KR102239583B1 - 스니핑방식을 이용한 무선 plc 모니터링 기법 - Google Patents

Abstract

스니핑방식을 이용한 무선 PLC 모니터링 방법 및 시스템이 제시된다. 본 발명에서 제안하는 스니핑방식을 이용한 무선 PLC 모니터링 시스템은 PLC에게 PLC의 특정 메모리 영역의 값을 요청하는 요청 패킷을 전송하는 HMI, HMI로부터 요청 패킷을 수신하여 HMI에게 데이터 값을 포함한 응답 패킷을 전송하는 PLC 및 PLC로부터 HMI로 전송되는 데이터를 수신하는 IoT 디바이스를 포함한다.

Description

스니핑방식을 이용한 무선 PLC 모니터링 기법{Wireless Programmable Logic Controller monitoring based on Sniffing}

본 발명은 스니핑방식을 이용한 무선 PLC 모니터링 방법 및 시스템에 관한 것이다.

최근 4차 산업혁명과 더불어 사물 인터넷, 인공지능, 빅 데이터, 클라우드와 같은 정보통신기술(Information and Communication Technology; ICT)이 산업계를 비롯한 사회 전반에 융합되어 혁신적인 변화가 나타날 조짐이다. 그 중에서도 제조업과 ICT 기술을 융합하여 생산 전 과정을 최적화하는 스마트 팩토리의 역할이 부각되고 있다. 스마트 팩토리는 공장 내 설비와 기계에 센서를 설치하여 각 공정은 물론, 생산 전 과정에서 실시간으로 데이터를 수집한다. 각 공정은 서로 데이터를 주고받으며 유기적으로 동작하고, 중앙에서는 수집 한 데이터를 분석하여 모니터링과 제어를 통해 생 산성을 최대로 끌어올린다. 이와 같은 장점으로 전 세계적으로 스마트 팩토리를 구축하여 운영하려는 움직임이 점차 늘어나고 있다. 특히 독일의 경우 Industry 4.0 전략을 세우 고 국가 10대 미래전략으로 스마트 팩토리를 선정 하여 연구를 진행하고 있다. 하지만 실제 스마트 팩토리를 도입한 기업의 비율은 매우 낮은데, 도입에 대한 장애 요인으로 시스템 구축비용이 가장 높게 나타났다. 세부적으로는 공장의 데이터를 수집하기 위해 고가의 장비가 필요할 뿐만 아니라 수집 한 데이터를 주고받기 위한 네트워크 구축에 많은 비용이 발생하는 문제가 있다.

현재 공장의 데이터를 수집하기 위해 대부분의 공장에서 사용하고 있는 방법은 프로그래머블로직 컨트롤러(Programmable Logic Controller; PLC) 에 통신 모듈을 증설하여 유선 네트워크를 통해 PLC가 수집한 데이터를 주고받는 방법이다. 이 방법은 통신 모듈과 PLC 사이에 호환성을 고려해야 하며 모듈의 가격이 비싸기 때문에 스마트 팩토리를 도입하는 데 있어 장애 요건으로 손꼽힌다. 또한, PLC 제조사의 통신 모듈은 간단한 연산만 가능하여 데이터의 분석과 처리가 모두 중앙에서 이루어 져야 하기 때문에 새로운 데이터 수집 방법이 필요하다. 데이터 수집 방법뿐만 아니라 스마트 팩토리에서 수집한 데이터를 주고받는 통신에도 문제점이 있다. 현재 많은 공장에서 사용하고 있는 유선 통신은 신뢰성은 높지만 연결 케이블 길이의 한계로 중계기와 같은 추가적인 장비가 필요하기 때문에 설치에 많은 비용이 발생한다. 또한 공장 내 위험 지역에 설치가 어려우며 생산 설비를 이동시킬 경우 케이블을 다시 연결해야 하는 번거로움이 발생한다. 따라서 스마트 팩토리의 네트워크는 유선 네트워크 보다 무선 네트워크로 구축하는 것이 더 적합하다. 지금까지 연구가 진행되어 주로 사용하고 있는 무선 통신 기술로는 Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee와 최근에 통신사에서 통신망을 구축하여 서비스하고 있는 LoRa와 NB-IoT가 있다. ZigBee와 Bluetooth는 실내에서 매우 짧은 통신 거리와 전송에서의 불안정성 때문에 스마트 팩토리의 네트워크 구축에 사용하지 못하였다. Wi-Fi 역시, 넓은 공장을 커버 하기에는 통신거리가 짧으며 투과성이 낮아 장애물이 있는 환경에서 통신거리가 급격히 감소하여 기계가 많은 공장의 환경에서 신뢰성이 떨어져 안정 적인 통신을 위해서는 많은 수의 AP(Access Point)가 필요하다. 또한, 2.4GHz 주파수 대역은 다양한 무선 네트워크가 함께 사용하기 때문에 서로 간섭이 발생하여 통신 품질이 떨어질 가능성이 높다. 앞선 기술들이 통신 거리의 한계로 실제 공장에 적용되지 못한 반면에 LoRa와 NB-IoT는 중장거리 통신이 가능하다. 하지만 이 두 통신 기술 들은 적은 수의 통신 노드가 적은 수의 데이터를 주고받는데 초점을 두고 있기 때문에 실시간으로 많은 수의 데이터를 주고받는 스마트 팩토리에 적용 하기 어렵다. 또, 통신사 전용망을 사용하여 다양한 공장의 환경을 고려한 새로운 프로토콜 개발이 어렵고 매달 사용료를 납부하여 설치비용과 별개로 지속적인 운용비용이 발생한다. 이처럼 스마트 팩토리에 적용하기 위한 다양한 무선 통신 기술이 연구되었지만 구축에 있어 필요한 대규모 노드, 빈번한 데이터 전송, 전송의 신뢰성, 넓은 통신 범위, 중앙통제 및 저가의 운용비와 같은 다양한 제약조건들을 만족하지 못하였다.

