KR101252955B1 - ＩＥＣ 61800 기반 파워 드라이버 시스템을 위한 ＥｔｈｅｒＣＡＴ 슬레이브 모듈 장치 - Google Patents

ＩＥＣ 61800 기반 파워 드라이버 시스템을 위한 ＥｔｈｅｒＣＡＴ 슬레이브 모듈 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 EtherCAT 슬레이브 모듈 장치에 관한 것으로, 기존의 지능형 스마트 드라이버 표준인 IEC 61800 표준을 따르는 산업 현장에서의 생산 자동화 시스템에 필요한 모터, 액추에이터, 센서등을 제어하는 파워 드라이버와의 호환성을 지원하면서 상기 장치들로부터 정보를 수집하고 또한 상기 장치들에 대한 필요한 제어를 수행하기 위한 명령 등을 실시간으로 전송할 수 있는 IEC 61800 기반 파워 드라이버 시스템을 위한 EtherCAT 슬레이브 모듈 장치를 제공하여 산업 현장에서의 여러 필드 장치들의 구성에 따른 토폴로지로의 적용이 가능하며, 표준 Ethernet 프레임을 사용하여 뛰어난 호환성과 높은 대역폭을 지원하여 많은 필드 장치의 접근이 가능하도록 하는 뛰어난 실시간 특성을 구현한 IEC 61800 기반 파워 드라이버 시스템을 위한 EtherCAT 슬레이브 모듈 장치에 관한 것이다.

Description

ＩＥＣ 61800 기반 파워 드라이버 시스템을 위한 ＥｔｈｅｒＣＡＴ 슬레이브 모듈 장치{The Apparatus of EtherCAT Slave Module for IEC 61800-based Power Driver System}
본 발명은 EtherCAT 슬레이브 모듈 장치에 있어서, 특히 산업용 네트워크에 있어서 산업용 생산 시스템 및 모터에 관한 표준 드라이버로 활용하고 있는 지능형 스마트 드라이버 표준인 IEC 61800 표준과 연동이 가능하도록 구현된 EtherCAT 슬레이브 모듈 장치에 관한 것이다.
현대화된 산업현장에 있어 임금 상승에 따른 비용의 증가 및 산업현장의 위험성 그리고 작업에 있어 생산성 뿐만아니라 공정의 정확성을 향상시킬 수 있도록 자동화된 시스템에 의한 생산이 증대되고 있다. 따라서 이러한 자동화된 기기에 대한 제어에 있어서도 실시간으로 정확하고 정밀한 제어의 필요성이 점점 더 요구되고 있다.
산업용 자동화 시스템에 대하여 이러한 실시간의 정확하고 정밀한 제어를 수행하기 위해서는 직접 각각의 자동화 시스템을 제어하는 것이 적절하나 최근의 네트워크의 발달과 제어시스템의 향상으로 소수의 인력에 의해서도 운영이 가능하게 되었다.
또한 네트워크의 발달에 따라 자동화시스템에 대한 원거리 제어가 용이하도록 산업 현장에서 이용할 수 있는 산업용 네트워크에 있어서 특별한 표준이 없어 제어를 하기 위하여 사용자에 따라서 모든 정보를 수정해야하는 단점이 있고, 호환상의 문제가 있었다.
상기의 문제를 해결하고자 1990년 이후 산업현장에서 사용되고 있는 다양한 프로토콜을 수용하고자 하는 노력이 있어왔고 그 결과로서 Profibus, Fieldbus, WorldFIP 등과 같은 6개의 프로토콜을 포함하는 IEC 61158 필드버스가 국제 표준으로 제정되었다. 이후 CAN(Controller Area Network)통신을 기반으로 하는 DeviceNet, CANopen과 같은 프로토콜이 개발되었으며, 최근에는 인터넷의 보급과 발전으로 산업현장의 기기에 대하여 장소와 시간에 구애없이 제어할 수 있도록 Ethernet을 기반으로 하는 ProfiNet, EtherNet/IP, EtherCAT과 같은 프로토콜도 표준으로 제정되어 사용되고 있다.
