Development of PLC-based Fieldbus Educational Equipment

49

실천공학 교수법

J. Pract. Eng. Educ. 9(1), 49-56, 2017

스마트팩토리 구축을 위한 PLC기반의 필드버스 교육 장비 및 교육과정 개발

Development of PLC-based Fieldbus Educational Equipment and Curriculum for building Smart Factory

오재준1*, 최성주2

1오산대학교 기계과, 2한국기술교육대학교 기계공학부

Jae-Jun Oh1*, Seong-Joo Choi2

1Department of Mechanical Engineering, Osan University, Osan 18119, Korea 2Department of Mechanical Engineering, KOREATECH, Cheonan 31253, Korea

http://dx.doi.org/10.14702/JPEE.2017.049

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/

licenses/by-nc/3.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

pISSN: 2288-405X eISSN: 2288-4068

교육매체 활용

http://JPEE.org

Received 1 May 2017; Revised 19 May 2017Accepted 22 May 2017

*Corresponding AuthorE-mail: [email protected]

[ 요 약 ]

최근 Industry 4.0으로 인해 제조업에 대한 생산성 향상과 고객만족을 위한 스마트팩토리 관심이 매우 높고 정부 지원에 따른 구축도 활발하다. 특히, 효율적인 생산 시스템을 구축하기 위한 데이터 통합과 이를 위한 필드버스 통신기술은 필수적이다. 필드버스는 특정 밴더 시스템에 구속받지 않는 개방형 제어시스템으로서 타사 제품과의 호환성, 데이터 전송의 정확성, 원격진단 등의 다양한 이점을 가지고 있다. 그러나, 필드버스를 학습하기 위한 교육 장비와 실습을 위한 교육과정 및 예제가 전무하여 산업현장에서 스마트팩토리 구축을 위해 필요로 하는 실무 능력 향상에 많은 제한점이 있다. 따라서 본 연구는 국내 산업현장에 적합한 PLC와 통신기술을 선정한 선행연구 결과를 바탕으로 실무적인 필드버스 교육을 위한 PLC기반의 필드버스 교육 장비

와 교육과정을 개발하고 Ethernet IP, Profibus DP, Modbus, CC-Link, Device Net의 다양한 필드버스를 구현하였다. 또한, Ethernet

IP를 통한 데이터 수집과 모니터링으로 분산된 필드기기의 제어와 원격진단이 가능함을 확인하였다.

[ Abstract ]

Recently, due to Industry 4.0, there is a great interest in smart factory for productivity improvement and customer satisfaction in manufacturing industry, and construction is also actively pursued by government support. In particular, data integration and fieldbus communication technology to build an efficient production system are essential. Fieldbus is an open control system that is not tied to a specific vendor system and has various advantages such as compatibility with other products, accuracy of data transmission, and remote diagnosis. However, there are no educational equipment for training field buses, training courses and examples for practical training, and there are many limitations in improving the practical skills needed for building smart factories in the industrial field. Therefore, this study develops PLC based fieldbus education equipment and training course based on previous research results that selected PLC and communication technology suitable for domestic industry field for practical fieldbus training and develops the training program of Ethernet IP, Profibus DP, Modbus, CC -Link, and DeviceNet. In addition, it is confirmed that the control and remote diagnosis of distributed field devices are possible by data collection and monitoring.

Key Words: CC Link, Ethernet IP, Filedbus, Modbus, PLC

Copyright © Korean Institute for Practical Engineering Education

49-56 8 오재준.indd 49 2017-06-15 오후 3:56:51

J. Pract. Eng. Educ. 9(1), 49-56, 2017

http://dx.doi.org/10.14702/JPEE.2017.049 50

Controller) 프로그램과 시뮬레이션 운영, 웹 기반 중심의 교

육과 연구를 수행하며[4-7], 스마트팩토리를 구축하기 위한

다양한 제조 메이커의 PLC를 상호 연계하고 통합으로 운영

하는 필드버스에 대한 교육은 전무한 실정이다. 특히, 우리나

라 산업환경이 외산 기술을 적용하고 필드버스와 관련된 국

내표준은 국제표준을 국내실정에 맞추어 적용하고 있기 때

문에 필드버스에 대한 전문적인 교육을 위한 교육 장비 개발

과 사례가 필요하다.선행연구에서는 DACUM기법을 활용하여 실무적인 필드

버스 교육을 위한 국내의 반도체, LCD, 자동차 산업과 다양

한 물류시스템 및 소규모 제어시스템 등에 널리 사용되고 있

는 필드버스 통신기술 선정과 직무분석을 수행하여 Ethernet IP, Profibus DP, Modbus, CC-Link, Device Net을 선정하고 이

