KR100350894B1 - 피엘시와 포토센서를 이용한 무선 직렬통신장치 - Google Patents

피엘시와 포토센서를 이용한 무선 직렬통신장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자동화 창고나 공장 자동화 설비 등과 같이 지상제어반(Local system)과 기상제어반(Remote system)으로 구분되어 있는 시스템에서 지상제어반과 기상제어반 사이에 피엘시(PLC)와 포토센서를 이용하여 무선 직렬 통신하는 장치에 관한 것이다. 이러한 본 발명의 장치는 지상제어반과 기상제어반 사이에 직렬 통신을 수행하는 장치에 있어서, 상기 각 제어반이, 송신 데이터의 비트0과 비트1을 서로 다른 펄스폭 타이밍으로 정의하여 소정 포멧의 프레이밍에 맞춰 출력하고, 입력카드로부터 수신된 비트 스트림의 타이밍을 카운트하여 비트0과 비트1 및 에러를 판정하는 PLC시스템; 상기 PLC시스템의 출력카드에 접속되어 송신 데이터를 광신호로 변환하여 출력하는 투광부; 상대방으로부터 수신된 광신호를 전기적인 신호로 변환하여 상기 PLC시스템 입력카드로 비트 스트림을 출력하는 수광부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 따라서, 본 발명에 따르면 자동화 설비의 지상 제어반과 기상 제어반 사이에 통신을 수행함에 있어서 각 제어반에서 사용되는 PLC와 포토센서를 이용하여 직렬 통신 기능을 무선방식으로 구현함으로써 비용을 절감할 수 있고, 범용으로 사용할 수 있는 잇점이 있다.

Description

피엘시와 포토센서를 이용한 무선 직렬통신장치{ Apparatus of serial communication using PLC and photo sensors }
본 발명은 자동화 창고나 공장 자동화 설비 등과 같이 지상제어반(Local system)과 기상제어반(Remote system)으로 구분되어 있는 시스템에서 지상제어반과 기상제어반 사이에 피엘시(PLC)와 포토센서를 이용하여 무선 직렬 통신하는 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 공장 자동화나 물류설비의 자동화가 진행되면서 스태커 크레인(Stacker Crane), 무인대차(Traverser), R.G.V(Rail Guided Vehicle) 등의 기상 제어반과 이들을 제어하는 지상 제어반 사이에 통신을 할 필요성이 증가하게 된다. 이 때, 기상제어반은 이동하기 때문에 전송선로를 연결하기 어려워 종래에는 광모뎀 등의 직렬 통신 장치를 사용하였다. 즉, 통상의 물류 설비중 Stacker Crane 및 무인대차, RGV(Rail Guided Vehicle) 등과 같이 일직선상을 주행하는 설비의 기상제어반과 지상제어반 사이의 무선데이터 송수신을 위해서는 그 데이터 량의 대소와 관계없이 광모뎀과 전용 직렬 통신카드를 사용하여 데이터 송신을 하였다. 그런데 광모뎀과 직렬 통신카드가 고가일 뿐만 아니라 대부분 수입에 의존하여 외화가 낭비되고, 기존 하드웨어에 종속하게 되어 설비운영이 제약을 받게 된다.
