KR20240026014A - Apparatus and method of distributed cooperative control system with precise time synchronization - Google Patents
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Abstract
본 정밀 시각동기 기반의 분산 협업 제어 장치와 방법은 하나의 마스터 제어장치에 데이지체인 형태로 연결된 복수개의 슬레이브 제어장치들이 마스터 제어장치의 마스터클럭에 시각동기하고,마스터 제어장치가 공정표를 슬레이브 제어장치에게 배포하고, 마스터 제어장치가 모든 슬레이브 제어장치에게 작업개시시각을 통보한다. 해당 시각 이후에는 마스터 제어장치에 의한 제어메시지 송신절차가 없이 각 슬레이브 제어장치들이 공정표를 참조하여 자율적으로 작업을 개시하고 이후 해당 작업을 반복할 수 있어 대규모 공장자동화 시스템 구축에 필요한 장거리 전송환경에서 제어신호의 전달지연 변동 및 외부 잡음에 따른 오류를 제거하고, 긴급 메시지의 신속한 전송이 가능한 기능을 제공할 수 있다. In this precision time synchronization-based distributed collaborative control device and method, a plurality of slave control devices connected in a daisy chain to one master control device synchronize time with the master clock of the master control device, and the master control device sends the schedule to the slave control device. and the master control device notifies all slave control devices of the work start time. After that time, without the control message transmission procedure by the master control device, each slave control device can autonomously start work by referring to the process table and repeat the work thereafter, enabling control in a long-distance transmission environment necessary for building a large-scale factory automation system. It can eliminate errors caused by fluctuations in signal transmission delay and external noise, and provide a function that enables rapid transmission of emergency messages.
Description
본 발명은 산업용 이더넷 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 하나의 마스터 제어장치에 데이지체인 형태로 연결된 복수개의 슬레이브 제어장치들이 마스터 제어장치의 마스터클럭과 시각동기하고, 마스터 제어장치가 공정표를 슬레이브 제어장치에게 배포하고, 마스터 제어장치가 모든 슬레이브 제어장치에게 작업개시시각을 통보함으로써 해당 시각에 각 슬레이브 제어장치들이 자율적으로 작업을 개시할 수 있어, 마스터 제어장치와 슬레이브 제어장치간 지연시간 및 트래픽 발생을 감소시켜 분산되어 협업할 수 있는 정밀 시각동기 기반의 분산 협업 제어 장치와 방법에 관한 것이다. The present invention relates to industrial Ethernet systems. More specifically, a plurality of slave control devices connected to one master control device in a daisy chain synchronize with the master clock of the master control device, the master control device distributes the schedule to the slave control devices, and the master control device By notifying all slave control devices of the work start time, each slave control device can autonomously start work at that time, reducing delay time and traffic generation between the master control device and slave control devices, enabling distributed collaboration. This relates to a distributed collaboration control device and method based on precise time synchronization.
종래의 산업용 이더넷 기술 즉 EtherCAT, Ethernet/IP, SerCos, ProfiNet 등은 하나의 마스터 제어장치가 복수개의 슬레이브 제어장치에 대한 모든 제어신호를 직접 송신한다. In conventional industrial Ethernet technologies, such as EtherCAT, Ethernet/IP, SerCos, and ProfiNet, one master control device directly transmits all control signals to a plurality of slave control devices.
그 일례로서 도 1에서와 같이 마스터 제어장치가 데이지체인 형태로 접속된 N+1개의 슬레이브 제어장치를 제어하는 경우를 살펴보면, 도 1의 마스터 제어장치가 1분마다 반복 적용되며 초당 상이한 작업을 지시하는 공정표에 따라 제어정보를 반복 전송한다. 따라서 작업내용이 단순 반복작업인 경우에도 이러한 송신작업을 반복해야 하므로 특히 10Base-T1L과 같이 1Km를 초과하는 장거리 연결로상에 있는 복수개의 슬레이브 제어장치를 경유시 제어신호의 지연변동 및 외부 잡음에 따른 오류발생에 취약하게 되며, 긴급 메시지의 전송이 지연되는 문제가 있다. As an example, looking at the case where the master control device controls N+1 slave control devices connected in a daisy chain as shown in FIG. 1, the master control device in FIG. 1 is applied repeatedly every minute and instructs different tasks per second. Control information is transmitted repeatedly according to the process table. Therefore, even if the work is a simple repetitive task, this transmission work must be repeated, especially when passing through multiple slave control devices on a long-distance connection route exceeding 1 km, such as 10Base-T1L, due to delay fluctuations in the control signal and external noise. It is vulnerable to errors, and transmission of emergency messages is delayed.
