[논문]UML 기반 PLC 래더 로직 설계와 코드 자동 생성

한관희; 박준우

UML 기반 PLC 래더 로직 설계와 코드 자동 생성
UML-based PLC Ladder Logic Design and Automatic Generation of Ladder Code 원문보기

한국CAD/CAM학회논문집 = Transactions of the Society of CAD/CAM Engineers, v.14 no.1, 2009년, pp.50 - 59

한관희 (경상대학교 산업시스템공학부) , 박준우 (경상대학교 산업시스템공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

There are two main problems in the current PLC ladder programming practices: First, currently there are no widely adopted systematic design methods to deal with PLC based control systems in the shop floor. So, the control logic design phase is usually omitted in current PLC programming development life cycle. Second, PLC ladder logic provides only microscopic view of system processes. As a result, it is difficult for FA engineers to have overall perspectives about the interaction of system components intuitively during the verification step of logic errors. To solve these problems, this paper proposed object-oriented design and automatic generation method of PLC ladder logic. Based on the proposed method, the computer software to assist the automatic ladder logic generation is also developed.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 기존 PLC 래더 코드 작성 과정의 문제점으로 지적되어 왔던 설계 과정의 생략과 로직 오류 검증의 어려움을 개선하기 위해 확장된 UML 활동 다이어그램을 이용하여 제어 로직을 설계하고 이를 기반으로 래더 코드를 자동 생성하는 방법을 제안하였다. 또, 이를 지원하기 위한 소프트웨어도 개발하였다. 개발된 도구를 이용하여 자동 생성된 래더 코드가 제대로 생성되었는지를 입출력 포트 레벨에서 시뮬레이션해 볼 수 있다.
본 논문에서는 래더 코드 자동 생성을 지원하기 위해 객체지향 방법론의 대표적인 설계 도구인 UML의 활동 다이어그램을 자동화 제어 로직 설계에 적합하게 확장하고 이를 기반으로 래더 코드를 자동으로 생성하는 도구를 개발하였다. 개발된 소프트웨어는 Fig.
(2000)은 IEC FBD(Function Block Diagram)을 이용한 제어 로직 설계 절차와 SIMULINK 시뮬레이션 시스템을 이용한 제어 로직 검증 및 C 코드 생성에 대해 제안했지만 제어 로직의 범위를 FBD에 의해 표현될 수 있는 간단한 로직으로 한정하였다^[6]. 본 논문의 선행 연구로서 저자들은 UML에 기반한 PLC 제어 로직을 위한 객체지향 설계 프레임워크를 제안하여 객체지향적 접근 방법의 유용성을 제시하였다^[7].
본 연구에서는 기존 PLC 래더 코드 작성 과정의 문제점으로 지적되어 왔던 설계 과정의 생략과 로직 오류 검증의 어려움을 개선하기 위해 확장된 UML 활동 다이어그램을 이용하여 제어 로직을 설계하고 이를 기반으로 래더 코드를 자동 생성하는 방법을 제안하였다. 또, 이를 지원하기 위한 소프트웨어도 개발하였다.

