산업 현장에 적용되는 통신방식 및 프로토콜의 경우 적용 현장의 환경 및 하드웨어 구성 사양에 따라 다양한 종류와 방식으로 현장에 적용이 되어 있다. 산업용 모니터링 시스템 개발 및 구축을 위해서는 해당 장비에 대하여 매번 하드웨어 시스템 분석과 통신 프로토콜해석 작업을 통해 개발을 하고 있어 많은 개발 비용 및 시간이 들어가고 있다. 본 논문에서는 다양한 프로토콜을 사용하는 산업용 장비들의 통합 모니터링을 지원하기 위하여 사용자 요구에 맞도록 프로그램 가능한 프로토콜 변환 알고리즘을 소개하였다. 이 방법은 직렬통신, NMEA, CAN, Modbus 통신 방식으로 전송된 데이터에서 필요한 데이터를 추출하여 Ethernet으로 전송이 가능하다. 실험을 위하여 여러 통신 방식을 지원하는 통신 게이트웨이 모듈을 구현하였고 이를 통하여 데이터 변환 및 전송 실험을 진행하였다.
산업 현장에 적용되는 통신방식 및 프로토콜의 경우 적용 현장의 환경 및 하드웨어 구성 사양에 따라 다양한 종류와 방식으로 현장에 적용이 되어 있다. 산업용 모니터링 시스템 개발 및 구축을 위해서는 해당 장비에 대하여 매번 하드웨어 시스템 분석과 통신 프로토콜 해석 작업을 통해 개발을 하고 있어 많은 개발 비용 및 시간이 들어가고 있다. 본 논문에서는 다양한 프로토콜을 사용하는 산업용 장비들의 통합 모니터링을 지원하기 위하여 사용자 요구에 맞도록 프로그램 가능한 프로토콜 변환 알고리즘을 소개하였다. 이 방법은 직렬통신, NMEA, CAN, Modbus 통신 방식으로 전송된 데이터에서 필요한 데이터를 추출하여 Ethernet으로 전송이 가능하다. 실험을 위하여 여러 통신 방식을 지원하는 통신 게이트웨이 모듈을 구현하였고 이를 통하여 데이터 변환 및 전송 실험을 진행하였다.
In case of communication method and protocol applied to the industrial field, various kinds and methods are applied to the field according to the environment and hardware configuration specifications. In order to develop and construct an industrial monitoring system, the development of the equipment...
In case of communication method and protocol applied to the industrial field, various kinds and methods are applied to the field according to the environment and hardware configuration specifications. In order to develop and construct an industrial monitoring system, the development of the equipment is carried out through hardware system analysis and communication protocol analysis each time, so that a lot of development costs and time are being entered. In this paper, we proposed a programmable protocol conversion algorithm to support the integrated monitoring of industrial equipment using various protocols. This method can extract the necessary data from the data transmitted by serial communication, NMEA, CAN, Modbus communication method and transmit it to Ethernet. We implemented a communication gateway module that supports various communication methods, and experimented with data conversion and transmission.
In case of communication method and protocol applied to the industrial field, various kinds and methods are applied to the field according to the environment and hardware configuration specifications. In order to develop and construct an industrial monitoring system, the development of the equipment is carried out through hardware system analysis and communication protocol analysis each time, so that a lot of development costs and time are being entered. In this paper, we proposed a programmable protocol conversion algorithm to support the integrated monitoring of industrial equipment using various protocols. This method can extract the necessary data from the data transmitted by serial communication, NMEA, CAN, Modbus communication method and transmit it to Ethernet. We implemented a communication gateway module that supports various communication methods, and experimented with data conversion and transmission.
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문제 정의
본 논문에서는 다양한 프로토콜을 사용하는 산업용 장비들의 통합 모니터링을 지원하기 위하여 사용자 요구에 맞도록 프로그램 가능한 프로토콜 변환 알고리즘을 소개하였다. 제안된 알고리즘은 개별 프로토콜에서 사용자가 원하는 데이터만을 추출하여 이더넷으로 전송할 수 있기에 관제실의 모니터링 프로그램에 쉽게 삽입이 가능하다.