본 발명은 하나의 마스터 제어장치에 데이지체인 형태로 연결된 복수개의 슬레이브 제어장치들이 마스터 제어장치와 시각동기하고, 마스터 제어장치가 공정표를 슬레이브 제어장치에게 배포하고, 마스터 제어장치가 모든 슬레이브 제어장치에게 작업개시시각을 통보함으로써 해당 시각에 각 슬레이브 제어장치들이 자율적으로 작업을 개시하고 이후 자신의 작업을 반복하면서 이웃 슬레이브 제어장치와 협업할 수 있는 정밀 시각동기 기반의 산업용 이더넷 장치와 방법을 제공하여 제어신호의 지연변동 및 외부 잡음에 따른 오류발생 제거 및 긴급 메시지의 지연 전송을 감소시키는데 그 목적이 있다. In the present invention, a plurality of slave control devices connected to one master control device in a daisy chain synchronize with the master control device, the master control device distributes the schedule to the slave control devices, and the master control device provides control to all slave control devices. Control by providing an industrial Ethernet device and method based on precise time synchronization that allows each slave control device to autonomously start work at that time by notifying the work start time and then repeat its work while collaborating with neighboring slave control devices. The purpose is to eliminate errors caused by signal delay fluctuations and external noise and to reduce delayed transmission of emergency messages.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 본 정밀 시각동기 기반의 분산 협업 제어 장치와 방법은 하나의 마스터 제어장치에 데이지체인 형태로 연결된 복수개의 슬레이브 제어장치가 마스터 제어장치의 마스터클럭에 시각동기되는 제1 단계; 마스터 제어장치가 공정표를 슬레이브 제어장치에게 배포하는 제2 단계; 마스터 제어장치가 모든 슬레이브 제어장치에게 작업개시시각을 통보함으로써 해당 시각에 각 슬레이브 제어장치들이 자율적으로 작업을 개시하고 이후 해당 작업을 반복하는 제3 단계를 포함하고, 장거리 전송환경에서 제어신호의 지연변동 및 외부 잡음에 따른 오류발생 감소 및 긴급 메시지의 지연 전송을 감소시키는 기능을 제공할 수 있다. In order to solve the above problems, the distributed collaborative control device and method based on precise time synchronization according to an embodiment of the present invention includes a plurality of slave control devices connected in a daisy chain to one master control device. A first step of time synchronization with the master clock; A second step in which the master controller distributes the schedule to the slave controllers; It includes a third step in which the master control device notifies all slave control devices of the work start time, so that each slave control device autonomously starts work at that time and then repeats the work, and delays the control signal in a long-distance transmission environment. It can provide a function to reduce the occurrence of errors due to fluctuations and external noise and to reduce delayed transmission of emergency messages.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 모든 장치가 시각동기된 상태에서 모든 장치에 배포된 공정표에 따라 각 장치들이 자율적으로 작업을 수행할 수 있으므로 10Base-T1L규격의 Single Pair Ethernet(SPE) 등의 장거리 산업용 이더넷 환경에서 제어신호의 지연변동 및 외부 잡음에 따른 오류발생 감소 및 긴급 메시지의 지연 전송을 감소시킬 수 있는 장점이 있다.According to one embodiment of the present invention, each device can perform work autonomously according to the schedule distributed to all devices while all devices are time-synchronized, so long-distance communication such as Single Pair Ethernet (SPE) of the 10Base-T1L standard is possible. In an industrial Ethernet environment, it has the advantage of reducing the occurrence of errors due to delay fluctuations in control signals and external noise, as well as reducing delayed transmission of emergency messages.