제안 방법

Fig. 1은 본 논문에서 제안하는 PLC 래더 로직 설계 및 자동 생성 절차를 나타내고 있으며, 그 절차는 다음과 같다: 1) UML 활동 다이어그램을 이용하여 제조 시스템의 제어 로직을 설계한다. 2) 설계 결과를 기반으로 래더 코드를 자동 생성한다.
본 논문에서는 1) 제어 로직의 체계적 설계를 위해 객체지향 모델링 도구인 UML (Unified Modeling Language)의 활동 다이어그램(AD: Activity Diagram)을 확장한 설계 도구를 이용하고, 2) 설계된 제어 로직을 기반으로 래더 코드를 자동으로 생성하는 방법과 도구를 개발함으로써 위에서 언급한 현행 PLC 래더 프로그래밍 과정의 두 가지 큰 문제점을 해결하고자 한다.
2단계 그룹화 과정을 통해 Fig. 10-ⓒ와 같이 복합 유형을 단일 유형의 일종인으로 변환하였다.
2) 설계 결과를 기반으로 래더 코드를 자동 생성한다. 3) 생성된 래더 코드의 로직 오류를 검증하기 위해 특정 입력 접점의 상태 변화에 의한 출력 코일의 상태 변화를 시뮬레이션 한다.
생성된 래더 다이어그램이 불량품 추출 시나리오를 정확하게 표현하고 있으며 논리적 오류가 없는지를 검증하기 위해 시뮬레이션이 필요하다. 개발된 시스템에서는 LS 산전의 GM-Win^[19]과 같은 상업용 PLC 코드 생성 프로그램에서 많이 사용되는 입력 접점에 대한 출력 코일 값의 변화에 대한 시뮬레이션 기능을 제공한다. Fig.
본 연구에서 제안한 방법은 제어 로직의 설계 결과를 이용하여 PLC 래더 코드를 생성하는 순방향의 연구인데, 현재 생산 현장에는 설계 문서 없이 존재하는 수많은 래더 코드들이 정리되지 않은 상태로 사용되고 있다. 추후 연구로는 래더 코드를 입력으로 하여 제어 로직에 대한 설계 문서를 생성해내는 역방향 변환 방법에 대한 연구가 필요하다.
셋째, 작성된 래더 코드의 논리적인 오류를 검출하기 위해 입/출력 포트 단위의 시뮬레이션을 행한다.
운영 시스템의 공법이나 물류 흐름이 변경될 경우 기존에는 PLC 코드를 직접 변경하였으나 제안된 방법에서는 설계를 변경한 후에 래더 코드를 자동 생성함으로써 코드 직접 변경 시에 발생할 수 있는 논리적인 오류를 줄이고 검증 시간을 단축할 수 있으며 시스템의 체계적인 변경 관리를 가능하게 한다.
LD-XML은 PLCopen 그룹의 TC-6 XML 포맷을 확장하였는데, 이 포맷은 IEC 61131-3 PLC 코드의 표준 저장 방식이다^[18]. 즉, 그래픽 래더 코드의 정확한 좌표를 표현하기 위해 기존 위치 엘리먼트의 속성에 래더 라인의 행과 열을 표현하는 정보를 추가하였다. 생성된 LD-XML 포맷은 래더 다이어그램 편집기를 통해 그래픽 래더 다이어그램으로 시각화된다.
하지만, 복합 유형은 추가적인 변환 단계가 필요하다. 즉, 그룹화를 통해서 복합 유형을 단일 유형으로 바꾸고 래더 코드를 자동 생성한 후 그룹화를 해제하여 그룹 내의 요소들을 다시 기본 래더 요소로 변환하는 계층적 변환 방법을 사용한다.

대상 데이터

10의 예제 활동 다이어그램은 연속되는 3개의 로직 플로 트랜지션(AJ, OJ, AS)과 6개의 활동으로 구성되어 있다. 그룹화는 연속되는 2개의 로직 플로 트랜지션을 대상으로 하는데 Fig. 10-ⓐ와 같이 AJ와 OJ, 그리고 OJ와 AS가 그룹화의 대상이 된다. 즉, 두 번의 그룹화 과정이 필요하다.
래더 다이어그램은 PLC를 제작하는 회사마다 구성요소가 조금씩 다른데, 그 이유는 IEC 61131-3 표준이 기존의 다양한 래더 프로그래밍 방법의 공통점을 기반으로 추후에 제정되었기 때문이다. 본 연구는 IEC 61131-3에 정의된 구성요소 만을 사용한다(LD 각 요소의 그래픽 표현은 Fig. 5 참조).
아래에서는 사례를 가지고 개발된 시스템의 기능을 설명한다. 사례 대상 시스템은 불량품의 식별/추출과 양품의 분류 (금속 제품/비금속 제품) 및 계수를 수행하는 컨베이어 기반 물류 핸들링 시스템으로 그 구조는 Fig. 13과 같다. 이 중에서 불량품 추출 기능을 자세히 살펴보면, 제품은 일정한 간격으로 컨베이어를 따라 흐르다가 양품/불량품을 식별하는 위치에 도착하면 2개의 광센서에 의해 불량품을 식별한다.

이론/모형

래더 코드 자동 생성은 구성 요소 간의 매핑 관계(Fig. 6)와 IOU-테이블의 각 행에 대한 5가지 유형별 래더 패턴 변환 방법(Fig. 8)을 이용하여 변환 가능하다. 단일 유형의 경우, IOU-테이블의 입력 활동은 렁의 입력부, 출력 활동은 출력부, 트랜지션은 입력부와 출력부간의 로직으로 변환하여 래더 코드를 생성할 수 있다.

