필드 네트워크를 위한 AS-Interface 마스터(3) – 컨트롤러와의 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. < 편집자 주>
시퀀스 컨트롤 상의 기능 요청
시퀀스 컨트롤 상에서, 모든 기능 요청들은 전송 단계와 병행으로 처리된다.
– 병행 처리
전송 단계 동안 기능 요청들도 함께 처리된다.
어느 정도 까지는 슬레이브와의 직접 통신이 제공되나, 대부분의 경우에 이들 데이터 교환은 관리 단계에서 실행된다. 기능 요청은 파라미터 쓰기, 수행 상태 문의 및 프로젝팅의 처리 등을 포함한다.
1. 데이터 교환 및 슬레이브 컨트롤
단지 소수의 기능 요청들만이 슬레이브와의 직접적 통신을 가능하게 한다. 시퀀스 컨트롤이 자동적으로 갱신시키는 입출력 데이터를 전송하기 위해, “입력 데이터 읽기”, “출력 데이터 쓰기”, “아날로그 입력 데이터 읽기” 및 아날로그 출력 데이터 쓰기” 등의 기능들이 사용된다. 앞의 두 가지 기능들은 모든 슬레이브 신호들을, 슬레이브 입출력점을 위해 4 비트가 각 슬레이브에 할당되는 각 데이터 필드에서 동시에 전송한다. 나머지 두 가지 기능들은 슬레이브 프로파일 S-7.3 및 S-7.4에 따른 모든 아날로그 슬레이브들에 대해 상응하는 입출력 데이터를 전송한다. 이들 데이터는 백그라운드로 작동하는 시퀀스 컨트롤 상에서 상응하는 기능에 의해 지속적으로 갱신되며, 이로써 몇 가지 주기를 거쳐 분산되는 데이터 교환 다이얼로그는 상응하는 슬레이브와 함께 실행된다. 슬레이브와 데이터 교환을 요구하는 모든 다른 기능을 위해 관리 단계가 사용된다.
“파라미터 쓰기” 기능은 슬레이브의 파라미터 출력이 한 주기 당 한번 설정될 수 있게 한다. 따라서, 거의 변경되지 않는 파라미터 전송은 데이터 전송에 비해 상당히 느리게 진행된다. 이들이 슬레이브에 전송되는 것과 동시에, 파라미터도 파라미터 필드에 저장된다. 이는 심지어 슬레이브 자체가 파라미터를 읽어내기 위해 제공된 것이 아니라 하더라도, 파라미터를 읽어낼 수 있게 한다.
시퀀스 제어의 가장 복잡한 기능은“동작 주소 변경”(그림 3.39)이며, 이는 새로운 주소를 슬레이브에 할당하는 데에 사용된다. 다수의 폴(poll)들이 필수적이기 때문에(예: 이중 주소지정 방지를 위해), 이 기능은 몇개의 주기를 통해 실행된다.
2. 마스터 컨트롤 및 진단
상태 문의는 슬레이브에 구성 데이터(I/O 구성 및 ID 코드)가 존재하는지, 이들이 데이터 교환 시에 참가하는지를 호스트가 결정할 수 있게 한다. 여기에 필요한 모든 데이터는 맵을 통해 나오며, 이 맵은 마스터가 스타트업과 동시에 제작하고, 구성이 변경될 때마다 갱신된다.
* “실제 구성 데이터 읽기”에 의해, 호스트는 슬레이브의 12비트 ID 코드와 4비트 I/O 구성을 얻는다.
* “LAS 읽기”는 활성 슬레이브의 리스트를 제공하며, 이로부터 어떤 슬레이브들이 데이터 교환에 실제로 참가하는지 알아볼 수 있다.
* “LDS 읽기”에 의해서, 네트워크 상에서 접속되어 있고 기능하고 있는 모든 슬레이브들을 얻을 수 있다. 부정확한 할당은 LAS와 LDS를 비교함으로써 결정될 수 있다.
* “플래그 읽기”는 시퀀스 컨트롤의 플래그를 얻으며, 이는 마스터의 상태와 구성에 대한 개요를 제공한다.
