[논문]임베디드 리눅스 기반 산업용 무선 HMI 소프트웨어 모듈 설계 및 구현

최숙영; 문승진

doi:10.5391/jkiis.2007.17.3.336

임베디드 리눅스 기반 산업용 무선 HMI 소프트웨어 모듈 설계 및 구현
The Design and Implementation of Embedded Linux-Based Industrial Wireless HMI Software Module 원문보기

퍼지 및 지능시스템학회 논문지 = Journal of fuzzy logic and intelligent systems, v.17 no.3, 2007년, pp.336 - 342

초록
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산업용 HMI(Human Machine Interface) 시스템은 공장 자동화의 주요 구성요소 중 하나로서 PLC와 연결되어 자동화 설비 또는 장치의 운전 상태를 감시하고 제어하는데 사용된다. 이러한 HMI는 주로 제조업체별로 특정한 시스템을 사용하고, 근거리에 위치하여 쓰이기 때문에 시스템 개발 시 많은 부하를 주게 되고 시스템 확장이 어려운 단점이 있다. 이에 본 논문에서는 오픈 소스인 임베디드 리눅스 기반에 멀티 플랫폼을 지원하는 Qt/Embedded와 무선 통신 모듈을 사용하여 터치패널형 산업용 HMI 소프트웨어 모듈을 설계 및 구현하였다. 이 모듈은 Qt가 지원되는 시스템이면 소스 수정 없이 사용할 수 있으며 무선 랜 모듈을 이용하여 시스템의 이동성 및 네트워크 구축 및 시스템 확장을 보다 유동성 있게 설계할 수 있다. 이에, 리눅스 기반의 무선통신이 가능한 HMI 소프트웨어 모듈 구현으로 이동성 확보 및 범용 운영체제의 사용으로 인한 시스템 개발 시 부하 감소와 가격 경쟁력의 향상을 이루게 되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Industrial HMI(Human Machine Interface) system is the main element among the factory automation processes and have been used to monitor and control operation and status of machine in factory with PLC. This HMI often brings heavy loads to the system development and difficult decreasing the system because it tends to use a specific system per each manufacturer. Therefore, in this thesis, we have developed an embedded linux-based embedded industrial HMI software modules which can be used for touch panel embedded system to solve these problem. In this module, we have used the Qt/Embedded software component because it can be used by all systems which support C++ compiler without modifying the existing codes. We can design more flexible system and network configuration because we have used the wireless communication module. In this thesis, we implement linux-based HMI software modules which are capable of wireless communication as well as bringing the mobility to the overall system and finally decreasing the system development loads by using the general purpose OS with competitive price.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 기존의 윈도우 CE기반의 HMI 모듈 기술과 무선 통신 기술을 추가하여 리눅스 기반의 HMI 무선통신 시스템을 설계하였다. HMI 소프트웨어 모듈은 TOP 디자이너를 이용하여 slave PLC의 종류, 모니터링 조건, 삽입된 태그, 각종 도형이나 그림 정보 등을 포함시킨다.
본 논문에서는 제조업체별 전용의 시스템을 사용하는 HMI 시스템의 개발 시 발생하는 오버헤드 및 유지보수의 어려움을 줄이기 위해 임베디드 리눅스를 기반으로 하는 터치 패널형 산업용 무선 HMI 소프트웨어 모듈을 구현하였다. 본 논문에서 구현한 모듈은 산업용 HMI에 사용되는 다섯 가지 태그 모듈과(터치 태그, 램프 태그, 키 표시 태그, 경보 태그) 무선 통신 모듈(데이터 패킷 생성과 분할 모듈)을 이용하여 무선으로 원거리에 있는 slave PLC의 기본적인 모니터링 및 제어를 할 수 있다.

