히 CAD 툴로 그리는 것이 아니라, 수많은 테스트와 수정을 거쳐 최적의 형태를 찾아가는 과정임.
  • 이 과정은 마치 조각가가 돌을 깎아 작품을 완성하는 것과 비슷함.
• 결국, PCB 아트웍은 기술과 예술이 만나는 지점이라고 볼 수 있음.