본 논문에서는 산업용 데이터의 모니터링을 지원하기 위하여 사용자가 프로그램을 통하여 여러 통신 프로토콜의 지원이 가능한 통신 프로토콜 변환 알고리즘을 구현하였다. 산업현장에서 많이 사용되는 UDP, CAN, RS485 통신 방식에서 사용되는 NMEA0183, CAN Bus Protocol, IEC-61850, MODBUS의 통신 프로토콜을 분석하여 Ethernet으로 전송할 수 있도록 프로토콜 변환을 지원할 수 있는 구조와 공통된 방식으로 변환할 수 있는 방법을 제시하였으며, 변환 및 전송 실험을 통하여 결과를 확인하였다.
제안 방법
제안된 프로토콜 데이터 변환 알고리즘의 성능을 평가하기 위하여 RS232, RS485, CAN, 이더넷을 지원하는 통신 게이트웨이 모듈을 그림 5와 같이 제작하였다. 각기 다른 장비에서 데이터가 입력되는 것을 가정하여 NMEA0183, CAN Bus Protocol, IEC-61850, MODBUS 프로토콜별로 컴퓨터에 연결하여 데이터를 전송하였다. 전송된 데이터는 각 프로토콜 별로 사용자가 원하는 데이터를 임의로 가정하여 추출하고 이들을 재구성하고 이더넷 프로토콜로 변환하여 전송하는 실험을 진행하였다.
데이터 전송 오류를 확인하기 위하여 이더넷 전송에 사용한 통신프로토콜은 UDP 프로토콜이며, 1000개의 데이터를 전송하여 사용자 요구 데이터를 추출하여 프로토콜 변환한 뒤에 수신된 데이터의 값을 비교하였다. 실험 결과는 표 1에 나타낸 것과 같이 NMEA의 경우 0.
문자형으로 변환된 프로토콜은 사용자가 모니터링에 사용할 데이터만 분류해 내기 위하여 그림 3과 같은 데이터 파싱 과정을 거친다. 먼저 입력된 문자형 프로토콜의 사용자 변수 개수를 파악하고 체크섬과 CRC를 이용하여 순환 중복 검사를 통하여 사용될 프로토콜과 불필요한 프로토콜로 구분한다. 사용자가 이용할 프로토콜인 경우에는 필요한 데이터의 개수와 송신 여부를 체크하여 송신 번호가 일치하는 경우의 데이터를 남기기 위하여 검색된 문자의 개수를 확인하고, 그 사이에 데이터를 구분하기 위하여 구분 문자를 삽입할 수 있도록 하여 사용자가 필요한 데이터만을 추출할 수 있도록 설계하였다.
산업 현장에서는 각기 다른 통신 프로토콜을 모니터링 장비에서 쉽게 사용 가능할 수 있도록 프로토콜 변환 작업이 반드시 필요하며, 다수의 장비들을 동시에 모니터링할 수 있도록 확장성을 지원하는 것이 매우 중요하다. 본 연구에서는 그림 2와 같은 통신 프로토콜 변화 알고리즘을 사용하였으며 펌웨어로 수행되도록 구성하였다. 통신 프로토콜 변환을 위한 구조는 크게 보면 통신 방식 분석, 데이터 프로토콜의 해석과 변환, 전송이라는 기본 단계를 거친다.
문자형은 사용자가 읽고 필요한 부분을 선택할 수 있으나 헥사형의 경우는 이것이 불가능하다. 본 연구에서는 사용자 프로그램에서 이용할 수 있도록 모두 문자형으로 변환하여 데이터를 표준화하였다. 문자형으로 변환된 프로토콜은 사용자가 모니터링에 사용할 데이터만 분류해 내기 위하여 그림 3과 같은 데이터 파싱 과정을 거친다.
먼저 입력된 문자형 프로토콜의 사용자 변수 개수를 파악하고 체크섬과 CRC를 이용하여 순환 중복 검사를 통하여 사용될 프로토콜과 불필요한 프로토콜로 구분한다. 사용자가 이용할 프로토콜인 경우에는 필요한 데이터의 개수와 송신 여부를 체크하여 송신 번호가 일치하는 경우의 데이터를 남기기 위하여 검색된 문자의 개수를 확인하고, 그 사이에 데이터를 구분하기 위하여 구분 문자를 삽입할 수 있도록 하여 사용자가 필요한 데이터만을 추출할 수 있도록 설계하였다.
본 논문에서는 산업용 데이터의 모니터링을 지원하기 위하여 사용자가 프로그램을 통하여 여러 통신 프로토콜의 지원이 가능한 통신 프로토콜 변환 알고리즘을 구현하였다. 산업현장에서 많이 사용되는 UDP, CAN, RS485 통신 방식에서 사용되는 NMEA0183, CAN Bus Protocol, IEC-61850, MODBUS의 통신 프로토콜을 분석하여 Ethernet으로 전송할 수 있도록 프로토콜 변환을 지원할 수 있는 구조와 공통된 방식으로 변환할 수 있는 방법을 제시하였으며, 변환 및 전송 실험을 통하여 결과를 확인하였다.
