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IO-Link 환경 ②

글/맥심인터그레이티드 기술부

데이터 링크 계층 규격

IO-Link 트랜시버는 센서(또는 센서의 마이크로컨트롤러)와 IO-Link 마스터 사이의 인터페이스를 제공한다. IO-Link 트랜시버는 어떠한 소프트웨어도 필요하지 않지만 인터페이스되는 마이크로컨트롤러는 IO-Link 표준에 부합하는 소프트웨어를 구동해야 한다. IO-Link 규격은 디바이스와 마스터 간의 통신에 대해 자세히 규정하고 있다. 이는 데이터 링크 계층으로 불린다.
IO-Link 반이중(half-duplex) 통신이며 마스터가 데이터 요청과 같은 정상적인 운영을 포함해 슬레이브(센서)에 대한 모든 통신을 초기화해야 한다 통신은 데이터 송신을 위한 주기적인 프로세스이거나 에러가 발생할 경우 진단 또는 설정의 비주기적인 프로세서가 있다.
IO-Link 데이터는 24V 펄스 NRZ(Nonreturn-to-Zero) 변조를 사용하는 표준형 프레임 형태의 UART 포맷(스타트 비트=로직 0, 데이터, 패러티 비트와 스톱 비트)이다. L-에 대해 측정되는 C/Q 핀의 전압은 로직 ‘1’의 경우 0V, 로직 ‘0’의 경우 24V이다.

데이터 유형

IO-Link 통신은 주기적이거나 비주기적이다(그림 11). 주기적인 통신은 센서가 마스터로 데이터를 보낼 때와 같이 일반적으로 정상적으로 운영될 때 일어난다. 비주기적인 통신을 위한 데이터는 다음과 같은 두 가지 형태를 갖는다.
1. 설정 또는 유지 보수 정보 예를 들면 전원이 켜진 후 마스터가 디바이스를 설정하거나 전원이 꺼지기 직전에 디바이스의 설정을 요청하는 방식
2. 이벤트가 발생할 경우 심각성의 수준에 따라 3가지 레벨로 보고된다:
•통지(Notifications)
•경고(Warnings)
•에러(Errors)

[그림 11] IO-Link 트랜스미션 유형

마스터 디바이스 통신

마스터와 디바이스 센서 또는 액츄에이터 사이의 모든 통신은 마스터의 요청에서 시작되며 주기적인 스케줄을 따른다(그림 12). 디바이스는 모든 마스터의 요청에 응답해야 한다 이러한 전후간의 통신을 M-시퀀스(메시지 시퀀스)라 부른다. M-시퀀스는 다양한 형태로 이루어지며 총 길이도 다양하다. 비록 M-시퀀스 통신이 다양할 수 있지만 포트와 디바이스 간의 모든 통신은 이러한 주기적인 스케줄에서 이루어진다.

[그림 12] IO-Link 마스터 디바이스 통신 시퀀스

C/Q 라인의 UART 데이터

모든 데이터는 UART 프레임 방식이다. 마스터는 통신을 시작하고 디바이스는 tA < 11-비트 간격 내에 응답해야 한다(그림 13).

[그림 13] UART 프레이밍(Framing)

웨이크업(Wake-Up) 요청

마스터가 디바이스(센서나 액츄에이터)를 컨피규레이션하기를 원하거나 처음으로 디바이스와 통신할 경우 웨이크업 요청을 보내게 된다. 웨이크업 요청은 최소 500mA 전류 펄스의 C/Q 라인을 80μs 간격으로 단락(shorting)함으로써 시작된다(그림 14). 디바이스는 500μs(TREN) 내에서 통신을 위한 준비를 해야 한다.
• 웨이크업 기간은 일반적으로 80μs이다(최소 70μs, 최대 85μs).
• 마스터는 웨이크업 펄스를 생성하기 위해 전류를 소싱(sourcing)하거나 싱킹(sinking)한다. 라인이 낮을 경우 높이기 위해 마스터는 전류를 소싱한다. 라인이 높으면 낮추기 위해 전류를 싱킹한다.
• 센서가 웨이크업 펄스를 감지한다(라인의 전류를 모니터링하거나 낮은 것에서 높은 것으로 또는 높은 것에서 낮은 것으로 전압의 변화를 감지한다).
• 웨이크업 요청을 받으면 센서가 스스로 수신 모드를 설정해야 한다. 요청을 받은 500μs 이내에 이루어져야 하는데 그렇지 않을 경우 마스터로부터 에러가 생성된다.

[그림 14] 웨이크업 시퀀스

IO-Link 데이터 속도 선택

마스터가 웨이크업 요청을(수신 모드로 설정하도록) 디바이스에 보내면 마스터는 통신을 위한 데이터 속도를 설정함으로써 더 많은 정보를 얻게 된다(그림 15):
• 마스터는 여러 개의 메시지를 COM3, COM2, COM1 데이터 속도로(가장 빠른 속도에서 가장 느린 속도로) 발송하고 각각 발송된 후 디바이스의 응답을 기다린다.
- 모든 주어진 디바이스는 COM1, COM2, COM3 데이터 속도 중 하나만 지원해야 한다.
• 디바이스는 자신의 등급에 맞는 데이터 속도로 응답하게 된다.
- 디바이스가 응답하면 마스터가 해당 디바이스와 통신할 수 있다.
- 마스터는 디바이스와 COM 속도를 시스템 매니저먼트(management)에 보고한다.
• 마스터는 IO-Link 통신을 설정하기 위해 최대 2번까지 웨이크업 시퀀스를 재시도할 수 있다.
- 첫번째 웨이크업 요청이 실패하고 두 번째도 실패하면(최대 재시도 = 2), 디바이스가 C/Q라인을 SIO(DI/DO 바이너리 센서) 모드로 설정해야 한다.

[그림 15] 데이터 속도 선택

IO-Link IODD(IO-Link Device Description)

모든 IO-Link 디바이스(센서 또는 액츄에이터)는 사용자들이 이용할 수 있는 IODD(IO-Link Device Description) 파일을 갖고 있어야 한다(그림 16).
• IODD는 다음의 내용을 포함하고 있다:
- 통신 설정에 필요한 모든 속성
- 디바이스 파라미터
- IODD(IO-Link Device Description) 정보
- 프로세스와 진단 정보
- 디바이스의 이미지와 제조 업체의 로고
• IODD 파일은 XML 파일로 구성되어 있다
• IODD의 구조는 IEC 61131-9 표준에서 별도의 문서로 기술되어 있다.

[그림 16] IODD 파일