산업용 장비에서의 액추에이터를 제어 하기 위한 DSP에서의 Modbus통신 구현과 제어 모듈 개발 Development of DSP-based Modbus Communication Scheme and Control Module for Controlling Actuators in Industrial Equipment원문보기
PLC 시스템은 자체 모듈에 의한 부분적 확장성을 지원하고 있지만, 확장을 위한 비용이 크고, 센서 및 기타 제어기들과의 언어 호환성 또한 문제가 되고 있다. 본 논문에서는 빠르게 변화하는 기술에 대처하기 위해 텍사스 인스트루먼트 사의 DSP(디지털 시그널 프로세서)를 이용하여 PLC를 대체 및 보조할 수 있는 시스템을 제안한다. 이 시스템은 기존 PLC의 기능을 통합적으로 구현하며, 범용으로 쓰이는 PLC 에 비해 속도가 빠르고, 약 50% 이상의 비용 절감이 가능하다. 또한, 모듈 형태의 24V의 범용 디지털 I/O핀을 구성함으로써 선택적으로 입력과 출력의 부분적 확장을 용이하게 하였다. 일반적 산업 장비의 제어를 위해 널리 사용되고 있는 모드버스 통신을 RS-485 인터페이스를 기반으로 DSP에서 구현함으로써, 장비 간 다대다 통신을 할 수 있도록 하였다.
PLC 시스템은 자체 모듈에 의한 부분적 확장성을 지원하고 있지만, 확장을 위한 비용이 크고, 센서 및 기타 제어기들과의 언어 호환성 또한 문제가 되고 있다. 본 논문에서는 빠르게 변화하는 기술에 대처하기 위해 텍사스 인스트루먼트 사의 DSP(디지털 시그널 프로세서)를 이용하여 PLC를 대체 및 보조할 수 있는 시스템을 제안한다. 이 시스템은 기존 PLC의 기능을 통합적으로 구현하며, 범용으로 쓰이는 PLC 에 비해 속도가 빠르고, 약 50% 이상의 비용 절감이 가능하다. 또한, 모듈 형태의 24V의 범용 디지털 I/O핀을 구성함으로써 선택적으로 입력과 출력의 부분적 확장을 용이하게 하였다. 일반적 산업 장비의 제어를 위해 널리 사용되고 있는 모드버스 통신을 RS-485 인터페이스를 기반으로 DSP에서 구현함으로써, 장비 간 다대다 통신을 할 수 있도록 하였다.
In this work, a new control module and communication system associated with DSP are proposed to overcome the limitations of the contemporary prevailing PLC-based industrial equipment controller, and the performance of the proposed system was experimentally verified. In the light of this issue, a com...
In this work, a new control module and communication system associated with DSP are proposed to overcome the limitations of the contemporary prevailing PLC-based industrial equipment controller, and the performance of the proposed system was experimentally verified. In the light of this issue, a communication conversion scheme from RS-485 to Modbus, the dominant communication protocol used by PLC, was developed and shown to yield enhanced compatibility between devices. The proposed system allows for ~50％ cost reduction as well as downsizing of the industrial controllers. Furthermore, the design includes 24 V general digital I/O pins, which facilitate partial expansion of inputs and outputs. With Modbus communication implemented in DSP with the RS-485 interface, multi-to-multi communication may also be achieved.
In this work, a new control module and communication system associated with DSP are proposed to overcome the limitations of the contemporary prevailing PLC-based industrial equipment controller, and the performance of the proposed system was experimentally verified. In the light of this issue, a communication conversion scheme from RS-485 to Modbus, the dominant communication protocol used by PLC, was developed and shown to yield enhanced compatibility between devices. The proposed system allows for ~50％ cost reduction as well as downsizing of the industrial controllers. Furthermore, the design includes 24 V general digital I/O pins, which facilitate partial expansion of inputs and outputs. With Modbus communication implemented in DSP with the RS-485 interface, multi-to-multi communication may also be achieved.
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문제 정의
따라서, 본 연구에서는 이러한 문제점을 대체하고 보완할 수 있는 임베디드 통합 제어 모듈을 제안한다.
