KR20010009477A

KR20010009477A - 사출기의 자동제어 시스템

Info

Publication number: KR20010009477A
Application number: KR1019990027849A
Authority: KR
Inventors: 이천희
Original assignee: 이천희
Priority date: 1999-07-09
Filing date: 1999-07-09
Publication date: 2001-02-05

Abstract

(1) 발명이 속한 기술분야

공장 자동화를 위한 기술로서 생산 자동화를 위한 제어 시스템

(2) 발명의 목적

현재 많은 공장에서 여러 가지 부품을 생산하는데 사용되고 있는 사출기는 그 사출기 내에 부착된 프로그래머블 콘트롤러(PLC)에 의해 간단한 정보(생산개수, 온, 어프등)만 제어하고 있다. 그러나 사출기가 여러 대 설치된 공장이나 본사와 떨어져 있는 공장 등에서 이들을 중앙 집중식으로 제어하기 위하여서는 컴퓨터와 연결된 사출기 자동 제어 시스템이 필요하다.

(3) 발명의 구성

현재 반 자동화 시스템은 사출기의 신호를 프로그래머블 콘트롤러로 입력받고 이에 대한 출력 신호를 제어 컴퓨터에서 입력받아 직접 모든 장비의 신호를 관리함으로 인한 제어 컴퓨터의 부하를 증대시키며 각 장비의 신호를 직접 입력받음으로 인해 상이한 기종간의 신호를 표준화하는 신호 관리까지 처리하기 때문에 많은 문제점을 가지고 있다. 이에 새로운 방식으로 사출기와 제어 컴퓨터간에 추가로 제안하는 제어 시스템을 추가하여 사출기의 신호를 일단 제어 시스템에서 입력받아 기본적인 자료 처리를 행한 후 처리된 신호를 제어 컴퓨터로 보냄으로서 제어 컴퓨터의 원래의 기능인 자료 수집 및 생산 관리 목적에만 이용할 수 있는 제어 컴퓨터로 사용할 수 있도록 한다.

또한 각 장비의 신호를 직접 받음으로 인하여 상이한 기종간의 신호를 표준화하는 신호 관리까지 처리하게 되어 많은 문제점이 있다. 따라서 사출기와 제어 컴퓨터간에 직렬 인터페이스 시스템을 추가하여 사출기의 신호를 프로그래머블 콘트롤러로 전달받은 후 이 신호를 직렬 인터페이스로 입력하여 기본적인 자료처리를 행한 후 처리된 신호를 제어 컴퓨터로 보내면 제어 컴퓨터는 원래의 기능인 자료수집 및 생산관리 목적에만 이용할 수 있게 된다.

(4) 발명의 효과

사출기 자동제어 시스템이 개발되므로서 사출기를 사용하는 공장에서 생산을 자동화시 키고 인건비를 줄이는데 큰 역할이 기대되므로 이 시스템을 상용화하여 사출기를 사용하는 모든 공장에 적용시 파급효과가 클것으로 기대된다.

Description

사출기의 자동제어 시스템{Automatic control system of projection machine}

생산 자동화를 위한 통신 제어 시스템은 공장 자동화로 현장의 사출기를 관리자가 통제 시스템을 통해 제어하는 방식으로 기존의 방식은 각 사출기의 프로그래머블 콘트롤러를 이용해 제어하는 시스템이므로 생산량이나 에러 발생을 집계하는데 각 기기별로 집계를 하였으나 본 시스템을 이용하므로서 원시적인 방식으로 제어하는 것을 자동으로 집계하고 통제하는 역할을 할 수 있다.

공장 자동화의 단계는 초기 단계로 여러 가지 문제점을 안고 있으며 현 상태의 시스템으로 위의 여러 가지 장점을 얻기에는 어려운 실정에 있으며 그 시스템의 운영에도 많은 문제점이 발견되어 운영 불가능 상태로 방치된 이 시점에서 이러한 문제점을 분석하여 최대한으로 현재 개발된 시스템의 오류를 수정 및 보완하여 효과적인 공장 자동화를 위한 시스템을 완성함으로서 생산의 향상과 기업의 원활한 생산 활동을 지원하고자 한다.