스마트 팩토리는 적은 설치비용과 운용비용으로 공장의 데이터를 수집할 수 있어야 하며, 수집한 데이터들을 주고받기 위해 장거리 통신이 가능해야 한다. 이를 위한 기존의 스마트 팩토리의 데이터 수집 방법은 고가의 장비를 필요로 할 뿐만 아니라 기기들 사이의 호환성이 낮기 때문에 설비의 도입과 교체가 어렵다. 그리고 장거리 통신을 구축 하기 위한 방법으로 주로 사용하는 유선 네트워크는 설치와 관리가 어렵고 많은 비용이 발생한다. 또, 무선 통신 기술들은 스마트 팩토리의 네트워크가 필요로 하는 다양한 조건들을 만족하지 못하는 문제가 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 저렴한 설치비용과 높은 호환성으로 기존의 PLC와 연동 가능한 IoT 디바이스를 이용하는 스마트 팩토리의 데이터 수집 및 제어 방법과 함께 스마트 팩토리의 무선 네트워크가 요구하는 다양한 제약조건을 만족하는 비 면허 주파수 대역의 무선 네트워크를 제공하는데 있다.

일 측면에 있어서, 본 발명에서 제안하는 스니핑방식을 이용한 무선 PLC 모니터링 시스템은 PLC에게 PLC의 특정 메모리 영역의 값을 요청하는 요청 패킷을 전송하는 HMI, HMI로부터 요청 패킷을 수신하여 HMI에게 데이터 값을 포함한 응답 패킷을 전송하는 PLC 및 PLC로부터 HMI로 전송되는 데이터를 수신하는 IoT 디바이스를 포함한다.

IoT 디바이스는 PLC에게 직접 메모리 값에 대한 요청 패킷과 메모리에 값을 쓰는 패킷을 전송하여 데이터의 수집과 PLC의 제어를 수행한다.

PLC가 전송하는 모든 패킷들을 실시간으로 확인하여 데이터를 수집 및 분석하고, 수집된 데이터는 IoT 디바이스의 통신 모듈을 사용하여 PLC 간 또는 중앙 모니터링 센터와 교환 가능하다.

PLC와 IoT 디바이스는 모드버스 RTU 프로토콜을 사용하여 서로 데이터를 통신하고, IoT 디바이스를 통해 PLC에게 패킷을 전송하여 PLC의 메모리 영역의 값을 읽거나 쓴다.

또 다른 일 측면에 있어서, 본 발명에서 제안하는 스니핑방식을 이용한 무선 PLC 모니터링 방법은 HMI로부터 PLC로 PLC의 특정 메모리 영역의 값을 요청하는 요청 패킷을 전송하는 단계, PLC가 HMI로부터 요청 패킷을 수신하여 HMI에게 데이터 값을 포함한 응답 패킷을 전송하는 단계, IoT 디바이스가 PLC로부터 HMI로 전송되는 데이터를 수신하는 단계 및 IoT 디바이스가 PLC에게 직접 메모리 값에 대한 요청 패킷과 메모리에 값을 쓰는 패킷을 전송하여 데이터의 수집과 PLC의 제어를 수행하는 단계를 포함한다.

본 발명의 실시예들에 따르면 IoT 디바이스를 사용하는 데이터 수집 방법과 비 면허 주파수 대역의 무선 네트워크를 사용하는 스마트 팩토리 설계를 제안한다. PLC와 IoT 디바이스 사이의 직접 통신으로 호환성이 매우 높고, 저가의 비용으로 데이터의 수집과 분석이 가능하다. 또한, 본 발명에서는 기존에 스마트 팩토리용 무선 네트워크를 구축하기 위한 방법으로 사용되지 않았던 비 면허 주파수 대역의 무선 네트워크를 이용하여 스마트 팩토리를 위한 네트워크를 구축한다. 제안하는 비 면허 주파수 대역의 무선 네트워크는 다른 무선 네트워크와의 간섭 없이 스마트 팩토리의 네트워크가 요구하는 신뢰성 높은 장거리 통신이 가능하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스니핑방식을 이용한 무선 PLC 모니터링 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스니핑방식을 이용한 무선 PLC 모니터링 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 채널의 재사용을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 PLC의 송수신 패킷을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 IoT 디바이스의 통신 스니핑 결과 데이터 추출과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 모드버스 통신을 위한 PLC와 IoT디바이스의 연결 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 PLC와 IoT 디바이스의 모드버스 통신 패킷을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 테스트베드 토폴로지를 나타내는 도면이다.

