필드 네트워크를 위한 AS-Interface 마스터(1) – 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>
마스터는 전통적인 케이블 트리와 같이 AS-Interface의 구성을 가능하게 한다. 이는 데이터 트래픽에 의존하여 조직되며, 자동 구성기능과 아울러 중요 서비스 기능을 자동적으로 담당한다.
1. AS-Interface 마스터
AS-Interface 마스터는 사용자 컨트롤러 내지 호스트 필드버스 시스템과의 브리지(bridge) 역할을 한다. 이는 AS-Interface 케이블 상의 데이터 트래픽을 독립적으로 구성하여, 그것과 컨트롤러, 그리고 그와 연결된 센서 내지 액추에이터들과의 인터페이스에서 해당 시스템이 전통적인 케이블 트리와 같이 작동하도록 하는 한편, 동시에 파라미터 설정 전송, 모니터링 및 진단 정보의 전송 등과 같은 부가적인 사용자 기능을 허용한다.
PLC(programmable logic controller)가 있는 경우, 마스터는 컨트롤러 중심으로 특화되어 있으며, 개별버스와 통신한다. 마스터는 PC 및 IPC 등을 써서 보편적으로 구현될 수 있다.
비교적 복잡한 버스들에 비해서, AS-Interface 마스터는 자동 구성기능을 지니고 있다. 사용자는 (전송률, 데이터 및 텔레그램 유형, 접속 권한 등) 어떤 설정도, 혹은 어떤 프로그래밍도 수행할 필요가 없다. 해당 시스템의 개별 구성에는 단지 슬레이브 주소를 각각의 개별 특성 데이터에 (I/O 구성 및 ID 코등 등을) 할당하는 것만 포함된다. 이는 설치 및 검사를 마치고 기능하는 하나의 시스템과 연결된 모든 슬레이브에 대해 관련 데이터를 자동적으로 로딩하거나 – 단일 시스템 설치 시 선호됨 -, 혹은 컨트롤러로부터 마스터로 주요 관련 데이터를 다운로딩 함으로써 – 연속 생산 기기에 대해 선호되는 방법임 – 이루어질 수 있다.
마스터는 파라미터 설정에 필요한 모든 비주기적 기능들을 부가적으로, 그리고 대부분의 경우 자동적으로 수행하는 한편, 주소를 자동 할당하고 해당 네트워크를 모니터링 한다.
교체된 슬레이브에 대한 자동 주소지정 기능은 중요한 서비스상의 난점을 운전자에게서 덜어준다: 만일 어떤 슬레이브가 없어지면, 주소“0”을 지닌 새로운 슬레이브가 출현하고, 해당 마스터는 이를 슬레이브의 대체로 해석하여 약간의 검사 후 사라진 슬레이브의 주소에 자동적으로 지정•설정한다. 이는 해당 운전자가 직접 주소를 입력하지 않아도 될 뿐 아니라, 사용자 프로그램을 마련해야 할 필요도 없게 해준다. 여기서, 수출 중심 기계 및 시스템에서 25 달러짜리 센서를 대체하기 위해, 어떤 전문가를 요구해서도 안 되며, 혹은 주요 서비스 문제가 되어서도 안 된다는 원칙이 그 이면에 숨어 있다.
네트워크 모니터링을 위해, 마스터는 해당 시스템의 명목 구성을 실제 구성상태와 지속적으로 비교한다. 운전 중이나 유지보수 이후에 발생한 변경사항은 결과적으로 오류 메시지를 생성한다.
2. 마스터 사양
앞서 언급한 바와 같이, AS-Interface의 목적은 센서 및 액추에이터들이 케이블 트리 형식의 전통적인 방법으로 연결되었을 때에 비하여, 가능한 한 거의 차이가 나지 않도록 컨트롤러에서 입력 및 출력 신호들을 취급하는 방식을 사용자에게 제공하는 것이다. 이는 마스터에게 핵심적인 중요성을 부여한다.
AS-Interface 마스터는 전송 시스템과 컨트롤러 간의 인터페이스를 나타낸다(그림 1). 이는 PLC 상의 I/O 모듈을 대체한다. 모든 입•출력 신호들은 정의된 데이터 필드에 매핑된다. 이와 아울러, 마스터는 세부적인 진단 능력을 제공한다.
AS-Interface 마스터는 구조가 간단하여, 필드버스 시스템에서 흔히 필요한 별도의 도구 없이도 설계가 용이하도록 해준다. 설계된 명목 구성은 AS-Interface 네트워크의 상태를 지속적으로 감시하는 데 사용된다. 어떤 슬레이브가 고장나면, 다른 모든 재래식 시스템과 마찬가지로 간단하게 교체될 수 있다. 마스터는 교체된 슬레이브에 자동적으로 주소를 할당한다.
