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필드 네트워크를 위한 AS-Interface 슬레이브(1) – 센서/액추에이터로의 커플링

제조 자동화의 고도화에서 말초 신경계에 해당하는 최하위 필드 레벨에서의 개방형 네트워크인 AS-Interface 통신은 1994년 실용화된 이후 수백만개의 AS-I 디바이스들이 설치되어 검증받았고, 2000년 IEC 표준 인증 및 2006년 KS 표준으로 고시됐다.

센서 및 액추에이터에 직접 연결되어 있든지 모듈에 연결되어 있든지, AS-Interface 슬레이브 IC는 모든 간단한 센서와 액추에이터에 사용될 수 있다.

1. AS-Interface 슬레이브

각 주기에서, 4 비트의 데이터는 각 슬레이브와 마스터 사이에 상호 전송된다.

AS-Interface 슬레이브 IC의 포트 상의 전압 수준은 이에 상응한다. 이들 포트는 입출력점으로서 또는 양방향 포트로 개별적으로 각 IC에 대해 구성될 수 있다.

포트의 구성은 IC가 슬레이브에 설치될 때, “I/O 구성”으로 명기된다. 이는 동일한 AS-Interface 슬레이브 IC가 센서 및 액추에이터 양자를 제어할 수 있다는 것을 의미한다.

또한, AS-Interface는 4비트 이상의 정보를 갖고 있는 주변장치 요소, 아날로그 디바이스 또는, 제어용으로 정보 교환이 그다지 필요하지 않는 분산 지능형 디바이스 등에까지 폭넓게 사용될 수 있다. 양방향 모드에서 슬레이브는 요청 당 4 비트의 출력 데이터를 수신하고 4 비트의 입력 데이터를 전송할 수 있다. 다중 비트 전송은 여러 주기에 걸쳐 정보들을 분산시킴으로써 실현될 수 있다. 이로써, AS-Interface는 이진 주변장치로 한정되지 않고 모든 간단한 센서 및 액추에이터에 대해 사용될 수 있다.

또한“파라미터 기록(Write Parameter)”도 요청될 수 있다. 이때는 4 비트의 파라미터 값이 슬레이브로 전송된다. 이는 광학 센서에 대한 스위칭 감지 거리(switching sensing distance) 변경 또는 필터 기능과 같은 슬레이브의 특별한 기능들을 제어하는 데에 사용될 수 있다. 파라미터 요청은 비주기적이며, 이는 단 하나의 슬레이브가 각 AS-Interface 주기에서 새로운 파라미터 값을 얻을 수 있다는 것을 의미한다.

이제 두 가지로 분류되는 AS-Interface 슬레이브에 대해 알아보자:

AS-Interface 슬레이브 IC는 센서 및 액추에이터에 직접 통합될 수 있다.

이로써“AS-Interface 통합 센서 또는 액추에이터”가 제작되었다.(그림 1 참조) 모든 데이터 및 파라미터 비트는 이 디바이스에서 사용 가능하다.

이 통신 구조 – AS-Interface 네트워크 – 는 단지 이진 스위칭 비트를 전송하기 위해서뿐만 아니라, 부가 정보의 전송을 위해서도 사용된다. 이로써 점진적인 고장(예, 광학 렌즈의 오염), 갑작스런 고장(예, 단락), 전원공급장치의 과부하 및 이와 유사한 경우들은 제어장치에 보고되며, ASInterface를 통해 이를 보호한다. 특정 유형의 오류가 도구 및 기계설비를 보호하고, 다운타임이 길어지는 것을 예방하기 위해 즉각적인 셧오프를 작동하도록 사용자 시스템을 구축할 수 있다. 다른 오류 유형들은 임의의 다운타임을 예방하기 위해 유지보수를 요청하고 다운타임을 절감시킬 수 있는 목표 진단기능을 제공하기 위해 제공할 수 있다.

이러한 전망에 비추어 보면, 지능형 주변기기의 사용은 사용자에게 특별히 효율적이다. 단지 이것만이 센서 또는 액추에이터를 포함하는 진단기능을 가능하게 할 것이다.