본 발명에서는 IoT 디바이스를 사용하는 데이터 수집 방법과 비 면허 주파수 대역의 무선 네트워크를 사용하는 스마트 팩토리 설계를 제안한다. PLC와 IoT 디바이스 사이의 직접 통신으로 호환성이 매우 높고, 저가의 비용으로 데이터의 수집과 분석이 가능하다. 또한, 본 발명에서는 기존에 스마트 팩토리용 무선 네트워크를 구축하기 위한 방법으로 사용되지 않았던 비 면허 주파수 대역의 무선 네트워크를 이용하여 스마트 팩토리를 위한 네트워크를 구축한다. 제안하는 비 면허 주파수 대역의 무선 네트워크는 다른 무선 네트워크와의 간섭 없이 스마트 팩토리의 네트워크가 요구하는 신뢰성 높은 장거리 통신이 가능하다. 이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스니핑방식을 이용한 무선 PLC 모니터링 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.

본 발명에서 제안하는 스마트 팩토리의 데이터 수집 및 제어 방법은 PLC와 HMI의 통신을 IoT 디바이스가 스니핑(sniffing)하는 방법과 PLC와 IoT 디바이스 사이에 RS-232C 시리얼 통신으로 모드 버스 프로토콜(Modbus Protocol) 패킷을 주고받으며 PLC의 데이터를 읽고 쓰는 방법이다. 여기서, RS-232C 통신은 일 실시예일뿐, RS-232C 통신 이외에도 RS485, USB, 이더넷 방식 등이 사용될 수 있다. 아래에서는 RS-232C 통신을 예시로서 설명한다.

스마트 팩토리의 무선 네트워크를 설계하기 위한 방법으로는 중앙 관리가 가능한 라우팅 알고리즘을 사용하여 비 면허 주파수 대역의 무선 네트워크를 구축한다. 멀리 떨어져 있는 생산설비의 데이터를 네트워크를 통해 중앙에서 확인할 수 있을 뿐만 아니라 간단한 제어 메시지를 보내어 공정의 순서를 바꾼다. 또한 각 공정마다 다른 채널을 사용하는 네트워크를 구축하여 공정끼리 인접해 있더라도 개별적인 네트워크 구축이 가능하다.

기존의 PLC 와 HMI 사이의 데이터 교환 방식은 HMI가 화면에 PLC의 상태를 표시하기 위해 주기적으로 PLC에게 PLC의 특정 메모리 영역의 값을 요청하는 패킷을 전송하고, 요청 패킷을 받은 PLC는 HMI에게 데이터 값을 포함한 응답 패킷을 보낸다.

본 발명에서 제안하는 방법은 도 1과 같이 PLC(120)와 HMI(110)의 RS-232C 통신과정에서 PLC(120) 보내는 데이터를 IoT 디바이스(130)가 함께 읽을 수 있게 하였다. PLC(120)가 HMI(110)에게 RS-232C로 보내는 응답 패킷을 IoT 디바이스(130)가 두 기기 사이에서 RS-232C 모듈을 통해 모두 읽는다. 기존에 사용 하던 PLC(120)와 HMI(110)를 그대로 사용하면서도 RS-232C 케이블의 변경만으로 데이터의 수집이 가능하기 때 문에 높은 호환성을 가진다. 또한 각 공장에서 사용 하는 HMI(110)와 PLC(120) 사이의 통신 프로토콜을 그대로 사용할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 시스템 구축에 있어 추가적인 장비가 필요하지 않기 때문에 설치 비용을 절감할 수 있다. 또, PLC(120)가 보내는 모든 패킷들을 실시간으로 확인할 수 있기 때문에 공장에 서 발생하는 데이터의 수집과 분석이 용이하다. 수집한 데이터는 IoT 디바이스(130)의 통신 모듈을 사용하여 PLC(120)끼리 혹은 중앙 모니터링 센터와 자유롭게 주고받을 수 있기 때문에 공장을 모니터링하기 위해 HMI(110)를 확인하러 돌아다녀야 했던 불편함을 해결할 수 있다. 하지만 HMI(110)와 PLC(120) 사이에 미리 설 정해 둔 영역의 모니터링만 가능하고 IoT 디바이스(130)가 PLC(120)에게 직접 메모리 값을 요청하거나 메모리에 값을 쓸 수 없는 한계가 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, IoT 디바이스(130)의 모드버스 통신을 통해 PLC(110)의 제어가 가능하고 데이터를 수집할 수 있다.

