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필드 네트워크를 위한 AS-Interface 통신 시스템(4)

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 표준을 인증받았다.

3. 슬레이브 내의 기능 요청
슬레이브 내부에서 시퀀스 제어가 담당하는 상태, 그리고 그 상태들 사이의 가능한 변환이 상태 다이아그램인 그림 16에 나타나 있다. 리셋 후 AS-Interface는 초기화 상태로 들어간다.

이 상태에서는 다음과 같은 기능을 수행한다.

* 출력, 내부 레지스터와 플래그를 리셋
* 비휘발성 메모리로부터 주소, I/O 구성, ID 코드를 로드
* 비동기 상태로 전환

시퀀스 제어가 비휘발성 메모리를 읽는 도중에 오류를 검출하면 상태 레지스터에 플래그 S3을 설정한다. 이것은 예를 들어 주소 요청이 실행되는 도중에 전력손실이 발생했을 때 비휘발성 메모리에 저장되는 과정이 완전히 종료되지 않도록 하기 위해 사용된다.

비동기 상태에서 슬레이브는 라인에 도달하는 데이터 스트림을 검사하고 중지를 기다린다. “RECEIVE(수신)”상태에서 데이터 텔레그램은 그 다음 시작 비트를 시작으로 하여 판독되고 앞서 기술된 ‘데이터 무결성과 오류응답(월간 아이씨엔 2007년 7월호 참조)’에 기술된 확인 작업이 수행된다. 만약 수신오류가 발생하면 슬레이브는“ASYNCHRONOUS(비동기)”상태로 돌아오고, 이 상태에서 그 다음 중지를 기다린다. 만약 확인 과정에서 어떤 오류도 검출되지 않으면“DECODE(디코딩)”상태로 들어간다.

“DECODE(디코딩)”상태에서는 우선 주소 비교가 이루어진다. 주소가 일치할때만 명령이 분석되고, 적합한 명령이면 응답이 생성된다. 이 응답은“SEND(전송)”상태에서 마스터로 전송된다.

비휘발성 메모리와의 통신은 (요청과 IC 유형에 따라 최대 500ms까지) 시간이 더 걸릴 수 있으므로 백그라운드에서 진행된다. 이 통신은 마스터와 슬레이브 사이의 데이터 흐름을 방해하지 않지만 마스터는 그래도 실행 시간을 계산에 넣어야 한다.

슬레이브는 초기화 이후 모든 명령을 수행하지만 데이터 요청에 즉시 응답하지는 않는다. 유효한 파라미터 요청이 수신된 이후에만 데이터 교환이 가능해진다. 이 과정은 슬레이브가 데이터 출력 전에 정확한 동작 상태에 있도록 하기 위한 것이다.

4. 마스터 내의 기능 시퀀스
탐지와 활성 단계가 완료된 후 정상 동작 시, 마스터와 그에 연결된 모든 슬레이브 사이에는 주기적인 통신이 이루어진다. 이러한 주기는 데이터 교환 단계와 (선택적인)관리 단계, 그리고 추가 단계로 구성된다. 그림 17에 나타난 2개의 데이터 교환 단계는 네트워크 내에 동일한 주소를 사용하는 A 슬레이브와 B 슬레이브가 존재할 경우에만 서로 다르다.

데이터 교환 단계에서 마스터는 활성화된 슬레이브들을 데이터 교환 요청을 통해 차례로 폴링한다. 즉 상태는 출력 데이터 이미지로부터 슬레이브로 전송되고, 슬레이브 응답 내에 포함된 입력 신호는 입력 데이터 이미지에 저장된다.

만약 전송 레벨에서 오류를 보고하면 요청은 최대 3번의 연속적인 주기를 통해 반복된다. 만약 3번째 시도 역시 실패하면 대응하는 슬레이브가 없거나 결함이 있는 것으로 간주된다. 그러면 슬레이브는 모든 마스터 리스트에서 제거되고 입력 데이터 이미지는 0으로 설정된다. 이렇게 여러 번의 주기를 거친 오류 처리방식이 필요한 이유는 텔레그램의 짧은 길이 때문에 초고진폭의 노이즈 버스트가 주기를 방해할 수 있기 때문이다.

요청을 반복하는 것 역시 이러한 조건 하에서의 안정적인 동작을 보장하기 위한 것이다. 일반적인 산업 환경에서 접할 수 있는 강도 범위 내의 개별 노이즈 펄스나 방해는 바로 전송 레벨에서 즉각적인 반복을 통해 차단되며 전체적인 시간에도 큰 영향을 미치지 않는다.

데이터 교환 단계가 완료된 후 관리 단계가 시작될 수 있다. 관리 단계에서는 ‘비주기적인” 텔레그램이 전송된다. 한 주기마다 정확히 1개의 마스터 요청이 수행될 수 있으며, 그럼으로써 시퀀스 제어(예: 파라미터 설정, 작동 주소 변경) 기능을 수행하기 위해 필요한 데이터가 여러 번의 주기를 통해 분할되어 전송된다. 수행할 어떤 작업도 없는 경우에 시스템은 즉시 추가 단계를 시작하고 어떤 텔레그램도 전송되지 않는다.

관리 단계에서 수행될 수 있는 작업은 다음과 같다.