이와 같이 종래의 직렬 통신장치는 광모뎀 등을 이용하여 가격이 매우 비싸고, 전용장치이기 때문에 메이커나 하드웨어에 의존하게 되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 지상제어반 PLC와 기상 제어반 PLC 사이의 데이터 통신을 포토센서와 PLC 입출력 카드로 구현하여 범용성과 제조비용을 절감시킨 PLC와 포토센서를 이용한 무선 직렬 통신 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 직렬 통신 시스템의 구성을 도시한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 직렬 통신 포멧을 도시한 도면,
도 3은 본 발명에 따른 직렬 통신시 노이즈에 의해 비트 증가가 발생한 경우의 타이밍도,
도 4는 본 발명에 따른 직렬 통신시 노이즈에 의해 비트 감소가 발생한 경우의 타이밍도,
도 5는 본 발명에 따른 직렬 통신시 노이즈에 의해 비트증가와 비트감소가 발생한 경우의 타이밍도,
도 6은 본 발명에 따른 직렬 통신의 송신 기능 블럭을 도시한 도면,
도 7은 본 발명에 따른 직렬 통신의 수신기능 블럭을 도시한 도면이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
110: 지상제어반 113: 입력카드
112: 출력카드 111: CPU
120: 기상제어반 131,132: 수광부
133,134: 투광부 601: 송신관리부
602: 송신데이터 선택부 607: 송신데이터 버터
608,609: 온/오프 길이 카운터 610: 송신위치카운터
611: 온비트 카운터 701: 입력신호 체크부
702: 신호길이 확인처리부 704: 수신버퍼 비트 셋부
705: 수신데이터버퍼 711: 데이터 확인 처리부
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 장치는, 지상제어반과 기상제어반 사이에 직렬 통신을 수행하는 장치에 있어서, 상기 각 제어반이, 송신 데이터의 비트0과 비트1을 서로 다른 펄스폭 타이밍으로 정의하여 소정 포멧의 프레이밍에 맞춰 출력하고, 입력카드로부터 수신된 비트 스트림의 타이밍을 카운트하여 비트0과 비트1 및 에러를 판정하는 PLC시스템; 상기 PLC시스템의 출력카드에 접속되어 송신 데이터를 광신호로 변환하여 출력하는 투광부; 상대방으로부터 수신된광신호를 전기적인 신호로 변환하여 상기 PLC시스템 입력카드로 비트 스트림을 출력하는 수광부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 자세히 설명하기로 한다.
통상적으로, 자동화 분야 설비에는 PLC시스템을 기본적으로 구비하고 있다. 본 발명은 지상제어반(Local system)과 기상제어반(Remote system)의 데이터(예컨대, 동작 지령, 상태보고, 각종 정보 등) 송.수신을 위해 각 제어반의 메인 콘트롤러인 PLC에 광모뎀과 직렬 통신카드를 장착하지 않고, 포토센서와 PLC 입출력 카드를 이용하여 데이터를 송수신하도록 한 것이다. 즉, 각 제어반 PLC의 출력측에는 포토센서의 투광부를, 입력측에는 수광부를 연결하여 PLC의 정주기 인터럽터 기능을 이용하여 펄스폭변조(PWM) 방식으로 직렬 통신을 실행한다.
도 1은 본 발명에 따른 직렬 통신 시스템의 구성을 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 직렬 통신시스템은 지상제어반의 PLC시스템(110)과, 지상제어반 PLC시스템의 출력카드(112)에 연결되는 투광부(133), 지상제어반 PLC시스템의 입력카드(113)에 연결되는 수광부(131), 기상제어반의 PLC시스템(120)과, 기상제어반 PLC시스템의 출력카드(112)에 연결되는 투광부(134), 기상제어반 PLC시스템의 입력카드(113)에 연결되는 수광부(132)로 구성되어 각 상대방 투광부(133,134)의 출력을 자신의 수광부(131,132)로 수신하여 데이터를 교환한다.
각 제어반의 PLC시스템(110,120)은 CPU카드(111)와 입/출력카드(112,113)를포함하고 있고, 본 발명에 사용되는 PLC시스템의 CPU카드(111)는 PLC의 정주기 인터럽터 기능을 이용하여 펄스폭변조(PWM)에 의한 무선통신을 진행하기 때문에 소정 시간(10msec) 이하의 인터럽트 처리가 가능하고, PLC의 처리속도가 고속이어야 하며, 서브루틴 기능과 점프 기능, 워드 디바이스에 대한 간접 지원 기능이 있어야 한다. 그리고 PLC 입/출력 카드(112,113)는 소정 시간(10msec) 이하의 속도를 처리하기 위하여 고속 DC 카드가 바람직하다.