본 시스템에서는 사출기와 제어 컴퓨터간에 데이터 및 명령을 주고받을 수 있으며 또한 사출기와 공장간에도 통신이 가능한 시스템을 개발하여 장비의 오동작을 중앙에서 감시, 감독하여 장비의 효율을 극대화함으로써 생산성을 증대시킬 수 있다. 따라서 이 사출기 자동제어 시스템은 사출기를 사용하는 많은 공장에서 생산을 자동화시키고 인건비를 줄이는데 큰 역할이 기대되므로 이 시스템을 상용화하여 사출기를 사용하는 모든 공장에 적용시 파급효과가 클 것으로 기대된다.

도 1은 자동제어 전체 시스템 구성도

도 2는 직렬 인터페이스 구성도

도 3은 직렬 인터페이스 메인 회로도

도 4는 직렬 인터페이스 입출력 회로도

도 5는 프레임 비트 구성도

도 6은 통신제어 절차 구성 및 블록사양

도 7은 헤더 코드 목록

도 8은 PC 프로그램의 흐름도

도 9는 직렬 인터페이스 프로그램의 흐름도

가. 자동 제어 시스템의 구성

사출기 자동제어 시스템은 사출기의 신호를 접점으로 제어 컴퓨터에서 입력받기 전에 이 시스템을 중간에 설치하여 사출기 자동제어 시스템에서 기본적인 자료처리를 행한 후 처리된 신호를 제어컴퓨터로 보낼 수 있게 하여 주는 시스템으로서 또한 제어 컴퓨터에서 생산에 필요한 정보를 사출기로 보내주기도 한다.

현재 반 자동화 시스템은 사출기의 신호를 프로그래머블 콘트롤러로 입력받고 이에 대한 출력 신호를 제어 컴퓨터에서 입력받아 직접 모든 장비의 신호를 관리함으로 인한 제어 컴퓨터의 부하를 증대시키며 각 장비의 신호를 직접 입력받음으로 인해 상이한 기종간의 신호를 표준화하는 신호 관리까지 처리하기 때문에 많은 문제점을 가지고 있다. 이에 새로운 방식으로 사출기와 제어 컴퓨터간에 추가로 제안하는 제어 시스템을 추가하여 사출기의 신호를 일단 제어 시스템에서 입력받아 기본적인 자료 처리를 행한 후 처리된 신호를 제어 컴퓨터로 보냄으로서 제어 컴퓨터의 원래의 기능인 자료 수집 및 생산 관리 목적에만 이용할 수 있는 제어 컴퓨터로 사용할 수 있도록 한다. 이 시스템을 개발하기 위해서는 사출기를 제어할 수 있는 부분과 이들을 컴퓨터와 연결시키는 부분의 회로 개발이 필요하며 또한 이들을 제어하는 프로그램의 개발이 필요하다.

본 연구에서 개발한 시스템의 구성도를 도 1에 나타냈다(점선으로 둘러싸인 부분). 도 2는 도 1의 직렬 인터페이스 부분의 구성도를 나타냈다.

직렬 인터페이스의 기능은 다음과 같다.

