KR102420771B1 - 산업용 무선 센서 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예는 산업용 무선 센서 시스템에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 기존에 유선으로만 존재하는 센서 3종(예를 들면, 자계 감지 센서, 리미트 센서, 근접 센서)을 무선 센서로 변환한 산업용 무선 센서 시스템을 제공하는데 있다. 이를 위해 본 발명은 외부의 물리적 상태를 센싱하고 센싱 신호를 출력하는 센서; 센서로부터 센싱 신호를 입력받고 디지털 신호로 변환하여 출력하는 센서 제어부; 센서 제어부로부터 디지털 신호를 입력받고 무선 신호로 변환하여 공장 제어부에 출력하는 무선 통신부; 센서 및 센서 제어부에 각각 전원을 공급하는 전원부; 및 전원부에 연결된 배터리를 포함하는, 산업용 무선 센서 시스템을 개시한다.

Description

산업용 무선 센서 시스템{Industrial Wireless Sensor System}
본 발명의 실시예는 산업용 무선 센서 시스템에 관한 것이다.
자동차 차체 생산라인에 주로 사용되는 센서의 예는 공압실린더의 위치를 감지하는 자계 감지 센서, 대차의 이동을 감지하는 리미트 센서, 작업 판넬을 감지하는 근접 센서 등이 있다.이러한 센서의 경우 유선 제품으로만 존재하며 생산 설비 제작 시 수많은 배선을 사람이 하나씩 연결해 주어야 하며 배선 정리를 하기 위한 자재와 공간이 필요하다.
기존에 존재하는 무선 센서의 경우 주로 환경과 관련된 온도, 습도, 가스등을 감지하는 센서가 대부분이며, 유선 센서에 무선 송수신기를 별도로 장착하여 사용하는 방식이다
도 1a 내지 도 1f는 종래 기술에 따른 산업용 무선 센서 시스템을 도시한 사진이다. 도 1a는 기존 무선 온/습도 센서를 도시하고 있고, 도 1b는 기존 무선 진동 센서를 도시하고 있다. 도 1c에 도시된 바와 같이, 유선 센서에 무선 송수기를 장착하여 사용하기도 한다.
도 1d는, 일례로, steute Technologies에서 개발한 무선 리미트 스위치이다. 이러한 기존 무선 리미트 스위치는 배터리가 없고 자체 전기력으로 발전시켜 감지되는 순간에만 통신이 이루어진다. 이럴 경우 실시간으로 센서 값을 받아 모니터링해야 하는 곳에서는 사용할 수 없는 단점이 있다.
도 1e는, 일례로, steute Technologies에서 개발한 무선 자기 센서이다. 이러한 기존 무선 자기 센서는 자력을 감지하는 자기 센서와 액튜에이터로 구성된다. 여기서, 액튜에이터는 자성을 뛴다. 이러한 액튜에이터는 리프팅 테이블이나 턴테이블에 고정하고 테이블과 같이 움직이면 자기 센서가 움직임을 감지한다. 즉, 도 1f에 도시된 바와 같이, 무선 자기 센서는 리프팅 테이블 및 턴테이블에서 자재를 모니터링하여 위치를 전달한다.
이러한 발명의 배경이 되는 기술에 개시된 상술한 정보는 본 발명의 배경에 대한 이해도를 향상시키기 위한 것뿐이며, 따라서 종래 기술을 구성하지 않는 정보를 포함할 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따른 해결하고자 하는 과제는 기존에 유선으로만 존재하는 센서 3종(예를 들면, 자계 감지 센서, 리미트 센서, 근접 센서)을 무선 센서로 변환한 산업용 무선 센서 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 실시예에 따른 산업용 무선 센서 시스템은 외부의 물리적 상태를 센싱하고 센싱 신호를 출력하는 센서; 센서로부터 센싱 신호를 입력받고 디지털 신호로 변환하여 출력하는 센서 제어부; 센서 제어부로부터 디지털 신호를 입력받고 무선 신호로 변환하여 출력하는 무선 통신부; 센서 및 센서 제어부에 각각 전원을 공급하는 전원부; 전원부에 연결된 배터리; 센서 제어부에 무선 통신부를 통해 연결되고, 센서 제어부에 다운링크 명령어 전송 및 업링크 응답을 위한 무선 자원을 제공하고, 센서 제어부가 한 사이클 시간당 센싱 정보 응답 또는 확인 응답을 리턴하도록 센서 제어부에 주기적으로 명령어를 전송하는 공장 제어부; 및 공장 제어부에 유무선으로 연결되어 공장 제어부가 등록되며, 공장 제어부에 의한 무선 자원 스케쥴링이 수행되도록 공장 제어부에 명령어를 주기적으로 전송하는 공장 네트워크를 포함하고, 센서 제어부는 센서 제어부에 의한 주기적 업링크 전송의 최초 전송을 시작하는 시간 정보를 공장 제어부에 전송하고, 센서 제어부는 공장 제어부로부터 주기적 업링크 자원 할당을 나타내는 구성을 수신하며, 센서 제어부는 주기적 업링크 자원 할당을 기초로 하여 주기적 업링크를 공장 제어부에 전송하고, 공장 제어부는 센서 제어부에 전송한 명령어 대비 센서 제어부로부터 공장 제어부가 수신한 응답 신호가 불일치하거나 응답 신호가 수신되지 않는 경우 센서 고장 신호를 공장 네트워크에 전송하며, 센서 제어부는 전용 구성을 포함하되, 전용 구성은 그룹 RNTI(Radio Network Temporary Identifier), 다운링크 및 업링크 SPS(semi-persistent scheduling) 간격, 다운링크 수신을 시작하는 시간, 다운링크 수신을 정지하는 시간, 업링크 전송을 시작하는 시간, 업링크 전송을 정지하는 시간 및 다운링크 수신 및 업링크 전송을 위한 자원 할당을 포함하고, 공장 제어부에 의해 센서 제어부에 알려지는 정보는 명령어를 수신하는 센서 제어부, 명령어 도착 간격 시간, 사이클 시간, 명령어 전송을 시작하는 시간 및 명령어의 크기와 응답의 크기를 포함한다.
