[논문]다중 동작 모드를 가진 PLCopen 표준 호환 모션 응용을 위한 모션 레시피 개념 설계 및 구현

김상현; 이경현; 김태현; 최철; 강동구

doi:10.3795/ksme-a.2016.40.11.955

다중 동작 모드를 가진 PLCopen 표준 호환 모션 응용을 위한 모션 레시피 개념 설계 및 구현
Design and Implementation of Motion Recipe for PLCopen-Compliant Motion Applications with Multiple Operation Modes 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.40 no.11, 2016년, pp.955 - 962

김상현 (서울시립대학교 기계정보공학과) , 이경현 (서울시립대학교 기계정보공학과) , 김태현 (서울시립대학교 기계정보공학과) , 최철 (하이젠모터(주) 기술연구소) , 강동구 (하이젠모터(주) 기술연구소)

초록
AI-Helper

최근 산업 자동화 분야에서는 확장성을 고려한 표준화된 소프트웨어 기반 모션 제어 시스템 개발 방법과 다품종 소량 생산을 위한 다양한 동작 모드 지원에 대한 요구가 증대되고 있는 추세이다. 소프트웨어 기반 모션 시스템은 단일 장비 상에서 다양한 동작 모드 전환이 용이하게 하지만 다중 동작 모드를 쉽게 정의하는 도구와 동작 모드 변경에 대한 표준화된 동작 절차가 정의되어 있지 않은 상태에서 다중 동작 모드를 지원하는 모션 제어시스템을 구성하는 것은 쉽지 않다. 본 논문에서는 PLCopen 표준 호환 모션 블록들을 이용해 다중 동작 모드를 구성하고 모드 변경을 외부에서 구동하기 위한 프로토콜을 포함하는 모션 레시피 개념을 제안한다. 제안된 모션 레시피 개념은 IEC 61131-3 표준 호환 통합개발 환경인 Beremiz의 기능을 확장하여 구현하였으며, 실제 테스트베드 상에서 그 동작을 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In recent years, there have been emerging needs for standardized software-based motion application development for better scalability and support for multiple operation modes for small quantity batch production. Although a software-based motion system provides a basis for constructing multiple operation modes on a machine, it is not easy to construct such systems without tools for defining multiple motion operation modes and standardized mode-change protocols. This paper proposes a motion recipe concept to overcome this problem; the concept includes the authoring of multiple motion operation modes using the PLCopen-compliant motion function blocks and communication protocols to trigger operation mode changes from an external interface. The motion recipe was implemented by extending an IEC 61131-3 compliant IDE called Beremiz, and the correctness of the motion recipe-based application behavior was verified on a real testbed.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

4장에서 다중 동작 모드를 지원하는 모션 제어 시스템을 구현하기 위하여 응용 프로그램을 개발하는 방법 두 가지를 제시하였다. 본 논문에서는 각각의 방법으로 구현한 응용의 동작을 검증하기 위하여 실제 모터 드라이브와 모터를 이용한 테스트베드 상에서 동작 결과를 확인하였다.
본 연구에서는 다중 동작 모드 지원을 위한 모션 레시피 개념을 제시하고, 기존의 Beremiz 통합 개발환경의 기능을 확장하여 간단한 모션 응용을 구현할 수 있는 모션 레시피 편집기와 복잡한 동작 모드의 구현이 요구될 때 모션 레시피를 직접 작성할 수 있도록 모션 레시피 라이브러리를 구현하여 외부 제어 명령에 따라 동작 모드를 변경하는 응용을 쉽게 작성할 수 있도록 하였다. 또한 실제 모션 제어시스템을 구성하여 올바르게 동작함을 확인하였다.
본 연구에서는 모션 레시피를 사용하는 응용 프로그램 개발을 쉽게 할 수 있도록 통합 개발환경인 Beremiz의 기능을 확장, 구현하였다. Beremiz는 모션 레시피를 적용한 응용 프로그램의 두 가지 개발 방법을 지원한다.
본 연구에서는 모션 레시피를 이용한 다중 동작 모드 지원 모션 응용 프로그램의 동작을 확인하기 위하여 Fig. 9와 같이 ARM 기반 임베디드 모션제어기와 모터 드라이브, 모터로 이루어진 테스트베드를 구성하였다. 앞에서 언급한 바와 같이 외부 제어기 역할은 통합개발환경인 Beremiz에 구현한 플러그인 모듈로 대체하였다.
본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 모션 응용을 개발하기 위한 통합개발환경인 Beremiz⁽⁴⁾의 기능을 확장한 동작 모드 편집기능과 외부 제어기와의 통신 프로토콜까지 결합한 모션 레시피(Motion Recipe) 개념을 제안한다. 모션 레시피는 응용 개발에서 IEC 61131-3 표준 프로그래밍 언어를 사용하도록 하며, 다중 동작 모드를 지원하는 모션 제어시스템의 기본 동작 단위이다.