- 사출기와 RS485 직렬 버스간에 물리적인 연결

- 사출기로부터 메시지를 받아 이들을 직렬버스로 보냄

- 직렬 버스로부터 메시지를 받아 이들을 사출기로 보냄

- 사출기의 출력 데이터 형식(format)을 직렬버스로 옮겨줌

- 직렬 버스로부터 받은 데이터를 사출기로 옮겨줌

- 직렬 버스가 바쁠때는 사출기의 출력데이터를 버퍼링(buffering) 시켜줌

- 직렬 버스 상에서 프로토콜을 사용하고 파악함

- 제어 컴퓨터와 통신

- 자신의 시스템 메시지 기능 및 경고음 기능

위와 같은 기능을 수행하기 위해서는 첫째로 통신 프로그램의 개발이 필요하다. 단순히 프로그래머블 콘트롤러 신호를 제어 컴퓨터로 입력을 받으면 통신라인상에서 신호의 충돌 및 데드록(dead lock) 상태를 감지할 수 없기 때문에 이에 대한 대처로 통신라인을 10베이스T 케이블을 사용하여 통신 신호 관리를 신뢰성 있게 처리하도록 한다. 또한 사출기의 신호를 프로그래머블 콘트롤러로 입력받고 이에 대한 출력신호를 제어 컴퓨터에서 입력받아 직접 모든 장비의 신호를 관리할때 제어 컴퓨터의 부하를 증대시키며 각 장비의 신호를 직접 받음으로 인하여 상이한 기종간의 신호를 표준화하는 신호 관리까지 처리하게 되어 많은 문제점이 있다. 따라서 사출기와 제어 컴퓨터간에 직렬 인터페이스 시스템을 추가하여 사출기의 신호를 프로그래머블 콘트롤러로 전달받은 후 이 신호를 직렬 인터페이스로 입력하여 기본적인 자료처리를 행한 후 처리된 신호를 제어 컴퓨터로 보내면 제어 컴퓨터는 원래의 기능인 자료수집 및 생산관리 목적에만 이용할 수 있게된다.

본 시스템에서는 하드웨어적으로는 도 1의 구성도와 같이 시스템을 디자인한 후 이 시스템의 동작에 필요한 기능들을 정확하고 적절하게 동작하게끔 소프트웨어적으로 프로그램을 작성하여 생산성 향상과 장비의 효율을 최대화시켰다.

나. 주요 회로의 설명

(1) 제어 부분

본 발명품의 모든 요소를 제어하기 위한 부분으로 CPU는 16비트 8버스 단일칩 CPU AM188ES를 채택 하였다. 개발된 장치는 도 3에서 ① 부분과 같이 CPU의 머신 사이클(machine cycle)의 클럭(clock)을 공급하는 12MHz 발진기(oscillator)는 CPU의 모듈 회로에 포함시켰고 CPU를 초기화하고 전원 전압을 감시하여 안정된 CPU의 동작을 보장하는 ⑥ 부분과 같은 리셋(reset)회로, 동작 프로그램을 저장하는 롬(ROM) 메모리 맵(memory map)을 할당하는 ⑨와 같은 디코더(decoder) 74LS138로 구성되어 있으며 롬에 저장된 프로그램에 의해 동작된다. 제어장치는 일반적인 회로 구성 방법에 따라 설계되었으며 이 회로의 전체적인 동작은 전원을 입력하여 프로세서가 작동하면 CPU 모듈에 있는 EPROM 27512에 프로그램된 내용을 읽어온다. 74LS244가 하는 역할은 입력과 출력으로 연결된 단자에 신호의 버퍼링을 하기 위한 목적으로 사용하였다. 그리고 입력 단자 20개와 출력 단자 10개를 확보하기 위해 ④ 부분과 같이 8255를 추가하였다. 프로그램된 롬에서 프로그램을 읽어 어드레스버스(A0 - A19)를 통해 데이터(D0 - D7)을 전송하는 방식을 사용한다. 이러한 출력 데이터들의 종단부에는 저항을 달아주어 다음 단의 회로와 연결될 때 적정한 전류가 공급되게 해주는데 전류량이 많으면 과부하가 걸리기 쉬우므로 전류 제한용으로 사용되었다. 또한 ② 부분은 사출기로부터 입력 받기 위한 버스로서 CPU로 입력 받기 전에 74LS244를 통해 버퍼링을 해주었고 ③ 부분은 사출기로 보내기 위한 출력 버스로서 사출기로 보내기전에 74LS244를 통해 버퍼링을 해주었다. ⑧ 부분은 통신과 표시기에 관련된 부분으로서 먼저 표시기는 LCD 16*2를 사용했으며 통신은 485 버스를 사용했으나 현장에서 생기는 오류에 대비하고자 COM20020을 사용했다. 그래서 이중으로 통신이 가능하도록 하므로서 데이터의 오류를 최소로 해주고 유지보수에 용이하도록 하였다.

