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. < 편집자 주>
ISO/OSI 기준 모델에서의 AS-Interface
모든 필드버스와 마찬가지로 AS-Interface는 7개의 레이어를 가진 ISO/OSI 기준 모델 방식으로 분류될 수 있다.
AS-Interface에서는 7개의 레이어 중 3개만이 구현된다. 그 이유는 다음과 같다.
– 우회 통신 연결이 요구되는 경우 메쉬 구조가 지원되지 않는다. (레벨 3 생략)
– 네트워크 전송 인터페이스가 구현되지 않는다. (레벨 4 생략)
– 스테이션이 지속적으로 접속되어 있기 때문에 세션 기능이 없다. (레벨 5 제거됨)
– 데이터가 해석되거나 암호화될 필요가 없다. (레벨 6 제거됨)
그림 1에서 보는 바와 같이 구현된 3개의 레이어는 물리적 레이어, 데이터 링크 레이어, 애플리케이션 레이어이다.
물리적 레이어
물리적 레이어는 하드웨어 중심으로 통신 객체 간의 물리적 링크를 연결하고 유지하는 모든 측면과 관련이 있다.
데이터 링크 레이어
데이터-링크 레이어는 물리적 레이어 바로 상위에 위치한다. 이 레이어는 데이터의 패키지 및 주소 자료, 안전한 전송 흐름 관리와 관련된다.
애플리케이션 레이어
이 레이어는 예를 들어 시스템 구동 중 슬레이브 교체 (핫 스왑 또는 live insertion)같은 명령, 데이터 내용, AS-Interface 주기 시퀀스 및 스테이션의 행동을 정의한다.
AS-Interface 시스템은 그림 2와 같이, 상호 간에 그리고 주변과 연결된 여러 하드웨어 컴포넌트로 구성된다. 이 컴포넌트들에는 전송 시스템, 슬레이브, 마스터가 있다.
전송 시스템
전송 시스템은 자유로이 선택 가능한 토폴로지, 전원 공급 장치, 데이터 디커플링 방식으로 상호 간에 그리고 마스터에 연결시키는 AS-Interface 2-도체 케이블로 구성된다. 데이터 교환과 전력 배분 모두 이 2-도체 전송 시스템으로 처리된다.
슬레이브
슬레이브는 인터페이스 1을 이용하여 AS-Interface가 구성된 센서나 액추에이터에 접속부를 형성함으로써, 슬레이브 기능이 센서/액추에이터에 완전히 통합되게 한다.
마스터
마스터는 인터페이스 3, 즉 제어 측을 사용하여 호스트 시스템과의 접속부를 형성하고, 이 호스트 시스템은 다시, 상위 레벨의 필드버스 시스템과 연결시켜 주는 PLC, PC 또는 커플러로 구성된다. 또한 마스터는 전송 시스템을 통해 데이터 흐름 전체를 제어하고 필요한 관리 기능을 책임진다.
AS-Interface 표준은 전송 시스템으로서의 인터페이스 2를 포괄적이고 완전하게 기술한다. 데이터 전송 및 전원 공급을 위해 필요한 모든 조건이 규정되어 있고 데이터 및 파라미터 전송, 주소 지정 및 식별 또는 슬레이브의 상태 폴링 등을 위한 모든 기능이 정의되어 있다.
위의 인용된 표준에서 인터페이스 1은 단지 개념적으로만 기술될 뿐이며 그 구체적인 구현 형태는 제품 제조자가 결정한다. 프로파일은 가장 많이 사용되는 슬레이브 유형을 기술한 것으로서, 다양한 제조자들의 제품 사이에 기능적 상호 교환성이 어느 정도 가능한지를 더 정확하게 설명하는 데에 사용된다.
호스트 시스템이 구체화할 수 있는 구조가 다양하기 때문에, 인터페이스 3 또한 개념적으로만 기술된다. 구체적인 구현 형태는 PLC, PC, 필드버스 커플러의 구현 형태에 따라 결정된다.