따라서 자동화 시스템 내에서 전송되는 데이터의 양의 증가에 따른 보다 큰 대역폭의 요구에 부응하고 최근의 여러 산업 분야 특히, 공장 자동화, 전력 IT, 모션 분야 등 전 산업 분야로 적용이 확산되고 있어 이를 위한 산업용 Ethernet 기술인 Ethernet/IP, Profinet, EtherCAT 등이 IEC에서 표준화 작업이 진행 중에 있다. 특히, 전 이중 방식의 EtherCAT 프로토콜은 2002년에 독일 BeckHoff사에서 개발된 이후 국제표준 프로토콜로서 특히 스위치나 허브의 개수에 제한이 없어 어떤 토폴로지로의 적용이 가능하며, 표준 Ethernet 프레임을 사용하여 뛰어난 Ethernet 호환성을 가진 개방형 산업용 기술로서 Ethernet에서 제공하는 대역폭을 최대한 활용할 수 있는 특성과 기존의 필드버스와 비교하여 저가의 NIC(Network Interface Card)를 이용하여 상대적으로 낮은 비용으로 간단히 디바이스 구현이 가능한 인터넷 기술을 제공하며 100Mbps 이상의 통신 속도와 256개의 분산 디지털 I/O에 약 11μs의 업데이트 속도를 지원하여 뛰어난 실시간(real time) 특성을 구현할 수 있어 실시간 산업용 네트워크로서 매우 많은 관심을 받고 있어 이 EtherCAT 프로토콜을 이용한 시스템에 대한 연구가 많이 이루어지고 있다.
또한 IEC 61800 표준은 고속 전기 파워 드라이버(PD) 시스템의 공통적인 규격으로서 특히, ICE 61800-7 표준은 제어 시스템과 파워 드라이버 시스템간의 일반적인 표준 인터페이스로서 표준 접속 기능과 일반 함수와 개체(object)에 적합한 드라이버 프로파일과 통신 표준 규격에 사용되는 데이터에 대한 규격을 정의하고 있다. 특히, 드라이버의 구현에 대한 구체적인 지식이 없어도, 모션 제어의 일반적인 사항을 쉽게 구현할 수 있도록 하고 있다.
IEC 61800 표준은 CiA 402, CIP 모션, PROFIdrive, SERCOS 등과 같은 프로토콜에 대한 일반적인 PDS(Power Driver System) 인터페이스를 정의한 IEC 61800-7-1과 파워 드라이버 시스템을 위한 버스에 독립적인 CiA 402 디바이스, 구성, 조정, 식별 및 네트워크 관리 개체의 실시간 제어 개체의 정의를 포함하여 프로파일을 정의한 IEC 61800-7-201과 EtherCAT 네트워크와 CiA402 드라이버 프로파일을 매칭시키는 기능을 정의한 IEC 61800-7-301로 구성된다. 특히, PDO(Process Data Object) 통신 및 매칭 변수도 정의되어 있다.
따라서 상기 지능형 스마트 드라이버 표준 IEC 61800의 장점인 제어정보를 표준화하여 사용함으로써 상기 표준을 사용하는 어느 모터 제어기나 모터 드라이버라도 호환이 가능하여 다양한 산업용 기기의 제어가 용이하므로 이러한 IEC 61800 표준 기반의 제어를 수행함에 있어 필요한 기존 산업용 프로토콜과 비교하여 높은 실시간 전송특성을 가지는 EtherCAT 프로토콜을 연동할 수 있도록 하여 산업에서 요구하는 실시간성과 많은 산업용 기기간의 호환성을 지원할 수 있는 시스템의 구축에 필요한 하드웨어의 개발의 필요성이 대두되고 있으며 그에 따른 연구가 이루어지고 있는 실정이다.
본 발명은 상기한 사정을 감안하여 발명한 것으로, 기존의 지능형 스마트 드라이버 표준인 IEC 61800 표준을 통한 산업 현장에서의 생산 자동화 시스템에 필요한 모터, 액추에이터, 센서등을 제어하는 파워 드라이버와의 호환성을 지원하면서 상기 장치들로부터 정보를 수집하고 상기 장치들에 대한 필요한 제어를 수행하기 위한 명령 등을 전송함에 있어서 산업 현장에서 특히 중요한 실시간의 특성을 제공하는 산업용 프로토콜인 EtherCAT 프로토콜을 연동할 수 있는 IEC 61800 기반 파워 드라이버 시스템을 위한 EtherCAT 슬레이브 모듈 장치를 제공함에 목적이 있다.