이 방법은 PLC의 RS-232C 포트에 직접 IoT 디바이스의 RS-232C 모듈을 연결하여 시리얼 통신으로 PLC와 IoT 디바이스가 서로 데이터를 주고 받는다. 패킷의 모니터링만 가능했던 방법과 달리 직접 PLC에게 직접 메모리 값에 대한 요청 패킷과 메모리에 값을 쓰는 패킷을 보내어 데이터의 수집과 PLC의 제어를 모두 할 수 있는 방법이다. PLC와 IoT 디바이스는 모드버스 RTU 프로토콜을 사용하여 서로 데이터를 주고받는다. IoT 디바이스를 통해 PLC에게 패킷을 보내어 PLC의 메모리 영 역의 값을 읽거나 쓸 수 있다. 이를 통해 PLC에 연결된 생산설비의 값을 수집하고 공정의 순서를 변 경하는 등의 다양한 제어를 할 수 있다. 이때 사용하는 모드버스 프로토콜은 산업 기기들 사이에 데이터를 주고받기 위한 통신 프로토콜이다. 미쓰비시, LS산전, Simens와 같은 PLC 시장 점유율 의 대부분을 차지하는 PLC 제조사들의 PLC는 모두 모드버스 통신을 지원하기 때문에 호환성이 높다. 모드버스 통신에서 PLC가 모드버스 서버의 역 할을, IoT 디바이스가 모드버스 클라이언트의 역할을 하는 마스터/슬레이브 관계를 가진다. 모드버스 프로토콜로 주고받은 데이터는 IoT 디바이스의 통신 모듈을 사용하여 다른 PLC에 연결된 IoT 디바이스에게 네트워크를 통해 전달하는 방법으로 유기 적인 생산 환경을 구축할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스니핑방식을 이용한 무선 PLC 모니터링 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

제안하는 스니핑방식을 이용한 무선 PLC 모니터링 방법은 HMI로부터 PLC로 PLC의 특정 메모리 영역의 값을 요청하는 요청 패킷을 전송하는 단계(210), PLC가 HMI로부터 요청 패킷을 수신하여 HMI에게 데이터 값을 포함한 응답 패킷을 전송하는 단계(220), IoT 디바이스가 PLC로부터 HMI로 전송되는 데이터를 수신하는 단계(230) 및 IoT 디바이스가 PLC에게 직접 메모리 값에 대한 요청 패킷과 메모리에 값을 쓰는 패킷을 전송하여 데이터의 수집과 PLC의 제어를 수행하는 단계를 포함한다.

본 발명의 실시예에 따르면 PLC와 HMI는 RS-232C 통신 방식을 이용할 수 있다. 여기서, RS-232C 통신은 일 실시예일뿐, RS-232C 통신 이외에도 RS485, USB, 이더넷 방식 등이 사용될 수 있다. 아래에서는 RS-232C 통신을 예시로서 설명한다.

PLC가 전송하는 모든 패킷들을 실시간으로 확인하여 데이터를 수집 및 분석하고, 수집된 데이터는 IoT 디바이스의 통신 모듈을 사용하여 PLC 간 또는 중앙 모니터링 센터와 교환 가능하다.

본 발명에서는 스마트 팩토리 무선 네트워크 구축의 어려움을 해결하기 위한 방법으로 비 면허 주 파수 대역의 무선 통신 네트워크를 제안한다. 비 면허 주파수 대역은 다른 무선 통신국의 통신을 저해하지 않는 출력 범위에서 산업, 과학, 의료용으로 분배 또는 지정된 주파수이다. 기존의 다른 무선 통신 기술과 비교하여 잘 사용하지 않았는데, 그 이유는 비 면허 주파수 대역 통신 인증 기준에 따라 통신 대역폭이 다른 통신에 비해 좁은 대역 폭을 갖고 있기 때문이다. 대역폭이 좁은 네트워크를 통해 크기가 큰 데이터를 전송할 경우 전송시간이 오래 걸린다. 이와 같은 이유로 네트워크 구축보다 자동차의 경보장치와 같은 단순 신호전송을 위한 목적으로 사용되었다. 하지만, 스마트팩토리의 통신에서는 주고받는 데이터의 크기가 매우 작기 때문에 네트워크의 대역폭이 좁아도 문제없이 통신이 가능하다. 스마트 팩토리의 통신이 요구하는 요구 조건들을 비 면허 주파수 대역의 무선 통신이 충족하는지와 더불어 제안하는 통신의 특징들이 스마트 팩토리를 구축하는 데 있어 어떻게 활용될 수 있는지에 대하여 설명한다.

공장에서 주고받아야 하는 데이터는 온도, 습도, 압력, 전력 등의 센서 값들과 센서 값들로부터 알아낼 수 있는 정보 데이터, 기계를 제어하기 위한 제어 메시지로 구성되는데 이들은 통신 프로토콜의 헤더를 포함하더라도 300 바이트 이내로 데이터의 크기가 매우 작다. 따라서 빈번한 통신을 하는 데 있어 좁은 대역폭은 문제가 되지 않는다. 또한, 제안하는 424MHz 대역의 주파수는 다른 무선통신 기술에서 사용하는 주파수 대역보다 낮은 주파수 대역을 사용하기 때문에 투과성이 높아 장애물이 많은 실내에서도 장거리 통신이 가능하다. <표 1>는 본 발명에서 사용하는 통신 모듈을 사용 하여 출력 세기에 따른 통신거리를 측정한 결과이다.