신호의 수가 비교적 많지 않은 중소규모 시스템에서는, 마스터를 컨트롤러에 직접 통합•내장하는 편이 합리적이다. 그런 경우, 개별 컨트롤러들의 다양한 성능이 고려될 필요가 있다. 복합적으로 확장된 시스템에서, AS-Interface는 PROFIBUS, InterBus 또는 DeviceNet 등과 같이 친숙한 필드버스 시스템을 보충하거나 혹은 직접적으로 인터넷을 보완하는 이상적인 보조시스템을 형성한다.
이렇게 되면, AS-Interface와 필드버스 간의 연결은 하나의 AS-Interface 마스터와 하나의 필드버스 슬레이브를 내포한 일종의 게이트웨이가 된다.
마스터 사양[1]은, 한편으로 사용자는 거의 복잡하게 느끼지 않으면서도, 다른 한편으로 복잡한 컨트롤러의 성능이 십분 활용될 수 있도록 마스터의 기능을 기술하는 임무를 지닌다. 그 결과, 마스터 사양은 AS-Interface가 지닌 최대한의 기능을 기술해야 하는데, 이는 차후에 마스터 프로파일상에서 한정될 수 있다.
컨트롤러(호스트)와의 인터페이스는 추상적이며, 특정 시스템을 고려하지 않고 기술되어 있다. 사용자는 볼 수 없지만, 마스터 사양은 AS-Interface가 신뢰성 있게 작동하는 것을 보장한다.
3. 마스터 수준들
사양[1]는 마스터를 세 가지 수준으로 분할하며, 이는 AS-Interface로부터 호스트 인터페이스 (예: PLC)까지 기술한다 (그림 2).
모든 레이어들의 중요 과제는 오류 내지“비정상”운용 상태를 고장 센서 또는 액추에이터 신호를 전송하지 않고 처리하는 데 있다.
그와 같은 상태들은 예를 들면 다음과 같다:
– 휴지기(pause) 오류
– 슬레이브 응답 오류
– 고장 슬레이브
– 운용 중의 슬레이브 연결
– 불시의 슬레이브 연결
마스터의 물리적 전송기반은 슬레이브의 그것과 동일한 요구조건에 부합해야 한다. 여기서 바로 실제적인 비트 전송이 일어나는 것이다.
최하위 논리 레이어는 전송 레이어이며, 이는 개별 텔레그램의 전송 및 수신을 담당한다. 슬레이브의 응답이 소실되거나 결함이 있는 경우, 텔레그램의 자동 반복은 상위의 레이어에 대한 무결성을 보장한다.
시퀀스 컨트롤은 차상위의 전송 레이어로, 데이터 전송 요청을 다음으로 이송한다. 실제 시퀀스 컨트롤에 부가하여, 시퀀스 컨트롤 레이어는 마스터 레이어를 통해 호스트에 의해 요청된 기능들을 처리한다.
최상위 레이어는 마스터 레이어로, 여기서 AS-Interface 기능들이 각 호스트 시스템에 적용된다. 이 레이어는 프로파일이 형성되는 곳으로, 이는 호스트에서 사용가능한 마스터 기능에 대한 제약을 허용한다.
4. 마스터 아날로그 부분
마스터 전송의 물리적 특성은 케이블과의 전기적 커플링, 하드웨어 구조의 아날로그 부문 등을 기술한다 (그림 3.33). 이러한 인터페이스의 구현은 해당 시스템의 노이즈 내성(noise immunity)에 핵심적인 중요성을 지닌다. 과도한 신호 왜곡을 방지하기 위해, 인터페이스 종단(terminal) 간의 저항은, 슬레이브의 경우와 같이, 특정 요건에 반드시 부합해야 한다. 슬레이브와 마찬가지로, 마스터는 네트워크의 대칭을 방해해서는 안 되는데, 그렇게 되지 않을 경우, 해당 케이블이 노이즈를 방출하는 안테나가 될 수도 있기 때문이다. 따라서 접지되는 종단 저항들의 차이는 가능한 한 최소 상태로 유지되어야 한다. 아울러, 컨트롤러와 AS-Interface 네트워크 사이의 전기 절연도 필수적인 준수사항이다.
비교기(comparator)는 회선 상의 DC 전압을 검사하고, 해당 회선의 모든 지점에서 슬레이브의 안정적인 운용에 필요한 전압이 충분한 시점을 보고하기 위해 AS-Interface 전원 켜짐(APO) 신호를 사용한다.