(2) 입·출력 부분

도 4에서 ① 부분과 ② 부분은 입력회로와 출력회로로서 사출기와 직렬인터페이스 시스템간에 입출력되는 신호를 바로 전송시키면 현장에서 생기는 잡음의 영향으로 발생될 오동작을 막기 위해 포토 결합기를 사용하므로서 사출기와 직렬 인터페이스 시스템간에 절연시켰다. 또한 ② 부분은 사출기에 신호 전송시 사출기에 부착된 PLC의 기종에 상관없이 접속할 수 있도록 릴레이 접점을 사용하여 접점신호로 전송하도록 하였고 릴레이의 정상동작 여부를 확인하도록 LED를 추가하였다. ③ 부분은 데이터 전송을 위한 통신부분으로서 여러대의 사출기와 접속을 위해 멀티드롭형태인 RS485 버스와 제어 컴퓨터의 RS232를 접속하기 위한 변환기로 사용하였고 이 부분도 절연을 위해 포토 결합기를 사용했다. ④부분은 전원부분으로서 가 회로의 전원 절연을 위해 디지털 전원과 아날로그 전원으로 총 3개의 부분으로 구성하였다.

디지털 전원은 시스템의 구동을 위한 전원으로 사용, 아날로그 5V는 485통신을 위한 전원으로 사용하고 아날로그 12V의 전원은 포토 결합기와 릴레이 구동을 위한 전원으로 구성하였다.

다. 자동 제어 시스템의 통신용 프로토콜

프로그래머블 콘트롤러가 공장자동화 과정에서 기본적으로 많이 사용되고 있으며 또한 웬만한 자동화 기계에는 프로그래머블 콘트롤러가 내장되어 있다. 따라서 프로그래머블 콘트롤러의 수가 증가함에 따라 이들을 프로그래밍하거나 데이터를 백-업하기 위해서는 각각의 프로그래머블 콘트롤러들이 공장의 자동화용 네트워크에 연결되어야하며 이들 사이의 정보교환을 위한 통신이 필요하다. 그러나 현재 대부분의 프로그래머블 콘트롤러는 네트워크에 바로 연결되는 기능이 없으며 또한 프로그래머블 콘트롤러가 내장되어 있는 기계의 성능 및 종류에 따라 데이터를 주고받는 형태가 차이가 있다. 따라서 본 연구에서는 직렬 인터페이스 시스템을 개발하여 각각의 프로그래머블 콘트롤러에 연결하고 이들을 다시 RS485 직렬버스에 연결한 다음에 이들을 RS232를 통하여 컴퓨터에 연결시키는 방식을 택하였다.

본 시스템의 역할은 프로그래머블 콘트롤러 고유의 인터페이스 방식과 컴퓨터 사이의 프로토콜을 변환하는 역할을 하며 이 시스템의 백본 네트워크(backbone network) 상의 컴퓨터가 프로그래머블 콘트롤러에 접근하는 기능을 갖으며 이 시스템을 통해 프로그래머블 콘트롤러의 운용을 가능케 하여 준다.

(1) 기본형태

제어 컴퓨터와 프로그래머블 컨트롤러간의 통신에 필요한 기본형태는 널(null) 모뎀으로 처리하였으며 RS-232 포트에 RS232/485 컨버터를 연결하여 동축 케이블로 여러대의 직렬 인터페이스 시스템을 연결하여 통신한다.

(2) 프레임 비트

한 프레임은 총 11비트로서 시작 비트 1개, 데이터 비트 7개, 패리티 비트 1개와 스톱 비트 2개를 사용하여 프레임을 형성하였다.〈도 5 참조〉

(3) 통신 제어 절차

통신의 시작은 @로 하고 다음은 해당 유니트 번호(Unit No), 헤더 코드(Header code), 텍스트(Text), FCS와 터이네이터(Terminator)로 끝나도록 형성하였다.〈도 6참조〉 여기에 있는 헤더 코드의 목록은 도 7과 같다.