나머지 AS-Interface의 컴포넌트 중, 필요할 때만 사용되는 장치인 리피터는 케이블 길이를 100m 이상으로 연장할 수 있도록 한다. 지락 검출기, 주소 지정 디바이스 및 서비스 디바이스는 슬레이브 주소 할당과 오류 발생 시 신속한 문제 진단 기능 제공을 위해 사용된다.
물리적 레이어
1. AS-Interface 케이블
AS-Interface를 위한 전송 매체로, 2가지의 2-도체 비차폐 케이블이 규정되었다. 한 케이블은 유연한 고압 케이블로서 CENELEC 또는 DIN VDE 0281에 적합하며 H05VV-F 2X1.5로 지정되었으며 매우 저렴하고 구하기도 용이하다.
다른 케이블은 AS-Interface 용 플랫 케이블로서 전기적 특성은 매우 유사하나 별도의 설치 특성을 갖는다. 필드버스 시스템에서 발견되는 기타 전송 매체(예: 2-도체 꼬임 케이블, 동축 케이블, 광 케이블)는 데이터와 전원의 동시 전송에 적합치 않으며 설치도 복잡하고 비용도 비싸다.
적합한 전송 매체의 선택과 관련하여 두 가지 고려해야 할 전기적 특성이 있다. 바로 전력 전송을 위한 DC 저항과 통신에 사용되는 주파수 범위 내의 전송 특성이다. 슬레이브의 전원 공급을 위해 적어도 2A가 전송될 수 있어야 한다.
– 케이블 길이 100m
– 케이블을 따라 고르게 분포된 62개의 슬레이브
– 총 전류가 2A가 되도록 모든 슬레이브가 평균적으로 동일한 전류 요건을 가짐
위와 같은 조건을 가정할 때, 그 결과는 전원 공급 장치의 입력점과 최종 슬레이브의 종단점 사이에 전압 강하가 최대화며, 그 값은 아래의 표에서와 같이 선택된 도체 단면적에 따라 다르다.
슬레이브의 인터페이스 1에 허용 전압 공차 24V+10%/-15%인 액추에이터가 연결될 수 있고, 전원 공급 장치에 기술적으로 가능한 전압 공차가 허용되어야 하므로, 3V의 케이블과 1.5㎟ 도체 단면적(AWG 16)의 경우에 최대 허용되는 전압 강하가 규정되었다. 이 솔루션은 실용적인 애플리케이션의 대다수에 적용된다.
만약 위의 가정에서 조건이 크게 벗어나는 경우에는 네트워크 내의 가장 먼 지점에서의 전력 배분과 전압 조건을 자세히 분석해야 한다.
순수하게 기술적인 관점에서 보면, 0.75㎟~2.5㎟(AWG 18~AWG 14)의 도체 단면적도 사용될 수 있다. 그런 경우에는 모션 케이블이 필요하거나 높은 전류가 요구되는 애플리케이션에서처럼 특수 케이블을 사용하는 것이 가능해진다.
AS-Interface 전송 케이블을 선택할 때 고려해야 할 다른 측면은 전송 주파수 범위 내의 케이블 특성과 관련이 있다. 이것은 그림 3.6에서처럼 케이블 모델에 따라 기술될 수 있다. 아래의 그림 4는 케이블 모델에 상관없이 충족시켜야 하는 최대 정격이다.
그림 4는 AS-Interface 케이블의 전송 특성, 특히 주파수에 대한 임피던스 곡선으로서 전송 행태의 정의에 결정적인 요소이다. 그림에서는 167kHz까지 저주파수와 고주파수 모두 크게 감쇠됨을 볼 수 있는데, 이는 특히 비대칭 간섭과 관련하여 AS-Interface 시스템의 동작에 매우 긍정적인 영향을 미친다.
2. 압핀형 연결기법(Penetration technique) 및 전원 공급 장치
AS-Interface 용 버스 케이블은 익숙한 쉴딩 처리되지 않은 꼬임 없는 2-도체 플랫 케이블로, 데이터와 슬레이브 전원을 함께 전송하며, 개발 당시 프로젝트의 핵심이었다. 피복은 노란 색이며 기하학적으로 코드화된 횡단면이 특징이다.