AS-Interface IC는 모듈에 통합되어 일반적인 센서 및 액추에이터를 연결할 수 있다. “외장형 AS-Interface와 센서 또는 액추에이터”에 대하여 그림 2를 참고하라. 시장에 최근 출시된 대부분의 센서 및 액추에이터는 모듈을 통해 어떤 AS-Interface 네트워크에도 손쉽게 연결될 수 있다. 이들 모듈은 소켓 또는 터미널을 통해 디바이스에 데이터와 전원을 공급한다. 2개의 이진 센서와 2개의 이진 액추에이터가 연결되는 2I/2O 모듈이 바로 이와 같다. 선택사양인 워치독은 파라미터 0을 사용하여 활성화되고, 비활성화된다. 이는 통신을 모니터링하고 통신 고장 발생 시에 액추에이터를 전원으로부터 차단한다.

2. AS-Interface 슬레이브의 구조

슬레이브는 센서 및 액추에이터의 전원공급을 담당하고 있으며, 이들 장치와 마스터 사이의 원활한 통신을 관장한다.

그림 3에 나타낸 바와 같이, AS-Interface 슬레이브는 AS-Interface 전송 시스템과 인터페이스 1 사이의 링크를 나타내며, 여기에 센서 및 액추에이터가 연결된다. 슬레이브는 센서/액추에이터에 전원을 공급하고 이들과 마스터 간의 통신을 관장한다. 개발 초기부터 슬레이브가 센서 또는 액추에이터에 직접 통합되어야 하는 경우, 극히 저렴할 뿐만 아니라 콤팩트한 소형 슬레이브가 요구되었다. 이는 고집적 회로를 사용함으로써만 가능하며, 이 장의 끝에 설명되어 있다.

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슬레이브가 집적 회로 또는 여타의 다른 방식을 사용하여 구현되건, 이는 그림 3에서 보는 구조를 가지며, 이로써 인터페이스 1에 대한 연결은 물리적 또는 논리적일 수 있으나, 인터페이스 2의 연결은 물리적으로 존재해야 한다.

공급 전압에서, 데이터 경로는 인덕턴스에 의해 전압경로와 분리된다. 이를 IC에 구현하기 위해, 이들 인덕턴스는 전자적으로 실현된다. 공급 전압은 Vout 터미널에서 센서 또는 액추에이터를 위한 전원을 공급하며, 슬레이브가 데이터 통신 주파수대에서 충분히 높은 저항을 유지하도록 보장한다.

수신기에서, AS-Interface 케이블에서 감지되는 전압 펄스는 선별되고, 디지털화되어 수신 레지스터에 기록된다. 이와 동시에 수신된 신호는 다양한 개연성 검사를 담당하여 어떠한 노이즈 펄스도 마스터 요청을 와전시키지 않을 것을 보장한다. 신호폭이 상당히 큰 폭으로 요동칠 수 있기 때문에, 수신기는 수신 완성도를 향상시키기 위해 트리거 레벨에 상응하는 응답을 갖는다.

송신기에서, 송신 레지스터에서 보내오는 정보는 인코딩되어, 지난번 AS-Interface 통신시스템에 기술된 변조 과정에 따라 전류 펄스 시퀀스로서 AS-Interface 케이블을 통해 전송된다. 보안상의 이유로, 송신기는“jabber inhibit”로직에 의해 모니터링되며, 이는 손상된 슬레이브 때문에 연속 전송과 이로 인한 AS-Interface 네트워크가 중단되는 것을 방지한다.

마지막으로 시퀀스 컨트롤러는 마스터 요청을 디코딩하고, 오류 여부를 점검하고 인코딩된 명령들을 실행하고, 적합할 경우 응답이 전송되게 한다. 또한 이 시퀀스 컨트롤러는 슬레이브 주소를 기록하는데에 사용되고, 전원이 차단된 상태에서도 제한시간 동안 이를 저장할 수 있는 기억장소가 장착되어 있다(비휘발성).

해당 슬레이브에는 다음의 레지스터와 플래그들이 구비되어 있다.