에 대한 교육 프로그램을 개발하였다. 이를 바탕으로 본 논

문에서는 PLC기반의 필드버스 학습을 위한 교육 장비를 개

발하고 이 장비를 이용한 교육과정을 제안함으로써 그 효과

성을 입증하였다.

II. 본 론

A. PLC기반 필드버스 교육 장비 개발

본 논문에서는 스마트팩토리 구축을 위해 필수 요소기술

인 필드버스를 학습하기 위한 교육 장비를 개발하였다. 교육 장비의 전체 크기는 687 × 638 × 538이며, 국내 점유율

이 높은 3종의 Mitsubishi, Siemens, LS산전 PLC와 국내산업

에 적합한 표 1의 특성을 가진 5종의 필드버스 통신카드로

구성하였다. 기존의 PLC 기초학습과 독립적인 시스템의 응

용학습, 필드버스 통신기술에 대한 프로그램을 검증할 수 있

도록 시운전을 위한 입출력모듈을 포함하였다. 또한, 필드버

I. 서 론

‘스마트팩토리’란 2006년 6월 카이저스라우테른에서

BASF, DFKI, KSB, SIEMENS 등의 창립 멤버들에 의해

Smart Factory라는 기술계획이 수립되면서 소개되었으며,

2011년 독일 정부가 이를 근간으로 하는 Industry 4.0을 주

창하면서 본격 사용되기 시작하였다. 스마트팩토리는 제품

의 기획, 설계, 생산, 유통, 판매 등 전 과정을 정보통신기술

로 통합하고 최소 비용과 시간으로 고객 맞춤형 제품을 생

산하는 미래형 공장이다. 스마트팩토리 구현을 위해서는

IoT(Internet of Things), CPS(Cyber Physical System) 등을 기

반으로 제조의 모든 단계가 자동화, 정보화되고, 가치사슬 전

체가 하나의 공장처럼 실시간 연동되는 생산체계를 지향해

야 한다[1]. 이때 IoT와 CPS에 앞서 필요한 핵심기술은 생산

시스템을 통합하는 필드버스이다. 필드버스는 실시간 분산

제어를 위해 사용되는 산업용 컴퓨터 네트워크 프로토콜 집

합의 통칭이며, IEC(International Electrotechnical Committee)에서 2003년 국제표준으로 제정되고 2007년 개정부터는 개