센서는 무선 자계 감지 센서, 무선 리미트 센서 및 무선 근접 센서중 적어도 하나를 포함한다.
무선 자계 감지 센서는 홀 센서를 포함하고, 홀 센서의 아날로그값이 센서 제어부의 아날로그 디지털 컨버터 포트에 입력된다.
무선 자계 감지 센서는 실린더에 부착된다.
무선 리미트 센서는 마이크로 감지 스위치를 포함하고, 푸쉬 레버에 의한 마이크로 감지 스위치의 스위칭 신호가 센서 제어부에 입력된다.
무선 리미트 센서는 판넬이 안착되는 지그 또는 지그 대차가 이동하는 레일에 부착된다.
무선 근접 센서는 고주파 발진 회로를 포함하고, 금속체 접근에 의한 고주파 발진 회로의 신호가 센서 제어부에 입력된다.
무선 근접 센서는 판넬이 안착되는 클램프에 부착된다.
삭제
본 발명의 실시예는 기존에 유선으로만 존재하는 센서 3종(예를 들면, 자계 감지 센서, 리미트 센서, 근접 센서)을 무선 센서로 변환한 산업용 무선 센서 시스템을 제공한다. 또한, 본 발명의 실시예는 배선 작업에 드는 시간과 비용을 획기적으로 줄일 수 있고, 장비 유지 보수에 있어서도 진단과 조치가 쉽고 빨라진다.
도 1a 내지 도 1f는 종래 기술에 따른 산업용 무선 센서 시스템을 도시한 사진이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 산업용 무선 센서 시스템의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 3a 및 도 3b, 도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 실시예에 따른 산업용 무선 센서 시스템 중에서 무선 자계 감지 센서의 일례를 도시한 도면이다.
도 5a 내지 도 5f, 도 6a 내지 도 6c, 도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 산업용 무선 센서 시스템 중에서 무선 리미트 센서의 일례를 도시한 도면이다.
도 8, 도 9a 내지 도 9d는 본 발명의 실시예에 따른 산업용 무선 센서 시스템 중에서 무선 근접 센서의 일례를 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 산업용 무선 센서 시스템의 공장내 구성을 도시한 블럭도이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 산업용 무선 센서 시스템에서 무선 센서, 공장 제어부 및 공장 네트워크 사이의 무선 신호 송수신 및 사이클 기간을 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 산업용 무선 센서 시스템의 동작 방법을 도시한 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 "연결된다"라는 의미는 A 부재와 B 부재가 직접 연결되는 경우뿐만 아니라, A 부재와 B 부재의 사이에 C 부재가 개재되어 A 부재와 B 부재가 간접 연결되는 경우도 의미한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise, include)" 및/또는 "포함하는(comprising, including)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안 됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
"하부(beneath)", "아래(below)", "낮은(lower)", "상부(above)", "위(upper)"와 같은 공간에 관련된 용어가 도면에 도시된 한 요소 또는 특징과 다른 요소 또는 특징의 용이한 이해를 위해 이용될 수 있다. 이러한 공간에 관련된 용어는 본 발명의 다양한 공정 상태 또는 사용 상태에 따라 본 발명의 용이한 이해를 위한 것이며, 본 발명을 한정하기 위한 것은 아니다. 예를 들어, 도면의 요소 또는 특징이 뒤집어지면, "하부" 또는 "아래"로 설명된 요소 또는 특징은 "상부" 또는 "위에"로 된다. 따라서, "아래"는 "상부" 또는 "아래"를 포괄하는 개념이다.