도 1을 참조하면, 지상제어반의 출력카드(112)와 CPU카드(111), 기상제어반의 출력카드(112)와 CPU카드(111)는 도 6에 도시된 바와 같은 송신기능을 수행하여 직렬 데이터를 투광부(133,134)에서 광신호로 송신하고, 지상제어반의 입력카드(113)와 CPU카드(111), 기상제어반의 입력카드(113)와 CPU카드(111)는 도 7에 도시된 바와 같은 수신기능을 처리하여 각 수광부(131,132)로부터 입력된 데이터를 재생한다. 투광부(133,134)는 디지털 데이터를 빛으로 출력하고, 수광부(131,132)는 빛을 수신한 후 전기적인 디지털 데이터로 변환한다. 본 발명의 실시예에서 투광부와 수광부는 통상의 포토센서로 구현된다.
한편, 본 발명에서 사용되는 통신 알고리즘은 펄스폭변조(PWM)에 의한 직렬 데이터 통신으로서, 송신측은 PLC통신용 출력(일반 트랜지스터 출력)을 송신용 포토센서 투광부의 자기 진단 단자(투광정지)에 접속하여 투광부를 온/오프한다. 수신측은 포토센서 수광부의 출력을 통신용 입력(일반 DC입력/고속 타입)에 접속하여 데이터를 수신한다.
이와 같이 본 발명에 사용되는 통신 포멧은 도 2에 도시된 바와 같다.
도 2를 참조하면, 온/오프는 포토빔(Photo Beam)의 유/무를 나타내고, 1 프레임은 데이터 수신중과 스타트/엔드 대기중으로 이루어진다. 데이터 수신중은 0~F까지 16비트의 데이터와 DM1, DM2, ACK1, ACK2, 패리티로 이루어진다.
이와 같은 통신신호의 포멧에서 사용되는 비트의 종별 및 신호의 폭은 다음 표 1과 같다.
신호 송신데이터 수신데이터
0 비트 10msec 0msec~20msec
1 비트 40msec 30msec~50msec
스타트/엔드 비트 70msec 60msec~80msec
신호 온 이상 - 60msec 이상
신호 오프이상 데이터수신중 - 60msec 이상
스타트/엔트대기중 - 90msec 이상
도 2 및 상기 표 1을 참조하면, 스타트/엔드(START/END) 비트는 데이터와 데이터를 명확히 구분하기 위한 플래그로서 "70msec"의 펄스폭으로 정의되고, 0 비는 "10msec"의 펄스폭으로, 1 비트는 "40msec"의 펄스폭으로 각각 정의된다.
따라서 송신측은 데이터 송신개시 시에 "70msec" 연속으로 출력을 온한다. 수신측은 입력신호가 연속적으로 70msec 오프한 후에 온되면 '스타트/엔드' 비트를 수신한 것으로 판단한다. 송신측은 송신할 비트가 '0'일때 10msec로 온/오프를 반전시키고, 수신측은 입력신호가 10msec로 상태 변화가 일어났을 때 수신비트가 '0'이라고 판단한다. 또한, 송신측은 송신할 비트가 '1'일 때 40msec로 온/오프를 반전시키고, 수신측은 입력신호가 40msec로 상태 변화가 있을 때 수신비트가 '1'이라고 판단한다. 패리티(Parity) 비트는 데이터 비트중 '1'의 수가 기수일 때 패리티 비트가 1이 되는 기수 패리티이다.
PLC CPU의 동작 타이밍 및 인터럽트 클럭 타이밍 때문에 송신측에서 송신한 10msec 펄스가 수신측에서는 20mec로 판단되거나 0 msec로 판단될 수 있다. 따라서 데이터가 바뀌지 않도록 +/-10msec의 여유를 줄 필요가 있고, 상기 표 1에서와 같이 수신측에서는 0msec~20msec를 '0'비트로, 30msec~50msec를 '1'비트로, 60msec~80msec를 '스타트/엔드' 비트로 각각 판단한다.
