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필드 네트워크를 위한 AS-Interface 통신 시스템(5)

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.

6. 조합형 트랜잭션(combined transaction)

대부분의 AS-Interface 슬레이브들은 단지 몇 가지 주기적으로 교환되는 데이터 및 비주기적 전송 파라미터 비트의 정보로도 무난히 운용되지만, 다수의 애플리케이션들은 이것만으로는 충분하지 않다. 이러한 상황을 위해, 몇 가지 솔루션들이 상세하게 아래 기술된 규격 버전 3.0에 따라 제작되었다.

이들 솔루션의 공통 분모는 몇 가지 메시지들이 이미 정의된 관계를 가진 이들 메시지들의 내용과 함께, 마스터와 슬레이브 사이에 순차적으로 교환된다는 것이다. 따라서, 마스터와 슬레이브 간의 이러한 유형의 통신은“조합형 트랜잭션 유형(Combined Transaction Types)”라고 명명한다.(약어 CTT). 마스터는 정의된 CTT 중 하나의 방식으로 통신하는 슬레이브의 프로파일로부터 인식하며, 자동적으로 필요 정보 교환 및 주기 데이터 전송에 의해 자동적으로 개시된다.

그림 21a. 간단한 트랜잭션

비교를 위해 표준 슬레이브에 의한 데이터 및 파라미터 교환을 그림 21a에 나타내었다. 왼쪽 표는 주기 데이터 교환을 보여준다: 각 AS-Interface 메시지에서 4 비트의 데이터가 마스터에서 슬레이브로, 또 슬레이브에서 마스터로 전송된다. 최악의 경우에도, 슬레이브는 매 5ms마다 데이터 텔레그램과 접촉되어 주기 시간은 최대 5ms를 넘지 않는다.

오른쪽 표는 파라미터 요청을 사용하는 비주기 데이터 교환을 보여준다. 여기서 다시금 4 비트의 파라미터 정보는 마스터에서 슬레이브로 전송된다. 그러나, 규격 버전 3.0에서, 슬레이브에서 마스터로 역전송되는 4 비트 파라미터 데이터가 정의되어, 이들 비트는 가령 간단한 진단 정보를 표시하는 데에 사용될 수 있다. 하나의 AS-Interface 주기 당 단 하나의 파라미터 텔레그램이 전송 될 수 있고, 최악의 경우에 각 슬레이브는 파라미터 데이터를 제공받아야 하기 때문에, 각 방향으로 25 baud (bits/second)의 최소 전송 속도를 확보하게 된다. 이들 데이터가 주기적으로 전송되는 것이 아니기 때문에, 주기 시간에 대한 기준은 여기 언급할 필요가 없다.

측정된 디지털 온도값, 카운터의 상태, 회전 속도 설정 또는 변위 내지 각도 수치와 같은 주기적 디지털 데이터 교환을 위해, 마스터는 각각 124 워드의 용량을 가진 “아날로그 입력 데이터 이미지, AIDI(Analog Input Data Image)” 및 “아날로그 출력 데이터 이미지, AODI(Analog Output Data Image)”를 갖추었다.

전형적인 진단 데이터, 파라미터 데이터 또는 슬레이브를 상세하게 나타내는 데이터인 비주기 데이터를 위해, 마스터는 유사 파라미터 채널에 근접하게 제작된 데이터 채널을 갖는다. 이로써 데이터 패킷은 슬레이브와 교환되는 최대 32 byte의 길이를 가질 수 있다.

한편, 마스터와 슬레이브 사이의 바이트 별 데이터 통신에 대한 5가지 상이한 가능성들은 AS-International이 규정하고 있으며, 이는 아래에 보다 상세하게 기술된다. 아래의 설명에서 보여주는 데이터 양은 순 데이터이며, 주기는 최악의 경우에 발생할 수 있는 최장 시간이다. 이러한 트랜잭션 유형들을 사용하기 위해 필수적인 것은 이들을 지원하는 마스터를 가지고 있는 것이다.

