프로그래밍 허브

OPC (OLE for Process Control)

1. OPC란?
   • OPC는 Windows 프로그램이 산업용 하드웨어 장치와 통신할 수 있도록 지원하는 소프트웨어 인터페이스 표준입니다.
   • 주로 서버/클라이언트 모델로 구현됩니다.
   • 하드웨어 통신 프로토콜(PCL, 센서, RTU 등)을 OPC 프로토콜로 변환하여 데이터를 주고받거나 제어 명령을 실행할 수 있습니다.
2. OPC 구성 요소
   • OPC 서버:
     • PLC, 센서 등 하드웨어 장치와의 통신을 담당하며, 데이터를 OPC 프로토콜로 변환합니다.
   • OPC 클라이언트:
     • OPC 서버를 사용하여 데이터를 읽거나 제어 명령을 전송합니다.
3. OPC 활용 예
   • 제조 공장에서 센서 데이터를 수집하고, 그 데이터를 SCADA 시스템으로 보내는 역할.
   • 데이터를 실시간으로 모니터링하거나 기록, 분석하여 자동화 프로세스를 개선.

SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition)

1. SCADA란?
   • 원격 설비 감시 및 제어 시스템으로, 여러 설비를 중앙에서 모니터링하고 관리합니다.
   • 공장의 자동화된 감시 및 제어, 데이터 분석 및 효율적인 에너지 관리를 지원합니다.
2. SCADA 구성 요소
   • HMI (Human-Machine Interface):
     • 데이터 시각화 및 사용자 인터페이스를 제공합니다.
     • 관리자나 운영자가 공정 상태를 모니터링하고 제어할 수 있도록 지원.
   • 컴퓨터 감시 시스템:
     • 공정 관련 데이터를 수집하고, 하드웨어를 제어하기 위한 명령을 내립니다.
   • RTU (Remote Terminal Unit):
     • 현장 센서와 연결되어 신호를 디지털 데이터로 변환하고, 이를 감시 시스템에 전달합니다.
   • PLC (Programmable Logic Controller):
     • 다양한 자동화된 기기와의 연결 및 제어를 담당합니다. RTU보다 다목적이고 경제적입니다.
   • 통신 시설:
     • 원거리의 RTU, PLC 등과 제어 시스템 간 데이터 통신을 지원합니다.

OPC와 SCADA의 상호 작용

• OPC는 하드웨어와 SCADA 시스템 간 데이터 교환의 중간 다리 역할을 합니다.
• SCADA 시스템은 OPC 서버에서 데이터를 가져와 이를 시각화(HMI), 분석, 제어 등에 사용합니다.

활용 사례

1. 산업 공정 자동화:
   • 제조 라인에서 PLC와 SCADA를 통해 자동화된 작업 수행 및 오류 관리.
2. 에너지 관리:
   • 발전소, 송배전 시스템에서 데이터 수집 및 원격 제어.
3. 스마트 빌딩 관리:
   • HVAC 시스템, 조명, 보안 등 다양한 기기 관리.

장점

• 데이터 중앙화: 모든 데이터를 SCADA 시스템에서 관리.
• 실시간 모니터링 및 제어: 공정 효율성을 극대화.
• 다양한 기기와의 호환성: OPC 표준을 통해 여러 제조사의 장치와 통신.

관련 기술

• 프로토콜: MQTT, Modbus, BACnet.
• 데이터 시각화 도구: HMI, Grafana.
• 네트워킹 기술: TCP/IP, Ethernet.

1. 산업용 시리얼 통신 기반 프로토콜

시리얼 통신 기반의 PLC 프로토콜은 제조 환경에서 장치 간 데이터를 안정적으로 주고받는 데 사용됩니다.

a. PROFIBUS

• 특징:
  • 최대 속도: 12Mbps.
  • 최대 126개의 노드 연결 가능.
  • 공정 데이터 및 보조 데이터 전송에 적합.
• 사용 분야:
  • 제조 및 공정 자동화.

b. CAN 버스

• 특징:
  • 최대 속도: 1Mbps.
  • 물리 및 데이터 링크 계층 제공.
  • 자동차 및 산업 자동화에 주로 사용.
• 파생 프로토콜:
  • CANopen: 최대 127개의 노드 지원.
  • DeviceNet: 최대 64개의 노드 지원.

c. Modbus

• 특징:
  • 최대 속도: 115Kbps.
  • 최대 247개의 노드 연결 가능.
  • 공개된 프로토콜로 로열티 없이 사용 가능.
• 물리 연결:
  • RS-232 및 RS-485 기반.

d. CC-Link

• 특징:
  • 최대 속도: 10Mbps.
  • 최대 64개의 노드 연결.
  • 일본 미쓰비시에서 개발된 개방형 네트워크 프로토콜.
• 물리 연결:
  • RS-485 기반.