별적인 통신기술마다 CPF(Communication Profile Family)와

Type 번호에 따라 동종기술끼리 묶어 표준화하여 관리하고

있다[2]. 산업현장의 사용자는 공장자동화를 구축함에 있어

서 비용은 가장 적게 들면서 시스템의 고성능과 다기능, 신뢰성, 유연성을 제공하는 효율적이고 생산성 높은 시스템을

구축해야 한다. 이를 위해서는 필드계층의 데이터와 상위 비

즈니스계층을 통합하고 특정 밴더의 시스템에 구속 받지 않

는 개방형 제어시스템이 필요하다. 필드버스를 적용함으로

써 타사 제품과의 상호 호환성, 전선 결선 비용 감소와 데

이터 전송의 정확성 증대, 분산된 필드기기의 제어기능, 유지·관리 측면에서의 원격진단 및 필드기기의 자기 진단기

능 등을 기대할 수 있다[3]. 하지만, 대부분의 교육기관과 훈

련기관에서는 단일시스템에 대한 PLC(Programmable Logic

표 1. PLC기반의 필드버스 교육 장비 통신카드 특징

Table 1. PLC-based fieldbus training equipment communication card features

번호 통신기술 통신카드 모델 통신속도 통신거리 CPF번호 Type번호 기술제안국

1 Ethernet IP QJ71E71-100 100 Mbps - 2 2 미국

2 Profibus DP QJ71PB92V 9.6 kbps~12 Mbps 100 m~4800 m 3 3 독일

3 Modbus QJ71MB91 300~115200 bpsRS232 : Max. 15 m

RS422/485 : Max. 1200 m15 15 프랑스

4 CC Link QJ61BT11N 156 kbps~10 Mbps국간 케이블 길이 : 30 cm~1 m 이상

최대 케이블 : 총 연장 1200 m8 18 일본

5 Device Net QJ71DN91 125 kbaud~500 kbaud 6~500 m 2 2 미국

49-56 8 오재준.indd 50 2017-06-15 오후 3:56:53


51 http://JPEE.org

B. 교육과정 및 실습 예제 구현

선행연구의 DACUM기법을 활용한 실무적인 필드버스

교육을 위한 직무분석 결과를 바탕으로 PLC기반의 필드버

스 교육 장비를 활용한 총 40시간의 교육 내용을 제안하였

다. 산업에 따른 필드버스 통신기술의 사용범위와 시스템

의 제어 구현 난이도 등에 따라 학습시간은 조정할 수 있으

며, 2일차부터 4일차까지의 학습 순서는 가변적으로 운영

할 수 있다. 또한, 이론 보다는 실습 중심으로 구성하여 산

업현장 실무에 바로 적용할 수 있다. 표 3은 교육내용에 대

한 교육과정이다.본 논문에서 제안한 교육 내용 중 통합시스템 설계와 운영

을 위해 마스터 PLC를 중심으로 Information level의 Ethernet IP를 적용한 PLC기반의 프로그램과 모니터링을 위한 화면을

아래와 같은 순서로 구현하고 검증하였다.

스 통신기술을 활용하여 통합적인 시스템을 구축할 수 있도

록 1:n 통신과 학습 시 통신 현황을 용이하게 확인할 수 있

도록 계통도를 전면부에 표현하였다. 3종의 PLC와 5종의 필

드버스 통신카드 구성과 배치는 그림 1에서 확인할 수 있다. Mitsubishi PLC를 마스터로 지정하고 수평적 통합과 하위제

어 시스템에서 상위관리 시스템까지 수직적인 통합이 용이

한 Ethernet IP를 Information level에 적용하였다. 그리고 모

니터링을 위해 AC&T system의 ETOS-50을 사용하여 통합

시스템 운영 프로그램과 HMI를 연계하였다. Control level은 Mitsubishi PLC의 Q06UDEH CPU와 Siemens PLC의 S7 200-Profibus DP, LS산전의 XBC-DR20SU-Modbus, Device

level은 Mitsubishi의 CC Link, LS산전의 Device Net을 적용

하였다. 표 2는 마스터 PLC의 통신카드와 연계되는 통신카

드이며, 그림 2는 PLC기반의 필드버스 교육 장비에 대한 계

층 구조도이다.

그림 1. PLC기반의 필드버스 교육 장비 구성과 배치

Fig. 1. Configuration and placement of PLC-based fieldbus training equipment.

표 2. 마스터 PLC의 통신카드와 연계되는 통신카드

Table 2. Communication card connected with communication card of master PLC

번호 통신기술 통신카드 제조사 통신카드 제조사

1 Ethernet IP QJ71E71-100

Mitsubishi

ETOS-50 AC&T System

2 Profibus DP QJ71PB92V EM277(S7-200) Siemens

3 Modbus QJ71MB91 XBC-DR20SU LS산전

4 CC Link QJ61BT11NAJ65SBTB1-8D

MitsubishiAJ65SBTB1-8T

5 Device Net QJ71DN91 XDL-BSSA LS산전

그림 2. PLC기반의 필드버스 교육 장비 계층 구조도

Fig. 2. PLC-based fieldbus educational equipment hierarchy diagram.