본 연구에서는 산업용 액추에이터를 통합 제어하기 위해 RS485를 이용한 DSP에서의 Modbus 통신을 구현하고, 디지털 입·출력 전압 레벨 전환 모듈을 설계하여, 범용 PLC에서의 기능을 하나의 보드에서 구현할 수 있는 통합 제어 모듈을 개발하였고, 개발된 보드의 성능을 검증하였다.
가설 설정
또한, RS485를 기반으로 다대다 통신을 기본으로 구현한다. (8) 하지만, 실제 산업용 액추에이터는 명령을 받는 역할만 하기 때문에, 본 논문에서는 선택적으로 한쪽에서만 명령을 내리는 일대다 통신이라 가정하고, DSP를 마스터, 산업용 액추에이터를 슬레이브로 지정하였다. 마스터는 데이터를 보내기 전 RxBuff(수신용 배열 변수)와 TxBuff(송신용 배열 변수)의 배열을 초기화 하고, TxBuff에 데이터를 쓴다.
3V의 신호로 전달하게 된다. 외부 신호 상태가 Low일 경우(a) DSP의 상태는 High, 반대로 High일 경우(b), DSP의 상태는Low가 된다. 디지털 출력 전압 변환 모듈(Digital output voltage shifter module) (f)의 작동방식은 DSP의 출력 여부에 따라 외부 전달 신호의 상태가 결정되며, 이 때의 전압 변화는 3.
제안 방법
솔레노이드 밸브의 초기 상태와 정상 작동 여부를 알기 위해 30msec의 제어 주기로 센서와 스위치의 상태를 확인한다. 각 액추에이터의 상태에 따라 램프의 깜빡임을 통해 잘못된 부분을 표시하고, 스위치 조작을 통해 메인트(Maint) 모드로 진입하여 각각의 상태를 점검할 수 있도록 하였다. 여기서 메인트 모드는 Maintenance의 약자로 고속 와인더의 액추에이터의 작동을 확인하기 위해서 사용자가 임의로 각각의 액추에이터를 동작시킬 수 있는 모드이다.
고속 와인더에서 사용되고 있는 기존의 PLC와 통합 제어 보드와의 성능을 비교한다. 고속 와인더에서 사용되고 있는 PLC는 범용적으로 많이 쓰이는 옴론(Omron) 사의 PLC이며, 자세한 스펙은 Table 2와 같다.
기존에 PLC를 이용해 구동되고 있는 고속 와인더에 대해 PLC 대신 개발된 통합 제어 보드를 장착하여 작동시켰다. 1단계(Step 1)의 경우 고속 와인더의 초기 상태이며, 2단계(Step 2)에서는 와인더의 헤더가 내려오며, 전기 공압 레귤레이터가 약 280 kPa의 힘으로 헤더를 떠받친다.
3V이고, 산업용 액추에이터의 표준 동작 전원은 24V이므로, 전압 레벨을 맞추기 위한 회로 설계가 필요하다. 따라서, 본 논문에서는 포토커플러(Photo Coupler)를이용한 전원분리형태의 입력과 출력에 대한 각각의 전압 레벨 전환 모듈(Voltage level shift module)을 설계함으로써 MCU의 회로를 보호하고, 노이즈에 대비하도록 하였다. 디지털 입·출력 간의 신호를 상호 전달할 수 있도록 하였다.
메인트 모드는 순차적으로 구동되며, 각각의 동작의 처음과 끝을 센서를 이용하여 감지함으로써 기구간의 간섭이 일어나지 않도록 하기 위해 하나의 동작이 끝나기 전까지 다음 동작을 하지 못하게 한다. 또한, 초기 구동 상태가 정상이라면, 실을 자동으로 감을 수 있는 자동 모드로 진입하여 작동하게 하였다. 자동 모드는 권취 속도에 따라 약 4시간 동안 작동되며, 최대 20,000 rpm으로 동작 된다.
본 연구에서는 RS-485를 이용한 산업용 장비의 일대다 통신을 제안하고, 이를 위해 DSP의 SCI통신을 이용하여 RS485통신을 구현할 수 있게 하는 RS485 컨버터(RS232 to RS485 converter)를 추가 장착하였다.