또한 본 발명의 실시예에서 데이터 종류는 다음 표 2와 같이, ACK/NAK가 불필요한 데이터 2종류와 ACK/NAK가 필요한 데이터 2 종류 합해서 4종류의 데이터를 송수신하도록 되어 있다.
송신방향 모드비트 ACK비트 데이터 내용
DM1 DM2 ACK1 ACK2
지상->기상 0 0 - - 일반 인터록
0 1 - - 수동 동작지시
1 0 1 - 자동 동작지시
1 1 - 1 미사용
기상->지상 0 0 - - 일반 인터록
0 1 - - 현재 위치 데이터
1 0 1 - 미사용
1 1 - 1 고장, 이상 데이터
상기 표 2를 참조하면, 지상제어반에서 기상제어반으로 전송되는 데이터에서 'DM1,DM2'가 '00'이면 일반 인터록을 의미하고, '10'이면 자동 동작지시를 의미한다. 동일한 방식으로 기상제어반에서 지상제어반으로 전송되는 데이터 포멧에서 DM1과 DM2가 '11'이면 고장, 이상 데이터를 나타낸다.
다른 한편, 본 발명에 따른 통신 프로토콜에서 노이즈 등에 의해 에러가 발생될 경우에 다음과 같이 검출할 수 있다. 즉, 본 발명에서는 포토센서를 사용하기 때문에 노이즈 등에 의해서 데이터가 바뀔 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명에서는 온 비트 패리티를 사용하고 있다.
1. 비트증가의 경우
먼지나 노이즈 등에 의해 1비트가 3개의 0비트로 되어 버린 경우에는 도 3에 도시된 바와 같이, 스타트/엔드 비트 대기일 때 0 또는 1 비트를 수신한다. 따라서 스타트/엔드 비트 대기일 때 0 또는 1비트를 수신한 경우에는 수신 이상으로 처리하여 수신한 데이터는 무효가 된다.
2. 비트감소의 경우
반대로, 먼지나 노이즈 등에 의해 3개의 0비트가 1비트로 되어 버린 경우에는 도 4에 도시된 바와 같이, 데이터 수신중일 때 60msec 이상 입력이 오프로 된다. 따라서 데이터 수신중일 때 60msec 이상 입력이 오프되면 수신이상으로 처리하고, 그 때까지 수신된 데이터는 무효화된다.
3. 비트증가와 감소가 동시에 발생한 경우
먼지나 노이즈등에 의해 비트증가와 감소가 동시에 발생한 경우에는 도 5에 도시된 바와 같이 모든 비트에 대해서 패리티 체크를 행하면 "H0101"의 송신 데이터가 "H0120"으로 바뀌어 버린다. 그러나 신호가 온일 때의 1만으로 패리티 체크를 행할 경우에는 패리티 에러를 검출할 수가 있다. 따라서 패리티 에러가 검출되면 수신된 데이터는 무효화된다.
이와 같이 본 발명에 따른 직렬 통신시스템은 PLC의 입출력카드에 포토센서를 부착한 후 직렬 통신을 수행하므로 매우 저렴한 비용으로 구현 가능하며 범용PLC시스템을 그대로 사용할 수 있는 잇점이 있다. 특히, 본 발명에 따른 프로토콜을 적용하면 노이즈등에 대해서도 능동적으로 대처할 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 직렬 통신의 송신 기능을 도시한 블럭도이다.
송신은 통신경로의 상태와 관계없이 신호를 발생하므로 수신에 비해 간단하다. 송신 기능에서 송신관리부(601)는 스타트/엔드 비트 및 데이터 비트의 송신관리를 행한다. 송신 데이터 선택부(602)는 스타트/엔드비트 송신완료시 4가지 포멧의 데이터(송신데이터1 ~송신데이터4) 중 송신할 데이터를 선택하여 송신 데이터 버퍼(607)에 셋한다. 송신데이터 1 내지 송신데이터 4는 앞서 설명한 바와 같이 DM1, DM2, ACK1, ACK2 비트를 결정한다.
