KR101354767B1

KR101354767B1 - 출력 제어 장치 및 방법

Info

Publication number: KR101354767B1
Application number: KR1020120061126A
Authority: KR
Inventors: 권재일
Original assignee: 엘에스산전 주식회사
Priority date: 2012-06-07
Filing date: 2012-06-07
Publication date: 2014-01-23
Also published as: JP5763706B2; EP2672350A2; CN103488115A; US9488972B2; EP2672350B1; EP2672350A3; CN103488115B; ES2869188T3; KR20130137476A; US20130331955A1; JP2013254487A

Abstract

본 발명은 PLC 출력 신호 제어를 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 출력 제어 방법은 디지털 출력 신호의 형태를 제어하는 방법에 있어서, 상기 디지털 출력 신호를 수신하는 단계; 및상기 디지털 출력 신호에 선형 보정 함수, 비선형 보정 함수 중 적어도 하나를 적용하여 상기 디지털 출력 신호의 기울기를 완만하게 보간하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, PLC가 제어하는 외부 기기가 완만한 형태로 응답하도록 보다 안정된 출력 제어 장치 및 방법을 제공할 수 있고, PLC 출력을 서서히 변화시켜 제어 대상이 되는 외부 기기의 오동작 또는 파손을 방지할 수 있다.

Description

출력 제어 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING OUTPUT}

본 발명은 PLC 출력 신호 제어를 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

산업 현장의 자동화 설비는 릴레이 등을 사용한 기계적인 장비로 구성된다. 기계적인 장비로 구성된 자동화 설비를 변경하기 위해서는 설비의 내부 회로 배선을 변경하여야 하는 어려움이 있다. 이와 같은 어려움을 극복하기 위하여 범용 제어 기기인 PLC(Programmable Logic Controller)를 이용한다.

PLC는 사용자가 입력한 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환한 후, 아날로그 신호를 외부 기기에 전송함으로써, 외부 기기를 제어할 수 있다.

도 1은 일반적인 PLC 응답 특성에 관한 그래프이다.

도 1을 참조하면, PLC 디지털 신호 출력(101)은 특정 시점(107)에서 그 값이 급격하게 변한다. 이에 따라, PLC 디지털 신호 출력(101)을 변환한 PLC 아날로그 신호 출력(103) 역시, 특정 시점(107)에 그 값이 급격하게 변한다.

한편, PLC 아날로그 신호 출력(103)이 외부 기기에 전달되면, 외부 기기에서의 부하 응답(105)은 PLC 아날로그 신호 출력(103)의 값이 급격하게 변하는 특정 시점(107)에, 과도 응답(109)이 발생할 수 있다. 외부 기기는 부하의 과도 응답(109)으로 인하여 오동작하거나, 심한 경우 파손될 수 있는 문제점이 있다.

본 발명은 PLC가 제어하는 외부 기기가 완만한 형태로 응답하도록 보다 안정된 출력 제어 장치 및 방법을 제공한다.

또한 본 발명은 PLC 출력을 서서히 변화시켜 제어 대상이 되는 외부 기기의 오동작 또는 파손을 방지할 수 있는 출력 제어 장치 및 방법을 제공한다.

본 발명의 실시 예에 따른 출력 제어 방법은 디지털 출력 신호의 형태를 제어하는 방법에 있어서, 상기 디지털 출력 신호를 수신하는 단계; 및 상기 디지털 출력 신호에 선형 보정 함수, 비선형 보정 함수 중 적어도 하나를 적용하여 상기 디지털 출력 신호의 기울기를 완만하게 보간하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따르면, PLC가 제어하는 외부 기기가 완만한 형태로 응답하도록 보다 안정된 출력 제어 장치 및 방법을 제공할 수 있다.

또한 본 발명에 따르면, PLC 출력을 서서히 변화시켜 제어 대상이 되는 외부 기기의 오동작 또는 파손을 방지할 수 있다.

도 1은 일반적인 PLC 응답 특성에 관한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 출력 제어 장치의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 PLC 출력 제어 장치의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 PLC 출력 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 출력을 설명하기 위한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 PLC 응답 특성을 설명하기 위한 도면이다.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 출력 제어 장치의 구성도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 출력 제어 장치(201)는 수신부(203), 보간부(205)를 포함한다.

수신부(203)는 디지털 출력 신호를 수신할 수 있다.