또한, 본 발명에 따른 제어부(컨트롤러) 및/또는 다른 관련 기기 또는 부품은 임의의 적절한 하드웨어, 펌웨어(예를 들어, 주문형 반도체), 소프트웨어, 또는 소프트웨어, 펌웨어 및 하드웨어의 적절한 조합을 이용하여 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 제어부(컨트롤러) 및/또는 다른 관련 기기 또는 부품의 다양한 구성 요소들은 하나의 집적회로 칩 상에, 또는 별개의 집적회로 칩 상에 형성될 수 있다. 또한, 제어부(컨트롤러)의 다양한 구성 요소는 가요성 인쇄 회로 필름 상에 구현 될 수 있고, 테이프 캐리어 패키지, 인쇄 회로 기판, 또는 제어부(컨트롤러)와 동일한 서브스트레이트 상에 형성될 수 있다. 또한, 제어부(컨트롤러)의 다양한 구성 요소는, 하나 이상의 컴퓨팅 장치에서, 하나 이상의 프로세서에서 실행되는 프로세스 또는 쓰레드(thread)일 수 있고, 이는 이하에서 언급되는 다양한 기능들을 수행하기 위해 컴퓨터 프로그램 명령들을 실행하고 다른 구성 요소들과 상호 작용할 수 있다. 컴퓨터 프로그램 명령은, 예를 들어, 랜덤 액세스 메모리와 같은 표준 메모리 디바이스를 이용한 컴퓨팅 장치에서 실행될 수 있는 메모리에 저장된다. 컴퓨터 프로그램 명령은 또한 예를 들어, CD-ROM, 플래시 드라이브 등과 같은 다른 비-일시적 컴퓨터 판독 가능 매체(non-transitory computer readable media)에 저장될 수 있다. 또한, 본 발명에 관련된 당업자는 다양한 컴퓨팅 장치의 기능이 상호간 결합되거나, 하나의 컴퓨팅 장치로 통합되거나, 또는 특정 컴퓨팅 장치의 기능이, 본 발명의 예시적인 실시예를 벗어나지 않고, 하나 이상의 다른 컴퓨팅 장치들에 분산될 수 될 수 있다는 것을 인식해야 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 산업용 무선 센서 시스템(100)의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 산업용 무선 센서 시스템(100)은 센서(110,210,310), 센서 제어부(120), 무선 통신부(130), 전원부(140) 및 배터리(150)를 포함할 수 있다.
센서(110,210,310)는 외부의 물리적 상태(예를 들면, 자계, 위치, 근접 여부)를 센싱하고, 센싱된 아날로그 신호를 센서 제어부(120)에 출력할 수 있다. 일부 예들에서, 센서(110,210,310)는 무선 자계 감지 센서(110), 무선 리미트 센서(210) 및/또는 무선 근접 센서(310)를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 이러한 센서(110,210,310)의 갯수는 수십개에서 수만개를 포함할 수 있다. 센서(110,210,310)는 아래에서 다시 설명하기로 한다.
센서 제어부(120)는 센서(110,210,310)로부터 아날로그 센싱 신호를 입력받고, 아날로그 센싱 신호를 디지털 신호로 변환하여 무선 통신부(130)에 출력할 수 있다. 이를 위해 센서 제어부(120)는 중앙처리장치 및 메모리를 포함할 수 있다. 메모리는 본 발명의 실시예에 따른 무선 센서 시스템(100)의 동작을 위한 알고리즘 및 다양한 상수나 변수를 저장할 수 있다.
무선 통신부(130)는 센서 제어부(120)로부터 디지털 신호를 입력받고, 디지털 신호를 무선 신호로 변환하여 공장 제어부(미도시됨)에 전송할 수 있다. 일부 예들에서, 무선 통신부(130)는 공장 제어부로부터 명령어를 수신하여 센서 제어부(120)에 전달하거나 또는 센서 제어부(120)로부터 응답 신호(즉, 센싱 신호)를 수신하여 공장 제어부에 전송할 수 있다. 일부 예들에서, 무선 통신부(130)는 무선 신호의 송수신을 위해 무선 안테나를 포함할 수 있다. 또한, 일부 예들에서, 산업용 무선 센서 시스템(100)의 무선 통신부(130)와 공장 제어부의 무선 통신부는 각각 2.4GHz 대역의 WiFi 통신 모듈 및/또는 ZigbBee 통신 모듈을 포함할 수 있다.
전원부(140)는 센서(110,210,310) 및 센서 제어부(120)에 미리 정해진 레벨의 직류 전원을 공급할 수 있다. 배터리(150)는 전원부(140)에 전기적으로 연결되어 전원부(140)에 전원을 공급하며, 이는 재충전 가능한 배터리(150)를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 전원부(140)는 배터리(150) 및/또는 외부 직류 전원 공급 장치(미도시됨)로부터 전원을 공급받을 수 있다. 또한, 일부 예들에서, 배터리(150)는 태양 전지 모듈 및/또는 외부 직류 전원 공급 장치로부터 충전 모듈을 통해 충전될 수도 있다.
이와 같이 하여, 본 발명의 실시예는 기존에 유선으로만 존재하는 센서 3종(예를 들면, 자계 감지 센서, 리미트 센서, 근접 센서)을 무선 센서(110,210,310)로 변환한 산업용 무선 센서 시스템(100)을 제공할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예는 배선 작업에 드는 시간과 비용을 획기적으로 줄일 수 있고, 장비 유지 보수에 있어서도 진단과 조치가 쉽고 빠른 산업용 무선 센서 시스템(100)을 제공할 수 있다.
도 3a 및 도 3b, 도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 실시예에 따른 산업용 무선 센서 시스템(100) 중에서 무선 자계 감지 센서(110)의 일례를 도시한 도면이다.
