[논문 리뷰] Inter-communication between Programmable Logic Controllers using IoT technologies: A Modbus RTU/MQTT Approach

Marios Tyrovolas, Tibor Hajnal|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 11.

Network Time Synchronization Technologies참고 문헌 11인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 현지 PLC-게이트웨이 간 통신을 위한 Modbus RTU와 게이트웨이 간 데이터 교환을 위한 MQTT를 사용하여 두 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC) 간의 IoT 기반 통신 아키텍처를 제안한다. 이 솔루션은 실시간, 확장 가능하고 신뢰할 수 있는 분산 제어 시스템 내의 PLC 간 통신을 가능하게 하기 위해 시멘스 시마틱 IoT2020 게이트웨이를 활용하며, 실험적 환경에서 전통적인 산업 프로토콜과 현대적인 IoT 메시징 프로토콜 간의 효과적인 통합을 입증한다.

ABSTRACT

Internet of Things (IoT) can be widely used in various applications such as manufacturing industry,achieving high operational efficiency and increased productivity.The exploitation of IoT paradigm made more feasible the use of distributed control systems (DCS) where more than one PLCs implement an industrial application.In case of having more than one PLC,it is obligatory to ensure their inter-communication.In this paper,a solution for PLCs' communication using Message Queuing Telemetry Transport (MQTT) IoT-protocol is presented.An experimental industrial plant was used,controlled by two PLCs.For the process' implementation,two Siemens gateways Simatic IoT2020 were integrated and communicated with the PLCs through Modbus Remote Terminal Unit (RTU) industrial protocol.Finally,data exchange between the two gateways was established using MQTT protocol.

연구 동기 및 목표

• 분산 제어 시스템(DCS)에서 다수의 PLC 간 상호 통신 문제를 현대적인 IoT 기술을 활용하여 해결하기 위해.
• 확장성 있고 실시간 데이터 교환을 가능하게 하기 위해 기존 산업 프로토콜인 Modbus RTU를 경량 IoT 메시징 프로토콜인 MQTT와 통합하기 위해.
• 실제 산업 제어 환경에서 하이브리드 Modbus RTU/MQTT 통신 아키텍처의 실현 가능성과 성능을 검증하기 위해.
• 일반 소매 산업용 게이트웨이를 사용한 IoT 기반 PLC 조율의 실용적 구현을 보여주기 위해.

제안 방법

• PLC 간 중계 역할을 하는 두 대의 시멘스 시마틱 IoT2020 게이트웨이를 사용하여 프로토콜 번역 및 데이터 전달을 가능하게 하였다.
• 각 PLC와 해당 게이트웨이 간 직접적인 저수준 통신을 위해 Modbus RTU를 사용하였다.
• 네트워크를 통해 비동기적이고 이벤트 기반의 데이터 교환을 가능하게 하기 위해 MQTT를 게이트웨이 간 통신 프로토콜로 구현하였다.
• 게이트웨이 간 실시간 데이터 공유를 가능하게 하기 위해 MQTT 토픽에 게재하고 구독하도록 시스템을 구성하였다.
• 실험적 설정으로는 두 대의 PLC가 물리적 산업 공장을 제어하며, 게이트웨이 간 MQTT 채널을 통해 데이터를 교환하는 구성이 포함되었다.
• 실제 산업 제어 환경에서 신뢰성과 지연 시간을 측정하기 위해 아키텍처를 테스트하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다수의 PLC 간 상호 통신을 위해 Modbus RTU와 MQTT를 효과적으로 결합하는 방법은 무엇인가?
• RQ2 Modbus RTU를 현지 제어에 유지하면서 MQTT를 통해 게이트웨이 간 통신을 매개하는 IoT 게이트웨이를 사용할 경우 성능 및 신뢰성은 어떠한가?
• RQ3 기존 PLC 네트워킹과 비교해 볼 때 하이브리드 프로토콜 아키텍처는 산업 자동화 시스템의 복잡성 감소와 확장성 향상에 기여할 수 있는가?
• RQ4 실시간 제어 응용 분야에서 기존 산업 프로토콜을 현대적인 IoT 메시징 프로토콜과 통합할 때의 실용적 과제와 제한 사항은 무엇인가?

주요 결과

• 제안된 Modbus RTU/MQTT 아키텍처는 중계 게이트웨이를 통해 두 PLC 간 실시간 데이터 교환을 성공적으로 구현하였다.
• 게이트웨이 간 통신에 MQTT를 사용함으로써 저지연, 고신뢰성, 확장 가능한 통신이 가능하여 산업용 IoT 응용 분야에 적합함을 입증하였다.
• 시멘스 시마틱 IoT2020 게이트웨이는 프로토콜 번역 및 네트워크 통신을 효과적으로 처리하여 산업용 엣지 컴퓨팅에 적합함을 입증하였다.
• 테스트 기간 동안 네트워크 전반에 걸쳐 일관된 데이터 동기화와 통신 무결성을 유지하였다.
• 실제 실험적 산업 공장 환경에서 Modbus RTU와 MQTT의 통합은 실현 가능하고 효과적인 것으로 입증되었다.