9와 같다. 솔레노이드 밸브의 초기 상태와 정상 작동 여부를 알기 위해 30msec의 제어 주기로 센서와 스위치의 상태를 확인한다. 각 액추에이터의 상태에 따라 램프의 깜빡임을 통해 잘못된 부분을 표시하고, 스위치 조작을 통해 메인트(Maint) 모드로 진입하여 각각의 상태를 점검할 수 있도록 하였다.
자동 모드는 권취 속도에 따라 약 4시간 동안 작동되며, 최대 20,000 rpm으로 동작 된다. 얀(Yarn) 센서를 통해권취 시 실 끊어짐 현상을 감지하도록 하였다. Fig.
우선, 제안된 모듈에 요구되는 기능으로는 산업용 장비간 접속을 위한 통신 기능으로써, 기존의 PLC에서 사용되고 있는 통신 프로토콜 중 하나인 모드버스(Modbus) 통신을 DSP에서 구현하여 검증한다. 둘째, PLC를 대체할 수 있는 소형의 임베디드 통합 제어 모듈을 구성하고, 이를 실제 PLC에 의해 구동 되고 있는 산업기계인 고속 와인더(High speed winder)(5)에 적용하여, 기존의 PLC를 저렴한 비용으로 보다 높은 성능을 가진 제어기로 대체할 수 있음을 입증한다.
대상 데이터
모드버스 통신은 널리 사용되고 있는 대표적 산업용 프로토콜 중 하나이다. 이를 구현하기 위해 본 연구에서는 TI(Texas Instrument) 사의 DSP 중 하나인 TMS320F28377D -377를 사용한다. 이 제어기는 200MHz의 시스템 클럭을 기반으로 듀얼코어를 탑재하고, 800MIPS의 연산 능력과 TMU(Trigonometric Math Unit), FPU(Floating Point Unit)의 연산 보조 장치가 있어, 타 제어기에 비해 수치 연산 능력이 월등히 빠르므로, 직접적인 알고리즘 처리에 용이하다.
4와 같다. 총 10개의 액추에이터로 구성되어 있으며 우선 1st/2nd 쉬프트 가이드(1st / 2nd Shift Guide), 플랩퍼(Flapper), 분리 슬라이드A(Separate-slide A), 분리슬라이드B(separats-slide B), 분리 스윙 A(Separateswing A), 그리고 분리 스윙B(Separate-swing B)가 있다. 분리스윙 A, B는 각각 솔레노이드 밸브(Solenoid valve)를 통해 구동되고, 헤더(Header)는 전기 공압 레귤레이터(Electro-Pneumatic Regulator)와 솔레노이드 밸브를 통해 동작한다.
이론/모형
DSP에서의 모드버스 통신을 구현한 알고리즘을 검증하기 위한 툴로써 Simply사의 Simply Modbus 소프트웨어를 사용하였다. 이 프로그램은 슬레이브 역할을 할 수 있으며, 여기서 모드버스의 기능 코드가 구현 되어있다.
성능/효과
우선, 제안된 모듈에 요구되는 기능으로는 산업용 장비간 접속을 위한 통신 기능으로써, 기존의 PLC에서 사용되고 있는 통신 프로토콜 중 하나인 모드버스(Modbus) 통신을 DSP에서 구현하여 검증한다. 둘째, PLC를 대체할 수 있는 소형의 임베디드 통합 제어 모듈을 구성하고, 이를 실제 PLC에 의해 구동 되고 있는 산업기계인 고속 와인더(High speed winder)(5)에 적용하여, 기존의 PLC를 저렴한 비용으로 보다 높은 성능을 가진 제어기로 대체할 수 있음을 입증한다. 이를 통해 약소 기업들의 비용 부담을 줄이고, 조금 더 통일된 보편적 언어를 사용함으로써 프로그래머의 고용의 폭도 조금 더 넓어질 것이라 기대한다.
