[논문]IEC 61131-3 국제표준언어 기반 임베디드 모션제어기의 개발

김원호

doi:10.5762/kais.2009.10.12.3574

IEC 61131-3 국제표준언어 기반 임베디드 모션제어기의 개발
Development of an Embedded Motion Controller based on the IEC 61131-3 International Standard Language 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.10 no.12, 2009년, pp.3574 - 3580

초록
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본 논문에서는 IEC 61131-3 국제표준언어에 근거한 PLC 프로그래밍 개발환경을 지원해 주는 임베디드 모션 제어기를 개발하였다. 이 모션제어기에는 모션시스템 개발자가 PC 개발환경은 물론, PLC 개발환경에서도 손쉽게 모션제어 프로그래밍이 가능하도록 IEC 61131-3 개발 도구인 CoDeSys가 탑재되었으며, 직선 및 원호보간 제어와 같은 다양한 모션제어 함수들이 PLCopen 표준에 부합되는 모션 펑션블록으로 구현되었다. 또한 실시간 운영체제하에서 이더넷 기반 원격제어 및 모션 프로그래머를 위한 모션 시뮬레이터가 구현되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

An embedded motion controller supporting the PLC programming environment based on the IEC 61131-3 International Standard Language was developed in this paper. In this developed motion controller, the CoDeSys, one of the IEC61131-3 development tools, was embedded in order to support that of PLC as well as the development environment of the PC, and the various function blocks based on PLCopen standard for motion control such as the linear and circular interpolation control were implemented. Moreover, the ethernet based remote control on real-time operating system and the motion simulator for a motion programmer were implemented.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 IEC 61131-3 국제표준언어에 근거한 PLC 프로그래밍 환경을 지원해 주는 임베디드 모션제어기를 개발하였다. 본 논문에서 개발된 임베디드 모션제어기는 기존의 PLC 및 PC 기반 모션제어기에 비해 소형이면서 저가격이고, 사용자 입장에서는 C/C++ 프로그래밍 개발 환경은 물론, IEC 61131-3 표준의 PLC 프로그래밍 개발 환경도 지원한다는 장점이 있다.
본 논문에서는 PLC의 장점을 살리면서 PC 기반 제어기의 장점을 활용하기 위하여, PLC 및 C 언어 프로그래밍 개발 환경을 동시에 지원하게 해주는 IEC61131-3 프로그래밍[9] 시스템인 CoDeSys를 탑재한 임베디드 모션제어기를 개발하였다.

제안 방법

CoDeSys의 "Single Cycle" 기능을 이용하여 모션구동이 실행되는 동안 X, Y 좌표에 대한 데이터를 획득하였고, 그림 10과 같이 원호보간 움직임에 대한 궤적을 확인하였다.
개발 제어기는 CAMC-QI 칩을 이용하여 모션제어동작을 구현하였으므로, 모션제어관련 함수를 Borland C++ 환경에서 CAMC-QI 칩을 제어하는 모션 라이브러리로 구현하였다. 이렇게 함으로써 CoDeSys를 이용하여 펑션블록과 연결시키는 작업도 단순화시킬 수가 있다.
또한 실시간 운영체제 환경을 지원하므로 이더넷기반 원격 감시제어가 가능하여 분산제어기로서의 적용이 가능하다. 개발된 임베디드 모션제어기를 2축 X-Y 플롯터에 적용하여 다양한 모션동작을 시험함으로써 그 성능을 검증하였다.
개발된 제어기는 현재 펄스타입 모터제어칩인 CAMC-QI를 이용하여 모션제어 기능을 구현하였으므로 위치제어용 모션제어기로 개발되었다. 향후 본 논문에서 개발된 기술을 이용하여 CoDeSys를 DSP에 이식하고, 펄스 출력뿐만 아날로그 출력을 지원하는 DSP 기반 모션제어기를 개발하면, 저가의 PLC 개발환경을 지원하는 속도 및 토크제어용 고성능 모션제어기로 개발할 수 있을 것이다.
호스트 PC에서 원격으로 개발된 모션제어기에 접속한 후, CoDeSys를 이용하여 C/C++ 언어나 PLC 언어로 프로그래밍한 실행파일을 전송하여 장비를 구동할 수도 있으며, 모션제어기에 연결된 장비의 현재 환경변수 상태, 구동상태 등을 감시할 수도 있도록 원격 감시제어 기능을 구현하였다. 또한 실제 구동할 장비가 없이도 모션 프로그래밍에 의한 장비의 구동을 가상으로 먼저 확인할 수 있는 모션 시뮬레이터를 구현하였다.
그림 4는 PLCopen에서 사용되고 있는 상태 천이도를 나타낸 것이다. 모션에 대한 모드 전환이 어떠한 펑션블록을 이용하여 전환이 되며, 에러가 발생 시 진행이 되는 순서를 상세히 나타내고 있으며, 이에 근거하여 펑션블록을 개발하였다. 펑션블록의 실행은 일반적으로 StandStill(정지) 상태로부터 시작되거나 원점구동명령(Homing)이 완료된 후 시작된다.
SC13에 실시간 운영체제(RTOS) 커널을 이식하여 실시간 동작이 가능하고 이더넷 통신을 지원한다. 모션함수는 Borland C++환경에서 구현되었으며, 구현된 모션함수에 대한 동작 확인은 호스트 PC에서 GUI를 통하여 확인이 가능하도록 설계하였다. 모션제어를 위한 PLCopen펑션블록들은 Borland C++환경에서 구현된 모션함수를 바탕으로 CoDeSys환경에서 개발되었으며, 이 펑션블록들을 이용하여 파라미터 설정, 디지털 입출력(DIO)제어, 모션 구동 명령 프로그래밍이 가능하다.
호스트 PC에서 원격으로 개발된 모션제어기에 접속한 후, CoDeSys를 이용하여 C/C++ 언어나 PLC 언어로 프로그래밍한 실행파일을 전송하여 장비를 구동할 수도 있으며, 모션제어기에 연결된 장비의 현재 환경변수 상태, 구동상태 등을 감시할 수도 있도록 원격 감시제어 기능을 구현하였다. 또한 실제 구동할 장비가 없이도 모션 프로그래밍에 의한 장비의 구동을 가상으로 먼저 확인할 수 있는 모션 시뮬레이터를 구현하였다.