2. 산업용 이더넷 통신 프로토콜

산업용 이더넷은 TCP/IP를 기반으로 대기 시간을 줄이고, 결정적 응답성을 제공하는 통신 방식입니다.

a. EtherCAT

• 특징:
  • Beckhoff에서 개발.
  • 최대 65,535개의 노드 지원.
  • 실시간 이더넷 프로토콜로 낮은 대기 시간 제공.
• 주요 장점:
  • 하드웨어 기반 처리로 응답시간 극대화.
  • 유연한 네트워크 토폴로지 선택 가능.

b. EtherNet/IP

• 특징:
  • 응용 계층(Application Layer) 프로토콜.
  • TCP/IP 기반으로 다양한 장치 간 통신 지원.
  • 노드 수 제한 없음.
• 사용 분야:
  • 공장의 다양한 장치와 네트워크 연결.
• 한계:
  • 여러 프로토콜 혼용 시 실시간성과 시간결정성 저하.

c. PROFINET

• 특징:
  • Siemens 주도로 개발.
  • 세 가지 클래스 제공:
    • 클래스 A: 건물 자동화, 사이클 타임 100ms.
    • 클래스 B: 공장 자동화, 사이클 타임 10ms.
    • 클래스 C: 모션 컨트롤, 사이클 타임 1ms 미만.
• 장점:
  • PROFIBUS와의 원활한 연결 지원.

d. Ethernet POWERLINK

• 특징:
  • B&R이 개발.
  • IEEE 802.3 기반으로 유연한 네트워크 구성 지원.
  • 낮은 진입장벽과 오픈소스 스택 제공.
• 사용 사례:
  • PLC 간 통신, 모션 컨트롤 및 I/O 제어.

e. Sercos III

• 특징:
  • 시리얼 실시간 통신 시스템의 3세대 표준.
  • 사이클 타임: 31.25ms.
  • 데이터 통신 시 대기시간 최소화.
• 토폴로지:
  • 원형(Ring) 또는 선형(Line).
  • 통신 이중화 지원.

f. CC-Link IE

• 특징:
  • 최대 120개(컨트롤) 또는 254개(필드) 노드 연결.
  • 미쓰비시 개발, 원형 토폴로지 사용.
• 장점:
  • 네트워크 이중화 지원.
• 한계:
  • 노드 수와 네트워크 성능 간 상호 의존성.

g. Modbus/TCP

• 특징:
  • Modbus의 확장 버전.
  • TCP/IP를 활용해 메시지 전송.
• 장점:
  • 표준 이더넷 네트워크에서 구현 용이.
• 한계:
  • 실시간성과 시간결정성 미흡.

3. 프로토콜 비교 요약

프로토콜속도최대 노드 수특징

정리

1. 산업용 시리얼 통신은 안정적인 데이터 전송과 비용 효율성에 강점이 있음.
2. 산업용 이더넷 통신은 대규모 네트워크 구축과 실시간 데이터 처리가 강점.
3. 각 프로토콜은 속도, 연결 노드 수, 실시간성 등에서 차이를 보이므로 응용 환경에 적합한 프로토콜을 선택해야 함.

1. 기본 정의

• NPN형:
  • COM(공통 접점)이 **양극(+)**에 연결.
  • 시그널 출력은 **음극(-)**를 생성.
  • 싱크 아웃(Sink Output): 전류를 흘려보냄.
• PNP형:
  • COM(공통 접점)이 **음극(-)**에 연결.
  • 시그널 출력은 **양극(+)**를 생성.
  • 소스 아웃(Source Output): 전류를 공급.

2. NPN과 PNP 동작 원리

a. NPN형 동작

• 전압이 공급되면 트랜지스터가 작동하여 출력 단자에서 전류를 소비.
• 출력이 LOW(0V)일 때 작동.
• 회로 특성:
  • 출력 단자가 GND에 연결되며, 부하 전류가 흐름.

b. PNP형 동작

• 전압이 공급되면 트랜지스터가 작동하여 출력 단자에서 전류를 공급.
• 출력이 HIGH(+Vcc)일 때 작동.
• 회로 특성:
  • 출력 단자가 Vcc에 연결되며, 부하로 전류를 보냄.

3. 주요 차이점

특징NPNPNP

4. 응용 예시

NPN 센서

• 특징:
  NPN 센서는 출력 신호를 GND로 연결해 신호를 보냄.
• 사용 예:
  PLC(Programmable Logic Controller)와 같은 디지털 입력 장치에서 흔히 사용.

PNP 센서

• 특징:
  PNP 센서는 출력 신호를 Vcc로 연결해 신호를 보냄.
• 사용 예:
  산업용 제어 장치에서 부하로 전류를 공급.

