KR101952810B1 - 산업 자동화를 위한 파워링크 무선 hart 게이트웨이 - Google Patents

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Abstract

산업 자동화 분야에서 스마트 무선 장치의 기능을 고 대역폭의 결정성 있는 실시간 이더넷 기반 산업 백본에 완벽하게 연결하는 것이 중요한 연구 중심으로 떠오르고 있다. 본 발명은 무선 HART 네트워크를 이더넷 파워링크 백본에 통합하는 방법에 관한 것으로 리눅스(Linux) 기반 개방형 파워링크 무선 HART(Powerlink-WirelessHART) 게이트웨이(PW-GW) 솔루션을 제공한다. PW-GW에서 본 발명에 따른 응용계층 변환 방법을 구현하면 파워링크 프로토콜과 무선 HART 프로토콜 간의 차이가 해결될 수 있다. 또한, 본 발명은 PW-GW 솔루션의 프로토타입을 개발하고 기능 및 성능을 입증할 수 있는 실험 시스템을 구축하고 시스템의 통신 지연을 측정함으로써 본 발명에 따른 PW-GW가 시간에 민감한 산업 응용의 실시간 요구 사항을 충족시키는지는 검증할 수 있다.

Description

산업 자동화를 위한 파워링크 무선 HART 게이트웨이{Powerlink Wireless HART gateway for industrial automation}
본 발명은 무선 HART(WirelessHART) 시스템과 파워링크(Powerlink) 시스템을 연결하는 파워링크 무선 HART 게이트웨이(PW-GW)에 관한 것이다.
산업 자동화 시스템에서, 무선 기술은 프로세스 통찰력을 높이고 설치 및 케이블 링 비용을 절감하며 이식성(portability) 및 빠른 배치를 지원하고 산업설비(plant)의 전반적인 운영 성능을 향상시킨다. 산업용 무선 센서는 플러그 라인, 버너 화염 불안정성, 교반기 손실, 습식 가스, 오리피스(orifice) 마모, 누수 및 캐비테이션(cavitation)을 감지하여 시스템이 얼마나 잘 작동하고 언제 유지 보수가 필요한지 사용자에게 알려준다.
최근 몇 년 사이에 등장한 산업 자동화의 이러한 추세에 따라 스마트 무선 장치에 대한 요구가 더 커질 것이다. 이와 동시에, 많은 산업 통신 백본은 플랜트 네트워크, 제어 네트워크 및 현장 네트워크 간에 프로세스 정보를 교환하기 위한 유선 통신에 의존한다. 따라서 이러한 스마트 무선 장치의 기능을 최신 산업용 고 대역폭(high-bandwidth) 및 확정적 실시간(deterministic real-time) 이더넷 기반 백본 인프라에 원활하게 연결하는 것이 중요한 사항이 될 것이다.
무선 HART(WirelessHART), ISA100.11a, 산업 및 프로세스 자동화용 무선 네트워크(WIA-PA: Wireless networks for Industrial Automation Process Automation) 등의 산업 무선 표준은 열악한 산업 환경에서 무선 모니터링 및 제어 솔루션의 사용을 지원한다.
선행 연구에서 무선 HART와 지그비(ZigBee) 표준의 성능을 비교하였는데, 연구 결과, 지그비 표준이 성능 저하로 인해 산업 환경에 적합하지 않은 것으로 확인되었다. 또한, 다른 선행 연구는 자동화 시스템에서 무선 HART 장치를 통합할 때 제기되는 문제점을 설명하고 무선 HART 구성 요소를 산업용 호스트 응용 프로그램에 통합하기 위한 체계(framework) 접근 방식을 제안했다. 그러나 그들의 연구는 방법이나 구현 체계가 없는 개념적 접근이었다. 무선 HART와 레거시(legacy) HART 네트워크를 통합하는 방법은 종래 개시되었다. 종래 기술은 매핑 기술을 사용하여 무선 HART를 PROFIBUS로 통합하기 위한 옵션을 제시했다. 그러나 레거시 HART 또는 PROFIBUS를 산업 백본으로 사용하면 최신 스마트 제조 시나리오에서 실시간 이더넷 기반 필드 버스와 비교하여 상대적으로 낮은 실시간 성능을 나타낸다.
PROFINET, 파워링크(Powerlink), 이더넷(EtherNet)/IP, EtherCAT 및 SERCOS III(약 30개의 산업용 이더넷 기반 시스템 중 5개)는 기술 성능, 표준화 상태 및 전략적 시장 고려 등에 기인하여 인해 인기가 높아지고 있다. 무선 HART 네트워크와 PROFINET의 첫 번째 통합 시험은 이전 IEEE 등의 콘퍼런스에서 설명되었다. 그러나 이는 실제 구현에 대한 세부 사항이 없는 설계 제안을 제시한 것이다. 관련 연구는 이를 발전시켜 PROFINET IO를 사용하는 분산 제어 시스템에서 무선 HART 네트워크의 통합을 구현했다. 그러나 그 결과는 시스템의 실시간 성능을 보여주지 못했다.