일부 예들에서, 무선 자계 감지 센서(110)는 홀 센서(111)를 포함할 수 있고, 홀 센서(111)의 아날로그값이 센서 제어부(120)의 아날로그 디지털 컨버터 포트에 입력될 수 있다.
도 3a는 인쇄회로기판(112)의 상면에 구비된 배터리 홀더(113) 및 감지 상태 표시 LED(녹색/황색)(114)를 도시한 것이고, 도 3b는 인쇄회로기판(112)의 하면으로서 직류 입출력 LDO 레귤레이터(115), 홀 센서(111)(아날로그 값 출력), 센서 제어부(120)(예를 들면, MCU) 및 무선 통신부(130)(예를 들면, 2.4GHz 칩 안테나 모듈)를 도시한 것이다.
또한, 도 4a는 하부 케이스(116)에 인쇄회로기판(112)이 조립된 상태를 도시한 것이고, 도 4b는 하부 케이스(116)와 상부 케이스(117)의 조립된 상태를 도시한 것이며, 도 4c는 실린더(118)에 부착된 무선 자계 감지 센서(110)를 도시한 것이다.
일반적으로 무선 자계 센서는 자력을 감지하는 자기 센서와 자성을 뛰는 액튜에이터를 포함하는데, 액튜에이터는 리프팅 테이블이나 턴테이블에 고정하고 테이블과 같이 움직이면 자기 센서가 감지하였다. 그러나, 본 발명의 실시예에 따른 무선 자계 감지 센서(110)는 자성을 감지하는 것은 같으나 사용처가 다르다고 할 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 무선 자계 센서(110)의 경우 공압 실린더(118)에 부착되어 실린더의 위치를 알기 위한 실린더 전용이다.
도 5a 내지 도 5f, 도 6a 내지 도 6c, 도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 산업용 무선 센서 시스템(100) 중에서 무선 리미트 센서(210)의 일례를 도시한 도면이다.
일부 예들에서, 무선 리미트 센서(210)는 마이크로 감지 스위치(211)를 포함하고, 푸쉬 레버(212)에 의한 마이크로 감지 스위치(211)의 스위칭 신호가 센서 제어부(120)에 입력될 수 있다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 일부 예들에서, 무선 리미트 센서(210)는 인쇄회로기판(213)이 안착되는 베이스(214), 베이스(214)를 막는 실링(215), 커버(216) 및 스크류 플러그(217), 그리고 베이스(214)의 상측에 설치된 퍼터(218), 버튼(219) 및 롤러(220)를 포함할 수 있다.
또한, 도 5b에 도시된 바와 같이, 인쇄회로기판(213) 상에는 마이크로 감지 스위치(211)가 실장될 수 있고, 인쇄회로기판(213)은 지지대(221)로 지지될 수 있다. 또한, 인쇄회로기판(213)의 일측에 마이크로 감지 스위치(211)를 스위칭시키는 푸쉬 레버(212)가 설치되고, 타측에 무선 신호를 송수신하는 안테나(222)가 설치되며, 상측에 배터리(150)가 내장될 수 있다.
도 5c는 본 발명의 실시예에 따른 무선 리미트 센서(210)로서 내부 조립 사진이고, 도 5d는 분해 사진이다. 도 5e 및 도 5f에 도시된 바와같이, 인쇄회로기판(213)의 하면에 마이크로 감지 스위치(211)가 실장될 수 있다.
일부 예들에서, 도 6a에 도시된 바와 같이, 지그 위에 판넬이 안착될 수 있고, 도 6b에 도시된 바와 같이 판넬을 지지하는 클램프의 옆면에 무선 리미트 센서(210)가 부착될 수 있다. 이와 같이 하여, 지그 위에 판넬이 올려지면 판넬이 무선 리미트 센서(210)를 누르게 되어 판넬이 지그 위에 있다는 것을 센싱하게 된다. 한편, 도 6c에 도시된 바와 같이, 푸시 레버(212)는 다양한 타입으로 변경될 수 있으며, 이에 따라 자동화 라인에서 각 공정으로 이동하는 지그 대차를 감지하는 용도로 사용 가능하다.
일부 예들에서, 도 7a에 도시된 바와 같이, 무선 리미트 센서(210)는 레일 하단에 설치될 수 있고, 또한 도 7b에 도시된 바와 같이, 레일 상에는 대차가 안착될 수 있다.
도 8, 도 9a 내지 도 9d는 본 발명의 실시예에 따른 산업용 무선 센서 시스템(100) 중에서 무선 근접 센서(310)의 일례를 도시한 도면이다.
일부 예들에서, 무선 근접 센서(310)는 고주파 발진 회로(311)를 포함할 수 있고, 금속체 접근에 의한 고주파 발진 회로(311)의 신호가 센서 제어부(120)에 입력될 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 무선 근접 센서(310)는 검출면(312), 코일(313), 코어(314), 발진회로(311), 검파회로(315), 적분회로(316), 증폭회로(317), 출력회로(318) 및 동작표시등(319)을 포함할 수 있다. 즉, 무선 근접 센서(310)는 유도(고주파 발진)형 근접 센서로서 전면에 코일을 위치시키고 콘덴서를 이와 병렬로 연결하여 LC 발진기를 구성하고 LC 발진기에서 출력되는 주파수를 입력받아 주파수 변화를 감지하여 센서 제어부(120)와 SPI 통신으로 데이터를 전송한다.