다만, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 상기된 바와 같은 효과들로 한정되지 않으며, 또 다른 효과들이 존재할 수 있다. However, the effects that can be obtained from the present invention are not limited to the effects described above, and other effects may exist.
도 1은 종래의 산업용 이더넷 기술에서 하나의 마스터 제어장치가 복수개의 슬레이브 제어장치에 대한 모든 제어신호를 직접 반복 송신하는 예이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 정밀 시각동기 기반의 분산 협업 제어 방법을 위한 시스템의 구조도와 방법을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 정밀 시각동기 기반의 분산 협업 제어 방법을 위한 공정표의 예를 나타낸다. Figure 1 is an example in which one master control device directly and repeatedly transmits all control signals to a plurality of slave control devices in conventional industrial Ethernet technology.
Figure 2 shows a structural diagram and method of a system for a distributed collaborative control method based on precise time synchronization according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 shows an example of a schedule for a distributed collaborative control method based on precise time synchronization according to an embodiment of the present invention.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. The present invention will be described in detail with reference to the attached drawings as follows.
도 2는 마스터 제어장치(1), N+1개의 슬레이브 제어장치(2)가 데이지체인 형태로 연결된 정밀 시각동기 기반의 분산 협업 제어 시스템의 구조도이다. Figure 2 is a structural diagram of a distributed collaborative control system based on precision time synchronization in which a master control device (1) and N+1 slave control devices (2) are connected in a daisy chain.
도 2의 마스터 제어장치(1)는 Precision Timing Protocol(PTP) 또는 IEEE802.1AS 등의 정밀시각동기절차(9)에 의한 마스터 시각동기 기능부(3)를 운영하고, 이웃 슬레이브 제어장치와 이더넷 포트(9)를 통하여 이더넷 케이블(5)로 연결하여, 공정표(6)을 모든 슬레이브 제어장치에 전달한다. The master control device (1) in FIG. 2 operates the master time synchronization function unit (3) by a precision time synchronization procedure (9) such as Precision Timing Protocol (PTP) or IEEE802.1AS, and operates the master time synchronization function unit (3) with neighboring slave control devices and an Ethernet port. Connect with an Ethernet cable (5) through (9) to transmit the schedule (6) to all slave control devices.
도 2의 슬레이브 제어장치(2)는 2개의 전이중 이더넷 포트(9)를 통해 이웃 제어장치와 데이지체인 형태로 이더넷 케이블(5)로 연결되어 중계동작 및 구동 출력신호(7)를 생성하고 이벤트 입력신호(8)를 처리하고, 슬레이브클럭 기능부(4)는 정밀시각동기절차(20)에 의해 마스터 시각동기 기능부(3)가 제공하는 시각정보에 자신의 시각을 동기시킨다. The slave control device (2) in FIG. 2 is connected to a neighboring control device in a daisy chain form with an Ethernet cable (5) through two full-duplex Ethernet ports (9), generates a relay operation and drive output signal (7), and inputs an event. After processing the signal (8), the slave clock function unit (4) synchronizes its time with the time information provided by the master time synchronization function unit (3) through the precise time synchronization procedure (20).
이하 동작절차는 다음과 같다. The operation procedure below is as follows.
도 2의 마스터 제어장치(2)는 시각동기된 모든 슬레이브 제어장치(3)에게 공정표(6)을 배포하는 공정표 배포 과정(22)를 수행하고, 이어 해당 작업개시시각(24)을 통보한다. 공정표(6)와 작업개시시각(24)정보를 수신한 모든 슬레이브 제어장치(3)는 작업개시시각(24)에 동시 작업을 개시하고 싸이클마다 공정표에 따른 작업을 반복하는 싸이클내 작업 과정(25)를 수행한다. The master control device 2 in FIG. 2 performs a schedule distribution process 22 to distribute the schedule 6 to all time-synchronized slave control devices 3, and then notifies the corresponding work start time 24. All slave control devices (3) that have received the schedule (6) and work start time (24) information start working simultaneously at the work start time (24) and repeat the work according to the schedule for each cycle (25). ) is performed.