* 파라미터 값 설정
* 슬레이브 상태 읽기
* I/O 구성 읽기
* 3개의 ID 코드 읽기
* 확장형 ID 코드 1 쓰기
* 슬레이브의 동작 주소를 0으로 리셋
* 새로운 동작 주소를 슬레이브 0에 할당
* 슬레이브 리셋
* 동보 통신 수행

관리 단계가 종결된 후, 추가 단계(inclusion phase)가 시작되면, 이로써 각 주기 종료와 함께 새로이 추가된 스테이션들에 대한 조사가 이루어진다. 각 추가 단계 동안 “ID Code 읽기” 또는 “상태 읽기(Read status)” 요청으로 정확히 1개의 슬레이브가 조사된다. 이 요청은 오류 발생 시 전송 제어로부터 반복 없이 수행되는데, 그 이유는 이 시점에서 전송 오류는 시간에 제한이 없기 때문이다. 또한 슬레이브로 부터의 주변 장치 오류 정보가 추가 단계에서 수집된다. 이것은 주기 내에 시간 증가가 필요치 않다는 이점이 있는 한편, 모든 주변 장치 오류 정보를 문의하는 데에 여러 주기가 걸린다. 또한, 이미 활성화된 슬레이브가 “ID-코드 읽기” 요청을 받으면, 뒤늦게 네트워크에 연결된 수동 장치는 어떤 것이든 슬레이브를 식별할 수 있다.

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만일 이미 활성화된 슬레이브가 응답하거나, 어떤 슬레이브도 응답하지 않으면, 다음 슬레이브는 그 다음 활성화 단계 동안 검색된다. 만약 이전에 인식된적이 없는 슬레이브가 응답하는 경우, 그 슬레이브의 모든 정보는 다음 추가 단계에서 얻을 수 있다. 그리고, 그 다음 추가 단계에서 슬레이브는 선택된 동작모드에 따라 활성화된다. 활성화는 파라미터 필드로부터 파라미터를 기록함으로써 완성된다.

그 결과 슬레이브를 추가하거나 재추가하는 과정이 여러 추가 단계에 걸쳐 확장된다. 여기서, 주기 당 1 텔레그램인 여러 주기에 걸쳐 나누어지는 이 과정은 시작 모드에서 슬레이브를 찾고 활성화하는 데 사용되는 과정과 동일하다.

AS-Interface 케이블에 오실로스코프를 연결하여 상기 기술된 시퀀스를 보면 그림 18과 같이 나타난다.

5. 디바이스 프로파일(Device profiles)
IEC61915-1(초안)에 따르면 디바이스 프로파일은 디바이스와 교환될 수 있는 데이터와 파라미터 그리고 통신 네트워크 상에서 디바이스의 거동에 대한 정보를 제공하는 상태 다이아그램으로 구성된다. 디바이스 프로파일은 사용된 필드버스 시스템의 특성에 따라 좌우되지 않는다. AS-Interface의 경우 이러한 디바이스 프로파일은 (‘마스터 프로파일’과 대조되는 의미에서) “슬레이브 프로파일”이라고 부른다. 슬레이브 프로파일은 다음과 같은, 슬레이브의 분명하고도 구속력 있는 특성을 규정한다.

* 정보를 나르는 데이터 비트와 이 정보의 의미
* 파라미터의 사용 여부 및 사용되는 파라미터 의미
* 사용되는 주소 지정 모드
* 부속장치 오류 비트측정 가능 여부
* 슬레이브의 거동 방식

그림 19에서 간단한 슬레이브에 대한 전형적인 상태 다이아그램의 예를 볼 수 있다. 예를 들어 여러 주기에 걸쳐 디지털 데이터를 전송하는 슬레이브의 경우, 상태 다이아그램은 물론 어느 정도 더 복잡할 것이다. 그러나 이것은 마스터 및 슬레이브 개발자에게만 의미가 있는 정보일 뿐 사용자는 이 시퀀스에 대해 걱정할 필요가 없다.

한 프로파일에 한 슬레이브를 할당하는 과정은 I/O 구성, ID 코드 및 확장형 ID코드 2를 결합 사용하여 이루어진다.

프로파일은 종종 다음과 같은 사항도 규정한다.

* 슬레이브 모듈의 입출력을 위해 정의된 로직 레벨
* 입출력 신호에 고려되어야 할 시간 지연
* 지켜야 할 핀 구성과 모듈의 라벨 방식

그림 20은 가장 많이 사용되는 M12 접속을 위해 프로파일에서 제공되는 핀 구성을 보여준다. 이 규격은 실제로 연결된 제품의 표준(예: IEC 60947-5-2)과 최대한 호환 가능하다. 이 추가적인 규격은 다른 제조자 제품들 사이의 상호 운용성을 지원한다.

향후 개발을 위해 혹은 특수 모듈들이 지나치게 규제적인 프로파일 정의에 의해 제한되지 않도록 하기 위해 ID 코드 FHEX를 가진 “자유 프로파일”이 사용된다. 이 자유 프로파일에서는 디바이스 프로파일 정의 중 핵심적인 부분에 대해 제조자와 사용자 사이에 합의를 이루어낼 수 있고 또 그래야 한다.

그림 21의 개요는 현재 사용 가능한 프로파일을 보여준다. 추가적인 프로파일은 AS 국제 협회의 기술 위원회에 의해 지속적으로 검토되고 승인될 것이다.

아이씨엔 매거진 2007년 10월호

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