라. 자동화 시스템 구동을 위한 통신 소프트웨어

(1) 퍼스널 컴퓨터(PC) 프로그램 기술

퍼스널 컴퓨터 프로그램의 기본적인 기능을 제 8도의 흐름도와 같이 구성되어 있다. 도 8로부터 기본적인 프로그램 동작을 보면 관리자의 작업지시변경에 대한 이벤트가 발생되었을 때는 사출기 코드, 목표량 설정와 입출력(I/O) 설정을 하고 작업지시변경에 대한 이벤트가 없을때는 수신 데이터를 해석하여 데이터 베이스에 저장하고 생산량을 입출력 화면에 표시하도록 구성하였다.

(2) 직렬 인터페이스 프로그램 기술

직렬 인터페이스 프로그램의 기본적인 기능은 제 9 도의 흐름도와 같이 구성되어 있다. 도 9의 흐름도를 보면 키입력이 있을때만 해당 키에 따른 유니트 번호, 입출력 상태표시, 생산량 표시, CI(Cycle increment) 표시, 목표량 설정, 생산량 변경과 목표량 변경 펑션을 표시하도록 하였고 키 입력이 없을때는 수신 데이터를 분석하여 유니트 번호(Unit No), 기기상태(R?), 출력(WO), 사출기 증가량(WC), 생산량(WP)과 목표량(WT)이라면 해당되는 동작을 행하도록 구성하였다.

공장에서 사용되는 고도의 기능을 갖고 있는 수많은 장치중의 하나인 프로그래머블 콘트롤러가 장착된 사출기들이 부분적인 생산자동화에 사용되고 있으나 이들을 한 데 묶어 컴퓨터 통합 생산체제를 만들 필요성이 대두되고 있으며 따라서 각각의 생산 단위들 간의 원활한 정보유통을 위한 네트워크가 필수적이다.

본 연구에서는 직렬 인터페이스 시스템을 개발하여 각각의 사출기에 연결하고 이들을 다시 RS485 직렬버스에 연결한 다음에 이들을 RS232를 통하여 컴퓨터에 연결시키는 방식에 대하여 발명하였다. 본 시스템의 역할은 프로그래머블 콘트롤러 벤더 고유의 인터페이스 방식과 컴퓨터 사이의 프로토콜을 변환하는 역할을 하며 이 시스템의 백본 네트워크상의 컴퓨터가 사출기에 접근하는 기능을 갖으며 이 시스템을 통해 사출기의 운용을 가능케 하여 준다.

이러한 생산 자동화 시스템을 개발함으로써 얻을 수 있는 효과는 다음과 같다. 첫째로 통신 네트웍을 이용해 중앙 집중식 관리를 할 수 있게 되어 제품의 품질을 향상시킬 수 있고, 둘째로 장비의 오동작을 중앙에서 감시 감독하여 장비의 효율을 최대화함으로써 생산성을 증대하여 기업의 이윤을 최대화 할 수 있다는 장점이 있다.