표 1은 5개의 가장 보편적인 산업용 이더넷 표준을 비교한 것이다. 표 1을 보면 이더넷 파워링크(Ethernet Powerlink)가 프로토콜 스택(protocol stack)의 무료 오픈 소스 코드, 최저 하드웨어 비용, 고 가용성 및 높은 실시간 성능으로 인해 탁월한 기술로 부상하고 있음을 알 수 있다. 따라서 무선 HART 시스템과 파워링크 백본의 통합은 좀 더 조사해야 하는 중요한 영역이다.
Figure 112017088649647-pat00001
미국 등록특허 제8,203,980호
본 발명의 목적은 산업 자동화 네트워크가 무선 네트워크 센서 시스템에 액세스할 때 프로토콜 간의 차이가 없어야 한다는 산업의 최종 사용자의 기대를 충족시키는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 파워링크 프로토콜과 무선 HART 프로토콜 간의 차이를 줄여서 무선 HART 네트워크를 이더넷 파워링크 백본에 통합하는 것이다.
이를 위하여, 본 발명에 따른 통합 파워링크 무선 HART 시스템은 이더넷 파워링크에 접속한 산업장비를 제어하는 파워링크 관리 노드(MN)와, 무선 HART 네트워크상에 존재하는 복수의 무선 HART 장치(mote)와, 상기 이더넷 파워링크에 접속하여 상기 파워링크 관리 노드와 상기 복수의 무선 HART 장치 사이에서 파워링크 프로토콜과 무선 HART 프로토콜 간의 프로토콜 변환을 수행하는 파워링크 무선 HART 게이트웨이(PW-GW)를 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 파워링크 무선 HART 게이트웨이는 무선 HART 네트워크상에 존재하는 복수의 무선 HART 장치의 정보를 입력받아 파싱(parsing)하는 파싱부와, 파워링크 관리 노드로부터 수신한 무선 HART 명령과 상기 파싱부에서 파싱한 각 무선 HART 장치의 정보를 파워링크 객체 사전에 기록하는 메모리를 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 파워링크 무선 HART 통합 방법은 파워링크 관리 노드가 무선 HART 명령을 파워링크 무선 HART 게이트웨이로 전송하는 단계와, 상기 무선 HART 게이트웨이가 상기 무선 HART 명령을 내부 메모리의 파워링크 객체 사전(OD)에 기록하는 단계와, 상기 무선 HART 게이트웨이가 상기 파워링크 객체 사전에 기록된 무선 HART 명령에 의해 무선 HART 네트워크를 구성하고 복수의 무선 HART 장치와 통신하여 상기 복수의 무선 HART 장치로부터 정보를 수집하는 단계와, 상기 무선 HART 게이트웨이가 상기 수집한 각 무선 HART 장치의 정보를 파싱(parsing)하여 상기 파워링크 객체 사전에 개별적으로 기록하는 단계와, 상기 파워링크 관리 노드가 상기 파워링크 객체 사전(OD)으로부터 상기 각 무선 HART 장치의 정보를 획득하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 파워링크 무선 HART 통합 방법은 파워링크 관리 노드로부터 무선 HART 명령을 수신하여 파워링크 객체 사전에 기록하는 단계와, 상기 파워링크 객체 사전에 기록된 무선 HART 명령에 의해 무선 HART 네트워크를 구성하고 복수의 무선 HART 장치와 통신하여 상기 복수의 무선 HART 장치로부터 정보를 수집하는 단계와, 상기 수집한 각 무선 HART 장치의 정보를 파싱(parsing)하여 상기 파워링크 객체 사전에 저장하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 파워링크 무선 HART 통합 방법은 파워링크 관리 노드로부터 무선 HART 명령을 수신하여 파워링크 객체 사전에 기록하는 단계와, 상기 파워링크 객체 사전에 기록된 무선 HART 명령을 무선 HART 관리자로 전송하는 단계와, 상기 무선 HART 관리자로부터 무선 HART 네트워크상에 존재하는 복수의 무선 HART 장치의 정보를 입력받아 파싱(parsing)하는 단계와, 상기 파싱한 각 무선 HART 장치의 정보를 파워링크 객체 사전에 기록하는 단계를 포함한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 게이트웨이(PW-GW)에서 응용계층 변환 방법을 구현하면 파워링크 프로토콜과 무선 HART 프로토콜 간의 차이가 해결될 수 있다.