대상 데이터

임베디드 모션제어기는 i80186 CPU를 내장한 IPC@CHIP인 SC13 모듈[15]과 CAMC-QI 칩을 사용하여 구성하였다. SC13은 어드레스 버스와 데이터 버스를 이용하여 CAMC-QI에 구동설정 및 구동명령을 내리면 CAMC-QI에서는 설정된 목표 속도와 목표 위치만큼의 펄스를 출력하여 모터를 구동시키게 된다.

데이터처리

개발된 임베디드 모션제어기를 X-Y 플로터에 적용하여 상용 PC기반 모션제어기(PCI-N404) [17]와 성능을 비교하여 보았다. 아래의 그림 8은 임베디드 모션제어기와 X-Y 플로터 간의 연결도를 나타낸 것이다.

성능/효과

개발된 임베디드 모션제어기에 의해 표 2에 구현된 모든 펑션블록에 대해 실험을 실시하여 정상적인 동작을 확인하였다. 그림 9는 구현된 모션 펑션블록 중에서 "MC_CircleCenterMove"를 이용하여 모션 구동 실험을 한 것으로서, CoDeSys에서 구현된 모션 펑션블록을 이용하여 PLC 프로그래밍을 한 화면을 보여준다.
본 논문에서는 IEC 61131-3 국제표준언어에 근거한 PLC 프로그래밍 환경을 지원해 주는 임베디드 모션제어기를 개발하였다. 본 논문에서 개발된 임베디드 모션제어기는 기존의 PLC 및 PC 기반 모션제어기에 비해 소형이면서 저가격이고, 사용자 입장에서는 C/C++ 프로그래밍 개발 환경은 물론, IEC 61131-3 표준의 PLC 프로그래밍 개발 환경도 지원한다는 장점이 있다. 또한 개발 제어기에는 실시간 운영체제 환경에서 이더넷 기반 원격제어 기능 및 모션 프로그래밍 개발자를 위한 모션 시뮬레이터 기능이 구현되었다.
본 논문에서 개발된 제어기는 기존의 상용 모션제어기에 비해 소형이고 저가격이면서도 편리한 사용자 개발환경을 지원한다. 또한 모션제어에 요구되는 직선 및 원호보간의 모션제어 동작을 포함한 다양한 모션제어동작을 PLCopen 표준[13]에 부합되는 모션 펑션블록(Function Block)으로 구현하여 사용자가 쉽게 IEC61131-3 표준에 근거한 PLC 프로그램에 의해서 모션제어 프로그래밍이 가능하다.
실험 결과, PLC 프로그래밍에 의해 동작하는 임베디드 모션제어기의 성능은 CAMC-QI를 사용하고 C-프로그래밍에 의해 동작하는 상용 PC기반 모션제어기의 성능과 같음을 확인하였다. 즉, 개발된 임베디드 모션제어기와 상용 PCI-N404 모션보드가 모두 CAMC-QI에 의해 좌우되므로 모션 구동 성능은 같지만, PCI-N404 보드로 모션시스템을 구성할 때보다 개발된 임베디드 모션제어기로 모션시스템을 구성하면, 보다 소형이면서 저가격으로 시스템을 구성할 수 있을 뿐만 아니라, 사용자의 개발환경측면에서도 장점을 가지게 된다.