대부분의 유용한 마스터들은 호스트와의 인터페이스를 통해서뿐만 아니라, LCD 디스플레이와 같은 전방 패널 상에 이러한 정보를 일부 표시한다. 이는 별도의 진단 도구없이 로컬에서 네트워크의 상태를 알 수 있게 한다.
이 마스터는 세가지 기능“프로젝팅 모드 설정(Set projecting mode)”, “오프라인 모드 설정(Set offline mode)”및“데이터 교환 활성화 설정(Set data exchange active)”을 사용하여 제어되며, 이들 기능은 상응하는 플래그를 제어한다.
3. 프로젝팅(Projecting)
AS-Interface 마스터에서 프로젝팅은 명목 구성의 비휘발성 저장을 의미한다.
마스터는 프로젝팅이 먼저 실행되는 경우에만 프로젝티드 모드로 확실히 기능할 수 있다.
기능들은 모든 프로젝팅 데이터를 읽어내고 기록하는 데에 유용하다.
* “프로젝트 LPS(Project LPS)”( “Read LPS”)는 마스터와 어떤 슬레이브가 데이터를 교환해야 하는가를 규정한다.
* “프로젝트 파라미터(Project parameters)”( “Read projected parameters”)는 슬레이브에 대해 마스터가 작동을 시작한 이후 처음 활성화 시에 사용되어야하는 파라미터를 설정한다.
* “프로젝트 구성 데이터(Project configuration data)”는 프로젝티드 슬레이브의 유형을 규정한다. 단지 I/O 구성 및 ID 코드로 구성된 구성데이터가 프로젝티드 구성 데이터와 동일한 슬레이브 만이 활성화된다.
실제 구성이 프로젝티드 데이터로 복사되는 경우, 마스터의 프로젝션을 위한 가장 초기 방법은 티치인(teach-in) 방식이다.
* “실제 구성 데이터 프로젝트(Project actual configuration data)”기능은 구성 데이터 이미지 영역에서 프로젝티드 구성 데이터 영역으로, 그리고 LAS에서 LPS로 모든 구성 데이터를 복사한다. 이 기능은 단지 프로젝팅 모드에서만 허용된다.
* “실제 파라미터값 프로젝트(Project actual parameter values)”기능은 모든 슬레이브에 대한 현재 파라미터를 파라미터 영역에서 프로젝티드 파라미터 영역으로 복사한다.
자동 프로젝팅에 대한 이러한 기능들은 시스템이 시작되고, 부분별로 최적화될 수 있는 마스터를 가질 수 있게 하며, 이는 마스터가 자신의 순간적인 명목 구성을 학습할 수 있기 때문이다. 이러한 프로젝팅은 일반적으로 마스터의 패널 상에 위치한 버튼을 누름으로써 실행된다.
거의 모든 마스터가 프로젝팅 모드로 변환하고 실제 구성을 프로젝팅하기 위한 버튼을 갖고 있다. 게다가, 활성 슬레이브의 목록을 문의하고, 디스플레이 및 대응 버튼을 사용하여 슬레이브 주소들을 파라미터화하는 것도 흔히 가능하다.
필드버스 시스템으로의 커플링
이러한 기능으로 인해, AS-Interface는 기술적인 공정에 직접 존재한다. 만일 사용자가 센서 및 액추에이터 데이터를 보다 높은 수준의 자동화 단계에서 유용하게 사용되도록 만들길 원한다면, 일관된 네트워킹 구조는 필수적이다. 가장 간단한 경우, 이는 마스터가 위치한 PLC에 커플링시킴으로써 실행된다. 모든 공통적으로 유용한 PLC에, PROFIBUS, InterBus, DeviceNet, 등과 같은 필드버스 시스템을 위해 유용한 인터페이스 모듈이 존재한다. PLC 내의 이러한 애플리케이션 프로그램은 필드버스 시스템 상에 데이터를 제공하는 것을 책임지고 있으나, AS-Interface와 필드버스 사이의 직접적인 링크가 존재하지 않는다(그림 3.40)
따라서, 필드버스 시스템에 인터페이스를 갖춘 AS-Interface 마스터 자체를 제공하는 것, 즉 AS-Interface와 필드버스 시스템 간에 커플러(coupler)를 제작하는 것은 명백해 보인다. 결과적인 네트워킹 구조(그림 3.40)는 막대한 장점을 제공한다. 네트워킹된 컴포넌트들의 부분적 분리는 필드버스 시스템의 네트워크 길이 만큼 증가된다. AS-Interface를 사용한 센서와 액추에이터의 간단한 배선은 고스란히 남아있다. 마스터 인터페이스(커플러)는 자동화 공정을 보다 유연하게 하는 다중 PLC에 할당될 수 있다. 이후, 이중화 솔루션 또한 가능하다.