보간부(205)는 수신부(203)가 수신한 디지털 출력 신호의 기울기를 완만하게 보간할 수 있다. 이때, 보간부(205)는 보간 횟수, 목표 값, 스캔 타임 중 적어도 하나를 설정하는 방식으로 디지털 출력 신호를 보간할 수 있다. 보간 횟수는 사용자로부터 설정된 횟수로, 보간부(205)는 보간 횟수가 클수록 디지털 출력 신호가 더욱 안정되도록 보간 횟수를 설정할 수 있다. 보간부(205)는 시그모이드 함수를 이용하여 디지털 출력 신호를 보간할 수 있다. 또한, 보간부(205)는 시그모이드 함수로 보간된 디지털 출력 신호의 오프셋 게인을 별도로 조정하기 위하여 선형 보정 함수를 이용할 수 있다.

보간부(205)에서 보간된 디지털 출력 신호를 아날로그 출력 신호로 변환하여 부하에 전달하면, 부하는 과도 응답이 아닌 보다 안정된 응답을 출력할 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 PLC 출력 제어 장치의 구성도이다.

도 3을 참조하면, PLC 출력 제어 장치는 MPU(Micro Processor Unit, 301), 아날로그 출력 회로(303)를 포함할 수 있다.

MPU(301)는 디지털 신호를 생성하여 아날로그 출력 회로(303)로 전달할 수 있다.

아날로그 출력 회로(303)는 보간부(305), 포토 커플러(photo coupler, 307), DA 컨버터(309), 증폭부(311, 313), 채널(319)을 포함한다. 아날로그 출력 회로(303)는 MPU(301)로부터 전달받은 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하고, 각각 전압 및 전류로 증폭한 후, 채널(319)을 통하여 아날로그 전압 및 아날로그 전류를 출력한다. PLC는 외부 기기로 아날로그 전압 및 아날로그 전류를 전송함으로써, 외부 기기의 동작을 제어할 수 있다.

보간부(305)는 전달된 디지털 신호를 보간(interpolation)할 수 있다. 디지털 신호는 급격한 기울기를 가지는 계단 함수(step function) 형태로 출력된다. 즉, 특정 시점에서 그 값이 0에서 목표 값으로 또는 목표 값에서 0으로 급변하는 형태가 일반적인 디지털 신호의 파형이다. 보간부(305)는 특정 기간 동안 디지털 출력이 0에서 목표 값으로 또는 목표 값에서 0으로 서서히 변할 수 있도록, 디지털 신호의 기울기를 완만하게 할 수 있다.

포토 커플러(307)는 MPU(301)와 아날로그 출력 회로(303)를 전기적으로 절연할 수 있다. 따라서, MPU(301)로부터 생성된 디지털 신호는 포토 커플러(307)를 통해 절연된 상태에서 DA 컨버터(309)로 전달될 수 있다.

DA 컨버터(309)는 기울기가 완만하게 보간된 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환할 수 있다.

증폭부(311, 313)는 DA 컨버터(309)로부터 출력된 아날로그 신호의 크기를 외부 기기를 구동할 수 있을 정도의 크기로 증폭한다. 증폭부(311, 313)는 전압 증폭기 및 전류 증폭기를 포함할 수 있다. 전압 증폭부(311)는 아날로그 전압 신호를 증폭하는 OP-AMP를 포함할 수 있다. 전류 증폭부(313)는 아날로그 전류 신호를 증폭하는 OP-AMP를 포함할 수 있다.

하나의 채널(319)을 통하여, 외부 기기 구동용 아날로그 전압 신호(315) 및 외부 기기 구동용 아날로그 전류 신호(317)가 출력된다. 사용자는 외부 기기에 따라 아날로그 출력 채널(319)을 설정할 수 있다. 사용자가 채널(319)을 설정하면, 아날로그 신호 변환이 허용된 채널(319)에 한하여, 아날로그 출력 회로(303)가 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환할 수 있다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 PLC 출력 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.

도 4를 참조하면, 사용자 선택에 의하여, PLC 디지털 출력을 외부 기기 구동을 위한 PLC 아날로그 출력으로 변환하기 위한 채널(319)이 설정될 수 있다. MPU(301)는 사용자가 설정한 채널(319)을 포함하는 아날로그 출력 회로(303)를 선택한다(S401). MPU(301)는 선택된 아날로그 출력 회로(303)에 새로운 값을 입력하기 위하여 기설정된 값을 초기화할 수 있다.

MPU(301)는 선택된 채널(319)이 포함된 아날로그 출력 회로(303)에서 디지털-아날로그 변환이 허용되는지 여부를 판단할 수 있다(S403). 아날로그 출력 회로(303)에서 디지털-아날로그 변환이 허용되지 않는 경우, MPU(301)는 아날로그 출력 회로(303)의 기설정된 데이터를 초기화하고 디지털-아날로그 변환 과정을 종료할 수 있다(S405).