Claims

도 1, 2의 사출기 자동제어 시스템은 사출기와 제어 컴퓨터 중간에 설치하여 사출기의 신호를 접점으로 입력받고 이에 대한 출력신호를 제어 컴퓨터에서 입력하여 기본적인 자료처리를 행한 후 처리된 신호를 제어 컴퓨터로 보낼 수 있게 해 주는 시스템으로 구성하여 제어 컴퓨터에서 생산에 필요한 정보를 전송할 수 있는 부분과 사출기에서 발생된 데이터를 보관하고 제어 컴퓨터에서 요구가 있을 때만 전송되도록 구성되는 방법
자동 제어 시스템을 위한 통신 소프트웨어의 퍼스널 컴퓨터 프로그램의 기본적인 프로그램 동작은 도 8과 같이 관리자의 작업지시변경에 대한 이벤트가 발생되었을 때는 사출기 코드, 목표량 설정과 입출력 설정을 하고 작업지시변경에 대한 이벤트가 없을때는 수신 데이터를 해석하여 입출력에 대한 변경 내용이 있으면 변경 내용을 데이터 베이스에 저장하고 입출력에 대한 내용이 변하지 않았다면 그대로 생산량을 입출력 화면에 표시하도록 동작하는 프로그램의 구성 방법
자동 제어 시스템을 위한 통신 소프트웨어의 직렬 인터페이스 프로그램의 기본적인 동작은 도 9와 같이 평상시는 입출력 상태를 읽어 그 내용을 LCD에 표시하고 키입력이 있을때만 해당 키에 따른 유니트 번호(Unit No), 입출력 상태표시, 생산량 표시, 사출기 증가량(CI : cycle increment) 표시, 목표량 설정, 생산량 변경과 목표량 변경 기능을 표시하도록 하였고 키 입력이 없을때는 수신데이터를 분석하여 해당 유니트 번호(Unit No)가 아니면 처음으로 빠지고 유니트번호가 있으면 해당 유니트 번호의 기기 상태 입출력(R?)에 해당되는 내용이면 입출력 인터페이스에 생산량을 전송하고 수신 데이터가 출력(WO)과 사출기 증가량(WC)에 해당되면 해당 출력의 온/업의 상태를 교체하도록 제어 컴퓨터를 전송한다. 또한 수신 데이터가 생산량(WP)과 목표량(WT)이라면 해당 변수에 데이터 값을 지정하도록 하는 프로그램의 구성 방법
제 1 항에 있어서 사출기 자동제어 시스템의 메인 회로도는 도 3과 같이 구성되었으며 보드의 최적화를 위해 CPU는 원칩 프로세서(One chip processor)를 사용하고 ① 부분과 같이 이중으로 포트를 구성하여 에러 발생시 점검을 할수 있도록하고, ② 부분과 ③ 부분 같이 각종 노이즈 방지를 위해 입.출력을 버퍼링하는 라인드라이버를 사용하고 ③ 부분의 EEPROM에서는 유니트 번호, 패스워드 기록, 사출기 증가량과 계획량을 보관하도록 사용하며, ④ 부분과 같이 키와 접점을 선택하기 위해 8255를 사용하였으며, ⑥ 부분은 동작의 오류를 막기 위해 와치독을 사용하고, ⑦ 부분은 키 부분에서 발생되는 노이즈를 막기 위해 버퍼링을 사용하여 구성하는 방법
제 1 항에 있어서 사출기 자동제어 시스템의 입출력 회로는 도 4와 같이 구성되었으며 현장에서 발생되는 잡음 차단을 목적으로 회로 절연을 시키는 포토 결합기를 사용하여 신호의 입출력 부분에 사용하였고, ② 부분과 같이 사출기의 상이한 기종간에도 사용할수 있도록 특별한 변환장치 없이도 사용이 가능하도록 릴레이 접점으로 사용하고, ③ 부분과 같이 데이터 전송시 라인에서 발생되는 잡음을 제거하기 위해 포토 결합기를 사용하였으며, ④ 부분은 회로적으로 차단하기 위해 전원 부분을 통신용 전원과 릴레이 접점으로 사용되는 전원으로 분리하여 사용하도록하는 구성 방법
자동제어 시스템을 위한 통신 제어 절차는 도 5와 같이 프레임 비트 구성을 하여 제어 컴퓨터와 직렬 인터페이스간의 필요한 통신을 위한 프레임의 비트 구성은 프레임의 시작을 나타내는 시작 1비트, 전송 데이터 7비트, 에러 체크를 위한 이븐 패리티 1비트와 프레임의 끝을 나타내는 종료 2비트로 총 11비트 구성하여 전송시 발생되는 에러를 찾기 위한 구성 방법과 도 6과 같이 통신 제어 절차 구성은 제어 컴퓨터와 직렬 인터페이스간의 필요한 통신 제어 절차는 통신의 시작을 나타내는 @로 시작하여 유니트 번호(Unit No), 헤더 코드(Header code), 텍스트(Text), 프레임 체크 시퀀스(FCS:Frame check seqeunce)와 터미네이터(Terminator) 순으로 끝나도록 하는 전송 제어 메시지로 구성되는 방법