또한, 본 발명은 PW-GW 솔루션의 프로토타입을 개발하고 기능 및 성능을 입증할 수 있는 실험 시스템을 구축하고 시스템의 통신 지연을 측정함으로써 본 발명에 따른 PW-GW가 시간에 민감한 산업 응용의 실시간 요구 사항을 충족시키는지는 검증할 수 있다.
이로써 향후 개발을 통해 PW-GW 및 무선 HART FD(Field Device)를 레거시(legacy) 이더넷 파워링크 시스템을 갖춘 스마트 공장에 배치하여 프로세스 통찰력을 높이고 케이블 및 설치 비용을 줄이며 산업 시설의 전반적인 운영 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 통합 파워링크 무선 HART 시스템의 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 파워링크 무선 HART 게이트웨이(PW-GW)의 하드웨어 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 게이트웨이(PW-GW)의 실제 사진.
도 4는 본 발명에 따른 게이트웨이(PW-GW)의 소프트웨어 구성도.
도 5는 본 발명에 따른 파워링크의 사이클을 나타낸 도면.
도 6은 본 발명에 따른 무선 HART의 슈퍼프레임을 나타낸 도면.
도 7은 본 발명에 따른 응용계층 변환 방법을 나타낸 도면.
도 8은 본 발명에 따른 게이트웨이(PW-GW) 실험을 위한 게이트웨이 실험 시스템의 구성도.
도 9는 본 발명에 따른 게이트웨이(PW-GW) 실험 시스템의 실제 사진.
도 10은 파워링크 MN와 게이트웨이(PW-GW) 간의 통신지연을 나타낸 도면.
도 11은 무선 HART 관리자와 무선 HART 장치 간의 통신지연을 나타낸 도면.
본 발명은 리눅스(Linux) 기반의 개방형 파워링크 무선 HART 게이트웨이(Powerlink-WirelessHART Gateway)(PW-GW)를 제공한다. 본 발명에 따른 PW-GW의 목적은 유선 및 무선 산업용 장치에 액세스할 때 차이가 없어야 한다는 산업의 최종 사용자의 기대를 충족시키는 것이다. 본 발명은 낮은 개발 비용, 개방형 솔루션 및 실시간 성능을 고려한다. 종래에는 파워링크와 무선 HART 간의 프로토콜 변환 방법이 없었으나, 본 발명은 파워링크 프로토콜과 무선 HART 프로토콜 간의 차이를 줄이기 위한 응용 계층 프로토콜 변환 방법을 제안한다. PW-GW 하드웨어 및 소프트웨어가 개발되고 기능 및 성능을 입증하기 위한 실험 시스템이 구축된다. 시스템의 통신 지연은 본 발명에 따른 PW-GW가 시간에 민감한 산업 애플리케이션에서 실시간 요구 사항을 충족시키는지 확인하기 위해 측정된다.
도 1은 본 발명에 따른 통합 파워링크 무선 HART 시스템을 나타낸 것이다.
이더넷 파워링크 네트워크(20)는 높은 대역폭과 확정적 실시간 특성으로 인해 산업 백본으로 동작한다. 파워링크 네트워크(20)는 파워링크 관리 노드(Powerlink managing nodes)(MN)(10)와 파워링크 피제어 노드(Powerlink controlled nodes)(CN)(30)로 구성된다. 생산 프로세스 응용 프로그램(host application)은 파워링크 관리 노드(10)에서 실행된다.
피제어 노드(CN)(30)는 이더넷 파워링크 네트워크(20)에 연결된 파워링크 PLC(31)와 파워링크 PLC(31)에 접속한 산업 장비(33)로 구성된다. 산업 장비(33)로는 매니퓰레이터(manipulator), 모터 등이 있다. 파워링크 PLC(31) 및 본 발명에 따른 게이트웨이(PW-GW)(40)는 파워링크 MN(10)에 의해 제어되며, 본 발명에서는 파워링크 PLC(31) 및 PW-GW(40)가 파워링크 피제어 노드의 집합에 속하게 된다.
PW-GW(40)는 프로토콜 변환부(41)와 무선 HART 관리부(43)로 구성된다. 프로토콜 변환부(41)와 무선 HART 관리부(43)를 하나의 패키지에 내장하면 본 발명에 따른 파워링크 무선 HART 게이트웨이(PW-GW)(40)를 구성하나, 무선 HART 관리부(43)가 무선 HART 시스템에서 제공되어 프로토콜 변환부(41)와 무선 HART 관리부(43)가 분리되어 있으면 프로토콜 변환부(41)가 본 발명에 따른 게이트웨이(PW-GW)를 구성하고 무선 HART 관리부(43)는 별도의 무선 HART 관리자가 될 수 있다.
이하에서는 프로토콜 변환부(41)와 무선 HART 관리부(43)가 통합된 PW-GW를 상정하여 설명하되, 무선 HART 관리부와 무선 HART 관리자는 혼용하기로 한다.