<표 1>

장애물이 없는 실외에서 실험한 결과 약 1.2km까지 통신이 가능하였고, 장애물과 두꺼운 벽이 많은 실내에서도 100m 이상의 거리에서 신뢰도 높은 통신이 가능하여 크기가 큰 공장에서도 사용할 수 있다. 또한 출력 세기를 조절하여 각 공장에 크기에 적합한 무선 네트워크를 구축하는 것이 가능하다. 또, 424MHz 대역의 주파수는 기존에 주로 사용하는 2.4GHz 대역과 5GHz 대역과의 간섭 없이 네트워크의 구축이 가능하다. 또, 스마트 팩토리의 다양한 제약조건을 고려한 네트워크의 설계가 가능하다는 장점이 있다. 무선 네트워크는 각 노드의 통신 세기, 배터리 상태와 같은 통신 모듈의 상태와 통신 경로의 영향을 많이 받는다. 통신사의 LoRa와 NB-IoT는 통신사가 제공하는 통신망을 사용하므로 각 공장의 환경을 고려한 통신 프로토콜의 적용이 어려운 반면, 본 발명에서 제안하는 무선통신은 각 공장에서 필요로 하는 제약조건을 고려한 통신 프로토콜을 적용하여 공장에 맞는 최적화된 네트워크를 구축할 수 있다. 무선 네트워크에서는 패킷을 주고받는 경로 선택에 따라 전체 네트워크의 성능이 결정되는데, 대규모 노드의 설치가 필요한 스마트 팩토리에서 이러한 중요성은 더욱 강조된다. 운용비용 측면에서는 통신사가 제공하는 통신 기술들은 통신량에 비례하는 통신요금을 내야 하는데, 데이터의 전송이 빈번한 스마트 팩토리에서는 많은 운용비용이 발생하지만 제안하는 방법은 ISM 대역 의 통신으로 무료로 사용할 수 있는 주파수 대역이 기 때문에 설치 이후 네트워크 운용비용이 발생하지 않는다. 424MHz 주파수대역은 30개 이상의 채널을 사용할 수 있는데, 많은 채널을 이용하여 각 생산 공정의 독자적인 네트워크 구축이 가능하다. 또한, 채널 사용에 있어 통신이 겹치지 않는 거리를 이용하여 이미 사용한 채널의 재사용이 가능한 장점이 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 채널의 재사용을 설명하기 위한 도면이다.

도 3은 채널 재사용의 예를 나타낸다. 각 공정 의 기계들의 배치 상태에 따라 노드를 배치하고 공정별 무선 네트워크를 구축한다. 각 공정의 네트워크는 공정 별 gateway 노드를 통해 중앙 제어가 가 능하다. (그림 4)의 예시와 같이 1번 생산라인의 공 정 1에서 비 면허 주파수대역의 1번 채널을 사용했지만, 2번 생산라인의 공정 3에서 1번 채널을 다시 사용할 수 있다. 같은 원리로 2번 채널을 1번 생산 라인의 공정 2와 2번 생산라인의 공정 4가 사용할 수 있다. 각 공정의 크기에 맞게 공정의 통신 모듈 의 출력 세기를 조정하여 다른 공정끼리 채널의 간섭이 발생하지 않게 무선 네트워크 구축이 가능하다. 이와 같은 특징을 이용하여 제한된 채널의 수 보다 더 많은 개별적인 네트워크의 구축이 필요한 대규모 공장에서도 독립적인 네트워크를 구축할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 PLC의 송수신 패킷을 설명하기 위한 도면이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 IoT 디바이스의 통신 스니핑 결과 데이터 추출과정을 설명하기 위한 도면이다.

실험을 위해 사용한 PLC는 LS 산전의 XBM- DR16S를 사용하였고, HMI Panel은 eXP40- TTA/DC를 사용하였다. IoT 디바이스는 ARM Cortex-M3 MCU를 사용하는 STM32F103C8T6 에 TI의 무선 통신 모듈 CC1120을 사용하여 PCB 로 제작하였다. 그리고 IoT 디바이스와 PLC가 시리얼 통신으로 데이터를 주고받기 위해 RS-232 To TTL 모듈을 사용했다. HMI의 GUI는 XP- Builder를 이용하여 작화하였으며 PLC는 XG5000을 사용하여 래더 프로그램을 작성하고 HMI와 연 동하였다. 제안하는 데이터 수집 방법을 실험하기 위해 HMI가 PLC의 임의의 메모리 영역의 값을 주기적으로 요청하게 설정해 두었다.

본 발명의 실시예에 따르면, PLC와 HMI는 LS 산전의 XGT 프로토콜을 사용하여 통신하며, PLC와 IoT 디바이스는 모드버스 RTU 프로토콜을 사용해 통신한다. 또한, 비 면허 주파수 대역의 무선 네트워크를 구축하여 각각의 PLC와 중앙 모니터링 컴퓨터와의 hop 수를 늘려가며 PLC로부터의 데이터 수집과 제어하는 데 걸리는 시간을 측정하였다.