5. 선택 기준

• PLC 및 제어 장치 호환성:
  • 장치가 NPN 또는 PNP 중 어떤 신호를 수용할 수 있는지 확인.
• 부하 연결:
  • GND 연결 부하는 NPN, Vcc 연결 부하는 PNP 적합.
• 지역 표준:
  • 유럽에서는 PNP 센서가 일반적.
  • 아시아 및 미국에서는 NPN 센서가 더 흔함.

6. 요약

• NPN형: GND로 전류를 싱크(Sink).
• PNP형: Vcc로 전류를 소스(Source).
• 선택은 응용 환경과 제어 장치 호환성에 따라 결정.

1. ASCII (American Standard Code for Information Interchange)

• 정의:
  컴퓨터에서 문자를 표현하기 위한 초기 표준 문자 인코딩 방식.
  영어 알파벳, 숫자, 기호 등 총 128개(7비트) 또는 256개(8비트)의 문자 정의.
• 특징:
  • 7비트 데이터 비트와 1비트 패리티 비트 사용.
  • 128개 문자는 기본 문자(영어, 숫자, 특수 기호) 포함.
  • 제한점:
    • 영어 외의 다른 언어 지원이 부족.
    • 다국어를 포함하는 대규모 문자 집합에 비효율적.
• 사용 사례:
  • 초기 컴퓨터 시스템과 텍스트 파일.
  • 프로그래밍 언어에서 기본 문자 세트.

2. Binary (바이너리, 2진수)

• 정의:
  0과 1 두 개의 숫자만으로 데이터를 표현하는 방법. 컴퓨터 데이터 표현의 기본.
• 특징:
  • 컴퓨터 내부의 모든 데이터는 바이너리로 처리.
  • 비트(bit) 단위로 표현.
  • 장점:
    • 하드웨어와의 직접적인 호환성.
    • 효율적인 데이터 표현.
  • 예:
    • 10진수 5를 바이너리로 표현하면 101.
• 사용 사례:
  • 모든 컴퓨터의 기본 데이터 표현 방식.
  • 파일 저장 및 전송.

3. UTF-8

• 정의:
  유니코드(UNICODE)를 기반으로 한 가변 길이 문자 인코딩 방식.
  최소 1바이트에서 최대 4바이트까지 사용.
• 특징:
  • ASCII와 호환:
    ASCII 문자(영어)는 1바이트만 사용.
  • 가변 길이:
    문자에 따라 1~4바이트 사용.
    • 1바이트: 영어, 숫자.
    • 2바이트: 유럽 및 중동 언어.
    • 3바이트 이상: 한중일 문자(한국어, 중국어, 일본어).
  • 장점:
    • 다국어 지원.
    • ASCII와의 하위 호환성.
  • 단점:
    • 3바이트 이상 문자(한중일 언어 등)는 비효율적.
• 사용 사례:
  • 웹 환경에서 널리 사용되는 인코딩 방식.
  • JSON, XML 같은 다국어 데이터 형식.

4. UNICODE

• 정의:
  전 세계의 모든 문자를 일관되게 표현하기 위해 만들어진 표준.
  모든 문자를 **고유 번호(코드 포인트)**로 매핑.
• 특징:
  • 유니코드 자체는 인코딩 방식이 아님.
  • 유니코드를 표현하기 위한 다양한 인코딩 방식 존재:
    • UTF-8: 가변 길이.
    • UTF-16: 2~4바이트.
    • UTF-32: 고정 4바이트.
  • 최대 1,114,112개의 문자 지원.
• 장점:
  • 다국어 지원에 최적화.
  • 일관된 문자 표현 가능.
• 단점:
  • ASCII보다 메모리 사용량 증가.
• 사용 사례:
  • 현대 컴퓨터 시스템에서 표준 문자 집합.
  • 국제화 및 다국어 지원 애플리케이션.

5. Default

• 정의:
  기본값으로, 초기 설정된 값 또는 시스템이 제공하는 값.
• 특징:
  • 메모리 관리와 관련된 프로그래밍 맥락에서 자주 사용.
  • 지역 변수와 매개변수:
    • 함수 내에서 선언된 지역 변수는 함수 종료 시 메모리에서 소멸.
    • 메인 함수 외의 변수는 기본적으로 초기화되지 않음.
• 사용 사례:
  • 디폴트 설정: 초기화되지 않은 변수에 대한 값.
  • 프로그래밍: 기본 인코딩 방식(예: UTF-8), 기본 메모리 할당.

비교 표

항목ASCIIBinaryUTF-8UNICODEDefault

요약

• ASCII: 초기 문자 인코딩 방식, 영어 중심.
• Binary: 컴퓨터에서 데이터를 표현하는 기본 방식.
• UTF-8: 다국어 지원에 적합한 유니코드 기반 인코딩.
• UNICODE: 모든 문자를 일관되게 매핑하는 표준.
• Default: 기본적으로 설정된 값으로, 초기 상태를 정의.