이것은 AS-Interface의 전기기계적 기반을 나타낸다. 도체의 위치는 케이블 내에 고정되어 있고 쉴딩이 없어 극성 반전(polarity reversal) 문제없이 쉽게 연결될 수 있다.
케이블은 가르거나 피복을 벗기거나 쉴드를 덧붙일 필요가 없다. 일반적인 2-도체 케이블도 분리되면 4개의 도체단을 갖고, 다시 연결해야 한다! 이런 케이블들은 추가적인 전압 강하를 일으키며 불량 접점의 잠재적인 원인이 된다.
대부분의 슬레이브(통합된 슬레이브 및 모듈)는 AS-Interface 네트워크로부터 동작 전력을 공급 받는다. 이 전력이 충분하지 않거나, 데이터와 공급 전압이 분리될 필요가 있을 때에는, AS-Interface 네트워크로부터 전기 절연된 제2 공급 전압회로가 제공된다. 이것은 예를 들어 디바이스의 전압 요구조건이 다르거나, 센서와 명령 디바이스에 영향을 미치지 않고 액추에이터를 단로시키는 별도의 ESTOP 회로가 필요한 경우에 적합하다.
제2 전원 공급 장치가 사용되는 경우에는 최대 30V DC까지의 공급 전압을 위한 흑색 AS-Interface 케이블을 쉽게 연결하여 사용할 수 있다. 모든 케이블 유형은 다양한 재질의 피복이 사용된다(고무, TPE, PUR).
일부 AS-Interface 애플리케이션은 표준 라운드 케이블 (예: 제어 캐비닛 내에 혹은 모션 케이블 용)이나 접점 경로 상의 미끄럼 접점을 사용한다. 두 가지 모두 허용되지만 특별한 주의가 요구된다.
3. AS-Interface 전원 공급 장치
AS-Interface 전원 공급 장치는 AS-Interface 내에서 4개의 중요한 과제를 수행한다.
전원 공급장치
이 전원 공급 장치는 2-도체 케이블을 통해 슬레이브들 그리고 마스터의 부분에 전원을 공급한다. 최대 8A, 29.5V~31.6V의 DC 전압을 공급한다.
균형
전원 공급 장치는 또한 AS-Interface 네트워크의 균형을 맞추기 위해 사용된다. AS-Interface는 대칭의 비접지식 시스템으로 동작한다. 대칭 노이즈 커플링에 대한 최적의 노이즈 내성을 위해 AS-Interface 케이블은 최대한 대칭적으로 설치되어야 한다. 이것은 그림 3.9와 같이 균형 회로에 의해 가능하다. 차폐 접속은 기계나 시스템 상의 적절한 지점에서 접지되어야 한다. AS-Interface는 이 지점만 시스템 접지(GND)에 접속되도록 허용한다.
데이터 디커플링
전원 공급 장치의 세 번째 기능은 데이터 디커플링을 제공하는 것이다. 데이터 디커플링 네트워크란 보통 전원 공급 장치와 동일한 하우징 내에 위치하며, 각각 50mH인 2 개의 도체와 각각 39 ohm인 2개의 병렬 배선 저항기로 구성된다.
도체는 전압 펄스의 차이를 이용하여 AS-Interface 전송기에 의해 생성된 전류 펄스를 변환한다. 그와 동시에 AS-Interface 케이블이 데이터 전송을 위한 전원 공급 장치에 의해 단락되지 않도록 방지한다.
안전
네 번째 기능은 안전 문제와 관련이 있다. AS-Interface는 안전 절연 기능을 갖춘 저압 시스템으로 설계되었다(초저전압 보호, PELV [15]). 이것은 관련된 IEC 표준에 따라, 전압 공급 네트워크와 AS-Interface 네트워크 사이의 전원 공급 장치에“안전 절연”이 요구됨을 의미한다.
아이씨엔 매거진 2007년 06월호