다음 섹션은 PROFIBUS를 사용하는 예로써 AS-Interface와 필드버스 간의 전형적인 커플러를 설명하고 있다. 전형적인 네트워크 전이는 ISO-OSI 참고 모델의 레이어 2와 3에 위치한다. PROFIBUS의 경우, 레이어 1,2와 7은 정의되어 있으며, 그 기능은 DP 및 FMS에서 각각 다르다. 상단에는 애플리케이션 레이어 인터페이스(Application Layer Interface: ALI)가 제시되어 있다. 이는 통신 시스템과 애플리케이션 프로그램 사이의 링크를 기술한다. AS-Interface 마스터의 경우, OSI 레이어와 함께 엄밀한 그런 결합은 가능하지 않다. 시퀀스 컨트롤은 ALI에 상응하는 마스터 레이어에 의해 다중 레이어의 기능성을 인계받는다.
위의 설명을 기반으로, 세가지 기능 유닛을 갖춘 커플러의 다음 구조는 대략 아래와 같이 약술할 수 있다(그림 3.41).
* 통신 인터페이스
* AS-Interface 마스터
* 적응 레이어
PROFIBUS 인터페이스에 대해, 슬레이브 실행은 충분하다. 마스터는 시퀀스 제어 및 전송 제어의 완벽한 구현까지 포함하고 있다.
PROFIBUS 스테이션에 대해, AS-Interface는 애플리케이션 공정을 나타낸다. 마찬가지로 AS-Interface 마스터의 관점에서 보면, PROFIBUS는 마스터 레이어를 통해 데이터를 교환하는 호스트 제어 시스템이다.
AS-Interface와 PROFIBUS의 현격히 다른 시스템 특징의 결과로서, 커플러는 애플리케이션 인터페이스에 알맞게 위치한다. AS-Interface 메시지를 PROFIBUS 메시지로 직접 전환시키는 것과 그 반대는 불가능하다. 오히려, 논리적인 접근은 AS-Interface로부터 데이터를 조합하고 PROFIBUS를 거쳐 그룹으로 이를 전송하는 것이다. 이러한 그룹화 방법과 어떤 동작이 이와 함께 연관되느냐는 단지 애플리케이션 레벨 상에서만 결정될 수 있다.
적응 레이어는 PROFIBUS ALI, AS-Interface 마스터 레이어 및 커플러 공정의 특징들을 조합시킨다. 이는 다음의 작업들을 담당한다.
레이어 7과의 인터페이스에서, 표시된 PROFIBUS 애플리케이션 서비스(읽기와 쓰기)는 반드시 시퀀스 컨트롤과 AS-Interface로의 통신 관련 운용, 그리고, 적합한 경우 레이어 7에 전송된 응답으로 매핑되어야 한다.
이와 같이, 접속의 개폐와 같은 관리 서비스는 처리되어야 한다. 게다가, 가령 PROFIBUS 파라미터를 초기화시키기 위해, 커플러는 레이어 7의 몇 가지 서비스들을 그 자체로 호출해내어야 한다.
AS-Interface 시스템 정보가 PROFIBUS 텔레그램으로 분류되는 방법은 본질적으로 사용자와 AS-Interface 간의 전체 데이터 전송의 실행 능력을 결정한다. 만일, AS-Interface 슬레이브가 보내오는 모든 입/출력 데이터가 분리된 PROFIBUS 텔레그램에 저장된다면, 124개의 PROFIBUS 텔레그램들은 데이터의 완벽한 교환을 위해 전송될 필요가 있다; 이로써 데이터 처리량은 허용할 수 없는 수준까지 떨어지게 될 것이다.