49-56 8 오재준.indd 51 2017-06-15 오후 3:56:53

J. Pract. Eng. Educ. 9(1), 49-56, 2017


“%MW” 설정과 통신포트 Ethernet IP는 “192.168.10.13”을

입력한 후 모니터링 화면을 작화하였다.

3) 통합시스템 프로그램과 모니터링 구현

Ethernet IP를 적용하여 마스터 PLC의 데이터를

Information level의 ETOS-50에 전송하며, Control level은 마

스터 PLC를 중심으로 Siemens PLC의 S7 200-Profibus DP, LS산전의 XBC-DR20SU-Modbus, Device level은 Mitsubishi의 CC Link, LS산전의 Device Net에 대한 프로그램을 그림 6, 7, 8, 9처럼 구현하였다. 또한, 프로그램의 검증을 위해 그림

10과 같이 작화하고 통합시스템에 대한 모니터링을 구현하

였다.

C. 기대효과

PLC기반의 필드버스 교육 장비를 활용하여 표 3의 교육내

용을 학습할 경우 다음과 같은 학습 효과를 기대할 수 있다.● 스마트팩토리 구축을 위해 필수적인 필드버스의 다양한

통신기술을 이해할 수 있다.● 산업현장 생산시스템에서 사용중인 대표적인 3종의 PLC와 5종의 필드버스 통신기술에 대한 결선, 진단, 프로그

램, 모니터링 등에 대한 직무 연계성을 가진 실습을 바탕

1) 입출력 할당

PLC기반의 필드버스 교육 장비의 활용을 위한 주소를

표 4와 같이 Device level, Control level, Information level로

구분하여 할당하였다.

2) Ethernet IP 주소 및 파라미터 설정

그림 3, 4, 5와 같이 시스템 통합을 위한 Mitsubishi PLC, 데이터 통합을 위한 ETOS-50, 모니터링을 위한 HMI에 대

한 Ethernet IP와 파라미터를 설정하였다. Mitsubishi PLC의

Ethernet IP 주소는 “192.168.10.11”을 입력한 후 Open setting의 UDP와 TCP의 Open system과 Host station을 설정하였다. 또한, ETOS-50의 Ethernet IP 드라이버 설정을 위해 프로토콜

은 “GLOFA”, 통신방식은 “TCP”, 드라이버 정보 저장주소는

“%B 1000”, 채널 저장주소는 “%B 1001”을 입력하였다. 채널

포트 설정에서 프로토콜은 “MELSEC”, 통신방식은 “TCP”, 상대국 주소는 “192.168.10.11”을 설정한 후 글로벌의 프로

세스에서 “IF_TIMER, IF_MELSEC_READ, END_IF, IF_MELSEC_WRITE, END_IF”와 Ethernet IP의 “192.168.10.10”을 입력하였고 모니터링을 위해 HMI의 새 디바이스를 생