다르게 설명하면, 고주파 발진 회로에서 고주파 발진하여 코어 주위에 생기는 고주파 자계 중 검출체(예를 들면, 금속)가 접근하면 전자 유도 현상에 의해 검출체에 유도 전류가 발생하고 이 유도 전류는 검출 코일에 발생하는 자장의 변화를 방해하는 방향으로 발생하게 되어 내부 회로에 발진 진폭이 감쇠 또는 정지하게 한다. 이를 무선 근접 센서(310)가 감지하고 감지된 상태를 센서 제어부(120)와 SPI 통신으로 데이터를 전송한다. 센서 제어부(120)는 SPI통신으로 받은 데이터를 분석하여 감지 유무를 무선 통신부(130)를 통해 공장 제어부에 무선으로 전송한다.
도 9a, 도 9b 및 도 9c는 본 발명의 실시예에 따른 무선 근접 센서(310)의 분해 및 조립 사진이고, 도 9d는 무선 근접 센서(310)가 클램프의 옆면에 부착된 상태를 도시한 사진이다. 이와 같이하여, 무선 근접 센서(310)는 클램프 옆면에 부착되어, 금속 판넬이 올려지면 판넬을 감지하여 대차 위의 판넬 유무를 판단한다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 산업용 무선 센서 시스템(100)의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 산업용 무선 센서 시스템(100)은 공장 내에 상술한 바와 같은 구성을 갖는 다수의 무선 센서(100; 110,210,310)가 구비될 수 있으며, 다수의 무선 센서(110,210,310)는 하나의 유닛으로 정의될 수 있다. 또한, 이러한 유닛이 다수개로 구비될 수 있다.
일부 예들에서, 다수의 무선 센서(110,210,310)는 공장 제어부(400)에 무선으로 연결될 수 있다. 이를 위해 공장 제어부(400)는 무선 통신부(410)를 포함할 수 있으며, 또한 무선 통신부(410)는 리피터를 통해 무선 센서(110,210,310)에 연결될 수 있다.
일부 예들에서, 각 유닛마다 무선 통신부(410)를 갖는 공장 제어부(400) 및 리피터를 포함할 수 있다. 또한, 각각의 공장 제어부(400)는 공장 네트워크(420)에 유무선으로 연결될 수 있으며, 공장 네트워크(420)에는 감시 제어부(430), 네트워크 보안부(440) 및/또는 네트워크 관리부(450)가 유무선으로 연결될 수 있다.
이러한 구성하에서, 공장 제어부(400)는 한 사이클 시간당 응답을 리턴시켜주는 한 유닛의 무선 센서(100;110,210,310)(즉, 센서 제어부(120))에 명령어를 주기적으로 전송한다.
여기서, 사이클 시간은 통상 대기 시간 제한(1ms 내지 10ms)을 설정하는 2ms 내지 20 ms이고, 전송은 이러한 사이클 시간 내에 이루어져야 한다. 또한, 이러한 구성하에서 공장 제어부(400)는 센서 제어부(120)에 센싱 동작을 수행할 것을 요구하고, 이에 따라 센서 제어부(120)는 센싱 정보를 응답 즉, 리턴해준다.
한 유닛의 무선 센서(110,210,310)들이 초기 접속 및 등록을 완료하고, 필요한 파라미터를 성공적으로 수신한 후에는, 공장 네트워크(420)의 공장 제어부(400)가 한 유닛의 무선 센서 제어부(120)에 브로드캐스트, 멀티캐스트 또는 유니캐스트 명령어를 주기적으로 전송한다. 이러한 무선 센서 제어부(120)는 하나의 사이클 시간 내에서 응답(예컨대, 센싱 또는 확인 응답)을 리턴한다. 사이클 시간이 충족되지 않을 수 있는 확률은 <10-9 이어야 한다. 또한, 이러한 센서 제어부(120)는 동일한 사이클 시간에 수신된 명령어를 동시적으로(지터< 10us) 적용하여야 한다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 산업용 무선 센서 시스템(100)에서 센서 제어부(120), 공장 제어부(400) 및 공장 네트워크(420) 사이의 무선 신호 송수신 및 사이클 기간을 도시한 도면이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 공장 네트워크(420)에 대한 등록 단계들을 수행한 후에는, 주기적 명령어의 개시/중지가 수행된다.
- 주기적 명령어 전송; 한 유닛의 센서 제어부(120)는 수신된 파라미터를 기반으로 하여 공장 제어부(400)로부터 명령어를 확실히 수신하여야 한다. 다른 센서 제어부(120)는 수신하거나 또는 웨이크업되지 않아도 된다. 다이버시티 기법(예컨대, 하이브리드 자동 재송 요구(HARQ; Hybrid Automatic Repeat Request) 재전송들)이 전송들에 적용될 수 있다. 예를 들면, HARQ 재전송은 공장 제어부(200의 무선 통신부(410)가 어느 HARQ NACK(Negative Acknowledgement; 부정 확인응답)를 수신하는 경우에 이루어질 수 있다. 단지 상기 명령어를 성공적으로 수신하지 못한 센서 제어부(120)만이 재전송을 수신할 필요가 있다.
