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산업용 제어 시스템은 생산 및 제조 공정의 자동화를 위해 센서 및 액추에이터와 같은 필드 수준의 피제어장치를 제어하는 시스템이다. 산업용 제어 시스템의 정밀도(precision)는 시스템의 구성이나 제어 도메인의 종류에 따라 다양한 척도로 평가될 수 있다. 한편 산업용 제어 응용의 기능성을 확장하기 위해서는 상호 운용성(interoperability)의 향상이 필요하며 이를 위해서는 제어기와 관리 시스템 간의 수직 계층적 접근뿐만 아니라 제어기 간의 수평적 접근이 가능해야 한다. 또한 기존에 설치되어 운용되고 있는 산업용 제어 시스템에도 직접적으로 접근 가능해야 한다.
본 학위논문은 다양한 도메인에서 필드 수준의 제어를 위해 사용되고 있는 산업용 제어 시스템의 정밀도 및 상호 운용성의 개선을 목표로 한다. 첫째, 산업용 제어 시스템의 동기 제어 성능을 향상하기 위해서 ...

산업용 제어 시스템은 생산 및 제조 공정의 자동화를 위해 센서 및 액추에이터와 같은 필드 수준의 피제어장치를 제어하는 시스템이다. 산업용 제어 시스템의 정밀도(precision)는 시스템의 구성이나 제어 도메인의 종류에 따라 다양한 척도로 평가될 수 있다. 한편 산업용 제어 응용의 기능성을 확장하기 위해서는 상호 운용성(interoperability)의 향상이 필요하며 이를 위해서는 제어기와 관리 시스템 간의 수직 계층적 접근뿐만 아니라 제어기 간의 수평적 접근이 가능해야 한다. 또한 기존에 설치되어 운용되고 있는 산업용 제어 시스템에도 직접적으로 접근 가능해야 한다.
본 학위논문은 다양한 도메인에서 필드 수준의 제어를 위해 사용되고 있는 산업용 제어 시스템의 정밀도 및 상호 운용성의 개선을 목표로 한다. 첫째, 산업용 제어 시스템의 동기 제어 성능을 향상하기 위해서 EtherCAT 시계 동기 기능의 성능을 분석하고 평가한다. 성능 평가를 통해 네트워크 내 시계가 마스터 장치 기준으로 동기화 되었을 때의 동기 시계 편차가 슬레이브 장치 기준으로 동기화 되었을 때보다 1.5~3.7배 크게 분포함을 알 수 있었다. 또한 EtherCAT의 시계 동기 과정 중 수행되는 전파 지연 측정의 개선 방법을 제안한다. 성능 평가 결과 개선된 전파 지연 측정 방법을 통해 동기 시계의 분산이 최대 83.58% 감소되었으며 이에 따라 동기 신호 편차는 최대 75.71% 감소됨을 확인하였다.
둘째, 산업용 제어 시스템의 모션 정밀도 향상을 위해 다목적 최적화(multi-objective optimization) 알고리즘 기반의 파라미터 최적화 프레임워크를 제안한다. 산업용 제어 시스템에는 다양한 형태의 조절 가능한 파라미터가 존재하고 각각 다수의 성능 지표 다수와 밀접하게 연관되어 있으므로 하나의 성능 지표에 대해서만 최적화된 파라미터는 다른 성능 지표의 최적 값을 보장할 수 없다. 제안한 프레임워크는 다목적 최적화 알고리즘을 이용하여 제어 파라미터의 최적화를 수행함으로써 산업용 제어 시스템의 성능을 향상시킨다. 제안한 프레임워크를 이용하여 모션 제어 시스템의 파라미터를 최적화한 결과 생성된 모션의 윤곽 오차가 최대 16.59% 감소하였으며 비실시간 프로세스의 처리량이 최대 2.4배 증가함을 확인하였다.
셋째, IEC 61131-3 표준 기반 PLC (Programmable Logic Controller) 응용의 기기간 표준 통신 기능 지원을 위한 OPC UA (Unified Architecture) 런타임 프레임워크를 제안한다. 제안한 프레임워크는 사용자가 작성한 IEC 61131-3 PLC 응용의 소프트웨어 모델을 변환하여 OPC UA 서버를 통한 외부 노출이 가능하도록 지원하고 해당 응용이 외부의 정보에 접근할 수 있도록 OPC UA 클라이언트 기능을 제공한다. 시연 평가 결과 제안한 프레임워크에서 제공하는 OPC UA 관련 기능은 외부 클라이언트에게 사용자가 작성한 PLC 로직의 정보 모델을 효과적으로 제공하였으며 UA 클라이언트 함수 블록을 이용하여 외부 서버가 제공하는 데이터를 PLC 제어 로직에 반영 가능함을 확인하였다. 성능 평가 결과 시연 시스템은 10 ms 주기의 읽기 서비스 요청에서 최대 처리량을 보였다.
마지막으로 기존 기기간 표준 통신 프로토콜인 OPC Classic 서버로의 접근성을 지원하는 독립형 UA 래퍼(wrapper)를 제안한다. 제안한 UA 래퍼는 UA 서버와 Classic 클라이언트로 구성되어 있으며 임베디드형 장치에 설치되어 기존 서버 및 클라이언트와 독립적인 장치로써 동작한다. 또한 이벤트 기반의 샘플링 기능을 제공하여 UA 래퍼가 제공하는 구독 서비스의 성능을 개선한다. 제안한 UA 래퍼의 성능 평가를 수행한 결과 Classic 클라이언트로의 접근 대비 읽기 서비스의 읽기 지연은 18.01%, 구독 서비스의 업데이트 지연은 94.61% 발생하였으며 제안한 이벤트 기반 샘플링 기능을 이용하여 구독 서비스의 지연을 37.85% 감소시킴을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Industrial control systems control field-level devices such as sensors and actuators for the automation of production and manufacturing processes. The precision of industrial control systems can be evaluated in different ways, depending on the system configuration and application. In addition, to ex...