PLC가 HMI Panel에게 RS-232C 통신으로 보내는 데이터를 IoT 디바이스가 읽을 수 있도록 구성하였다. PLC는 주기적으로 HMI로부터 PLC 메모리 영역의 값을 요청하는 패킷을 수신하고 그에 대한 응답으로 해당 메모리의 값이 적힌 응답 패킷을 보낸다. 본 실험에서는 HMI는 PLC 메모리의 D 영역 1000번지부터 1001번지의 데이터를 요구하는 패킷을 PLC에게 보내고, PLC는 메모리 값을 읽어 응답 패킷을 보내도록 설정하였다. 도 4는 PLC 가 수신하고 송신하는 패킷들을 보여주는 프레임 모니터이다. 도 4에서 수신 패킷은 PLC가 HMI로부터 메모리 값을 요청 받은 패킷이고, 송신 패킷은 PLC가 PLC의 메모리의 값을 HMI에게 보내 준 패킷이다. 위쪽의 프레임 모니터는 HEX 값으로 패킷을 보여주고, 아래의 프레임 모니터는 패킷을 ASCII 값으로 보여준다. 이때 PLC의 수신 패킷에서 ASCII 값으로 ′%DB200002′가 HMI가 요 청하는 PLC의 메모리 값과 데이터의 수를 나타내는 부분이다. ′%′ 디바이스 주소의 시작을 알리는 문자이고 ′DB′는 데이터 레지스터를 바이트 형태로 지정함을 나타낸다. 이후에 ′2000′은 XGT 프로토콜에서 시작 주소를 뜻하는데, 바이트 타입의 주소는 2배로 지정하기 때문에 시작 주소는 1000번지이다. 그 다음의 ′02′는 시작 번지를 포함하는 요청할 바이트의 수를 의미한다. 따라서 HMI는 PLC의 메모리의 D 영역 1000~1001 번지를 바이트 형태로 요청하고, 이는 초기에 설정한 값과 동일함을 알 수 있다.

도 5는 IoT 디바이스가 스니핑한 패킷이다. 도 4에서 PLC가 HMI에게 송신하는 패킷과 도 5에서 IoT 디바이스가 스니핑한 패킷이 서로 같음을 알 수 있다. <표 2>는 이 패킷을 XGT 프로토콜에 따라 의미하는 내용을 구분한 표이다.

<표 2>

패킷의 데이터 부분인 ′32 45 30 31′을 네트워크 바이트 순서를 호스트 바이트 순서로 바꿔 주기 위 하여 ′32 45′와 ′30 31′의 바이트 순서를 바꾸어 ′30 31 32 45′로 변경한 후 아스키코드로 이 값을 읽으면 0x012E이며 10진수로 302인데, 이 숫자는 실제 PLC의 메모리 영역의 값과 일치한다. 모든 패킷은 오류 검사를 위해 패킷 헤더의 타입을 검사하는 방법으로 1차 검사를 하였고 이후에 CRC 값을 이용한 방법으로 한 번 더 확인하였다. IoT 디바이스가 RS-232C 모듈을 통해 PLC와 HMI가 주고받는 데이터를 115,200 baud rate의 속도로 스니핑 하여 패킷을 모니터링 한 결과 17 ~ 120 바이트 크기의 송신 패킷 300,000개를 모니터링하는 과정에서 오류 패킷은 발견되지 않았다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 모드버스 통신을 위한 PLC와 IoT디바이스의 연결 과정을 설명하기 위한 도면이다.

PLC를 제어하고 데이터를 수집하기 위해 PLC 와 IoT 디바이스를 도 6과 같이 연결하였다. PLC 내부 RS-232C의 TX를 IoT 디바이스와 연동 가능한 RS-232 to TTL 모듈의 RX와 연결하고, IoT 모듈의 RX를 IoT 디바이스의 TX와 연결했다. 같은 방법으로 RX 선을 연결 하였으며 연결된 선을 통해 PLC와 IoT 디바이스가 모드버스 RTU 통신으로 데이터를 주고받으며 이때 PLC가 모드버스 서버 역할을 하고, IoT 디바이스는 모드 버스 클라이언트 역할을 한다. 데이터 수집을 위해 IoT 디바이스에서 PLC 메 모리의 D 영역 1번지부터 2번지까지 주기적으로 요청해 보았다. 메모리 영역의 1번지의 값은 매초 증가하는 하는 값이고, 2번지는 ′5412′로 임의로 설정한 값으로 변하지 않는 값이다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 PLC와 IoT 디바이스의 모드버스 통신 패킷을 설명하기 위한 도면이다.

도 7은 주기적으로 IoT 디바이스를 통해서 PLC의 메모리 값을 요청한 결과이다. 그 결과 계속 변화하는 메모리 1번지의 값과 2번지의 고정된 값을 정상적으로 확인할 수 있었다. <표 3>는 도 7의 패킷 중 하나를 나타낸다.