주소 레지스터(Address register)
5 bit 폭의 레지스터는 현재 슬레이브 주소를 갖고 있다. 마스터 요청 시에 전송된 주소가 이 레지스터에 들어있는 주소와 동일할 경우, 슬레이브가 응답한다.
RESET 이후, 레지스터는 비휘발성 메모리에 포함된 주소를 로딩한다. 이의 내용은 “주소 삭제(Delete address)” 또는 “주소 할당(Address assignment)” 명령을 사용함으로써 마스터에 의해 변경될 수 있다.

식별 레지스터(Identification register)
이들 4비트 폭 레지스터는 그림 3.16에 제시된 I/O 구성을 따른다. 이들 레지스터는 영구적으로 저장되고, RESET 이후 비휘발성 메모리로부터 로딩된다. 이들은 슬레이브가 제작됨과 동시에 고정되어(ID 코드 1은 제외), 수정할 수 없다.

데이터 출력 레지스터(Data output register)
“데이터 출력(Data output)” 레지스터는 폭이 4비트이며, 슬레이브에 의해 오류 없이 수신된 마지막“데이터 요청”으로부터 얻은 데이터를 포함한다. I/O 구성에 따라 출력에 할당된 이 비트들은 각 데이터 포트 상에서의 출력이며, 다른 비트들로부터의 정보는 무시된다. RESET 이후 레지스터는 초기값 FHEX와 함께 로딩된다.

파라미터 출력 레지스터(Parameter output register)
이들 4 bit 폭의 레지스터는 슬레이브에 의해 오류없이 수신된 마스터로부터의 마지막 “파라미터 쓰기” 요청으로부터 얻은 파라미터를 포함한다. 이 비트는 상응하는 파라미터 포트 상에서의 출력이다.

수신 레지스터(Receive register)
12비트 폭 수신 레지스터는 시퀀트 컨트롤러에서의 후속 프로세스를 위해 마스터에 의해 전송된 마지막 메시지를 포함한다.

송신 레지스터(Send register)
5비트 폭 송신 레지스터는 전송된 슬레이브 응답을 갖춘 시퀀스 컨트롤러에 의해 로딩된다.

상태 레지스터(Status register)
상태 레지스터는 특정 상태 또는 오류 표기용 3가지 플래그를 나타낸다:
(1) 플래그 S0은 새로운 주소가 아직 영구적으로 저장되지 않은 주소 저장 기간 동안 설정된다.

(2) 플래그 S1은 입력 FID가 주변장치 고장을 보고할 경우 설정된다.

(3) 플래그 S3은 영구 메모리에서 주소를 읽어오는 동안 오류가 발생할 경우 설정된다.

상태 레지스터는 오류 상태 조건 분석을 목적으로 마스터에 의해 평가될 수 있다.

“동기화” 플래그(“Synchronization” flag)
슬레이브가 마스터 요청을 정확히 받고, 디코딩하여, (적합할 경우) 응답을 승인한다면, “동기화” 플래그가 설정된다. 동가화된 상태에서, 마스터 휴지기는 마스터 요청 이후 1 비트 시간 동안 모니터링되기 때문에, 슬레이브 응답은 단지 2비트 시간 이후에 개시될 수 있다.

“데이터 교환 차단” 플래그(“Data exchange blocked” flag)
이 플래그는 RESET에 의해 설정되며, 최초 파라미터 요청의 오류없는 사용에 의해 리셋된다. 이는 파라미터 포트가 공칭 파라미터에 의해 로딩되지 않는 한, 데이터 요청이 수용되는 것을 방지한다.

이러한 과정은 마스터와 슬레이브 간의“오해”를 예방하는 데에 반드시 필요하다. 가령, AS-Interface 케이블 상의 전기적 접촉의 부실로 인해 슬레이브 – 이를 아는 마스터 없이 – 가 잠깐 동안 공급 전압을 받지 못하면, RESET이 실행되는 일이 발생할 수 있다. 이후, 파라미터 포트는 리셋되고 슬레이브의 모든 관련 기능들도 초기 상태로 되돌아간다. 결과적으로 슬레이브는 마스터가 기대하는 것과는 전혀 다르게 반응하게 된다.

아이씨엔 매거진 2007년 12월호

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