성능/효과

(2) AD-XML로 표현된 활동 다이어그램을 IOU 단위로 분해하고, IOU-테이블이라 불리는 2차원 테이블 구조로 저장한다. IOU-테이블은 입력 활동열, 트랜지션 열 및 출력 활동 열로 구성된다.
(2) 식별 과정에서 특정 트랜지션의 출발과 도착 속성 값으로 트랜지션 엘리먼트가 포함되면, 두 트랜지션을 묶어서 하나의 그룹화 트랜지션이라 한다.
(3) 변환을 위한 IOU의 유형은 크게 5가지로 분류할 수 있으며, IOU-테이블을 읽어서 식별된 각 IOU별로 소속 유형을 결정한다.
둘째, PLC 래더 다이어그램은 프로그램 작성 시에 발생하는 논리적인 오류를 검증하기 힘든 구조를 갖고 있다. PLC 래더 다이어그램은 전체 시스템에 대한 부분적인 시야만을 제공하기 때문에 구성 요소간의 상호 작용을 한 눈에 파악하기 어렵다는 제약을 가지고 있다.
현재 생산 현장에서 널리 사용되는 PLC 래더 코드 작성 과정은 크게 두 가지 문제점을 가지고 있다. 첫째, 체계적인 프로그램 설계 및 개발 프로세스 방법론의 적용이 미흡한 상태이며 프로그래머의 경험에 크게 의존하는 경향이 강하다. 즉, 일반 배치도, 공압 회로도, 타임 테이블 등이 포함되어 있는 기계 도면과 공법 관련 도면, 설비 사양서를 참고하여 작성자 본인만 알아볼 수 있는 방법으로 문서화 하거나 문서화 없이 코드를 직접 작성하는 경우가 빈번하게 발생한다^[1].

후속연구

본 연구에서 제안한 방법은 제어 로직의 설계 결과를 이용하여 PLC 래더 코드를 생성하는 순방향의 연구인데, 현재 생산 현장에는 설계 문서 없이 존재하는 수많은 래더 코드들이 정리되지 않은 상태로 사용되고 있다. 추후 연구로는 래더 코드를 입력으로 하여 제어 로직에 대한 설계 문서를 생성해내는 역방향 변환 방법에 대한 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	래더 로직의 자동 생성 방법에는 무엇이 있는가?	래더 로직의 자동 생성 방법에 관한 연구로는 크게 3가지 접근 방법이 있다. 첫째, 페트리 넷을 이용하여 래더 로직을 생성하는 방법과[8-11], 둘째, 유한 상태 머신 (finite state machine)을 이용하여 생성하는 방법이 있다[12-15]. 마지막으로 플로차트와 유사한 형식을 이용하여 생성하는 방법이 있다.
	활동 다이어그램의 어떤 점 덕분에 래더 로직의 설계 도구로서 적합한가?	UML 다이어그램 중에서 활동 다이어그램은 플로 차트와 유사한 구조를 가지고 있고, 또 병렬 제어 흐름을 포함한 다양한 제어 플로를 표현할 수 있다는 점에서 래더 로직의 설계 도구로서 적합한 장점을 많이 가지고 있다.
	PLC 래더 코드 작성 과정은 어떤 문제점이 있는가?	현재 생산 현장에서 널리 사용되는 PLC 래더 코드 작성 과정은 크게 두 가지 문제점을 가지고 있다. 첫째, 체계적인 프로그램 설계 및 개발 프로세스 방법론의 적용이 미흡한 상태이며 프로그래머의 경험에 크게 의존하는 경향이 강하다. 즉, 일반 배치도, 공압 회로도, 타임 테이블 등이 포함되어 있는 기계 도면과 공법 관련 도면, 설비 사양서를 참고하여 작성자 본인만 알아볼 수 있는 방법으로 문서화 하거나 문서화 없이 코드를 직접 작성하는 경우가 빈번하게 발생한다[1]. 둘째, PLC 래더 다이어그램은 프로그램 작성 시에 발생하는 논리적인 오류를 검증하기 힘든 구조를 갖고 있다. PLC 래더 다이어그램은 전체 시스템에 대한 부분적인 시야만을 제공하기 때문에 구성 요소간의 상호 작용을 한 눈에 파악하기 어렵다는 제약을 가지고 있다. 좀 더 구체적으로 설명하면, 래더 다이어그램은 특정 렁(lung)에서 발생하는 입력과 출력의 상태 변화가 다른 렁에 어떤 영향을 주는지 파악하기 어려운 구조를 갖고 있기 때문에 코드를 신규로 작성하거나 코드를 변경할 때 발생할 수 있는 로직 오류를 검증하기 어렵다.

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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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