아날로그 출력 회로(303)에서 디지털-아날로그 변환이 허용되는 경우, 아날로그 출력 회로(303)는 DA 컨버터(309)가 디지털-아날로그 변환을 수행할 때 필요한 레지스터 설정 값을 산출할 수 있다(S407).

이어서, 아날로그 출력 회로(303)는 실제 출력할 디지털 출력 값을 연산할 수 있다(S409). 아날로그 출력 회로(303)는 아날로그 분해능이 12비트인 경우에는 디지털 출력 값을 0 내지 4000의 범위로 연산하고, 아날로그 분해능이 14비트인 경우에는 디지털 출력 값을 0 내지 16000의 범위로 연산한다. 디지털 출력 값의 범위가 넓을수록, 디지털 출력과 아날로그 출력의 유사도가 높아진다.

이어서, 아날로그 출력 회로(303)는 선택된 채널(319)이 디지털 출력 보간을 허용하는지 여부를 판단할 수 있다(S411). 채널(319)이 보간을 허용하지 않는 경우, 디지털 출력은 포토 커플러(307)를 통하여 DA 컨버터(309)로 전달된다(S415).

채널(319)이 보간을 허용하는 경우, 디지털 출력은 보간부(305)로 전달되고, 보간부(305)는 디지털 출력을 보간 연산한다(S413). 보간부(305)는 비선형 보간 연산 및 선형 보간 연산을 실행함으로써, PLC 디지털 출력을 S형태로 보간할 수 있다. S형 보간은 계단 함수 형태의 급격한 기울기를 가지는 출력을 S형태의 완만한 기울기를 가지는 출력으로 보간하는 것을 의미한다. 비선형 보간 연산을 수행하기 위하여 시그모이드 함수(Sigmoid function)가 이용될 수 있고, 선형 보간 연산을 수행하기 위하여 선형 보정 함수가 이용될 수 있다. 선형 보정 함수는 시그모이드 함수로 구현할 수 없는 오프셋 게인 조정을 위하여 이용된다.

예를 들어, 시그모이드 응용 함수는 수학식 1과 같다.

α: 보간 횟수

β: 목표 값

t: 스캔 타임(scan time, ms)

수학식 1은 시그모이드 함수의 계수를 변형한 시그모이드 응용 함수이다.

보간 횟수(α)는 시그모이드 응용 함수를 그래프 상에서 나타낼 때, 직선을 이용하여 곡선에 가까운 그래프를 그리기 위하여, 직선을 그리는 횟수를 의미한다. 보간 횟수(α)가 클수록, 곡선에 보다 가까운 디지털 출력을 산출할 수 있다.

목표 값(β)은 최종 디지털 출력 값을 의미한다. 보간 횟수(α) 및 목표 값(β)은 사용자가 사용 목적에 따라 설정할 수 있다.

스캔 타임(t)은 0부터 목표 값까지 이르는데 걸리는 시간을 의미한다.

P1(t)는 비선형 보간 연산이 실행된 디지털 출력을 의미한다. 수학식 1을 살펴보면, P1(t)는 스캔 타임(t)이 무한대로 증가하더라도 목표 값(β)을 출력하지 못하고 수렴하는 특성을 가진다. 따라서, 보간부(305)는 목표 값(β)을 출력하기 위하여 선형 보정 함수를 이용하여야 한다.

예를 들어, 선형 보정 함수는 수학식 2와 같다.

P2(t)는 비선형 보간 연산이 실행된 디지털 출력 P1(t)를, 선형 보간 연산한 디지털 출력을 의미한다. 수학식 2는 오프셋 게인 조정을 위한 식이므로 1차 방정식 형태로 표현되고, 사용자가 미리 문턱 값을 설정할 수 있다. P1(t)를 수학식 2에 대입하여 계산한 결과, 문턱 값 이하에서는 초기 값인 오프셋 값을, 문턱 값 이상에서는 목표 값(β)을 출력할 수 있다. 선형 보간 연산 결과, P2(t)는 스캔 타임(t)이 경과하면, 목표 값(β)을 출력할 수 있다.

이어서, 보간 연산이 실행된 최종 디지털 출력 또는 보간 연산이 실행되지 않은 디지털 출력이 포토 커플러(307)를 통해 DA 컨버터(309)로 전달된다(S415).

DA 컨버터(309)는 전달받은 디지털 출력 신호를 아날로그 출력 신호로 변환한다(S417).

