[논문 리뷰] A Framework for the Implementation of Industrial Automation Systems Based on PLCs

Kleanthis Thramboulidis|arXiv (Cornell University)|2014. 02. 17.

Flexible and Reconfigurable Manufacturing Systems참고 문헌 45인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 산업 자동화 시스템(IAS)을 위한 시스템 공학 프레임워크를 제안한다. 이 프레임워크는 고수준 추상화를 위한 객체지향적 IEC 61131-3, SysML/UML, 그리고 사이버-물리 통합을 위한 IoT를 통합한다. 모델 기반 설계 및 현대 소프트웨어 공학 관행을 활용함으로써, 기존 순차적 접근 방식에 비해 더 유연하고 확장성 있으며 최적화된 IAS 개발을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Industrial automation systems (IASs) are traditionally developed using a sequential approach where the automation software, which is commonly based on the IEC 61131 languages, is developed when the design and in many cases the implementation of mechanical parts have been completed. However, it is claimed that this approach does not lead to the optimal system design and that the IEC 61131 does not meet new challenges in this domain. In this paper, a system engineering process based on the new version of IEC 61131, which supports Object Orientation, is presented. SysML and UML are utilized to introduce a higher layer of abstraction in the design space of IAS and Internet of Things (IoT) is considered as an enabling technology for the integration of Cyber and Cyber-physical components of the system, bringing into the industrial automation domain the benefits of these technologies.

연구 동기 및 목표

• 기존 순차적 개발 방식에서 소프트웨어가 설계 주기의 후반부에 구현되는 한계를 해결하기 위해.
• 현대적 시스템 복잡성과 통합 요구사항을 처리하는 데에 한계가 있는 IEC 61131 표준의 단점을 극복하기 위해.
• 더 높은 추상화 수준과 향상된 설계 명확성을 위해 SysML 및 UML를 활용한 모델 기반 시스템 공학 프로세스를 도입하기 위해.
• 사이버-물리 시스템(CPS) 및 IoT 기술을 IAS에 통합하여 상호 운용성과 실시간 제어 능력을 향상시키기 위해.
• PLC 프로그래밍에서 객체지향 원칙을 활용한 소프트웨어 및 하드웨어 동시 설계를 통해 최적의 시스템 설계를 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 구조적이고 재사용 가능하며 유지보수가 용이한 PLC 코드를 위해 IEC 61131-3의 객체지향 확장을 채택하기 위해.
• 시스템 아키텍처, 동작 및 상호작용을 더 높은 추상 수준에서 모델링하기 위해 SysML 및 UML를 적용하기 위해.
• 사이버 및 물리적 구성 요소 간의 통신과 조율을 가능하게 하기 위해 IoT 기술을 통합하기 위해.
• 시스템 설계를 저수준 구현에서 분리함으로써 조기에 검증 및 검증이 가능하도록 모델 기반 설계를 사용하기 위해.
• 동시 공학을 지원하고 설계 결함을 조기에 발견할 수 있도록 시스템 공학 프로세스를 정의하기 위해.
• 표준화된 변환 규칙과 도구를 사용하여 고수준 모델을 실행 가능한 PLC 코드로 매핑하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IEC 61131-3의 객체지향 원칙은 산업 자동화 시스템의 설계 및 유지보수성에 어떻게 기여하는가?
• RQ2 SysML 및 UML은 IAS 아키텍처 및 동작 모델링의 추상화 수준과 명확성을 어느 정도 향상시키는가?
• RQ3 전통적인 PLC 기반 자동화 시스템에 IoT 기술을 효과적으로 통합하여 사이버-물리 시스템 기능을 어떻게 실현할 수 있는가?
• RQ4 모델 기반 시스템 공학 접근 방식은 순차적 방법에 비해 IAS의 개발 시간을 단축시키고 시스템 품질을 향상시키는 데에 얼마나 기여하는가?
• RQ5 기존 순차적 IAS 개발에서 모델 기반, 객체지향적, IoT 기반 프레임워크로 전환하는 데에 직면하는 주요 과제는 무엇인가?

주요 결과

• 제안된 프레임워크는 순차적 개발에서 동시 개발로의 전환을 통해 더 체계적이고 최적의 산업 자동화 시스템 설계를 가능하게 한다.
• 객체지향적 IEC 61131-3 통합은 PLC 기반 시스템에서 코드 재사용성, 모듈성 및 유지보수성을 향상시킨다.
• SysML 및 UML 모델은 더 높은 수준의 추상화를 제공하여 시스템 이해도를 높이고 이해관계자 간 소통을 용이하게 한다.
• IoT 통합은 사이버 및 물리적 구성 요소 간의 원활한 데이터 교환과 조율을 가능하게 하여 시스템의 반응성과 확장성을 향상시킨다.
• 모델 기반 개발을 통해 조기에 검증 및 검증이 가능해져 후반단 설계 오류를 감소시킨다.
• 정량적 성능 메트릭이 보고되지 않았지만, 수정된 버전은 그림의 수정이 핵심 결과나 결론에 영향을 주지 않았음을 확인한다.