성한 후 “LS산전 GLOFA-GM Ethernet(ENET)”을 추가하여

“ETOS” 스테이션의 Ethernet IP “192.168.10.10”을 등록하

였다. 마지막으로 통신블록의 블록번호는 “0”, 어드레스는

표 3. 교육과정

Table 3. Curriculum

일차 주제 교육내용

1(8시간)필드버스 소개

PLC 개요

필드버스 정의와 규격, 필드버스 현황, 관련기술, 트랜드

PLC 정의와 구성, 사용방법

2(8시간) Device level 구축

CC Link- CC Link 개요

- 통신과 입출력케이블 결선

- 자기진단과 파라미터 설정

- 프로그램 설계와 디버깅

Device Net- Device Net 개요




3(8시간) Control level 구축

Modbus- Modbus 개요




Profibus DP- Profibus DP 개요




4(8시간) Information level 구축

Ethernet IP- Ethernet IP 개요




HMI- HMI 개요

- 통신케이블 결선

- 파라미터 설정

- 작화 및 모니터링

5(8시간) 통합시스템 설계와 운영통합시스템 구축과 모니터링

통합시스템 진단과 유지보수

49-56 8 오재준.indd 52 2017-06-15 오후 3:56:54


53 http://JPEE.org

표 4. 통합시스템 설계와 운영을 위한 주소 할당

Table 4. Address assignment for integrated system design and operation

Device level Control level Information level

PLC I/O PLC I/O ETOS HMI

내용 라벨 주소 통신카드 주소 통신카드 주소 주소

정회전스위치 TG 1 　

CC Link

D10.0

Ethernet IP

%B20.0 %B202.0 D101.0

정지스위치 TG 2 　 D10.1 %B20.1 %B202.1 D101.1

회전감지센서 S 1 　 D10.2 %B20.2 %B202.2 D101.2

회전회수　　　 D1 %MW1 　　

운전중램프 LAMP 1 　 D20.0 %B40.0 　　

정지중램프 LAMP 2 　 D20.1 %B40.1 　　

정회전출력 M + 　 D20.2 %B40.2 　　

역회전출력 M + 　 D20.3 %B40.3 　　


Profibus DP

D30.0 %B60.0 %B206.0 D103.0

정지스위치 TG 2 　 D30.1 %B60.1 %B206.1 D103.1

회전감지센서 S 1 　 D30.2 %B60.2 %B206.2 D103.2

회전회수　　　 D3 %MW3 　　

운전중램프 LAMP 1 　 D40.0 %B80.0 　　

정지중램프 LAMP 2 　 D40.1 %B80.1 　　

정회전출력 M + 　 D40.2 %B80.2 　　

역회전출력 M + 　 D40.3 %B80.3 　　


Device Net

D50.0 %B100.0 %B210.0 D105.0

정지스위치 TG 2 　 D50.1 %B100.1 %B210.1 D105.1

회전감지센서 S 1 　 D50.2 %B100.2 %B210.2 D105.2

회전회수　　　 D5 %MW5 　　

운전중램프 LAMP 1 　 D60.0 %B120.0 　　

정지중램프 LAMP 2 　 D60.1 %B120.1 　　

정회전출력 M + 　 D60.2 %B120.2 　　

역회전출력 M + 　 D60.3 %B120.3 　　

정회전스위치 TG 1 P00

Modbus

D70.0 %B140.0 %B214.0 D107.0

정지스위치 TG 2 P01 D70.1 %B140.1 %B214.1 D107.1

회전감지센서 S 1 P02 D70.2 %B140.2 %B214.2 D107.2

회전회수　　　 D7 %MW7 　　

운전중램프 LAMP 1 P40 D80.0 %B160.0 　　

정지중램프 LAMP 2 P41 D80.1 %B160.1 　　

정회전출력 M + P42 D80.2 %B160.2 　　

역회전출력 M + P43 D80.3 %B160.3 　　

그림 3. Mitsubishi PLC의 Ethernet IP와 파라미터 설정

Fig. 3. Ethernet IP and parameter setting of Mitsubishi PLC.

49-56 8 오재준.indd 53 2017-06-15 오후 3:56:55

J. Pract. Eng. Educ. 9(1), 49-56, 2017


그림 4. ETOS-50의 Ethernet IP와 파라미터 설정

Fig. 4. Ethernet IP and parameter setting of ETOS-50.

그림 5. HMI의 Ethernet IP와 파라미터 설정

Fig. 5. Ethernet IP and parameter setting of HMI.

그림 6. Ethernet IP-CC Link 데이터에 대한 프로그램

Fig. 6. Program for Ethernet IP-CC Link data.

그림 7. Ethernet IP-Profibus DP 데이터에 대한 프로그램

Fig. 7. Program for Ethernet IP-Profibus DP data.

49-56 8 오재준.indd 54 2017-06-15 오후 3:56:55


55 http://JPEE.org

감시 등을 구현할 수 있다.● 필드버스를 활용한 생산시스템의 데이터베이스를 기반

으로 Industry 4.0의 IoT, 빅데이터, CPS 등과 연계하여 운

용할 수 있다.