<표 3>

메모리 영역 2번지의 데이터를 요청 하는 송신패킷과 이에 대한 응답 패킷이다. 모드버스 프로토콜에 따라 데이터 값은 ′00 4C 15 24′이다. 모드버스 프로토콜의 데이터는 16진수 값으로, ′0x004C′는 10진수로 76을 의미한다. 또한 이 1번지의 값은 매 패킷마다 바뀐다. 두 번째 데이터 ′0x1524′는 10진수로 5412를 뜻하며 임의로 고정한 값과 일치하는 것을 알 수 있다. 모든 패킷을 대상으로 펑션 코드와 오류 검사 바이트를 이용하여 패킷의 오류를 검사한 결과 9600 baud rate의 속도로 150,000쌍의 송신과 수신 패킷을 300,000개를 주고받는 과정에서 오류 패킷은 발견되지 않았다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 테스트베드 토폴로지를 나타내는 도면이다.

제안하는 방법을 실험하기 위한 방법으로 총 23 개의 IoT 디바이스 노드를 모두 같은 층에 임의로 설치하고 3개의 네트워크를 구축하였다. 실험한 건물의 가로 길이는 약 150m이고 세로 길이는 약 120m이다. 중앙 제어가 가능한 라우팅 프로토콜을 이용하여 토폴로지를 구성한 결과 도 8과 같은 형태로 네트워크가 구축되었다. 이때 A 네트워크와 C 네트워크는 서로 같은 채널을 사용한다. M은 PC가 있는 중앙 모니터링 센터를 나타내고, 각각의 네트워크와 통신하기 위해 PC와 연결된 3개의 노드가 있다. 원은 PLC와 PLC에 연결된 노드를, 사각형은 각 네트워크의 게이트웨이를 나타낸다. 그리고 중앙 모니터링 센터와 각 채널의 게이트웨이 노드 사이에 통신하기 위해 3개의 노드를 추가로 사용하였다. 따라서 각 네트워크는 게이트웨이 역할을 담당하는 2개의 노드를 제외한 노드가 PLC와 연결되어 데이터를 주고받는다. 원의 위치에 있는 CC1120의 출력 세기는 6dBm으로 설정하여 A의 네트워크와 C의 네트워크가 서로 겹치지 않게 하여 같은 채널을 재사용하였고, 사각형의 위치에 있는 CC1120은 네트워크 내의 노드와 통신할 때에는 출력 세기를 6dBm으로, 중앙 모니터링 센터와 통신할 때에는 출력 세기를 10dBm으로 설정하여 먼 거리에도 통신이 가능하게 설정하였다. 제안하는 방법을 실험하기 위해 중앙 모니터링 센터에서 각 위치에 있는 PLC에게 모드버스 프로토콜에 따른 메모리 읽기와 쓰기 패킷을 포함하여 각각 100번씩 총 200번 보냈다. 그리고 패킷을 받은 PLC가 요청을 처리하고 메모리에 특정 값을 쓰는 경우에는 성공 여부를 응답으로 보내고, 값을 읽을 때에는 성공 여부와 함께 메모리의 값을 보내어 확인하였다. <표 4>는 실험에서 각 채널의 게이트웨이 노드와 PLC의 hop 수에 따른 PLC 제어에 걸리는 시간의 평균값을 나타낸다.

<표 4>

통신거리에 따른 같은 hop에서의 시간 차이는 3ms 이내로 통신 거리는 걸린 시간에 거의 영향을 주지 않았고, 모니터링 센터와 각 노드의 hop 수에 따라 처리 시간이 변화하였다. 400MHz 비 면허 주파수 대역의 국내 무선 설비 규칙에 따라 신호를 발송한 노드는 다음 발송까지 1초의 휴지 시간을 가져야 하기 때문에 1 hop에서의 걸린 시간과 2 hop에서의 걸린 시간 사이에서 노드 사이에 데이터를 주고받는 시간 외에 추가적으로 1초의 시간이 더 소요되는 모습을 보였다. 실험하는 과정에서 네트워크 A, B, C가 동시에 데이터를 주고받아도 네트워크 사이에 간섭으로 인한 손실이 발생하지 않았으며, 특히 같은 채널을 사용하는 A와 C 네트워크 내에서 동시에 데이터를 보내는 경우에도 통신에서 혼선이 생기지 않았다. 3 개의 네트워크에서 총 3400번의 패킷을 보내어 PLC를 제어하는 동안 3번의 패킷 오류가 발생했지만 CRC 검사와 헤더 검사를 통해 오류를 발견하고 즉시 재전송하여 해결하였다.