제안 방법

칭한다.[3, 4] 공장자동화 분야에서 HMI는 주로 HMI 소프트웨어를 지칭하지만 본 논문에서의 HMI는 터치패널 임베디드 HMI를 가리키며, 그래픽 화면을 통한 PLC와 연결된 기기나 공정 상태를 모니터링하고 터치 동작으로 제어를 한다.
작화파일을 이용하였다. 기존 Windows CE 기반의 시스템은 시리얼(RS-232C)로 HMI 모듈에 하나의 PLC가 1:1로 연결되어 있으나, 본 논문에서 제안한 무선 HMI 시스템은 HMI 모듈에 하나의 master PLC가 여러대의 slave PLC로 무선으로 데이터를 주고받을 수 있도록 구성되어 있다. 이에 그림 9의 공통 작화파일로 HMI 시스템과 slave PLC의 제어 및 모니터링 데이터를 송수신하는 시간(%)과 그래픽 처리 시간, HMI 시스템의 이동성 확보를 위한 원거리 이동 테스트, 다중 slave PLC의 제어와 모니터링 등을 실험 하였다.
그림 13과 같다. 기존의 시스템 모듈은 유선이며 통신속도는 20kbps이고 최대 통신 거리는 15m이하 이므로 제안하는 시스템 모듈만 실험한다.
요구를 충족하기 어렵다. 또한, 시스템이 복잡성을 요구함에 따라 PLC에 한 대의 마스터 컨트롤러와 여러 대의 슬레이브 컨트롤러를 연결 하게 되었다. 이러한 시스템은 초기 기기들의 정해진 위치에서 공정을 실행 하게 되는데, 이는 유동성이 있는 기기의 모니터링 및 제어를 불가능하게 하였다.
본 논문에서 구현한 무선 HMI 소프트웨어는 리눅스 기반의 플랫폼에서 Top-Designer 작화파일의 HMI 구성정보를 자유롭게 이용할 수 있도록 Qt를 이용하여 구현하였다. 이와 함께 기존의 시리얼 통신만으로 slave PLC를 제어하던 것과는 달리 무선네트워크 기능을 추가하여 장소의 제약이 없이 원거리에서도 하나의 HMI로 여러 대의 slave PLC의 상태를 모니터링 하거나 제어할 수 있다.
태그는 slave PLC 또는 HMI 본체의 디이터를 조건 또는 시간주기, 실시간어 의해 HVII 시스템 화면에 나타내거나 데이터를 외부시스템으로 전달할 수 있도록 하는 매개 역할을 한다. 본 논문에서 사용된 태그는 숫자, 터치, 램프, 키 표시, 경보 태그를 구현 및 설계 하였다[5L HMI 시스템은 작화 파일을 분석하여 첫 번째 윈도우의 화면을 표현 하면서 시작하게 되며, 이는 BaseFile 구조체안이 시스템 시작에 필요한 정보들을 이용한다.
기존 Windows CE 기반의 시스템은 시리얼(RS-232C)로 HMI 모듈에 하나의 PLC가 1:1로 연결되어 있으나, 본 논문에서 제안한 무선 HMI 시스템은 HMI 모듈에 하나의 master PLC가 여러대의 slave PLC로 무선으로 데이터를 주고받을 수 있도록 구성되어 있다. 이에 그림 9의 공통 작화파일로 HMI 시스템과 slave PLC의 제어 및 모니터링 데이터를 송수신하는 시간(%)과 그래픽 처리 시간, HMI 시스템의 이동성 확보를 위한 원거리 이동 테스트, 다중 slave PLC의 제어와 모니터링 등을 실험 하였다.
이에 본 논문에서는 오픈 소스 기반의 임베디드 운영체제를 이식하여 트롤테크사의 크로스 플랫폼 툴킷인 Qt(cute)/Embedded(이하 Qt)와 무선통신 모듈을 이용하여 기존 시스템의 단점들을 해결하였다.
또한, HMI로부터 특정 PLC로 제어 정보를 보낸다면 HMI의 제어 정보를 패킷화 하여 master PLC로 보내게 되고 다시 master PLC는 패킷을 참조하여 해당 제어 slave PLC로 송신하여 기기 제어를 한다. 이에 하나의 패킷으로 모니터링정보 및 제어 정보를 판별하기 위하여 패킷의 마지막에 구분 정보를 넣어 “1”이면 제어, “0”이면 모니터링 정보 요구로 받을 수 있도록 하였다.
임베디드 리눅스 기반의 Qt를 이용하여 사용자 정의에 맞게 설계된 무선 HMI 시스템 모듈 시나리오를 다음과 같이 구성하였다. 시스템 시나리오의 전체적인 흐름은 그림 1과 같은 방법으로 실행된다.
세 가지의 기능을 가진다. 첫째, M2I 코퍼레이션의 터치패널 제품 화면구성 작화 프로그램인 TOP-Designer에서 만들어진 작화 파일을 사용하여 GUI화면을 구성하고 slave PLC로부터 받은 데이터에 따라 화면을 다시 그려 모니터링상황을 표시 하고 둘째, 사용자의 터치를 처리하고 셋째, 무선 랜 통신처리를 위한 통신 모듈을 통해 주고 받는 데이터를 처리하며 세 번째 기능은 무한 반복되기 때문에 쓰레드로 구성되어 있다.