제안 방법

(5) 본 연구에서 제안한 모션 레시피는 Beremiz의 기능을 확장하여 외부 제어 명령 프로토콜을 지원하는 응용 프로그램 자동 생성 플러그인과 모션 레시피 지원 응용 개발을 위한 모션 레시피 라이브러리 및 모션 레시피 편집기를 구현하였다.
(a)와 같이 “Move Absolute - Move Relative - Move Velocity - Halt”의 순서로 레시피를 순차적으로 실행하도록 구현하였다.
개발자는 IEC 61131-3 및 PLCopen을 준수하는 프로그래밍을 통해 직접 모션 레시피의 동작을 구현하여 다중 동작 모드를 지원하는 모션 응용 프로그램을 자유롭게 개발할 수 있다. 개발자가 직접 구현한 모션 레시피의 기본 구조는 Fig. 6과 같이 동작 모드를 구별하기 위한 모션 레시피 번호, 모션 명령을 받는 RecipeReader, 모션 레시피의 동작 완료 상태를 알리기 위한 DoneReceiver, 개발자가 직접 구현한 모션 블록으로 구성된다.
레시피 번호는 전체 응용 프로그램에서 유일한 양의 정수로 정의해야 한다. 다음으로 모션 블록 영역에 아래와 같은 방식으로 3장에서 설명한 레시피 실행 규칙을 만족하는 응용 프로그램을 작성한다.
장치의 동작 안정성을 위해서 실제 레시피 구성에는 PowerOn - PowerOff 시퀀스도 필요하지만, 지면관계상 생략하였다. 동작의 정확성 검증은 2번 레시피부터 시작하여 각 레시피를 순차적으로 실행하면서 Beremiz가 지원하는 실시간 디버깅 인터페이스를 통해 각 레시피 수행에 따른 모터의 위치 값과 속도 값, 그 외 제어변수 값들을 확인 하는 방법으로 진행하였다. 확인 결과, 모션 레시피 편집기를 활용한 구현과 모션 라이브러리를 이용한 사용자 정의 레시피를 이용한 구현 모두 Fig.
7(a)는 모션 레시피를 직접 작성하여 구현한 모션 응용 프로그램이다. 두 개의 모션 레시피를 이용하여 구현하였고 각 동작의 내용을 담은 모션 블록은 회색 음영으로 표시하였다. Fig.
모션 레시피를 지원하는 시스템은 외부 제어기의 모션 명령을 받아 운전 도중 동작 모드를 변경할 수 있고 모션 응용으로부터 모션 상태를 전송 받아 동작 상태를 모니터링할 수 있다. 본 논문에서는 개발용 호스트 PC에서 동작하는 Beremiz 통합개발환경의 플러그인 형태로 Fig. 8과 같이 외부 제어기의 기능을 구현하였다. 구현된 외부 제어 모듈의 동작은 다음과 같다.
본 연구에서는 통합 개발환경 Beremiz에서 응용을 개발하는 것과 별도로 모션 레시피를 이용하여 작성한 모션 제어 응용은 자동으로 C언어로 작성된 코드를 Fig. 5와 같이 생성하도록 구현하였다. 생성된 C 코드는 모션 레시피 편집기를 통해 정의한 내용에 따라 파라미터들을 초기화하고 각 동작 별 내장된 함수를 호출하는 방식으로 구성되어 있다.
각 레시피는 레시피 번호(Recipe Number)로 구분 된다. 새로운 레시피를 실행하고자 할 때 실행하고자 하는 레시피의 번호를 RRN에 저장하고 Execute 신호를 True로 하여 모션 제어기에 전송한다. Execute 신호는 상승 엣지로 동작하며 모션제어기에서는 Execute 신호의 상승 엣지를 감지할 때마다 RRN을 읽어서 해당 레시피를 실행한다.
9와 같이 ARM 기반 임베디드 모션제어기와 모터 드라이브, 모터로 이루어진 테스트베드를 구성하였다. 앞에서 언급한 바와 같이 외부 제어기 역할은 통합개발환경인 Beremiz에 구현한 플러그인 모듈로 대체하였다.
연구에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 다중 동작 모드를 지원하는 모션 응용 프로그램의 자동 생성이 가능하도록 외부 제어 명령 프로토콜을 정의하고 외부 제어 명령과 응용간 인터페이스를 추상화하는 모션 레시피 라이브러리를 구현하였다. 개발자는 하나의 동작 모드를 하나의 모션 레시피에 대응하여 모션 응용 프로그램을 개발하여 외부 제어기를 통해 동작 모드를 전환할 수 있다.
생성된 C 코드는 모션 레시피 편집기를 통해 정의한 내용에 따라 파라미터들을 초기화하고 각 동작 별 내장된 함수를 호출하는 방식으로 구성되어 있다. 이를 위해 각 내장 동작 별 C 언어로 작성된 함수를 구현하였고 이 함수의 구성은 모션 레시피 라이브러리를 사용한 것과 같다. C 코드 자동 생성 이후 컴파일을 진행하여 실제 사용될 응용 프로그램을 생성하고 모션 제어기에 전송하여 바로 구동이 가능하다.