PLC(Programmable Login Controllers)를 이용한 산업 고도화에 대한 애로사항으로는 첫째, 소규모 기업의 경우 고성능의 PLC 구입에 대한 비용 부담이 크다는 것이다. 둘째, 대규모 산업 장비 시스템은 기능이 하나 추가 될 때마다 각 기능에 대한 모듈을 구입하여 추가 장착해야 하기 때문에 가격부담과 제어기의 부피 및 무게를 고려해야 하고, 이동용 산업기기에는 적합하지 않다. 마지막으로, PLC는 래더 차트(Ladder chart) 언어를 기본으로 하고, 수치 연산 및 영상처리 등과 같은 복잡한 알고리즘은 상황에 따라 C언어 및 기타 언어를 사용하여 처리하기 때문에 약소기업에서는 두 가지 이상의 언어를 사용할 수 있는 프로그래머를 고용하기가 어렵다.
국내외에서 산업용 장비 회사마다 모드버스 프로토콜을 액추에이터에 맞게 조금씩 변형하여 사용하고 있기 때문에, 이 액추에이터 들을 구동하기 위해서는 모드버스 프로토콜의 구현은 필수적이다. 따라서, 이를 DSP에서 구현함으로써 기존의 PLC에서 구현된 모드버스 통신과 마찬가지로 간단한 코드 수정만으로도 모든 산업용 기기와의 접속을 가능하게 하여 각 장비에 대한 구동 및 모니터링을 가능하게 하였다. 또한, 모드버스 통신을 직접 구현함으로써 여러 통신에 모드버스 프로토콜을 적용하여, 하나의 프로토콜로 PC, 제어기, 그리고 액추에이터를 전반적으로 통합하여 관리할 수 있다.
우선, C언어 기반의 프로그래밍을 할 수 있기 때문에 일반 개발자도 손쉽게 개발할 수 있으며, 언어 호환성도 높다. 또한, DSP에서 구현된 모드버스 통신 알고리즘에 대한 입증을 위해 인증된 시뮬레이션 프로그램인 Simply Modbus 소프트웨어를 사용하여 PC와 통신을 해 봄으로써 안정된 통신이 가능하다는 것을 확인하였고, 실제 산업 현장에서 사용되고 있는 고속 와인더에도 이를 적용시켜 구동시킴으로써, 장비와의 통신에도 문제가 없다는 것을 확인했다.
또한, PLC 대신 통합 제어 보드를 적용하여 고속 와인더를 작동시킴으로써, 동급의 PLC보다 적은 비용으로 동작할 수 있음을 입증하였다. 이는 기존의 PLC에서 알고리즘을 처리하거나 수치 연산을 할 때, MMI에서 이를 수행하고 PLC에 명령을 전달하여 구동시키는 일반화된 운용방법과 달리, 직접적인 알고리즘 처리능력을 통해 PLC에 대한 부가적인 가격 부담을 줄이고, 더 빠르고 능동적으로 알고리즘을 수행할 수 있음을 확인하였다.
이는 기존의 PLC에서 알고리즘을 처리하거나 수치 연산을 할 때, MMI에서 이를 수행하고 PLC에 명령을 전달하여 구동시키는 일반화된 운용방법과 달리, 직접적인 알고리즘 처리능력을 통해 PLC에 대한 부가적인 가격 부담을 줄이고, 더 빠르고 능동적으로 알고리즘을 수행할 수 있음을 확인하였다. 또한, 디지털 접점에 대한 계단 입력 반응에 대해선 동급의 PLC보다 평균적으로 약 60us 빠르게 동작함을 확인함으로써 동작 성능에서도 우세함을 확인하였다.
본 연구에서 구현한 모드버스 기능 코드는 총 24개의 기능 코드 중에서 가장 많이 사용되는 Read Holding Register(판독 유지 레지스터, 기능 코드03), Read Input Register(입력 읽기 레지스터, 기능 코드 04), Write Single Register(단일 레지스터 쓰기,기능 코드 06), 그리고 Write Multiple Register(다중레지스터 쓰기, 기능 코드 16)이다. 기능 코드 03과 04는 슬레이브의 입력 상태를 알기 위한 코드이고, 06과 16은 슬레이브의 레지스터에 데이터를 쓰기 위한 코드이다.