대상 데이터

다중 slave PLC의 제어를 실험은 실행시간과 이미지 처리 시간의 평균을 데이터로 사용하였다.
임베디드 리눅스 기반의 Qt를 이용한 HMI 시스템 모듈 알고리즘의 유용성을 검증하기 위하여 TOP 디자이너로 디자인한 작화파일을 이용하였다. 기존 Windows CE 기반의 시스템은 시리얼(RS-232C)로 HMI 모듈에 하나의 PLC가 1:1로 연결되어 있으나, 본 논문에서 제안한 무선 HMI 시스템은 HMI 모듈에 하나의 master PLC가 여러대의 slave PLC로 무선으로 데이터를 주고받을 수 있도록 구성되어 있다.

이론/모형

HMI 시스템에서 화면에 표시하여 제어하거나 모니터링하기 위한 표현 방법으로 티그(tag)를 이용한다. 태그는 slave PLC 또는 HMI 본체의 디이터를 조건 또는 시간주기, 실시간어 의해 HVII 시스템 화면에 나타내거나 데이터를 외부시스템으로 전달할 수 있도록 하는 매개 역할을 한다.

성능/효과

데이터 전송률 또한 50cm에서 300cm의 구간에서는 100%의 전송률을 보이며 300cm 이후의 구간에서는 최대 4%의 전송률 손실이 있다.
구현하였다. 본 논문에서 구현한 모듈은 산업용 HMI에 사용되는 다섯 가지 태그 모듈과(터치 태그, 램프 태그, 키 표시 태그, 경보 태그) 무선 통신 모듈(데이터 패킷 생성과 분할 모듈)을 이용하여 무선으로 원거리에 있는 slave PLC의 기본적인 모니터링 및 제어를 할 수 있다. 이 모듈은 리눅스라는 범용 운영체제를 사용하였기 때문에 기능 추가 및 확장이 용이하고 멀티 플랫폼을 지원하는 </를 사용하여 구현하였기 때문에 기존의 소스 수정 없이 Qt가 지원되는 모든 시스템에서 사용할 수 있다.
본 논문에서 설계한 리눅스 기반의 무선통신 HMI 소프트웨어 모듈은 공장자동화 및 기타 제어대상 기기의 제어를 사용자가 손쉽게 구성할 수 있고, 무선통신모듈을 이용하여 원거리에 위치한 slave PLC의 제어 및 모니터링이 가능하게 되었다.
태그별 실행 시간차는 제안하는 wireless module과 RS-232C module이 서로 비슷한 태그에서 시간차이가 있으나 제안하는 모듈과 기존 모듈은 약 (H0초 정도 차이를 보이고 있다. 이는 기존 모듈의 무거운 알고리즘 수행과 embedded VC++ 의 라이브러리 참조에 문제가 있음을 반증하며, 제안한 모듈에서 약 0.10초의 빠른 실행 속도는 기존의 알고리즘을 가볍게 수행할 수 있도록 수정하여 1회 수행에 필요한 리소스를 최대한 확보하여 수행하도록 되어 있음을 증명한다.
하지만 제안하는 모듈은 세 번의 그래픽 처리(layer 3) 후 한 번에 데이터 처리를 하여 데이터 처리 실행 후에 그래픽 처리가 중복되지 않는다. 이에 기존의 모듈은 HMI 모듈에서 확인할 경우 화면 반짝임이 발생하게 되지만, 제안하는 모듈은 초기에 생성된 이미지 데이터를 3 layer로 분류하여 초기 세 번만 화면에 그리게 되므로 화면의 깜박거림 없이 데이터 처리를 원활하게 수행할 수 있다.
제안하는 시스템 모듈은 802.11b, g를 지원하며 최대 통신속도는 2Mb에서 최대 54Mb이고 통신거리는 최대 수십 Km 까지 가능하다. 따라서 WI 모듈과 slave PLC와의 거리는 최소 50cm에서 최대 10m의 범위에서 실험한다.

후속연구

향후 본 논문에서 구현한 기본적인 태그를 이용한 정밀한 동작 설정과 더 다양한 태그를 구현할 필요가 있으며, 무선랜을 사용하여 이동성 이 지원되어 편리하지만 보안에 약하다는 문제는 앞으로 해결해야 할 것이다.

참고문헌 (15)

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홍상현, '차별화된 PLC 프로그램과 HMI 장비를 이용한 차체 라인의 운용에 관한 연구', 울산대학교 석사학위 논문, 2002

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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