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필드 네트워크를 위한 AS-Interface 슬레이브(2) – 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.

AS-Interface 슬레이브는 마스터와의 주기 데이터 교환용 데이터 포트 및 파라미터 전송용 포트를 갖고 있어 우수한 연결성을 제공한다.

3. 인터페이스 1: 슬레이브의 센서/액추에이터 측면

지난호에 설명한 그림 3에 표시된 바와 같이, 슬레이브의 인터페이스 1은 4개의 데이터 포트를 갖는다. 이때, 이들 포트는 선택된 I/O 구성에 따라 입력 포트로서, 출력 포트로서 또는 양방향 통신을 위해 사용될 수 있다. 또한 출력 데이터가 존재하고 입력 데이터가 예측될 때 신호를 보내는 데이터 스트로브 출력도 제공된다.

액추에이터 슬레이브를 위해서는, 타임아웃 모니터(워치독이라 불리며, 슬레이브 IC에 통합됨)를 활성화 시키는 것이 권장된다. 만일, 타이밍 멤버가 작동하고 있는 동안, 어떠한 새로이 정확하게 수신된“데이터 요청”이 슬레이브 주소에 도착하면, 액추에이터는 워치독을 사용하여 시스템을 안전 상태로 유지할 수 있다. 이러한 타임아웃 모니터링은 다양한 오류 가능성, 즉 마스터 내의 하드웨어 고장, 전송 케이블 상의 간섭 또는 슬레이브 내 주소 소실 등의 발생 가능성을 사전에 차단한다. 따라서, 필요 시에 AS-Interface 시스템은 보안 부분을 강화하여 제작될 수 있다. 타임-아웃 기간은 40~100ms의 시간이 소요된다.

마스터와의 주기 데이터 교환을 위해 제공되는 데이터 포트 이외에도, (비주기형) 파라미터 출력에 대해 사용되는 부가적인 포트들도 출시되었다. 다시 여기서 새로운 파라미터 메시지가 도착했을 때, 부가적인 스트로브 출력이 이를 표시한다.

FID 입력은 주변장치 오류를 신호하는 데에 사용된다. 만약 슬레이브 기기가 오류(가령 외부 단락으로 인한 공급 전압 과부하)를 감지한다면, 이 입력은 로컬 이벤트를 표시하고, 상태 레지스터를 사용하여 이를 마스터에 보고하는 데에 사용될 수 있다. 이 마스터는 일련의 주변장치 오류 목록에서 해당 오류를 기입하여, 플래그 모음을 설정한다. 이 작업은 상황을 파악하고 그에 알맞은 적합한 측정(가령, 슬레이브를 재활성화하거나 오류를 오퍼레이터에 보고하는 것)을 하기 위해 마스터 또는 호스트 시스템에서 진행되는 오류 처리 순환 작업이다. 또한, 중대한 오류의 경우, 슬레이브 IC 상의 Reset 입력치가 활성화될 수 있다. 이때, 네트워크 구성 오류가 발생한다.

마지막으로, DC 전압은 Vout 포트 상의 연결 센서 또는 액추에이터에 제공되며, 이는 일반적으로 허용 범위 24V +10/-15%를 갖는다. AS-Interface 슬레이브 상의 새로운 단일한 상태 표시(그림 4)는 신속한 고장분석을 지원하며, 이로써 고장 횟수를 최소화한다.

4. 인터페이스 2: 슬레이브의 전송 측면

지난호(월간 아이씨엔 2007년 12월호 43p)에는 인터페이스 2 상의 AS-Interface 전송 시스템에 적용하는 광범위한 기술적 조건을 기술한 바 있다. 이로부터, 우리는 이 시스템에서 협력하여 참여하고자 하는 모든 슬레이브들은 마스터와 오류없이 통신하고 다른 슬레이브들 및 마스터 간의 통신을 방해하지 않기 위해 충족시켜야 하는 조건들을 이끌어 낼 수 있다.

전송 시스템은 슬레이브의 종단점에서 26.5V 내지 31.6V의 작동 전압을 제공한다.