무선 HART 네트워크는 유연성을 향상시키고 설치 및 유지 보수 비용을 감소시킨다. 일반적인 무선 HART 네트워크는 네트워크 관리자(NM), 보안 관리자(SM) 및 액세스 포인트(AP)로 구성되며, 이것은 필수 사항으로서 대개 하나의 박스 안에 들어 있다. 이 박스를 무선 HART 관리자(43)라고 한다. 이러한 구성요소 외에 무선 HART 네트워크는 필드 디바이스(FD)(50)와 같은 다른 구성 요소를 가지며, 필드 디바이스는 산업 시설에서 감지 및 작동의 기본 기능을 수행한다. 본 발명에 따른 PW-GW(40)는 산업 공정 전반에 걸쳐 수천 개의 무선 HART FD(50)를 파워링크 백본 네트워크(20)에 연결할 수 있다. 이러한 방식으로 확정적 실시간 파워링크 백본의 고 대역폭뿐만 아니라 무선 HART 네트워크의 유연성을 활용할 수 있게 된다.
도 2는 본 발명에 따른 PW-GW 게이트웨이의 하드웨어 구성을 나타내고, 도 3은 PW-GW의 실제 사진을 나타낸 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, PW-GW 게이트웨이(40)는 이더넷 파워링크 네트워크(20)에 연결되며, 프로토콜 변환부(41)와 무선 HART 관리부(43)를 포함한다.
프로토콜 변환부(41)에서는 파워링크 프로토콜 스택과 본 발명에 따른 응용 계층 변환(application layer translation)이 수행된다. 이러한 응용계층 변환은 리눅스 운영체제(Linux OS)에서 AM3358 ARM Cortex-A8 마이크로프로세서(MCU)에서 실행되는 반면, 무선 HART 프로토콜 스택은 무선 HART 관리부(43)에서 실행된다. 또한, 온라인에서 사용할 수 있는 스마트메쉬(SmartMesh) 무선 HART 관리자 솔루션을 채용한다.
게이트웨이 소프트웨어
도 4는 PW-GW 소프트웨어 아키텍처를 나타낸 것이다.
PW-GW 소프트웨어는 파워링크 프로토콜 스택, 무선 HART 프로토콜 스택 및 본 발명에 따른 응용계층 변환 방법으로 구성된다.
1) 파워링크 프로토콜
OSI 모델에서, 도 4와 같이, 파워링크 프로토콜은 물리 계층, 데이터 링크 계층 및 응용 계층을 특정한다. 파워링크 네트워크 액세스는 관리 노드(MN)라고 하는 전용 노드에 의해 관리된다. MN은 최대 239개의 피제어 노드(CN)를 관리할 수 있다.
파워링크 프로토콜에서, 이더넷 표준은 추가 버스 스케줄링 메커니즘으로 확장된다. 도 5와 같이, 버스 스케줄링 메커니즘은 시간 슬롯을 등시성 단계(isochronous phase)과 비동기 단계(asynchronous phase)로 분류된다. 파워링크 사이클은 하나의 등시성 단계(위상)과 하나의 비동기 단계(위상)으로 구성된다.
등시성 단계 동안, MN은 등시성 통신의 시작을 표시하기 위해 사이클 시작 (SoC) 프레임을 전송한다. 이렇게 하면 모든 네트워크 스테이션이 동기화된다. 그런 다음 MN은 각 CN에 시간에 민감한 페이로드(time-critical payload)(제어신호)와 함께 폴 요청(Poll Request)(PReq) 프레임을 전송하고, 각 CN은 PReq에 대한 실시간 데이터(프로세스 데이터)와 함께 폴 응답(Poll Response)(PRes) 프레임을 전송한다. 이 단계 동안, 각 노드의 데이터 전송 시간은 결정적(확정적)이다. 이 단계 동안의 데이터 전송을 프로세스 데이터 객체(PDO) 전송이라고 한다.
비동기 단계 동안, 비동기 통신의 시작을 표시하고 비동기 통신을 위한 특정 노드(MN 또는 CN)에 권한을 할당하기 위해 MN이 비동기 시작(SoA) 프레임을 전송한다. 어드레스된(addressed) 노드는 비동기 데이터를 전송하는 비동기 전송(ASnd) 프레임으로 응답한다. MN은 모든 비동기 데이터 전송의 스케줄링을 관리한다. CN이 비동기 프레임을 전송하려고 한다면, PRes를 통해 MN에 통지한다. MN의 비동기 스케줄러는 대기 열(queue)의 우선순위에 따라 어느 사이클에서 어느 노드가 비동기 프레임을 전송할 권한이 있는지를 결정한다. 따라서 이 단계의 데이터 전송은 결정적(확정적)이지 않으며, 서비스 데이터 객체(SDO) 전송이라고 한다.