송신 데이터 버퍼(607)는 송신할 데이터를 저장하고 있고, 온/오프길이 카운터(608,609)는 송신 스타트/엔드 비트 송신 완료 후 송신 위치 카운터(610)에 대응한 송신 데이터 버퍼(607)의 비트 상태가 '0'일 경우에는 10 msec, 1일 경우에는 '40msec' 값을 출력하고, 송신 위치 카운터(610)의 값을 +1 한다. 온비트카운터(611)는 우수 비트가 1일 경우에 패리티 비트 출력을 위해서 +1 카운트업된다. 출력부(612)는 스타트/엔드비트 송신중(즉, 비트 데이터 송신중이 아닐 경우) 또는 송신 위치 카운터값이 기수일 경우에 출력을 온한다. 이 때 송신용 투광기의 출력은 오프된다.
도 7은 본 발명에 따른 직렬 통신의 수신 기능을 도시한 블럭도이다. 수신 기능에 있어서 입력신호 체크부(701)는 수광부로부터 수신된 입력 데이터를 수신블럭에서 처리하기 쉽도록 오프는 온상태 변화로, 온은 오프상태 변화로 각각 처리한다.
신호길이 확인 처리부(702)는 입력신호의 온시간 혹은 오프시간을 카운트하여 상태변화가 발생했을 때 수신비트가 0인가 혹은 1인가를 결정한 후 '온신호 0 셋' 요구, '온신호 1셋' 요구, '오프신호 0셋' 요구, '오프신호 1셋' 요구, '스타트/엔드 비트 수신', '온상태 60msec', '입력 온에러', '입력 오프에러' 등의 신호를 출력한다.
수신버퍼 버퍼 비트 셋부(704)는 '온신호 1셋' 요구 및 '오프신호 1셋' 요구가 발생한 경우에 수신 포인터의 데이터에 대응한 수신 데이터 버퍼의 비트를 '1'로 한다.
수신 포인터 카운트부(706)는 '온신호 0셋' 요구, '온신호 1셋' 요구, '오프신호 0셋' 요구 및 '오프신호 1셋' 요구신호가 발생한 경우에 수신 포인터 값을 +1 한다. 10msec의 인터럽트 타이밍 때문에 셋 요구가 중복된 경우에는 +2가 된다.
패리티 카운트부(708)는 '온신호 1셋' 요구가 발생한 경우에는 온비트 카운터(709)값을 +1 한다.
데이터 확인 처리부(711)는 스타트/엔드비트 수신시 소정 조건(즉, 수신포인터 카운터(706)가 스타트/엔드 비트 대기중이고, 온비트 패리티가 양호한 경우)을 만족할 경우에 수신버퍼(705)의 데이터를 유효로 처리하여 지정된 데이터 영역에 셋한 후 수신버퍼(705), 수신포인터(707), 패리티 카운트(708)를 리셋하고 다음 데이터의 수신을 개시한다.
스타트/엔드 비트 수신시 소정 조건을 만족하지 못할 경우 그때까지 수신한데이터를 버리고, 수신버퍼(705), 수신포인터(707), 패리티 카운터(708)를 리셋하고 다음 데이터의 수신을 개시한다.
입력 에러 처리부(710)는 입력 온 에러발생, 출력 온 에러발생, 데이터 수신중 온상태가 60 msec 이상으로 된 경우, 수신 포인터 카운터가 스타트/엔드 비트 대기시에 스타트/엔드 비트 이외의 데이터를 수신한 경우에 입력신호를 에러로 판단하고 수신버퍼(705), 수신포인터(707)를 리셋한 후 다음 스타트/엔드 비트를 기다린다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 자동화 설비의 지상 제어반과 기상 제어반 사이에 통신을 수행함에 있어서 각 제어반에서 사용되는 PLC와 포토센서를 이용하여 직렬 통신 기능을 무선방식으로 구현함으로써 비용을 절감할 수 있고, 범용으로 사용할 수 있는 잇점이 있다.