본 발명에서는 스마트 팩토리를 위한 IoT 디바이스 기반의 데이터 수집 방법과 비 면허 주파수 대역을 활용한 무선 네트워크를 제안하였다. PLC 제조 사의 증설 모듈에 국한된 데이터 수집 방법은 호환 성이 낮고 가격이 비싸다. 또, 기존의 데이터 통신은 스마트 팩토리의 다양한 요구 조건들을 만족시키지 못하였다. 따라서 제안하는 방법은 IoT 디바이스를 활용하여 호환성 높은 데이터 통신으로 PLC로부터 의 데이터 수집과 모드버스 프로토콜을 활용한 생산 설비의 제어를 한다. 비 면허 주파수 대역을 사용하여 PLC와 연결된 IoT 디바이스들의 무선 네트워크를 구축하였다. 실험 결과 제안하는 방법이 장애물이 많고 먼 거리에서도 높은 신뢰도를 갖고 PLC로부터의 데이터 수집과 제어가 가능함을 확인 할 수 있었다. 본 발명의 데이터 수집 및 제어방법과 비 면허 주 파수 대역의 무선통신은 적은 설치비용으로 스마트 팩토리를 구축할 수 있음을 보여준다.

본 발명에서는 저렴한 설치비용과 높은 호환성으로 기존의 PLC와 연동 가능한 IoT 디바이스를 이용하는 스마트 팩토리의 데이터 수집 및 제어 방법과 함께 스마트 팩토리의 무선 네트워크가 요구하는 다양한 제약조건을 만족하는 비 면허 주파수 대역의 무선 네트워크를 제안한다. IoT 디바이스는 RS-232C 통신을 사용하여 기존의 PLC와의 연동이 가능하고 장착된 프로세서를 통해 고 성능의 데이터 분석이 가능하다. 본 연구에서 사용하는 비 면허 주파수 대역의 무선통신은 대역폭이 좁아 큰 데이터를 보내기 어려워 지금까지 주로 사용 하지 않았지만 공장에서 발생하는 데이터는 데이터 의 크기가 작아 대역폭이 작아도 문제가 없다.

또한, 본 발명에서 사용하는 424MHz 대역 주파수의 특성상 Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee와 달리 투과성이 높아 장애물이 많은 공장에서도 높은 신뢰도를 갖는 장거리 통신이 가능하다. 그리고 LoRa, NB-IoT와 달리 통신 요금이 추가로 발생하지 않기 때문에 운용비용을 아낄 수 있으며 공장의 환경을 고려하여 무선 통신 프로토콜을 적용하여 네트 워크를 구축할 수 있는 장점이 있다. 또, 공장에 다 수의 통신 노드를 필요한 곳에 배치하고 30개 이상의 채널을 사용하여 공정별 네트워크의 구축이 가능하다. 따라서 IoT 디바이스를 활용한 비 면허 주파수 대역 기반의 무선 네트워크를 이용하는 것이 스마트 팩토리 구축에 적합하다.

이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다.　 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다.　 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다.　 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다.　 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.

소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다.　 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치에 구체화(embody)될 수 있다.　 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.

실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다.　 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.　 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.　 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.　 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.　

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.　 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (7)

1. PLC에게 PLC의 특정 메모리 영역의 값을 요청하는 요청 패킷을 전송하는 HMI;
   HMI로부터 요청 패킷을 수신하여 HMI에게 데이터 값을 포함한 응답 패킷을 전송하는 PLC; 및
   PLC로부터 HMI로 전송되는 데이터를 수신하는 IoT 디바이스
   를 포함하고,
   IoT 디바이스는,
   PLC에게 직접 메모리 값에 대한 요청 패킷과 메모리에 값을 쓰는 패킷을 전송하여 데이터의 수집과 PLC의 제어를 수행하는
   무선 PLC 모니터링 시스템.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   PLC가 전송하는 모든 패킷들을 실시간으로 확인하여 데이터를 수집 및 분석하고, 수집된 데이터는 IoT 디바이스의 통신 모듈을 사용하여 PLC 간 또는 중앙 모니터링 센터와 교환 가능한
   무선 PLC 모니터링 시스템.
4. 제1항에 있어서,
   PLC와 IoT 디바이스는 모드버스 RTU 프로토콜을 사용하여 서로 데이터를 통신하고, IoT 디바이스를 통해 PLC에게 패킷을 전송하여 PLC의 메모리 영역의 값을 읽거나 쓰는
   무선 PLC 모니터링 시스템.
5. HMI로부터 PLC로 PLC의 특정 메모리 영역의 값을 요청하는 요청 패킷을 전송하는 단계;
   PLC가 HMI로부터 요청 패킷을 수신하여 HMI에게 데이터 값을 포함한 응답 패킷을 전송하는 단계;
   IoT 디바이스가 PLC와 HMI의 PLC로부터 HMI로 전송되는 데이터를 수신하는 단계; 및
   IoT 디바이스가 PLC에게 직접 메모리 값에 대한 요청 패킷과 메모리에 값을 쓰는 패킷을 전송하여 데이터의 수집과 PLC의 제어를 수행하는 단계
   를 포함하는 무선 PLC 모니터링 방법.
6. 삭제
7. 제5항에 있어서,
   PLC가 전송하는 모든 패킷들을 실시간으로 확인하여 데이터를 수집 및 분석하고, 수집된 데이터는 IoT 디바이스의 통신 모듈을 사용하여 PLC 간 또는 중앙 모니터링 센터와 교환 가능한
   무선 PLC 모니터링 방법.

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