파워링크 사이클 시간은 산업 응용에 따른다. 수백 밀리 초까지의 사이클 시간은 유연한 실시간 응용 즉, 온도 감시 등에 충분한데, 동작 제어 응용은 1밀리 초 이하의 사이클 시간을 요구한다. 버스 스케줄링 메커니즘은 고정된 시간 슬롯에서 하나의 결정된 노드만이 네트워크에 액세스 되도록 하여 확정적 통신을 보증한다.
2) 무선 HART 프로토콜
무선 HART 프로토콜에서, 물리 및 MAC 층은 2.4GHz ISM 대역에서 동작하는 IEEE 802.15.4 표준에 근거한다(도 4 참조). 네트워크는 메쉬 토폴로지(mesh topology)를 지원한다. 다른 토폴로지가 동적으로 발생할 수 있고 노드 간 거리, 장치 개수 등과 같은 특성에 따라 달라진다. 무선 HART는 자가 치유 네트워크이며 각 전송에 대한 채널 호핑(channel hopping) 및 안정성 향상을 위한 여러 라우팅 메커니즘 등의 특성을 포함한다. 무선 HART는 TDMA를 사용하여 네트워크 액세스를 제어하여, 충돌없는 확정적 통신을 제공한다. 네트워크의 시간은 시간 슬롯으로 구성되며, 시간 슬롯에서 무선 HART 노드 간 통신이 이루어진다. 도 6과 같이, 이 시간 슬롯은 TDMA 슈퍼프레임(super frame)을 구성한다. 모든 이러한 특성은 좋지 않은 산업 환경에서도 높은 유연성, 보안, 신뢰성 및 확정성을 제공한다.
응용계층 변환 방법
무선 HART 응용계층은 다양한 명령 및 응답을 정의한다. 무선 HART 장치와 게이트웨이 간의 통신은 명령 및 응답을 기반으로 한다. 응용계층은 메시지 내용을 파싱(parsing)하고 명령번호를 추출하고 지정된 명령을 실행하며 응답을 생성하는 역할을 한다. 무선 HART 관리자는 전체 무선 HART 네트워크를 구성하고 관리하기 위해 응용계층 명령을 사용한다. 본 발명은 Linear's Dust Networks 그룹이 개척 한 스마트메쉬(SmartMesh) 무선 HART 관리자 솔루션을 채택했다. 스마트메쉬 무선 HART 관리자는 게이트웨이와 무선 HART 네트워크 간의 인터페이스를 제공하는 서버의 기능을 수행한다. 이 인터페이스를 스마트메쉬 무선 HART 관리자 명령 API (Application Programming Interface)라고 한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 응용계층 변환 방법은 스마트메쉬 무선 HART 관리자 명령 API와 파워링크 응용계층 사이의 차이(gap)를 이어준다.
파워링크 응용계층은 객체 지향 CANopen 프로토콜을 채용한다. 이 프로토콜의 주요 요소는 객체 사전(OD)이다. OD는 MN과 CN 간에 전송된 통신 스택(예 : 노드 구성) 및 프로세스 변수에 해당하는 모든 파라미터를 포함하는 CANopen식 객체의 구조화된 목록이다. 각 객체, 즉 파라미터 또는 프로세스 변수는 고유한 16진수 숫자 식별자(인덱스)를 갖는다. 파워링크 OD 구조는 표 2에 나와 있다.
Figure 112017088649647-pat00002
파워링크 개발자는 0x2000에서 0x5FFF(제조업체 고유 프로필 영역)의 범위에서 자유롭게 객체를 정의할 수 있다. 본 발명은 PW-GW 사용을 위한 새로운 파워링크 객체를 표 3과 같이 정의한다.
Figure 112017088649647-pat00003
도 7은 본 발명에 따른 응용계층 변환 방법을 나타낸 것이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 프로토콜 변환부(41)는 무선 HART 관리자(43)로부터 입력된 응답을 파싱(parsing)하는 파싱부(41-1) 및 파워링크 OD를 저장하는 메모리(41-2)를 포함함다.