각기 다른 장비에서 데이터가 입력되는 것을 가정하여 NMEA0183, CAN Bus Protocol, IEC-61850, MODBUS 프로토콜별로 컴퓨터에 연결하여 데이터를 전송하였다. 전송된 데이터는 각 프로토콜 별로 사용자가 원하는 데이터를 임의로 가정하여 추출하고 이들을 재구성하고 이더넷 프로토콜로 변환하여 전송하는 실험을 진행하였다.
대상 데이터
제안된 프로토콜 데이터 변환 알고리즘의 성능을 평가하기 위하여 RS232, RS485, CAN, 이더넷을 지원하는 통신 게이트웨이 모듈을 그림 5와 같이 제작하였다. 각기 다른 장비에서 데이터가 입력되는 것을 가정하여 NMEA0183, CAN Bus Protocol, IEC-61850, MODBUS 프로토콜별로 컴퓨터에 연결하여 데이터를 전송하였다.
성능/효과
제안된 알고리즘은 개별 프로토콜에서 사용자가 원하는 데이터만을 추출하여 이더넷으로 전송할 수 있기에 관제실의 모니터링 프로그램에 쉽게 삽입이 가능하다. 4가지 방식의 프로토콜을 변환하는 실험에서 모두 1% 미만의 매우 우수한 변환 오차율을 나타내었다. 개발된 사용자 프로토콜 변환 알고리즘은 산업용 HMI, 통합 모니터링 소프트웨어 등을 개발할 경우에 장비별 통신망 구축과 관리 비용 절감 및 프로토콜 해석과 응용SW 개발 시간을 단축할 수 있어 생산성 향상에 도움을 줄 수 있다.
4가지 방식의 프로토콜을 변환하는 실험에서 모두 1% 미만의 매우 우수한 변환 오차율을 나타내었다. 개발된 사용자 프로토콜 변환 알고리즘은 산업용 HMI, 통합 모니터링 소프트웨어 등을 개발할 경우에 장비별 통신망 구축과 관리 비용 절감 및 프로토콜 해석과 응용SW 개발 시간을 단축할 수 있어 생산성 향상에 도움을 줄 수 있다.
둘째, 순간적으로 데이터 수신량이 많아 수신 라인 카운터가 정상 동작하지 못하는 경우가 생긴다. 셋째, 고속 데이터 처리로 인한 통신 버퍼 초과로 데이터 손실이 일어난다. 이러한 상황이 발생하면 정상적이지 못한 문자열이 생성되고 체크섬(checksum) 또는 CRC 검사와 같은 오류 검사에서 오류 프로토콜로 처리되거나 순간적으로 데이터의 손실이 발생하게 됨으로 이를 방지하기 위해서 각각의 통신 방식별로 FIFO 구조의 터미널 큐를 두고 이곳에 모두 저장하게 하였다.
데이터 전송 오류를 확인하기 위하여 이더넷 전송에 사용한 통신프로토콜은 UDP 프로토콜이며, 1000개의 데이터를 전송하여 사용자 요구 데이터를 추출하여 프로토콜 변환한 뒤에 수신된 데이터의 값을 비교하였다. 실험 결과는 표 1에 나타낸 것과 같이 NMEA의 경우 0.4%, CAN Bus에서 0.7%, IEC-61850의 경우 0.1%, Modbus의 경우에 0.5%의 프로토콜 변환 오류가 발생하였다.
본 논문에서는 다양한 프로토콜을 사용하는 산업용 장비들의 통합 모니터링을 지원하기 위하여 사용자 요구에 맞도록 프로그램 가능한 프로토콜 변환 알고리즘을 소개하였다. 제안된 알고리즘은 개별 프로토콜에서 사용자가 원하는 데이터만을 추출하여 이더넷으로 전송할 수 있기에 관제실의 모니터링 프로그램에 쉽게 삽입이 가능하다. 4가지 방식의 프로토콜을 변환하는 실험에서 모두 1% 미만의 매우 우수한 변환 오차율을 나타내었다.