또한, PLC 대신 통합 제어 보드를 적용하여 고속 와인더를 작동시킴으로써, 동급의 PLC보다 적은 비용으로 동작할 수 있음을 입증하였다. 이는 기존의 PLC에서 알고리즘을 처리하거나 수치 연산을 할 때, MMI에서 이를 수행하고 PLC에 명령을 전달하여 구동시키는 일반화된 운용방법과 달리, 직접적인 알고리즘 처리능력을 통해 PLC에 대한 부가적인 가격 부담을 줄이고, 더 빠르고 능동적으로 알고리즘을 수행할 수 있음을 확인하였다. 또한, 디지털 접점에 대한 계단 입력 반응에 대해선 동급의 PLC보다 평균적으로 약 60us 빠르게 동작함을 확인함으로써 동작 성능에서도 우세함을 확인하였다.
후속연구
둘째, PLC를 대체할 수 있는 소형의 임베디드 통합 제어 모듈을 구성하고, 이를 실제 PLC에 의해 구동 되고 있는 산업기계인 고속 와인더(High speed winder)(5)에 적용하여, 기존의 PLC를 저렴한 비용으로 보다 높은 성능을 가진 제어기로 대체할 수 있음을 입증한다. 이를 통해 약소 기업들의 비용 부담을 줄이고, 조금 더 통일된 보편적 언어를 사용함으로써 프로그래머의 고용의 폭도 조금 더 넓어질 것이라 기대한다.
추가로, 본 연구에서 제안한 모듈에 대하여 안정성 테스트와 더불어 통합 제어 보드에 대한 신뢰도를 더 향상시킨다면, 각 산업 장비에 적용시켜 비용 절감 효과뿐만 아니라 IoT 기술 등과의 접목에도 큰 효과를 가질 것으로 예상한다.
현재 완성된 임베디드 통합 제어 보드는 DIP(Dual In-line Package) 타입 형태로 제작 되어 약 500 mm x 400 mm 정도로 부피가 크게 제작되었지만, 추후에 SMD(Surface Mount Device) 타입의 회로를 구성한다면 현재의 크기보다 약 1/5의 크기로 줄어들 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
제조업 및 서비스업의 지능화가 생산성과 품질의 향상을 높일 수 있다는 예시는 무엇인가?
일례로, IoT 기술은 모터, 펌프, 밸브 등의 고 신뢰성이 보장되어야 하는 장비에 적용할 수 있는 IoT 디바이스인 Wireless HART, ISA100 등이 도입되고 있고, 아마존 사의 키바(Kiva)는 창고 정리자동화 시스템에 인공지능 기술을 접목시킨 대표적 사례로써, 제조업 및 서비스업의 지능화가 생산성과 품질의 향상을 높일 수 있다는 것을 보여준다. (1)
제어기 성능 향상에 대한 요건에는 무엇이 있는가?
산업 고도화에 따라, 산업 장비는 상황에 맞는 능동적 제어에 대한 요구에 부응해야 되고, 이를 위해 제어기의 성능 향상이 필요하다. 제어기 성능 향상에 대한 요건은 수치 연산 속도 향상, 복잡한 알고리즘 처리, 통신의 확장성 등이라 할 수 있다.
본 논문에서 제시한 DSP를 이용해 PLC를 대체 및 보조할 수 있는 시스템의 장점은 무엇인가?
본 논문에서는 빠르게 변화하는 기술에 대처하기 위해 텍사스 인스트루먼트 사의 DSP(디지털 시그널 프로세서)를 이용하여 PLC를 대체 및 보조할 수 있는 시스템을 제안한다. 이 시스템은 기존 PLC의 기능을 통합적으로 구현하며, 범용으로 쓰이는 PLC 에 비해 속도가 빠르고, 약 50% 이상의 비용 절감이 가능하다. 또한, 모듈 형태의 24V의 범용 디지털 I/O핀을 구성함으로써 선택적으로 입력과 출력의 부분적 확장을 용이하게 하였다. 일반적 산업 장비의 제어를 위해 널리 사용되고 있는 모드버스 통신을 RS-485 인터페이스를 기반으로 DSP에서 구현함으로써, 장비 간 다대다 통신을 할 수 있도록 하였다.
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