후속연구

개발된 제어기는 현재 펄스타입 모터제어칩인 CAMC-QI를 이용하여 모션제어 기능을 구현하였으므로 위치제어용 모션제어기로 개발되었다. 향후 본 논문에서 개발된 기술을 이용하여 CoDeSys를 DSP에 이식하고, 펄스 출력뿐만 아날로그 출력을 지원하는 DSP 기반 모션제어기를 개발하면, 저가의 PLC 개발환경을 지원하는 속도 및 토크제어용 고성능 모션제어기로 개발할 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PLC 기반 제어시스템의 단점은?	모션제어시스템[4]을 구성할 때, PLC 기반 제어시스템은 로직 제어와 모션 제어를 복합적으로 사용할 수 있기 때문에 다양한 시스템에 적용이 가능하며, 개발자의 입장에서는 PC기반 제어에서 사용되는 C/C++ 언어보다 프로그래밍이 쉽다는 장점이 있지만, 통신 유니트과 모션제어 유니트의 가격이 매우 비싸므로 제품의 가격 경쟁력과 확장성이 떨어지며, PLC 제조사에 제한적이라는 단점이 있다. 반면 PC 기반 모션제어기는 ISA 또는 PCI 방식으로 기존의 PLC 시스템을 대체하여 산업용 표준 PC의 하드웨어 및 소프트웨어 기술을 적용한 시스템으로서, 하드웨어 및 소프트웨어에 대한 응용 기술들이 많이 개발되고 있고, 저가의 PC 플랫폼 구입이 용이하며, 개방형구조로 특정 하드웨어 업체에 종속되지 않으므로 시스템의 추가나 개선작업을 쉽게 할 수 있다는 장점이 있다.
	PLC시스템과 비교하여 PC 기반 시스템의 유지보수가 간편한 것 외에 장점은?	이에 반해 PC 기반 시스템[2,3]은 PLC 시스템에 비해 제어 구성이 더욱 간편하고 유지보수가 훨씬 수월하다는 장점이 있다. 또한 네트워크 I/O를 통해 설치와 유지보수에 필요한 노동력을 절감할 수 있으며, 배선공사가 간단해 좀 더 진보된 구조를 가지고 있다.
	PLC시스템의 구성은?	PLC(Programmable Logic Controller) 시스템[1]은 로직(Logic) 제어, 모션, HMI, SCADA, 프로그래밍, 디버깅을 위한 별도의 모듈을 가지고 있는데, 이 구성은 오늘날 산업현장에서 광범위하게 사용되고 있지만, 중앙 집중식 I/O를 사용할 경우, 아주 작은 시스템을 구성하더라도 복잡하고 고가의 배선공사 비용을 지불해야 하는 문제를 안고 있다. 이에 반해 PC 기반 시스템[2,3]은 PLC 시스템에 비해 제어 구성이 더욱 간편하고 유지보수가 훨씬 수월하다는 장점이 있다.

참고문헌 (17)

John R. H. and Frederic D. H., "Programmable Logic Controllers : Programming Methods and Applications", Prentics Hall, 2002.
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원문보기 상세보기
조영임, "IEC1131-3 표준언어처리를 위한 지능적 소프트웨어 PLC의 개발", 퍼지및지능시스템학회논문지, Vol.14, No. 2, pp. 207-215, 2004.
김태형,엄태진,장원지,홍대선,"윈도우 기반 PLC 구동 프로그램 개발", 한국정밀공학회지, 1999.
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http://www.3s-software.com
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http://www.isagraf.com
http://plcopen.org, "PLCopen Standardization in Industrial Control Programming".
http://www.ajinextek.com, "CAMC-QI Hardware Chip User Manual".
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김원호,신진호,"고정밀 모션 제어기 ASIC용 개선된 DDA 보간 알고리즘에 관한 연구", 한국정보기술학회논문지, 제7권1호, 2월, 2009.

상세보기
http://www.ajinextek.com, "PCI-N404 Hardware User Manual".

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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