5. 전송 레이어
마스터 상의 전송 레이어는 슬레이브들과 개별 텔레그램들을 교환하는 일을 담당한다. 이는 시퀀스 컨트롤로부터 오는“미가공”(raw) 데이터와 아울러, 데이터 교환 작업을 맡는다. 어떤 텔레그램이 전송될 경우, 프레임(시작 및 종료 비트)들과 패리티가 부가된다. 정확히 수신된 슬레이브는 패리티 없이 응답하거나, 혹은 프레임이 시퀀스 컨트롤에 되돌려진다.
마스터와 슬레이브 간의 데이터 교환은 AS-Interface 메시지의 마스터 요청과, 이에 뒤따르는 마스터 휴지기와, 슬레이브 응답과 전송 휴지기로 항상 이루어진다 (그림 4). 마스터 휴지기는 마스터 요청을 받은 이후 해당 슬레이브가 이행하는 데 필요한 휴지 시간이다. 전송 휴지기는 슬레이브 응답 종료 이후, 해당 네트워크가 유휴(idle) 상태에 있는 동안의 시간을 말한다.
마스터 사양은 방해 받지 않는 정상 작동 중에는 2 비트 시간 이상 전송 휴지기가 지속되지 않을 것을 요구한다. 이는 사양 설정된 짧은 주기 시간이 유지될 수 있도록 보장한다. 휴지 시간을 측정해 보면, 최종 비트 중간에서 슬레이브 응답의 마지막 (포지티브) 펄스가 시작하고, 그 다음 마스터요청의 최초 (네거티브) 펄스는 시작 비트의 중간지점까지는 시작되지 않는다는 점에 유의한다. 전송 휴지기는, 이것이 5ms이내의 완전한 주기 안에 끝나지 않을 경우에는, 최대 500ms까지 확장될 수 있다. 이는 62개 이하의 슬레이브를 지닌 시스템들에 대해 주기시간을 늘이면서, 아울러 관리 기능에 보다 많은 프로세서 성능을 할애할 수 있도록 해준다. 데이터 전송을 위한 기능은 시퀀스 컨트롤을 제공하며, 두가지 전송 방법이 있다 (그림 5):
(1) 일회성 전송
슬레이브 응답이 결여되거나, 결함 신호를 수신한 경우, 이는 즉각적으로 보고 된다. 해당 마스터 요청은 반복되지 않는다. 이러한 운용방법은 새로운 슬레이브들을 탐색할 경우에 사용된다.
(2)반복성 전송
슬레이브 응답이 없거나 결함이 있는 경우, 전송 제어가 마스터 요청을 일회 반복한다. 이는 개별 슬레이브에서 해당 신호들을 심각하게 지연시키지 않으면서 최하위 수준에서 단일 오류를 잡아낼 수 있도록 한다.
최소 마스터 휴지기 시간이 경과한 이후, 그리고 10 비트 시간이 경과하기 이전에 슬레이브 응답이 시작된 다음, 이것이 오류 없이 수신되었다면, 전송이 성공적이라고 본다. 10 비트 시간의 타임아웃은 3 내지 5 비트 시간의 슬레이브 응답시간 (마스터 휴지기) 및 1 비트 시간에 해당하는 케이블 상의 전파 시간을 고려한 것이다. 나머지 4 내지 6 비트 시간은 신호를 생성하는 리피터(반복기)가 사용하도록 허용된 것이다.
슬레이브 응답이 수신되면, 받아들인 텔레그램의 맨체스터 코딩(Manchester coding), 시작 및 종료 비트, 그리고 패리티 비트 등이 검사된다. 제반 전송 오류의 대부분은 맨체스터 코딩에 의해 탐지되며, 그 결과 텔레그램의 복수 Sin2 펄스 상의 오류들만이 패리티 오류로 귀결된다. 마스터 요청에 대한 직접적인 반복이 잠시 후 오류를 결과한다면, 이는 시퀀스 컨트롤에 보고되어, 여기서 후속 오류 처리를 담당하게 된다.
마스터 요청을 전송하고 슬레이브 응답을 수신하는 동안, 해당 전송 제어는 ASInterface 파워 온(Power ON) 플래그를 모니터링 한다. 만약 이 시간 내에 회선상의 공급 전압이 너무 낮다면, AS-Interface 전원 고장 (APF) 신호가 시퀀스 컨트롤에 보고된다.
< 자료제공: AS-International Association>
아이씨엔 매거진 2008년 02월호