산업용 자동화 시스템 구성에 있어 여러 필드 장치의 산업용 네트워크를 위한 슬레이브 모듈 장치에 있어서,
중앙제어기 내 EtherCAT 마스터와 통신할 수 있도록 EtherCAT 네트워크에 물리적으로 연결할 수 있는 2개의 RJ-45커넥터와 IEC 61800-7-301 표준에 의한 통신을 제공하는 이더넷 트랜시버를 포함하는 물리계층;과
상기 물리계층과 EtherCAT 슬레이브의 MAC(Medium Access Control)인 ESC(EtherCAT Slave Controller)와의 연결을 위하여 물리계층에 독립적으로 접속이 가능한 MII(Media Independent Interface)방식의 인터페이스를 제공하는 포트;와
상기 중앙제어기 및 각 파워 드라이버로부터 전송된 정보를 EtherCAT 프레임 형태의 정보로 인코딩 또는 디코딩을 수행하여 노드 컨트롤러와 송수신하는 ESC;와
상기 ESC와 상기 파워 드라이버 각각 SPI(Serial Peripheral Interface)의 슬레이브로 하여 SPI 마스터로서 이들간의 통신을 수행하는 노드 컨트롤러; 및
SPI 마스터인 상기 노트 컨트롤러와 파워 드라이버간 IEC 61800-7-201 표준에 의하여 통신을 수행하는 EtherCAT 스택을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 지능형 스마트 드라이버 표준인 IEC 61800 기반의 파워 드라이버 시스템을 위한 중요한 실시간의 특성을 제공하는 산업용 프로토콜인 EtherCAT 프로토콜을 연동하는 EtherCAT 슬레이브 모듈 장치를 제공함으로써 산업 현장에서의 여러 필드 장치들의 구성에 따른 토폴로지로의 적용이 가능하며, 표준 Ethernet 프레임을 사용하여 뛰어난 Ethernet 호환성을 가지며 Ethernet에서 제공하는 높은 대역폭으로 인하여 많은 필드 장치의 접근이 가능하며, 기존의 필드버스와 비교하여 상대적으로 낮은 비용으로 간단히 디바이스 구현이 가능한다.
또한 인터넷 기술을 제공하여 시간과 장소에 구애받지 않는 접근이 용이하고, 산업에 있어 중요한 빠른 업데이트 속도를 지원하여 뛰어난 실시간 특성을 구현할 수 있으며 지능형 스마트 드라이버 표준을 기반으로 IEC 61800 표준으로 제작된 수많은 산업용 기기와의 호환성을 지원하여 그에 따른 편의를 제공이 가능한 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 EtherCAT 슬레이브 모듈 장치를 포함한 전체 시스템 구조도,
도 2는 본 발명에 따른 EtherCAT 슬레이브 모듈 장치의 구조도,
도 3은 본 발명에 따른 EtherCAT 프레임 구성도.
이하, 예시도면을 참조하여 본 발명에 따른 IEC 61800 기반 파워 드라이버 시스템을 위한 EtherCAT 슬레이브 모듈 장치의 일실시예에 대한 구성 및 작용을 상세하게 설명한다.
본 발명의 핵심은 종래의 지능형 스마트 드라이버 표준인 IEC 61800 표준을 따르는 여러 필드 장치 및 액추에이터, 센서 등과의 호환성을 지원하여 상기 장치들로부터 정보를 수집하고 또한 상기 장치들에 대한 필요한 제어를 수행하기 위한 명령 등을 전송할 수 있으며 또한 이들 정보의 수집 및 전송에 있어 산업 현장에 있어 중요한 실시간의 특성을 제공하는 산업용 프로토콜인 EtherCAT 프로토콜을 연동할 수 있도록 하는 IEC 61800 기반 파워 드라이버 시스템을 위한 EtherCAT 슬레이브 모듈 장치라는 점이다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 IEC 61800 기반 파워 드라이버 시스템을 위한 EtherCAT 슬레이브 모듈 장치(120)는 각 산업장비내 PDS(150)에 포함되어 중앙제어기(100)를 통해 생산 자동화 시스템에 필요한 각각의 산업 장비내 모터, 각종 릴레이, 엑추레이터나 센서와 같은 제어 및 검출대상(140)을 직접 제어할 수 있도록 EtherCAT 마스터(110)와 파워 드라이버(130)간에 산업용 네트워크인 EtherCAT 네트워크를 이용하여 통신할 수 있도록 한다.