슬레이브는 연결 센서 및/또는 액추에이터뿐만 아니라 자체 전자기기들을 공급하기 위해 종단점에서 AS-Interface 네트워크로부터 전류를 이끌어낼 수 있다. 슬레이브의 전류 이끌어냄(current draw)은 네트워크 내 모든 일반 조건들이 충족되는 한 기본적으로 무제한이다. 전원 공급 장치 상의 전류 부하량과 네트워크 내 전압 강하가 허용 가능한 값을 초과하지 않도록 설계하는 것은 사용자의 책임이다.

AS-Interface 전기기계는 전원이 공급되어 작동하는 동안 슬레이브의 연결과 차단이 가능하도록 설계되어 있다( “핫 스왑(hot swap)” 또는 “작동 중 끼워넣기(live insertion)”). 슬레이브 전자공학은 전력 상승 시 높은 전류 스파이크가 발생하지 않으며, 다른 슬레이브들과의 데이터 교환은 단지 몇 밀리초 동안만 중단된다. 이러한 특징은 시스템의 기동을 보다 손쉽게 만들며, 손상된 슬레이브들의 신속한 교체를 가능하게 한다.

AS+와 AS- 터미널 사이에 측정가능한 주파수에 대한 저항곡선은 상당히 중요하다. 그림 5는 저항 측정을 수행하는 데에 사용되는 AS-Interface 스테이션의 등가회로를 보여준다. 여기서 디바이스의 측정 결과는 해당 등가회로의 데이터로 변환되고 허용가능한 임피던스 한계와 비교된다. 단지 이런 조건이 충족될 때만, 데이터 통신의 전압 펄스가 약간 왜곡되고, 항상 어떤 토폴로지를 사용하는 AS-Interface 네트워크에서 수신기에 의해 신뢰성있게 파악되고 처리될 수 있다는 것이 보장된다.

AS-Interface는 대칭적으로 작동되는 무접지 시스템이다. 신호 왜곡을 방지하고 간섭을 효과적으로 방지하기 위해, 접지로의 스트레이 임피던스가 대칭적이고 일정한 한계치를 초과하지 않는 다는 것을 보장하도록 슬레이브에 주의를 기울여야 한다. 특히 슬레이브들을 개발할 때 이를 고려하여야 한다. 이로써, 사용자는 센서 및/또는 액추에이터들을 모듈로 연결시킬 때 제한받을 필요가 없게 된다. 적합한 필터 또는 옵터 커플러가 요청되는 한계치를 유지하는 것도 가능하게 한다. 정확한 한계치 뿐만 아니라 다양화를 위한 테스트 절차는 추후에 기술한다. 공인된 실험실에서의 표본 시험이 포함된 승인 과정을 통해 해당 조건들은 확실히 충족된다.

5. AS-Interface 슬레이브 IC

앞에서 기술된 슬레이브들의 임무를 효율적으로 수행할 수 있도록, 외부 컴포넌트에 대한 요구를 최소화 한 다양한 고집적 회로들이 개발되었다 (그림 6과 7).
IC 기기들은 공통적으로 40V의 구동전압한계를 지니는데, 그리하여 극성 반전 보호 다이오드(polarity reversal protection diode)가 AS-Interface 케이블에 직접 연결될 수 있다. 슬레이브들과 AS-Interface 케이블 사이에는 전기 절연이 전혀 사용되지 않는다.

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해당 IC 들은 19V 내지 25.6V 사이의 전압을 최대 50mA의 전류로 공급하며, 이는 대다수 센서는 물론, 일부 액추에이터에도 충분하다. 회로가 공급할 수 있는것보다 많은 전류가 요구되어 전력 손실이 염려될 경우, 전류 증가분을 처리할 병렬 분기(parallel branch)가 도입될 수 있다. 내부 조정기를 안정화시키고 전압 강하를 짧은 시간 동안 분기하기 위한 버퍼로 작용하도록 캐패시터들이 사용된다.

하나의 수정 시계가 슬레이브 IC의 내부 클럭 빈도수를 결정하는데, 이는 최대 0.2%의 허용한계를 두고, 정상 값에서 벗어나는 것이 허용된다. 주소 및 확장 ID 코드 1을 저장하기 위해 비휘발성, 프로그래밍 가능 메모리가 대부분의 IC들에 내장되어 있다.

아이씨엔 매거진 2008년 01월호

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