성능/효과

개발자는 IEC 61131-3 및 PLCopen을 준수하는 프로그래밍을 통해 직접 모션 레시피의 동작을 구현하여 다중 동작 모드를 지원하는 모션 응용 프로그램을 자유롭게 개발할 수 있다. 개발자가 직접 구현한 모션 레시피의 기본 구조는 Fig.
모션 레시피를 사용하면 운전 도중에 외부 제어기의 명령 또는 운전자의 외부 입력에 따라 실행 중이던 모션 레시피를 중지하고 다른 동작을 수행하는 모션 레시피를 실행하는 형태의 모션 제어시스템을 매우 쉽게 구성할 수 있다. 결과적으로 본 논문에서 제안한 모션 레시피 개념을 적용하면 다품종 소량 생산이 필요한 산업 현장에서 다중 동작 모드를 가지는 모션 제어시스템을 쉽게 구성할 수 있다. 본 논문의 구성은 다음과 같다.
본 연구에서는 다중 동작 모드 지원을 위한 모션 레시피 개념을 제시하고, 기존의 Beremiz 통합 개발환경의 기능을 확장하여 간단한 모션 응용을 구현할 수 있는 모션 레시피 편집기와 복잡한 동작 모드의 구현이 요구될 때 모션 레시피를 직접 작성할 수 있도록 모션 레시피 라이브러리를 구현하여 외부 제어 명령에 따라 동작 모드를 변경하는 응용을 쉽게 작성할 수 있도록 하였다. 또한 실제 모션 제어시스템을 구성하여 올바르게 동작함을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	모션 제어기의 상태 머신의 역할을 무엇인가?	모션 제어기의 상태 머신(State Machine)은 외부 제어기와의 통신을 담당하는 프론트엔드(Front-end)로서, 현재 동작 모드의 상태를 파악하여 외부 제어기에 전송하거나 올바르지 않은 입력이나 내부에러 발생에 대한 예외처리의 역할을 수행하고 외부 제어 명령을 모션응용 내부의 변수로 전달하는 역할을 수행한다. 모션 레시피 라이브러리(Motion Recipe Library)는 외부 제어 명령을 받아 상태 머신과 연계하여 응용 내부의 모션 레시피 실행 과정을 담당한다.
	모션 레시피란?	모션 레시피는 다중 동작 모드를 갖는 모션 제어 시스템의 동작 단위이다. 각 모션 레시피는 고유한 번호로 구분되며 외부 제어기를 통해 제어 명령을 모션 응용 프로그램으로 전송하여 모션 레시피를 실행할 수 있고 운전 도중 실행중인 모션 레시피를 중지하고 다른 레시피를 실행하여 모션 제어시스템의 동작 모드를 변경할 수 있다.
	상용 드라이브에서 외부 제어기의 명령을 받아 미리 정의된 특정한 동작 단위를 실행하는 기능을 제공하는 방법의 한계는 무엇인가?	이러한 한계를 극복하기 위해 상용 드라이브에서 외부 제어기의 명령을 받아 미리 정의된 특정한 동작 단위를 실행하는 기능을 제공하는 사례가 있다. (3) 그러나, 이 접근 방법에서 제공하는 동작 단위인 Trajectory는 미리 정의된 5가지 간단한 동작 방식 중 하나를 선택하고, 그 동작을 수행하는데 필요한 위치, 속도, 가감속도 등의 파라미터 값을 설정하는 수준의 매우 간단한 동작만을 지원한다. 따라서 하나의 Trajectory로는 실제 생산공정에 사용될 복잡한 동작 모드를 구성하기에는 무리가 있으며, 복잡한 동작을 실행하려면 여러 개의 Trajectory를 사용하여 하나의 동작 모드를 위해 외부에서 지속적으로 실행 명령을 전송하여 Trajectory를 교체해야 한다는 문제가 있다.

참고문헌 (7)

Sung, M. and Choi, C., 2013, "Employing Opensource for IT Convergence Industrial Automation," Journal of the KSME, 53(11), pp. 59-62.
Lee, J., Kim, C., Kim, I., Kim, Y. and Kim, T., 2014, "Implementation and Validation of EtherCAT Support in Integrated Development Environment for Synchronized Motion Control Application," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 38, No. 2, pp. 211-218.
SERAD, IMD Series, http://www.serad.fr/Brushlessdrives-IMD-Series.htm.
Kim, I., Kim, T., Sung, M., Tisserant, E., Bessard, L. and Choi, C., 2013, "An Open-source Development Environment for Industrial Automation with EtherCAT and PLCopen Motion Control," Proc. of the 18th IEEE ETFA, pp. 1-4.
Kim, I. and Kim, T., 2012, "Employing Open-source Software for Development of Open Industrial Automation Systems," Proc. of the KSME IT Convergence Division Spring Conference, pp. 139-140.
IEC, 2013, "IEC 61131-3, 3rd Ed. Programmable Controllers-Programming Languages," International Electrotechnical Commission.
PLCopen, http://www.plcopen.org.

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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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