중앙제어기(100)내 EtherCAT 마스터(110)는 중앙제어기(100)가 EtherCAT 네트워크를 통하여 정보를 송수신할 수 있도록 하며 상기 EtherCAT 마스터(110)로부터 전송된 정보는 EtherCAT 네트워크에 연결된 각 PDS(150)내 EtherCAT 슬레이브(120)에 전송된다. 이들간에는 지능형 스마트 드라이버 표준인 IEC 61800-7-301 표준을 이용하여 통신을 수행한다.
그리고 각 PDS(150)내 EtherCAT 슬레이브(120)가 수신한 정보는 SPI 통신을 통하여 해당 PDS(150)내 파워 드라이버(130)에 제어정보를 제공함으로써 해당 장치를 제어한다. 각 장치들로부터 수집된 정보는 해당 파워 드라이버(130)를 통해서 상기 전송의 역순으로 중앙제어기(100)에 전송한다.
도 2를 참조하면, 상기 중앙제어기(100)와 각 PDS(150)간 통신을 수행하는 하나의 EtherCAT 슬레이브(120)는 각 산업장치의 PDS에 필요한 제어 신호를 전송하거나 각 산업장치의 정보를 전송받는 중앙제어기(100)와 각 산업 장치의 정보를 수집하거나 장치를 제어하는 파워 드라이버간의 EtherCAT 네트워크를 통해 IEC 61800 표준에 의한 통신이 이루이지도록 물리계층(121), 포트(122), ESC(123), 노드컨트롤러(124), 이더캣 스택(125)로 구성된다.
상기 물리계층(121)은 상기 EtherCAT 마스터(110)와 통신할 수 있도록 이더넷 기반의 EtherCAT 네트워크에 물리적으로 연결할 수 있는 2개의 RJ-45커넥터와 이를 통하여 이더넷 네트워크간에 IEC 61800-7-301 표준통신을 수행하는 이더넷 트랜시버를 포함하여 상기 EtherCAT 마스터(110)와 EtherCAT 슬레이브(120)간 물리적인 연결을 수행한다.
상기 포트(122)는 상기 물리계층(121)과 EtherCAT 슬레이브의 MAC인 상기 ESC(123)와의 연결을 위하여 물리계층에 독립적으로 접속이 가능한 MII방식의 인터페이스를 제공함으로써 EtherCAT 네트워크에 접속이 가능하도록 제작된 다양한 형태의 구성을 가진 물리계층을 수용하여 향후 다른 물리계층의 사용에도 용이하도록 하였다.
상기 ESC(123)는 EtherCAT 슬레이브(120)의 MAC과 DLL(Dynamic Link Library)에 해당하는 부분으로써 상기 중앙제어기(100)로부터 전송된 EtherCAT 프레임 형태로 전송되는 정보를 인코딩 또는 디코딩을 수행하여 슬레이브 모듈장치의 FMMU(Fieldbus Memory Management Unit)를 통해 정보를 DIO(Digital Input Output 채널)을 통해 SPI를 이용하여 8 또는 16비트의 동기 또는 비동기로 노드 컨트롤러(124)와 송수신한다.
EtherCAT 프레임은 스위칭 허브를 통하여 일반 Ethernet과 혼용하여 사용할 수 있는 UDP(User Datagram Protocol)타입과 실시간 특성을 보장하기 위한 EtherCAT 전용 프레임 타입이 있다.
상기 ESC(123)에서 인코딩하거나 디코딩하는 EtherCAT 프레임은 도 3에 도시된 바와 같이 이더캣 전용 데이터 프레임으로서 주소 정보를 포함하는 Ethernet 헤더, EtherCAT 정보를 포함하는 ECAT, EtherCAT 데이터를 포함하는 EtherCAT 텔레그램으로 구성된다.