으로 제어시스템과 필드기기 등을 통합하고 확장하기 위

한 실무 기술을 학습할 수 있다.● 산업현장 생산시스템의 계층간 구조를 이해하고 데이터

를 처리할 수 있으며, 로컬과 센터에 대한 실시간 진단,

그림 8. Ethernet IP-Device Net 데이터에 대한 프로그램

Fig. 8. Program for Ethernet IP-Device Net data.

그림 9. Ethernet IP-Modbus 데이터에 대한 프로그램

Fig. 9. Program for Ethernet IP-Modbus data.

그림 10. 모니터링을 위한 HMI 화면

Fig. 10. HMI screen for monitoring.

49-56 8 오재준.indd 55 2017-06-15 오후 3:56:56

J. Pract. Eng. Educ. 9(1), 49-56, 2017


Dissertation, Chungbuk National University, Cheongju,

Chungcheongbuk-do, 2017.

[2] J. S. Oh, D. H. Kwon, S. H. Hong, and T. W. Kim, “Field-

bus standardization promotion status and technology forecast,”

Monthly Instrument Technology, 2012.

[3] M. B. Lee and Y. S. Moon, “Introduction and advantages

of fieldbus,” Monthly Instrumentation Technology, 2002.

[4] S. J. Kim, “Design and implementation of educational

PLC experiment KIT,” Master Dissertation, Graduate

School of Industry, Kumoh National Institute of Technology,

Gumi, Gyeongsangbuk-do, 2009.

[5] W. S. Jang, “Development of educational PLC device

based on the National competency standards,” Master

Dissertation, Graduate School of Industrial, Kyungpook

National University, Daegu, 2016.

[6] S. Y. Lee and D. P. Jeon, “The development of PLC pro-

gramming education system based on distance learning,”

Journal of the Korea Industrial Information Systems Society,

vol. 11, no. 5, pp. 78-85, 2006.

[7] E. Han, S. M. Park, and S. E. Hong, “Design and imple-

mentation of web-based plc laboratory for industrial au-

tomation training and training,” Journal of the Academic-Industrial Science Society, vol. 11, no. 1, pp. 101-106,

January, 2010.

III. 결 론

본 논문에서는 스마트팩토리 구축을 위해 필수적인 필드

버스를 학습할 수 있도록 선행연구의 직무분석과 교육과정

설계에 따른 PLC기반의 필드버스 교육 장비와 교육과정을

개발하고 다양한 PLC와 통신카드를 활용하여 학습할 수 있

도록 실습 예제를 구현하였다. 특히, 개발된 장비는 다양한

산업현장에서 사용중인 PLC와 필드버스 통신기술을 중심으

로 제작하여 피교육자가 교육을 이수 후 실무에서 바로 적용

할 수 있다. 따라서 기존의 단일시스템 중심의 PLC 프로그램

학습보다 Industry 4.0과 연계되는 설계, 제작, 유지보수의 다

양한 직무를 위한 분산된 필드기기의 제어와 원격진단 및 타

사 제품과의 호환능력을 기대할 수 있다.

감사의 글

본 논문은 2015년도 한국기술교육대학교 능력개발교육원

의 “신기술훈련장비 개발” 연구사업 및 한국기술교육대학교

의 교수연구진흥비의 지원으로 수행되었습니다.

참고문헌

[1] J. S. Kim, “Big data analysis for smart factory implemen-

tation in small and medium manufacturing process,” Ph. D.

오 재 준 (Jae-Jun Oh)_정회원

2005년 2월：계명대학교 산업기술대학원 산업안전공학과 석사

2010년 8월 ~ 현재：오산대학교 기계과 겸임교수

2006년 8월 ~ 현재：한국기술교육대학교 메카트로닉스공학과 박사과정

<관심분야> 메카트로닉스, 자동제어, HRD

최 성 주 (Seong-Joo Choi)_종신회원

1981년 2월 : 한양대학교 기계공학과 석사

1987년 8월 : 한양대학교 기계공학과 박사

1991년 3월 ~ 현재 : 한국기술교육대학교 기계공학부 교수

<관심분야> 메카트로닉스, VI응용 계측제어

49-56 8 오재준.indd 56 2017-06-15 오후 3:56:56

Documents

Development of PLC-based Fieldbus Educational Equipment