- 동시적인 명령어 적용; 하나의 사이클 시간에, 한 유닛의 센서(110,210,310)들은 수신된 명령어를 동시적으로 적용하여야 한다.
- 명령어의 응답(들)의 전송; 한 유닛의 센서 제어부(120)는 수신된 파라미터들을 기반으로 하여 공장 제어부(400)에 응답(들)을 확실히 전송하여야한다. 다이버시티 기법(예컨대, HARQ 재전송들)이 응답들에 적용될 수 있다. 예를 들면, HARQ 재전송은 하나의 센서 제어부(120)가 어느 HARQ NACK를 수신한 경우에 이루어질 수 있다.
사이클 시간 내에서 주기적 명령어들의 전송 및 응답을 획득하기 위해서는, 상술한 사이클 시간 내에서 공장 제어부(400)로부터의 주기적 명령어의 전송 및 센서 제어부(120)로부터의 관련 응답을 위한 무선 자원들을 제공하도록 하는 스케줄링 구성이 필요하다.
무선 액세스 네트워크에서, 무선 자원 스케줄링은 공장 제어부(400)에 의해 수행될 수 있다. 그러나, 명령어는 공장 네트워크(420)로부터 주기적으로 전송된다. 다운링크 명령어 전송 및 업링크 응답을 위한 공장 제어부(400)의 무선 자원 할당은 상술한 사이클 시간 요구 사항을 충족시키도록 공장 네트워크(420)와의 조정이 잘 이루어질 필요가 있다. 이를 위해, 공장 제어부(400)는 센서 제어부(120)를 적절하게 구성하고 무선 자원을 센서 제어부(120)에 제공하여 센서 제어부(120)로부터의 주기적 명령어 및/또는 응답을 지원하는데 도움을 주는 정보가 고려되어야 한다.
이를 위해, 공장 제어부(400)는 전송을 시작하는 시간을 알아야 한다. 전송을 시작하는 시간에 관련된 정보는 공장 제어부(400)에 알려져야 한다. 일부 예들에서는, 전송에 하나의 명령어가 포함될 수 있다. 이러한 명령어는 공장 네트워크(420)로부터 전송된다. 또한, 공장 제어부(400)는 수신을 시작하는 시간을 알아야 한다. 수신을 시작하는 시간에 관련된 정보는 공장 제어부(400)에 알려지게 된다. 일부 예들에서는, 수신에 명령어의 응답이 포함될 수 있다. 일부 예들에서, 응답이 하나의 센서 제어부(120)로부터 공장 제어부(400)에 전송된다.
일부 예들에서, 상술한 정보는 공장 제어부(400)가 언제 센서 제어부(120)에 다운링크 전송을 시작하여 다운링크 전송에 대한 구성을 센서 제어부(120)에 제공해야 할지를 결정하는데 도움을 줄 수 있다. 예를 들면, 활성화 시간 및/또는 시작 오프셋은 다운링크 수신을 시작하는 시간을 센서 제어부(120)에 알리는데 사용될 수 있다. 다운링크 전송에 대한 일부 응답(예를 들면, 센서 제어부(120)의 정보, 상태 보고, 확인 응답 또는 부정 확인 응답)이 필요한 경우에, 상기 정보는 또한 공장 제어부(400)가 응답(예를 들면, 시간, 메시지 크기, 콘텐츠)에 대한 업링크 전송을 스케줄링하고, 업링크 전송에 대한 구성을 센서 제어부(120)에 제공하는데 도움을 줄 수 있다. 예를 들면, 활성화 시간 및/또는 시작 오프셋은 업링크 전송을 시작하는 시간을 센서 제어부(120)에 알리는데 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예는 또한 공장 제어부(400)에서 이루어지는 제어 처리 방법을 제공한다. 공장 제어부(400)는 주기적 전송들을 수행하는 시간에 관련된 정보를 수신한다. 공장 제어부(400)는 또한 주기적 수신들을 수행하는 시간에 관련된 정보를 수신할 수 있다. 이러한 정보를 기반으로 하여, 공장 제어부(400)는 주기적 다운링크 자원 할당 및 주기적 업링크 자원 할당을 나타내는 구성을 센서 제어부(120)에 제공한다. 주기적 다운링크 자원 할당 및 주기적 업링크 자원 할당은 동일한 구성에서 함께 제공될 수도 있고 서로 다른 구성에서 별도로 제공될 수도 있다.
상기 활성화 시간 및/또는 시작 오프셋은 하이퍼 프레임 넘버, 프레임 넘버, 서브프레임 넘버, 또는 이들의 임의 조합으로 표현될 수 있다. 대안으로, 활성화 시간 및/또는 시작 오프셋이 일자, 시간, 분, 초, 밀리초, 마이크로초, 또는 이들의 임의 조합으로 표현될 수 있다. 이러한 다운링크 수신 및/또는 업링크 전송은 반-영구적 스케줄링(semi-persistent scheduling; SPS)과 같이, 반-영구적일 수 있으며, 활성화 시간 및/또는 시작 오프셋은 다운링크 및/또는 업링크 SPS가 시작되는 때를 나타내는데 사용될 수 있다.