CTT1 (조합형 트랜잭션 유형 1)
조합형 트랜잭션 유형 1 (Combined Transaction Type 1; CTT1)은 온도, 압력 또는 유량 트랜스미터, 변위 및 각도 측정 시스템, 스캐너, 스피드 제어 모터, 아날로그 밸브, 최대 8개 문자로 제공되는 화면 또는 유사한 필드 장치들과 같은 간단하거나 복합적인 센서 또는 액추에이터를 위해 고안되었다. 이 슬레이브는 단지 표준 주소지정 모드에서 작동될 수 있다. 운영중 주기 데이터를 위해 전송방향을 변경시키는 것은 불가능하다.

Profile S-7.3을 갖는 슬레이브들은 주기 데이터를 수신하거나 전송할 수 있고, 파라미터화는 단지 4-비트 파라미터를 사용하여야만 가능하고(그림 21c), 프로파일 S-7.4는 확장된 통신 가능성을 제공한다. 여기서, 고객은 슬레이브를 위한 ID 데이터 및 진단 데이터를 질의하기 위해 파라미터 채널로 전환하고, 파라미터 데이터 기록을 교환할 수 있다(그림 21d). 이 ID 데이터는 여타의 것들중에 벤더 ID 및 장치 ID 코드를 포함한다. 게다가 슬레이브의 작동 모드(아날로그 방식, 투명 모드, 4-비트 모드)가 전송된다.
아날로그 모드에서, -32768(8000HEX) 내지 32767(7FFFHEX)의 유용한 수의 범위는 일반적으로 5가지 범위로 나누어진다(그림 21b는 4 ~ 20mA 신호의 예를 사용하는 것을 보여준다).

그림 21b. 4~20mA 신호를 갖는 아날로그 센서의 오류, 경고 및 작업 범위

1. “단선(Wire break)”오류
범위 측정값은 무효이며, 용량초과 비트가 설정된다.

2. 하단범위(Underrange)
측정값은 유효하나, 공칭 범위를 넘어섰기 때문에 측정이 상당히 부정확하다.

3. 작업 범위(Working range)
규정된(specified) 정확성의 측정값을 얻는다.

4. 상단범위(Overrange)
측정값은 유효하나, 공칭 범위를 넘어섰기 때문에 측정이 상당히 부정확하다.

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5. “”단락(Short circuit)”오류
측정값은 무효이며, 용량초과 비트가 설정된다.

공칭 및 초과/부족 범위뿐만 아니라 오류 범위의 정확한 한계는 제조사의 데이터 자료에 정의되어 있다. 가령, 통신이 차단될 때 수신기에서 대체되는 초기값은 7FFFHEX이다.
프로젝트 모드에서 16비트의 데이터는 임의의 원하는 형식으로 전송될 수 있다. 이때 측정값의 초과 또는 부족 상태는 발생하지 않으며, 이에 상응하는 비트도 설정되지 않는다. 가령, 통신이 차단될 때, 수신기에서 대체되는 초기값은 0000HEX이다.

4-비트 모드에서, 슬레이브는 표준 슬레이브처럼 행동하며, 주기적으로 양방향으로 4 비트의 데이터를 교환한다. 이때, CTT1은 슬레이브의 식별, 상세한 진단 및 파라미터화를 위해서만 사용된다.

그림 21c. 간단한 센서 또는 액추에이터를 위한 CTT1(프로파일 S7.3)
그림 21d. 파라미터화 가능한 센서 또는 액추에이터를 위한 CTT1 (프로파일 S-7.4)

그림 21c와 21d에 제시된 가장 최악의 경우 횟수와 데이터 전송속도는 각각 반으로 줄어들 수 있고, AS-Interface의 가능성을 최적으로 사용한다면 이는 배로 증가할 수도 있다. 즉 슬레이브가 동일한 메시지에서 마스터 콜에 이의 응답을 재전송하고 전체 주기가 겹치는 것을 허용하지 않을 때가 바로 그러하다.

주기 데이터 통신과 파라미터 통신 간의 스위칭은 일정 시간이 걸릴 수 있으며(몇100ms), 비주기 데이터 교환이 이루어지는 동안 어떠한 주기 데이터도 전송되지 않는다.