모든 AS-Interface 슬레이브에 대한 4개의 입력 데이터 비트를 단일 텔레그램으로 분류함으로써, AS-Interface의 입력 데이터 이미지(Input Data Image, 그림 3.36 참조)는 단일 요청-응답 시퀀스 상의 PROFIBUS를 통해 전송될 수 있다. 그러나, AS-Interface 사용자는 여전히 데이터의 유효여부를 알 수 없다. 이를 위해 활성화 슬레이브 리스트(LAS)는 읽혀질 필요가 있다. 그러나, 두 가지 개별 PROFIBUS 텔레그램 상의 LAS 및 입력 데이터의 판독은 AS-Interface 슬레이브의 상태가 두 가지 요청들 사이에 변경될 수도 있다는 위험을 감수한다. 이후, 입력 데이터 및 LAS가 동일한 텔레그램 내에서 전송될 경우 일관된 전송이 보장된다.
게다가 만일 하나가 해당 텔레그램에 이르는 AS-Interface 마스터의 판독가능한 플래그를 할당하는 경우, 사용자는 입력 데이터가 읽혀지는 각 시간마다 ASInterface를 경유하는 부가적 상태 정보를 얻게 된다. 이후, 사용자는 Config_OK 플래그를 점검할 수 있으며, 플래그가 설정되지 않은 경우에는 오류를 격리시키기 위한 어떤 임의의 부가적 수단을 취할 필요가 없다. AS-Interface 마스터의 아날로그 데이터 필드(아날로그 입력 데이터 이미지 및 아날로그 출력 데이터 이미지, 그림 3.36)도 유사하게 처리될 수 있다.
PLC는 이들 환경과 사용자 데이터가 주기적으로 변경되는 프로세스 맵을 사용한다. 이 프로시저는 통신 소프트웨어가 자동적으로 일반 데이터 교환을 실행하여 주기적인 접속을 도움으로써 PROFIBUS에서 지원받을 수 있다. 주기적으로 작업하지 않고 (예, 프로그래밍 디바이스, 제어 스테이션) 단지 AS-Interface 데이터에 가끔 접근하는 사용자를 위해서는, 비주기 접속이 권장된다. 주기적 접속을 통한 데이터 교환은 일반적으로 비주기 접속을 통하는 것에 비해 보다 빠르다. 왜냐하면, 다중 프로시져가 동시에 진행될 수 있기 때문이다. ASInterface PROFIBUS 커플러는 AS-Interface 데이터에 접근하는 방법으로 양쪽 접속 유형 모두를 허용한다.
접속을 열어둠으로써, AS-Interface 사용자는 채널을 개방하여, 이를 거쳐 커플러와 데이터를 교환할 수 있다. 사용자는 PLC 프로그램이 정지한 경우와 같을 때, 접속을 폐쇄하여 적합한 데이터 교환을 종결시킨다. 접속 개방과 폐쇄는 커플러의 신뢰성 있는 작동을 위해 기본적으로 필수불가결하다. 만일 커플러와 AS-Interface 사용자 사이에 접속이 끊어졌을 경우, 또한 마스터는 슬레이브와 교환할 수 있는 커플러 내 어떠한 유효 사용자 데이터도 가지고 있지 않다. 따라서, 이는 슬레이브와의 데이터 교환을 종결시키며, 이들을 기본 상태(base state)에 두어야 한다. 이와 같이, AS-Interface 마스터의 어떤 프로젝팅도 실행할 필요가 있을 때 단일 접속은 연결되며, AS-Interface 시스템에서의 데이터 교환은 이와 동시에 활성화되어서는 않된다. 따라서, 커플러는 AS-Interface 시스템에서 데이터 교환이 최초 주기적 연결이 개방될 때 활성화되고, 최종 주기적 연결이 폐쇄될 때 비활성화된다고 규정지을 수 있다.
< 자료제공: AS-International Association>
아이씨엔 매거진 2008년 05월호