이외에도, 공장 제어부(400)가 센서 제어부(120)를 적절히 구성하고 무선 자원들을 센서 제어부(120)에 제공하여 주기적 명령어를 지원하는데 도움을 주는 공장 네트워크(420)로부터 공장 제어부(400)로의 추가적인 정보가 고려될 수 있다. 공장 제어부(400)로부터 공장 네트워크(420)로의 추가 정보가 또한 고려될 수 있다. 상기 정보는 사이클 시간 한정을 나타내고 또한 어느 센서 제어부(120)가 동일한 그룹 ID를 갖는 동일한 그룹에 속하는 지를 센서 제어부(120)가 결정하여 공장 제어부(400)가 주기적 전송을 위한 동일한 그룹에 대한 자원들을 예약할 수 있게 하며, 상술한 명령어를 정확한 시간에 전송하는데 도움을 줄 수 있다.
2개 이상의 센서 제어부(120)를 가질 수 있는 한 유닛에 전송되는 동일한 명령어를 핸들링하기 위해, 동일한 다운링크 명령어에 대해 멀티캐스트 전송이 이용된다. 멀티캐스트를 사용하는 경우에는 PDCCH 자원 및 스케줄링 복잡성이 저감될 수 있다.
하위 계층 시그널링(예를 들면, PDCCH 시그널링)은 SPS 활성화 또는 비활성화를 위해 사용되지 않는다. 그 대신에, 전용 RRC 시그널링이 SPS 전송/수신을 시작하는 시간을 나타내는데 사용된다. 상기 한 유닛 내의 모든 센서 제어부(120)는 SPS 전송/수신을 언제 시작해야 할지를 동일하게 이해할 수 있으며, 초기 SPS 활성화로 인한 추가적인 센서 제어부(120)의 전력 소비를 방지할 수 있다.
센서 제어부(120)에 요구되고 센서 제어부(120)에 전용으로 구성될 수 있는 구성은, 예를 들면, (1) 그룹 RNTI(Radio Network Temporary Identifier; 무선 네트워크 임시 식별자), (2) 다운링크 및 업링크 SPS 간격, (3) 다운링크 수신을 시작하는 시간, (4) 다운링크 수신을 정지하는 시간, (5) 업링크 전송을 시작하는 시간, (6) 업링크 전송을 정지하는 시간 및 (7) 다운링크 수신 및 업링크 전송을 위한 자원 할당을 포함할 수 있다.
또한, 공장 제어부(400)에 의해 알려지는 정보는 (a) 명령어를 수신하는 한 유닛의 센서 제어부(120), (b) 명령어들의 도착 간격 시간, (c) 사이클 시간 한정의 표현, (d) 명령어 전송을 시작하는 시간 및 (e) 명령어의 크기/응답의 크기를 포함할 수 있다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 산업용 무선 센서 시스템(100)의 동작 방법을 도시한 순서도이다.
먼저, 센서 제어부(120)가 센서 제어부(120)에 의한 주기적 업링크 전송의 최초 전송을 시작하는 시간 정보를 공장 제어부(400)에 전송한다(S1). 즉, 공장 제어부(400)가 센서 제어부(120)로부터 구성을 수신하기 이전에, 센서 제어부(120)가 "센서 제어부(120)에 의한 주기적 업링크 전송의 최초 전송을 시작하는 시간을 나타내는 정보"를 공장 제어부(400)에 전송한다. 다르게 설명하면, 공장 자동화 시스템(100)에 있어서, 사이클 시간 요구를 충족시킬 수 있도록, 센서 제어부(120)가 업링크 전송을 시작하기 전에 센서 제어부(120)로부터 공장 제어부(400)로 최초 업링크 전송을 시작하는 시간 정보를 제공하여, 공장 제어부(400)가 이를 고려하여 업링크 자원을 적절하게 구성하도록 한다. 이러한 방법은 이미 활성화된 업링크 SPS(already-active uplink SPS)를 재구성하는 방법과는 다른 메카니즘이다.
또다르게 설명하면, 본 발명에 따른 산업용 무선 센서 시스템(100)은 "센서 제어부(120)에 의한 주기적 업링크 전송의 최초 전송을 시작하는 시간"이 직접 제공되고, 이후 구성이 설정된다는 것이다. 한편, 일부 예들에서, 정보는 업링크 전송의 간격 및 업링크 전송의 메시지 크기를 포함할 수 있다.
계속해서, 센서 제어부(120)는 공장 제어부(400)로부터 주기적 업링크 자원 할당을 나타내는 구성을 수신한다(S2).
또한, 센서 제어부(120)는 주기적 업링크 자원 할당을 기초로 하여 주기적 업링크를 공장 제어부(400)에 전송한다(S3).