CTT2 (조합형 트랜잭션 유형 2)
조합형 트랜잭션 유형 2 (Combined Transaction Type 2; CTT2)는 온도 조절기, 8개 이상 문자를 표시하는 디스플레이, 실측치 피드백이되는 속도제어모터, 위치 피드백이되는 아날로그 프로세스 밸브 또는 디지털 데이터의 양방향 전송을 필요로 하는 유사 필드 장치들과 같은 간단하거나 복잡한 필드 장치들을 위해 고안되었다(그림 21e).
또한 CTT2는 사소한 몇 가지 제한점이 있기는 하나 필드 장치에 이르는 HART 인터페이스에 대안으로서 기능할 수 있다. 이 슬레이브는 확장형 주소지정 모드에서가 아니라 표준 주소지정 모드에서 작동할 수 있다. 데이터 교환은 양방향 동시통신이 가능하며, 즉 디지털 입력 및 출력 데이터뿐만 아니라 이진 데이터가 동시에 전송될 수 있다. 데이터 전송 방향의 어떤 특별한 스위칭도 필요하지 않다.

이 트랜잭션 유형은“콤비 필드 장치(Combi Field Devices)”의 사용을 가능하게 한다. 이는 이진 및 디지털 입력 및 출력 성능을 갖고 있는 장치들을 포함한다.

이진 입력 및 출력은 예를들어 하한선 또는 상한선 위반(limit violation)등을 신속하게 표시하는 데에 사용될 수 있으며, 동시에 유용 가능한 정밀한 측정값의 디지털 전송은 진단 및 유지보수 목적을 위해 사용될 수 있다.

파라미터 채널은 트랜잭션 유형에서뿐만 아니라 제조자 ID, 제품 ID 및 작동 모드를 포함하는 슬레이브 용 ID 데이터를 전송시키는 데에 사용될 수 있다. 포괄적인 진단 및 파라미터 데이터 레코드는 또한 교환될 수 있다. 만일 비주기 디지털 데이터가 교체된다면, 주기적 디지털 데이터 전송은 전송 기간 동안 차단되며, 이와 같이 이진 데이터의 주기 전송이 영향을 받지 않고 남아있다.

사용되는 데이터 형식은 CTT1의 경우와 동일하다.

그림 21e. 콤비 필드 장치를 위한 CTT2 (여기서 제시되지 않은 것; S-B.A.E)

그림 21e에 나타난 최악의 경우의 시간과 데이터 전송율은 AS-Interface를 최적 상태로 사용하여 배가된 경우에 비해 반감될 수 있다. 즉, 이는 슬레이브가 동일한 메시지에서 마스터의 요청에 대한 응답을 재전송하여 하나의 전체 주기가 경과하지 않게 하는 것을 의미한다.

결과적으로 다양한 파라미터들을 처리하기 위해, AS-Interface를 FDT 표준으로 통합시키는 작업이 현재 진행중이다. 이로써 파라미터를 손쉽게 설정하고, 원격 진단 및 유지보수들을 처리하는 데에 사용될 수 있는 OEM-중립 플랫폼이 만들어 질 것이다.

CTT3 (조합형 트랜잭션 유형 3)
조합형 트랜잭션 유형 3(Combined Transaction Type 3; CTT3)은 이진 센서, 액추에이터 및 필드 장치들, 즉 신호등 피드백, 밸브 터미널, 상태 지시 컬럼 및, 양방향 이진 데이터 전송을 필요로 하는 유사 장치들을 위해 고안되었다. 또한, 간단한 아날로그 센서 또는 액추에이터들은 8비트의 레졸루션으로 충분하다면 CTT3을 사용하여 작동될 수 있다(그림 21f). 슬레이브는 확장 주소 모드에서 사용된다.

Profile S-7.A.7은 주소지정 확장 가능성 덕분에 출력 데이터 비트“lost”를 다시금 유용하게 만든다. 그러나, 이는 최대 40ms를 넘지 않지 않는 트랜잭션 유형에 대한 응답시간을 비용으로 한다.

그림 3.24f에 나타난 최악의 경우의 시간과 데이터 전송율은 AS-Interface를 최적 상태로 사용하여 배가된 경우에 비해 반감될 수 있다. 즉, 이는 슬레이브가 동일한 메시지에서 마스터의 요청에 대한 응답을 재전송하여 하나의 전체 주기가 경과하지 않게 하는 것을 의미한다.