상기 Ethernet 헤더는 프레임의 시작을 의미하는 Pre(Preamble), 목적지 주소를 의미하는 DA(Destination Address), 출발지 주소를 의미하는 SA(Source Address)와 프레임의 타입을 결정하는 Type으로 구성되며, ECAT의 Frame HDR은 EtherCAT 프레임의 길이와 프로토콜 타입을 의미하고, EtherCAT 텔레그램은 슬레이브에서 기입한 정보로서 EtherCAT 명령에 따라 필요한 지침과 주소를 기입하는 EtherCAT HDR, 필요한 데이터를 기입하는 Data와 슬레이브모듈의 데이터 작성 유무
를 표시하는 WKC를 포함하며 마지막으로 FCS는 EtherCAT 프레임의 에러를 확인하는 정보를 포함한다.
상기 노드 컨트롤러(124)는 SPI 마스터로, 상기 ESC(123)와 상기 파워 드라이버(130)를 각각 SPI의 슬레이브로 동작하여 상기 ESC(123)에서 인코딩 또는 디코딩된 정보를 상기 파워 드라이버(130)와 통신할 수 있도록 이더캣 스택(125)을 포함한다.
상기 이더캣 스택(125)은 SPI 마스터인 상기 노드 컨트롤러(124)와 SPI 슬레이브 중 하나인 당해 산업 장치를 제어하는 파워 드라이버(130)와 버스에 독립적인 CiA 402 디바이스, 구성, 조정, 식별 및 네트워크 관리 개체의 실시간 제어 개체의 정의를 포함하여 프로파일을 정의한 IEC 61800-7-201 표준에 의하여 통신할 수 있도록 한다.
본 명세서에는 본 발명에 따른 IEC 61800 기반 파워 드라이버 시스템을 위한 EtherCAT 슬레이브 모듈 장치의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명은 특허청구범위 및 첨부도면의 범위 내에서 다양하게 변형되어 실시될 수 있으며, 이것 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.
100 : 중앙제어기 110 : EtherCAT 마스터
120 : EtherCAT 슬레이브 121 : 물리계층
122 ; 포트 123 : ESC
124 : 노드 컨트롤러 125 : EtherCAT 스택
130 : 파워 드라이버 140 : 제어 및 검출대상
150 : PDS

Claims (5)

  1. 중앙제어기와 각 산업장비내 파워 드라이버간 통신을 수행하는 EtherCAT 슬레이브모듈 장치는
    중앙제어기 내 EtherCAT 마스터와 통신할 수 있도록 EtherCAT 네트워크에 물리적으로 연결할 수 있는 이더넷 트랜시버를 포함하는 물리계층;
    상기 물리계층과 EtherCAT 슬레이브의 MAC인 ESC와의 연결을 위하여 물리계층에 독립적으로 접속이 가능한 포트;
    상기 중앙제어기 및 각 파워 드라이버로부터 전송된 정보를 EtherCAT 프레임 형태의 정보로 인코딩 또는 디코딩을 수행하여 노드 컨트롤러와 송수신하는 ESC;
    상기 ESC와 상기 파워 드라이버와 송수신하는 노드 컨트롤러;및
    SPI 마스터인 상기 노드 컨트롤러와 파워 드라이버간 IEC 61800-7-201 표준에 의하여 통신을 수행하는 EtherCAT 스택을 포함하는 것을 특징으로 하는 IEC 61800 기반 파워 드라이버 시스템을 위한 EtherCAT 슬레이브 모듈 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    물리계층은 2개의 RJ-45커넥터와 IEC 61800-7-301 표준에 의한 통신을 제공하는 이더넷 트랜시버를 포함하는 것을 특징으로 하는 IEC 61800 기반 파워 드라이버 시스템을 위한 EtherCAT 슬레이브 모듈 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    포트는 MII방식의 인터페이스를 제공하는 것을 특징으로 하는 IEC 61800 기반 파워 드라이버 시스템을 위한 EtherCAT 슬레이브 모듈 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    노드 컨트롤러는 ESC와 파워 드라이버를 각각 SPI의 슬레이브로 하여 SPI 마스터로서 SPI 통신을 수행하는 것을 특징으로 하는 IEC 61800 기반 파워 드라이버 시스템을 위한 EtherCAT 슬레이브 모듈 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    노드 컨트롤러는 ESC와 파워 드라이버를 각각 SPI의 슬레이브로 하여 SPI 마스터로서 SPI 통신을 수행하는 것을 특징으로 하는 IEC 61800 기반 파워 드라이버 시스템을 위한 EtherCAT 슬레이브 모듈 장치.
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