한편, 공장 제어부(400)는 센서 제어부(120)에 전송한 명령어 대비 센서 제어부(120)로부터 공장 제어부(400)가 수신한 응답 신호가 불일치하거나(즉, 미리 설정된 기준 신호와 비교하였을 때 불일치하거나) 센서(110,210,310) 응답 신호가 수신되지 않는 경우 센서(110,210,310) 고장 신호를 공장 네트워크(420)게 전송한다(S4). 따라서, 산업용 무선 센서 시스템(100)의 관리자는 감시 제어부(430), 네트워크 보안부(440) 및/또는 네트워크 관리부(450)를 통해 다수의 유닛 및/또는 다수의 센서(110,210,310) 중 어느 부분이 고장인지 쉽게 파악할 수 있다.
또한, 이와 같이 하여, 본 발명은 공장 자동화 시스템(100)(100)에서 사이클 시간 내에 원할한 무선 신호의 송수신을 위해 무선 센서(110,210,310)가 업링크 전송을 시작하기 전에 공장 제어부(400)의 무선 통신부(410)에 최초로 업링크 전송을 시작하는 시간 정보를 제공함으로써, 공장 제어부(400)가 이를 고려하여 업링크 자원을 적절히 구성할 수 있도록 한 산업용 무선 센서 시스템(100)을 제공한다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 산업용 무선 센서 시스템을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100; 산업용 무선 센서 시스템
110, 210, 310; 센서
120; 센서 제어부
130; 무선 통신부
140; 전원부
150; 배터리

Claims (9)

  1. 자동차 차체 생산 라인에 사용되는 산업용 무선 센서 시스템으로서,
    외부의 물리적 상태를 센싱하고 센싱 신호를 출력하는 센서;
    센서로부터 센싱 신호를 입력받고 디지털 신호로 변환하여 출력하는 센서 제어부;
    센서 제어부로부터 디지털 신호를 입력받고 무선 신호로 변환하여 출력하는 무선 통신부;
    센서 및 센서 제어부에 각각 전원을 공급하는 전원부;
    전원부에 연결된 배터리;
    센서 제어부에 무선 통신부를 통해 연결되고, 센서 제어부에 다운링크 명령어 전송 및 업링크 응답을 위한 무선 자원을 제공하고, 센서 제어부가 한 사이클 시간당 센싱 정보 응답 또는 확인 응답을 리턴하도록 센서 제어부에 주기적으로 명령어를 전송하는 공장 제어부; 및
    공장 제어부에 유무선으로 연결되어 공장 제어부가 등록되며, 공장 제어부에 의한 무선 자원 스케쥴링이 수행되도록 공장 제어부에 명령어를 주기적으로 전송하는 공장 네트워크를 포함하고,
    센서 제어부는 센서 제어부에 의한 주기적 업링크 전송의 최초 전송을 시작하는 시간 정보를 공장 제어부에 전송하고,
    센서 제어부는 공장 제어부로부터 주기적 업링크 자원 할당을 나타내는 구성을 수신하며,
    센서 제어부는 주기적 업링크 자원 할당을 기초로 하여 주기적 업링크를 공장 제어부에 전송하고,
    공장 제어부는 센서 제어부에 전송한 명령어 대비 센서 제어부로부터 공장 제어부가 수신한 응답 신호가 불일치하거나 응답 신호가 수신되지 않는 경우 센서 고장 신호를 공장 네트워크에 전송하며,
    센서 제어부는 전용 구성을 포함하되, 전용 구성은 그룹 RNTI(Radio Network Temporary Identifier), 다운링크 및 업링크 SPS(semi-persistent scheduling) 간격, 다운링크 수신을 시작하는 시간, 다운링크 수신을 정지하는 시간, 업링크 전송을 시작하는 시간, 업링크 전송을 정지하는 시간 및 다운링크 수신 및 업링크 전송을 위한 자원 할당을 포함하고,
    공장 제어부에 의해 센서 제어부에 알려지는 정보는 명령어를 수신하는 센서 제어부, 명령어 도착 간격 시간, 사이클 시간, 명령어 전송을 시작하는 시간 및 명령어의 크기와 응답의 크기를 포함하며,
    센서는 무선 자계 감지 센서, 무선 리미트 센서 및 무선 근접 센서를 포함하고,
    무선 자계 감지 센서는 홀 센서를 포함하며, 홀 센서의 아날로그값이 센서 제어부의 아날로그 디지털 컨버터 포트에 입력되고, 무선 자계 감지 센서는 공압 실린더에 부착되어 공압 실린더의 위치를 센싱하며,
    무선 리미트 센서는 마이크로 감지 스위치를 포함하고, 푸쉬 레버에 의한 마이크로 감지 스위치의 스위칭 신호가 센서 제어부에 입력되며, 무선 리미트 센서는 작업 판넬이 안착되는 지그 및 지그 대차가 이동하는 레일에 부착되어 작업 판넬의 위치 및 지그 대차의 위치를 센싱하고,
    무선 근접 센서는 고주파 발진 회로를 포함하고, 금속체 접근에 의한 고주파 발진 회로의 신호가 센서 제어부에 입력되며, 무선 근접 센서는 작업 판넬이 안착되는 클램프에 부착되어 작업 판넬의 유무를 센싱하는, 산업용 무선 센서 시스템.
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