Claims (4)

  1. 지상제어반과 기상제어반 사이에 직렬 통신을 수행하는 장치에 있어서,
    상기 각 제어반이,
    송신 데이터의 비트0과 비트1을 서로 다른 펄스폭 타이밍으로 정의하여 소정 포멧의 프레이밍에 맞춰 출력하고, 입력카드로부터 수신된 비트 스트림의 타이밍을 카운트하여 비트0과 비트1 및 에러를 판정하는 PLC시스템;
    상기 PLC시스템의 출력카드에 접속되어 송신 데이터를 광신호로 변환하여 출력하는 투광부;
    상대방으로부터 수신된 광신호를 전기적인 신호로 변환하여 상기 PLC시스템 입력카드로 비트 스트림을 출력하는 수광부를 포함하는 것을 특징으로 하는 피엘시와 포토센서를 이용한 무선 직렬통신장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 PLC시스템은 직렬 통신 송신부와 직렬 통신 수신부로 구성되고,
    직렬 통신 송신부가
    송신할 데이터를 저장하기 위한 송신버퍼;
    상기 송신할 데이터를 소정 포멧으로 생성하기 위하여 스타트/엔드비트와 제어비트를 위한 타이밍제어신호를 제공하는 송신관리부;
    상기 송신 데이터버퍼의 위치 카운트업하는 송신위치카운터;
    상기 송신위치카운터가 지시하는 위치의 송신 데이터 버퍼 데이터 값에 따라 소정의 온오프 타이밍을 출력하는 온/오프 길이 카운터; 상기 온오프카운터의 출력에서 온비트를 카운트하여 패리티신호를 발생하기 위한 온비트 카운터;
    상기 송신관리부 및 온/오프 길이 카운터의 출력에 따라 소정 프레임으로 생성된 직렬 데이터를 출력하는 출력부로 구성되고,
    상기 직렬 통신 수신부가
    입력신호의 온시간 혹은 오프시간을 카운트하여 상태변화가 발생했을 때 수신비트가 0인가 혹은 1인가를 결정한 후 '온신호 0 셋' 요구, '온신호 1셋' 요구, '오프신호 0셋' 요구, '오프신호 1셋' 요구, '스타트/엔드 비트 수신' 등의 신호를 출력하는 신호길이 확인 처리부;
    상기 '온신호 1셋' 요구 및 '오프신호 1셋' 요구가 발생한 경우에 수신 포인터의 데이터에 대응한 수신 데이터 버퍼의 비트를 '1'로 하는 수신버퍼 버퍼 비트 셋부;
    상기 '온신호 0셋' 요구, '온신호 1셋' 요구, '오프신호 0셋' 요구 및 '오프신호 1셋' 요구신호가 발생한 경우에 수신 포인터 값을 +1 하는 수신 포인터 카운트부;
    스타트/엔드비트 수신시 소정 조건을 만족할 경우에 수신버퍼의 데이터를 요효로 처리하여 지정된 데이터 에리어에 셋한 후 수신버퍼, 수신포인터, 패리티 카운트를 리셋하고 다음 데이터의 수신을 개시하는 데이터 확인 처리부로 구성되는 것을 특징으로 하는 피엘시와 포토센서를 이용한 무선 직렬통신장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 직렬 통신 수신부가,
    패리티 에러를 검출하기 위한 온비트 카운터와 에러를 검출하기 위한 에러처리부를 더 구비한 것을 특징으로 하는 피엘시와 포토센서를 이용한 무선 직렬통신장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 직렬 통신장치는 비트 0을 10msec의 펄스폭으로, 비트1을 40msec의 펄스폭으로, 스타트/엔드 비트를 70msec의 펄스폭으로 변조하는 것을 특징으로 하는 피엘시와 포토센서를 이용한 무선 직렬통신장치.
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