우선, 파워링크 OD를 사용하여 호스트 애플리케이션(파워링크 MN)(10)은 파워링크 PDO 전송(①)을 통해 무선 HART 명령을 PW-GW OD(0x2000/0x01)의 메모리(41-2)에 기록한다. 이 명령은 무선 HART 관리자(43)에게 즉시 전송되어, 무선 HART 네트워크를 구성하고 모니터링하며 실행하게 된다. 무선 HART 관리자(43)는 무선 HART 네트워크를 구성하고 무선 HART 장치(mote)(50)와 통신한다. 무선 HART 관리자(43)는 무선 HART 장치(50)로부터 정보를 수집하고 PW-GW에 응답을 전송한다. 명령 및 응답 형식은 스마트메쉬 무선 HART 관리자 API 가이드에 정의되어 있다. PW-GW는 파싱부(41-1)를 통해 응답을 파싱하고 무선 HART 장치의 정보를 표 3에 정의된 대로 메모리(41-1)의 해당 파워링크 객체에 개별적으로 저장한다. 파워링크 PDO 전송(②)을 통해 호스트 애플리케이션(Powerlink MN)(10)은 메모리(41-2)의 PW-GW OD(0x2001-0x20nn)를 주기적으로 읽음으로써 무선 HART 장치(50)로부터 장치 정보를 획득한다.
게이트웨이 실험
게이트웨이 실험 시스템이 도 8 및 도 9에 도시되어 있다. 이 시스템에서 호스트 애플리케이션(Powerlink MN)은 Linux OS를 실행하는 PC에 설치된다. 무선 HART 네트워크를 이더넷 파워링크 백본에 연결하는 PW-GW의 프로토타입이 설계되고 구현되었다. 5개의 무선 HART 장치는 스마트메쉬 무선 HART 솔루션에서 제공되었다.
게이트웨이 기능 테스트는 PW-GW의 기능을 검증하기 위해 설계되었다.
첫째, 호스트 애플리케이션(Powerlink MN)은 이더넷 파워링크 백본을 통해 PW-GW에 "getMotes"(무선 HART 관리자 명령)를 보낸다. "getMotes" 명령은 무선 HART 관리자가 모든 무선 HART 장치로부터 정보를 수집하도록 요청한다. PW-GW는이 명령을 무선 HART 관리자에게 전송한다. 이 명령을 실행하면 무선 HART 관리자가 무선 HART 장치로부터의 모든 정보를 포함하는 응답을 PW-GW로 전송한다. PW-GW는 응답 메시지를 파싱하고 각 무선 HART 장치의 정보를 표 3에 정의된 해당 파워링크 객체에 별도로 저장한다. 파워링크 PDO 전송을 통해 호스트 애플리케이션(Powerlink MN)은 PW-GW OD (0x2001-0x20nn)를 주기적으로 읽음으로써 무선 HART 장치로부터 정보를 획득한다.
표 4는 호스트 애플리케이션(Powerlink MN)이 읽은 테스트 결과의 일부를 보여준다.
Figure 112017088649647-pat00004
"Good neighbors"은 좋은 품질(50% 이상)의 경로가 있는 인접한 장치의 수를 의미한다. Mote # 1의 경우, 4개의 다른 무선 HART 장치(mote)와 PW-GW 내 1개의 AP를 포함하여 좋은 품질 경로를 갖는 장치가 5개이다. "Voltage"은 무선 HART 장치(mote)의 파워 서플라이의 마지막 측정에서 읽은 전압을 의미한다.
전체 시스템에 걸친 통신은 파워링크 MN과 PW-GW 간의 통신 및 무선 HART 관리자와 무선 HART 장치(mote) 간의 통신으로 구분할 수 있다. PW-GW의 MCU 클럭 속도가 1GHz에 이르고 내부 지연은 측정하기에 매우 짧아서 PW-GW의 내부 지연은 무시될 수 있다.
도 10은 파워링크 MN과 PW-GW 사이의 통신 지연을 도시한 것이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 파워링크 PDO 전송 방법은 파워링크 MN과 PW-GW간에 데이터를 전송하는데 사용되었다. 여기에서 측정된 Powerlink PDO 전송 지연은 그림 5와 같이 요청(PReq CN1)을 보내고, CN1(즉, PW-GW)에서 응답(PRes CN1)을 수신하는 파워링크 MN에서의 시간 차이이다. Wireshark(무료 오픈 소스 패킷 분석기)를 사용하여 지연을 측정했으며, 평균 파워링크 PDO 전송 지연은 1.897ms였다.
그림 11은 무선 HART 관리자와 무선 HART 장치(mote) 사이의 통신 지연을 나타낸 것이다.
무선 HART 네트워크에서, 무선 HART 관리자와 무선 HART 장치는 도 6과 같이 고정된 시간 슬롯에서 통신한다. 여기에서 측정된 무선 HART 지연은 요청(STX)을 전송하고 무선 HART 장치로부터 승인(ACK)을 수신하는 무선 HART 관리자에서 시간 차이이다. Texas Instruments Packet Sniffer를 사용하여 지연을 측정했다. 평균 무선 HART 지연은 3.198ms였다.
도 10 및 도 11은 본 발명에 따른 PW-GW가 수십 밀리 초의 실시간 성능을 요구하는 산업 응용에 충분하다는 것을 보여준다. 무선 HART 관리자와 메시지 대기 열(queue)이 없는 무선 HART 장치 사이에서 한 번의 홉 지연(hop delay)만 고려되었다. 다중 홉(multi-hop) 네트워크 지연은 스마트메쉬 무선 HART 애플리케이션 노드에서 고려된다.