만일 하나가 프로파일 S-7.A.A를 사용하는 62개의 슬레이브를 갖춘 AS-Interface 네트워크를 구비해야 한다면, 총 496개의 이진 입력점과 496개의 이진 출력점 모두, 즉 거의 1000개의 I/O가 유용하게 사용된다.

그림 21f. 키패드, 밸브 터미널 및 유사장치를 위한 CTT3

CTT4 (조합형 트랜잭션 유형 4)
조합형 트랜잭션 유형 4(Combined Transaction Type 4; CTT4)는 온도, 압력 또는 유량 전송기와 같은 간단한 아날로그 센서 및, 디지털 데이터가 슬레이브에서 마스터로 전송되는 것이 필요한 유사 장치들을 위해 고안되었다. 슬레이브는 확장형 주소지정 모드에서 작동된다(그림 21g).

전송 유형은 CTT1의 확장형이다.

그림 21g. 단일 또는 이중 채널 아날로그 센서를 위한 CTT4

CTT5 (조합형 트랜잭션 유형 5)
조합형 트랜잭션 유형 5(Combined Transaction Type 5; CTT5)는 신속한 데이터 전송을 위해 최적화되었다. 가령 각도 인코더, 액추에이터 및, 역동적 디지털 제어 루프 상의 컴포넌트인 필드 장치들과 같은 신속함을 요하는 센서에 사용될 수 있다. 8 bit, 12 bit 또는 16 bit의 데이터는 양방향 동시통신으로 5 ms 내에 전송될 수 있다(그림 21h). 이는 다음과 같이 몇 가지 슬레이브 주소들을 사용하여 조직된다: 2, 3 또는 4개의 연속 주소들 중 가장 낮은 주소가 슬레이브의 물리적 주소가 된다.

이 슬레이브는 이 데이터 채널의 확장을 위한 그 다음의 한단계 높은 주소(next higher addresses)를 사용한다. 이러한 방식으로, 최대 16-비트에 이르는 디지털 값은 단일한 AS-Interface 사이클에서 완벽하게 전송될 수 있다. “쉐도우 주소(shadow addresses)”는 물론 다른 슬레이브들에 할당되지 않아야 한다. 슬레이브는 2, 3 또는 4개의 표준 주소들을 확보하고 있다.

출력 값은 슬레이브의 출력 데이터 이미지에서 최저 주소로 제공되며 입력 값은 아날로그 입력 데이터 이미지의 상응하는 필드에서 제공된다. “쉐도우 슬레이브”의 필드는 공백으로 남는다.

이러한 트랜잭션 유형을 사용하는 슬레이브의 경우, 자동 주소지정을 위한 메커니즘들이 다른 슬레이브들에 대해서와 동일한 방식으로 작업하지 않는다는 것을 명심해야 한다. 따라서 사용자가 CTT5 유형의 슬레이브를 사용하고 있다면, 다른 수단을 사용하는 것이 필요할 것이다.

그림 21h. 신속한 아날로그 센서, 액추에이터 및 필드 장치들을 위한 CTT5

또한, 안전 슬레이브들과의 통신은“조합형 트랜잭션 유형”의 일부이다. 그러나, 여기서 통신은 우선적으로 마스터와 슬레이브 간에 이루어지지 않고 오히려 슬레이브와 세이프티 모니터 사이에 이루어진다. 이는 이 책의 4장에서 상세하게 다루고 있다.

요약하자면, 이제 아날로그 데이터, 파라미터 데이터, ID 데이터 및 상세한 진단 데이터가 AS-Interface를 경유하여 간단하게 교환하기 위해 유용한 다양한 보완적 방법들이 제시된다. 제품 개발자의 과제는 다양한 가능성들 중에서 손쉬운 작업을 위한 가장 최적의 절차를 선택하는 것이다. 이것은 AS-Interface에 대해 일반적으로 기대하던 바와 같이 사용하기 간편한 새로운 유형의 통신을 사용자들이 사용할 수 있다는 것을 의미한다. 게다가, “클릭 앤 고(Click and Go)” 기능은 이제 아날로그 영역에 대해서도 사용 가능하다.

아이씨엔 매거진 2007년 11월호

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