도 3은 정밀 시각동기 기반의 분산 협업 제어 방법을 위한 공정표(6)의 예로써 4개의 슬레이브 제어장치가 공정표를 공유하고, 동일한 싸이클의 시작시점에서 슬롯으로 구분된 개별작업을 수행하여, 슬롯1에서는 슬레이브 제어장치1이 1을 출력하고, 슬롯2에서는 슬레이브 제어장치2가 1을 출력하고, 슬롯3에서는 슬레이브 제어장치3과 4가 함께 1을 출력하는 일련의 협업과정을 마스터 제어장치와의 제어정보교환을 하지 않고 자율적으로 수행하게 된다. Figure 3 is an example of a schedule (6) for a distributed collaborative control method based on precise time synchronization. Four slave control devices share the schedule and perform individual tasks divided into slots at the start of the same cycle, so that slot 1 In slot 2, slave controller 1 outputs 1, in slot 2, slave controller 2 outputs 1, and in slot 3, slave controllers 3 and 4 both output 1. A series of collaboration processes are controlled with the master controller. It is carried out autonomously without exchanging information.
상기의 절차에 의해 마스터 제어장치(1)가 슬레이브 제어장치(2)에 대한 제어 메시지 전송과정이 불필요하고, 마스터 제어장치(1)와 슬레이브 제어장치(2)간의 거리 및 전송속도의 제약없이 모든 작업이 모두 동일한 시각을 기준으로 처리되는 것을 보장하게 되는 것이다. Through the above procedure, there is no need for the master control device (1) to transmit a control message to the slave control device (2), and all information is sent without restrictions on the distance and transmission speed between the master control device (1) and the slave control device (2). This ensures that all tasks are processed based on the same time.
Single Pair Ethernet(SPE) 기술 중 하나인 10Base-T1L기술은 1Km 이상의 장거리로 양방향의 10 Mbps 전송기능을 제공하여 기존 100 Mbps급 이더넷에 비하여 장거리 전송을 지원한다. 하지만 전기적인 신호는 Km 당 5 micro seconds의 전파지연시간을 가지므로 마스터 제어장치가 슬레이브 제어장치를 직접 제어할 경우 해당 제어신호의 전달지연을 피할 수 없는 문제점이 있다. 본 발명은 이러한 문제점을 해결할 수 있는 정밀 시각동기 기반의 분산 협업 제어 방법이다.10Base-T1L technology, one of the Single Pair Ethernet (SPE) technologies, provides bidirectional 10 Mbps transmission over long distances of 1 km or more, supporting long-distance transmission compared to the existing 100 Mbps Ethernet. However, since electrical signals have a propagation delay of 5 microseconds per km, there is an unavoidable problem in that when the master control device directly controls the slave control device, transmission delay of the control signal cannot be avoided. The present invention is a distributed collaborative control method based on precise time synchronization that can solve these problems.
1: 마스터 제어장치
2: 슬레이브 제어장치
3: 마스터 시각동기 기능부
4: 슬레이브 시각동기 기능부
5: 이더넷 케이블
6: 공정표
7: 구동 출력신호
8: 이벤트 입력신호
9: 이더넷 포트
20: 정밀시각동기절차
21: 공정 싸이클
22: 공정표 배포 과정
23: 작업개시시각 배포 과정
24: 작업개시시각
25: 싸이클내 작업 과정
26: 공정표 수신 및 저장1: Master control unit
2: Slave controller
3: With master time synchronization function
4: With slave time synchronization function
5: Ethernet cable
6: Milestone
7: Driving output signal
8: Event input signal
9: Ethernet port
20: Precise visual synchronization procedure
21: Process cycle
22: Milestone distribution process
23: Work start time distribution process
24: Work start time
25: Work process within the cycle
26: Receive and save milestones
Claims (2)
공정표를 슬레이브 제어장치에게 배포하는 마스터 제어장치; 및
공정표를 수신하여 자신에 해당되는 작업을 반복 수행하는 슬레이브 제어장치;로 구성되는 정밀 시각동기 기반의 분산 협업 제어 장치According to claim 1,
A master control device that distributes the schedule to slave controllers; and
A distributed collaborative control device based on precise time synchronization consisting of a slave control device that receives the schedule and repeatedly performs the corresponding task.
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