본 발명은 Linux 기반 개방형 PW-GW 솔루션을 제공한다. 이 솔루션의 중요한 문제점 중 하나는 파워링크 프로토콜과 무선 HART 프로토콜 간의 프로토콜 변환 방법이 없다는 것이다. 따라서, 본 발명은 파워링크와 무선 HART 사이의 간격을 잇기 위한 응용계층 프로토콜 변환 방법을 제안하였다. PW-GW 하드웨어 및 소프트웨어가 개발되었으며 기능 및 성능을 시연하기 위한 실험 시스템이 구축되었다. 시스템의 통신 지연은 PW-GW가 시간에 민감한 산업 응용에 대한 실시간 요구 사항을 만족하는지 확인하기 위해 측정되었다.
향후 개발을 통해 PW-GW 및 무선 HART FD를 레거시(legacy) 이더넷 파워링크 시스템을 갖춘 스마트 공장에 배치하여 프로세스 통찰력을 높이고 케이블 및 설치 비용을 줄이며 산업 시설의 전반적인 운영 성능을 향상시킬 수 있다.
10: 파워링크 관리 노드(MN) 20: 이더넷 파워링크
30: 파워링크 피제어 노드(CN) 31: 파워링크 PLC
33: 산업장비 40: 파워링크 무선 HART 게이트웨이
41: 프로토콜 변환부 43: 무선 HART 관리부
50: 무선 HART 장치

Claims (16)

  1. 이더넷 파워링크에 접속한 산업장비를 제어하는 파워링크 관리 노드(MN)와,
    무선 HART 네트워크상에 존재하여 상호 통신 가능한 복수의 무선 HART 장치(mote)와,
    상기 이더넷 파워링크에 접속하여 상기 파워링크 관리 노드와 상기 복수의 무선 HART 장치 사이에서 파워링크 프로토콜과 무선 HART 프로토콜 간의 프로토콜 변환을 수행하는 파워링크 무선 HART 게이트웨이(PW-GW)를 포함하여,
    상기 파워링크 관리노드가 상기 무선 HART 게이트웨이로부터 각 무선 HART 장치에 인접한 통신 경로 품질이 좋은 다른 무선 HART 장치의 개수, 라우팅 가능 여부, 파워 서플라이의 전압을 포함하는 무선 HART 장치의 정보를 획득하는 것을 특징으로 하는 통합 파워링크 무선 HART 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 파워링크 무선 HART 게이트웨이는 상기 파워링크 관리 노드의 무선 HART 명령에 의해 상기 복수의 무선 HART 장치와 통신하면서 상기 각 무선 HART 장치로부터 정보를 수신하는 무선 HART 관리부와,
    상기 무선 HART 관리부로부터 각 무선 HART 장치의 정보를 입력받아 파싱(parsing)하는 파싱부와,
    상기 파워링크 관리 노드의 무선 HART 명령 및 상기 파싱된 각 무선 HART 장치의 정보를 기록하는 객체 사전(OD)을 저장하는 메모리를 포함하는 것을 특징으로 하는 통합 파워링크 무선 HART 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 파워링크 관리 노드는 파워링크 프로세스 데이터 객체(PDO) 전송을 통해 상기 무선 HART 명령을 상기 파워링크 무선 HART 게이트웨이로 전송하는 것을 특징으로 하는 통합 파워링크 무선 HART 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 파워링크 관리 노드는 파워링크 프로세스 데이터 객체(PDO) 전송을 통해 주기적으로 상기 메모리의 객체 사전(OD)을 주기적으로 독출하여 상기 각 무선 HART 장치의 정보를 획득하는 것을 특징으로 하는 통합 파워링크 무선 HART 시스템.
  5. 무선 HART 네트워크상에 존재하여 상호 통신 가능한 복수의 무선 HART 장치의 정보를 입력받아 파싱(parsing)하는 파싱부와,
    파워링크 관리 노드로부터 수신한 무선 HART 명령과 상기 파싱부에서 파싱한 각 무선 HART 장치의 정보를 파워링크 객체 사전에 기록하는 메모리와,
    상기 파워링크 관리 노드의 무선 HART 명령에 의해 상기 복수의 무선 HART 장치와 통신하면서 상기 각 무선 HART 장치로부터 각 무선 HART 장치에 인접한 통신 경로 품질이 좋은 다른 무선 HART 장치의 개수, 라우팅 가능 여부, 파워 서플라이의 전압을 포함하는 무선 HART 장치의 정보를 수신하는 무선 HART 관리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 파워링크 무선 HART 게이트웨이.