전압 증폭부(311)는 변환된 아날로그 출력 전압을 외부 기기를 구동하기에 적합한 크기의 전압으로 증폭하고, 전류 증폭부(313)는 변환된 아날로그 출력 전류를 외부 기기를 구동하기에 적합한 크기의 전류로 증폭한다(S419).

이어서, 아날로그 출력 회로(303)가 채널(319)을 통하여 아날로그 출력 전압 또는 전류를 출력한 결과, PLC는 채널에 연결된 외부 기기를 제어할 수 있다.(S421).

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 출력을 설명하기 위한 그래프이다.

도 5를 참조하면, 아날로그 출력 P(t)는 보간 연산이 실행된 디지털 출력 신호를 아날로그 신호로 변환한 것이다. 도 5의 직선 그래프는 보간 연산이 실행된 디지털 출력 신호를 의미하고, 곡선 그래프는 아날로그 출력 신호를 의미한다. 아날로그 출력 신호의 최종 값은 β이고, t는 아날로그 출력 신호의 출력 값이 0에서 목적 값까지 이르는데 걸리는 스캔 타임이다. 예컨대 보간 횟수(α)가 4인 경우, 아날로그 출력 P(t)는 t/4 지점에서 β/8이고, t/2 지점에서 β/2, 3t/4 지점에서 7β/8, t 지점에서 β이다. 즉, 스캔 타임을 4등분 하면, 아날로그 출력 P(t)의 그래프 형태는 스캔 타임의 첫 번째, 네 번째 구간에서는 보다 완만한 기울기를 가지고 변화하고, 스캔 타임의 두 번째, 세 번째 구간에서는 보다 급격한 기울기를 가지고 변화하는 S 형태이다. 이와 같이, S형 보간이 완료된 아날로그 출력 신호를 외부 기기에 인가하였을 때, 이후의 도 6과 같은 효과가 나타날 수 있다.

도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 PLC 응답 특성을 설명하기 위한 도면이다.

도 6을 참조하면, MPU(301)로부터 전달된 디지털 출력(601)은 스텝 함수 형태로서 출력 변화 시점(609)에서 그 값이 0에서 16000이 되나, 보간부(305)를 통하여 보간된 디지털 출력(603)은 S 형태로서 출력 변화 시점(609)부터 기울기가 변하면서 그 값이 초기 값인 0 또는 목표 값인 16000에 이른다. 또한, 보간된 디지털 출력(603)을 변환한 아날로그 전류 출력(605) 역시 S 형태로서, 출력 변화 시점(609)부터 기울기가 변하면서 그 값이 서서히 초기 값 0 또는 목표 값 20mA로 변화한다.

결과적으로, 아날로그 출력(605)을 전달받는 부하는 S 형태의 응답을 출력할 수 있다. 본 발명에 따른 아날로그 출력 회로(303)는 외부 기기가 도면 부호 611과 같은 과도 응답이 아닌, 완만한 형태의 응답을 출력할 수 있도록 제어할 수 있기 때문에 보다 안정성 있는 제어 기기를 제공할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 아날로그 출력 회로(303)는 외부 기기에 입력되는 전압이나 전류의 크기를 서서히 변화시켜, 외부 기기의 오동작 또는 파손을 예방할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.

따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.

301: MPU 303: 아날로그 출력 회로
305: 보간부 307: 포토 커플러
309: DA 컨버터 311: 전압 증폭부
313: 전류 증폭부 315: 아날로그 전압 신호
317: 아날로그 전류 신호 319: 채널

Claims

디지털 출력 신호의 형태를 제어하는 방법에 있어서,
상기 디지털 출력 신호를 수신하는 단계; 및
상기 디지털 출력 신호에 비선형 보정 함수를 적용하여 상기 디지털 출력 신호의 기울기를 보간하는 단계를 포함하고,
상기 비선형 보정 함수의 출력은, 상기 디지털 출력 신호의 최종 값에 비례하고, 보간 횟수에 반비례하며,
상기 디지털 출력 신호의 기울기는 상기 보간 횟수가 증가할수록 완만해지는
출력 제어 방법.
제1 항에 있어서,
상기 비선형 보정 함수의 출력은, 상기 디지털 출력 신호가 0으로부터 상기 최종 값에 이르는데 걸리는 스캔 타임에 비례하는
출력 제어 방법.
제2 항에 있어서,
상기 비선형 보정 함수가 적용된 디지털 출력 신호에 선형 보정 함수를 적용하여 오프셋 게인을 조정하는 단계를 포함하고,
상기 선형 보정 함수의 출력은, 상기 스캔 타임이 무한대로 증가하는 경우, 상기 최종 값으로 수렴하는
출력 제어 방법.