여러 장비로부터 고속의 데이터가 전송되어 올 경우에는 다음과 같은 현상들이 발생할 수 있다. 첫째, 프로토콜의 문자 길이가 가변적이면 통신 버퍼 처리를 잘해도 프로토콜이 잘려서 들어오는 현상이 발생한다. 둘째, 순간적으로 데이터 수신량이 많아 수신 라인 카운터가 정상 동작하지 못하는 경우가 생긴다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
통신 프로토콜 변환을 위한 구조가 거치는 기본 단계는?
본 연구에서는 그림 2와 같은 통신 프로토콜 변화 알고리즘을 사용하였으며 펌웨어로 수행되도록 구성하였다. 통신 프로토콜 변환을 위한 구조는 크게 보면 통신 방식 분석, 데이터 프로토콜의 해석과 변환, 전송 이라는 기본 단계를 거친다. 여러 장비의 시리얼 통신, CAN, 이더넷과 같은 프로토콜을 가지는 통신과 아날로그/디지털 형태의 데이터 입력들은 프로토콜 및 데이터 해석 모듈을 거치면서 개개의 프로토콜 구조에 따라 분해(parsing)하게 된다.
여러 장비로부터 고속의 데이터가 전송되어 올 경우 발생할 수 있는 현상 세 가지는?
여러 장비로부터 고속의 데이터가 전송되어 올 경우에는 다음과 같은 현상들이 발생할 수 있다. 첫째, 프로토콜의 문자 길이가 가변적이면 통신 버퍼 처리를 잘해도 프로토콜이 잘려서 들어오는 현상이 발생한다. 둘째, 순간적으로 데이터 수신량이 많아 수신 라인 카운터가 정상 동작하지 못하는 경우가 생긴다. 셋째, 고속 데이터 처리로 인한 통신 버퍼 초과로 데이터 손실이 일어난다. 이러한 상황이 발생하면 정상적이지 못한 문자열이 생성되고 체크섬(checksum) 또는 CRC 검사와 같은 오류 검사에서 오류 프로토콜로 처리되거나 순간적으로 데이터의 손실이 발생하게 됨으로 이를 방지하기 위해서 각각의 통신 방식별로 FIFO 구조의 터미널 큐를 두고 이곳에 모두 저장하게 하였다.
프로토콜 변환 알고리즘의 장점은?
본 논문에서는 다양한 프로토콜을 사용하는 산업용 장비들의 통합 모니터링을 지원하기 위하여 사용자 요구에 맞도록 프로그램 가능한 프로토콜 변환 알고리즘을 소개하였다. 이 방법은 직렬통신, NMEA, CAN, Modbus 통신 방식으로 전송된 데이터에서 필요한 데이터를 추출하여 Ethernet으로 전송이 가능하다. 실험을 위하여 여러 통신 방식을 지원하는 통신 게이트웨이 모듈을 구현하였고 이를 통하여 데이터 변환 및 전송 실험을 진행하였다.
참고문헌 (8)
S. H. Eum, "Implementation of Protocol Conversion Control Board for Industrial Communication", International Journal of Control and Automation, vol. 9, no. 6, pp.201-208, Jun. 2016.
S. H. Eum, H, G, Hong, "Development of User Protocol Converter about Modbus and NMEA0183," Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, vol. 19, no. 11, pp. 2584-2589, Nov. 2015.
An Introduction to Industrial Ethernet [Internet]. Available: http://www.bb-elec.com/Learning-Center/All-White-Papers/Ethernet/Introduction-to-Industrial-Ethernet.aspx.
Texas Instruments, "Introduction to the Controller Area Network(CAN)," Application Report, SLOA101A-August 2002-Revised, May 2016.
T. W. Lim, "Industrial Network Technology Trends and Standardization," MS Theses, Inha University, Incheon, Korea, Feb. 2012.
S. H. Eum, B, H, Lee, "The Development of Industrial Communication Monitoring Board using AVR," Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, vol. 20, no. 6, pp. 1177-1182, Jun. 2016.
H. Zhang, G. Xu, Y. Lu and G. Lou, "Research on the Field Bus Protocol Conversion Gateway," Journal of Convergence Information Technology(JCIT), vol. 7, no. 15, pp. 160-168, Aug. 2012.
Jun-Ho Huh, Namjug Kim, Kyungryong Seo3, "Implementation of the PLC-based Foundation Technology of Electric Power Control/Monitoring for Micro Grid", Asia-pacific Journal of Multimedia Services Convergent with Art, Humanities, and Sociology, vol.5, no.6, pp.19-27, Dec. 2015.
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