  6. 삭제
  7. 파워링크 관리 노드가 무선 HART 명령을 파워링크 무선 HART 게이트웨이로 전송하는 단계와,
    상기 무선 HART 게이트웨이가 상기 무선 HART 명령을 내부 메모리의 파워링크 객체 사전(OD)에 기록하는 단계와,
    상기 무선 HART 게이트웨이가 상기 파워링크 객체 사전에 기록된 무선 HART 명령에 의해 무선 HART 네트워크를 구성하고 상호 통신 가능한 복수의 무선 HART 장치와 통신하여 상기 복수의 무선 HART 장치로부터 각 무선 HART 장치에 인접한 통신 경로 품질이 좋은 다른 무선 HART 장치의 개수, 라우팅 가능 여부, 파워 서플라이의 전압을 포함하는 무선 HART 장치의 정보를 수집하는 단계와,
    상기 무선 HART 게이트웨이가 상기 수집한 각 무선 HART 장치의 정보를 파싱(parsing)하여 상기 파워링크 객체 사전에 개별적으로 기록하는 단계와,
    상기 파워링크 관리 노드가 상기 파워링크 객체 사전(OD)으로부터 상기 각 무선 HART 장치의 정보를 획득하는 단계를 포함하는 파워링크 무선 HART 통합 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 파워링크 관리 노드가 파워링크 프로세스 데이터 객체(PDO) 전송을 통해 상기 무선 HART 명령을 상기 무선 HART 게이트웨이로 전송하는 것을 특징으로 하는 파워링크 무선 HART 통합 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 파워링크 관리 노드가 파워링크 프로세스 데이터 객체(PDO) 전송을 통해 주기적으로 상기 객체 사전(OD)을 주기적으로 독출하여 상기 각 무선 HART 장치의 정보를 획득하는 것을 특징으로 하는 파워링크 무선 HART 통합 방법.
  10. 파워링크 관리 노드로부터 무선 HART 명령을 수신하여 파워링크 객체 사전에 기록하는 단계와,
    상기 파워링크 객체 사전에 기록된 무선 HART 명령에 의해 무선 HART 네트워크를 구성하고 상호 통신 가능한 복수의 무선 HART 장치와 통신하여 상기 복수의 무선 HART 장치로부터 각 무선 HART 장치에 인접한 통신 경로 품질이 좋은 다른 무선 HART 장치의 개수, 라우팅 가능 여부, 파워 서플라이의 전압을 포함하는 무선 HART 장치의 정보를 수집하는 단계와,
    상기 수집한 각 무선 HART 장치의 정보를 파싱(parsing)하여 상기 파워링크 객체 사전에 저장하는 단계를 포함하는 파워링크 무선 HART 게이트웨이에서의 응용계층 변환 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 파워링크 관리 노드로부터 파워링크 프로세스 데이터 객체(PDO) 전송을 통해 상기 무선 HART 명령을 수신하는 것을 특징으로 하는 파워링크 무선 HART 게이트웨이에서의 응용계층 변환 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 파싱한 각 무선 HART 정보를 상기 파워링크 객체 사전에서 객체별 인덱스와 서브 인덱스로 저장하는 것을 특징으로 하는 파워링크 무선 HART 게이트웨이에서의 응용계층 변환 방법.
  13. 파워링크 관리 노드로부터 무선 HART 명령을 수신하여 파워링크 객체 사전에 기록하는 단계와,
    상기 파워링크 객체 사전에 기록된 무선 HART 명령을 무선 HART 관리자로 전송하는 단계와,
    무선 HART 네트워크상에 존재하여 상호 통신 가능한 복수의 무선 HART 장치로부터 입력받은 각 무선 HART 장치에 인접한 통신 경로 품질이 좋은 다른 무선 HART 장치의 개수, 라우팅 가능 여부, 파워 서플라이의 전압을 포함하는 무선 HART 장치의 정보를 파싱(parsing)하는 단계와,
    상기 파싱한 각 무선 HART 장치의 정보를 파워링크 객체 사전에 기록하는 단계를 포함하는 파워링크 무선 HART 게이트웨이에서의 응용계층 변환 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 파워링크 관리 노드로부터 파워링크 프로세스 데이터 객체(PDO) 전송을 통해 상기 무선 HART 명령을 수신하는 것을 특징으로 하는 파워링크 무선 HART 게이트웨이에서의 응용계층 변환 방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 파싱한 각 무선 HART 정보를 상기 파워링크 객체 사전에서 객체별 인덱스와 서브 인덱스로 저장하는 것을 특징으로 하는 파워링크 무선 HART 게이트웨이에서의 응용계층 변환 방법.
  16. 제10항 내지 제15항 중 어느 한 항에 의한 방법을 실행하기 위한 프로그램을 저장한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
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