Industrial control systems control field-level devices such as sensors and actuators for the automation of production and manufacturing processes. The precision of industrial control systems can be evaluated in different ways, depending on the system configuration and application. In addition, to extend the functionality of the application, it is necessary to improve the interoperability of the control system, allowing horizontal access between controllers and vertical access to the management system. It also requires to support direct access to the existing control system.
This dissertation aims to improve the precision and interoperability of industrial control systems used for field-level control in various industries. First, we analyze and evaluate the performance of EtherCAT clock synchronization mechanisms to improve the synchronous control performance of industrial control systems. Through experiments, we show that the clock synchronization mechanism of the master clock based configuration has 1.5 to 3.7 times greater clock deviation than the slave clock based configuration. We propose a method to improve the propagation delay measurement performed during EtherCAT clock synchronization. The evaluation results show that the improved propagation delay measurement reduces the variance of the synchronized clock by up to 83.58% and reduces the deviation of the synchronization signal by up to 75.71%.
Second, we propose a parameter optimization framework based on multi-objective optimization algorithms to improve the motion precision of industrial control systems. Industrial control systems have various types of adjustable parameters. Each parameter is closely related to multiple performance indicators, so a parameter value optimized for one performance indicator may not be optimal for others. The proposed framework uses multipurpose optimization algorithms to optimize the control parameters, improving the performance of industrial control systems. By optimizing the parameters of a motion control system using the proposed framework, we found that the contour error of the generated motion is reduced by up to 16.59% and the throughput of non-real time processes is increased by 2.4 times.
Third, we propose an OPC Unified Architecture (UA) runtime design that supports standard machine-to-machine communication in IEC 61131-3 based programmable logic controller (PLC) applications. The proposed design translates the software model of user-written IEC 61131-3 PLC applications into the information model that can be exposed by the OPC UA server. It also provides OPC UA client function blocks for PLC applications to access external information. The evaluation results demonstrate that the proposed OPC UA server effectively provided the information model of user-written PLC logic to external UA clients, and that the PLC application can use the UA client function to include the data provided by the external server in the control logics. As a result of the performance evaluation, the demonstration system showed the highest throughput in read service of 10 ms period.
Finally, we propose a standalone UA wrapper that supports access to OPC Classic servers using legacy machine-to-machine communication protocols. The proposed UA wrapper consists of a UA server and a Classic client and is designed to be installed on embedded devices to work independently of existing servers and clients. The proposed wrapper provides event-based sampling to improve the performance of the subscription service. The performance evaluation shows that the read latency of the read service increased only 18.01% compared to the access time of the Classic client, and the update delay of the subscription service increased 94.61%. It was found that the event-based sampling mechanism can reduce the update delay of subscription services by 37.85%.

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