1. 서 론

최근 산업기술이 고도화됨에 따라 전기·전자기기를 활용한 자동화 기기들이 생활 깊숙이 자리 잡고 있다. 가정은 홈 오토메이션, 회사는 오피스 오토메이션, 공장은 팩토리 오토메이션이라는 이름으로 가전제품은 집이 아닌 외부에서 감시·제어 기능을 추가하고 있으며, 사무기기 또한 사무실이 아닌 이동 중에 사용이 가능한 구조로 기능이 진화되고 있다^(1-3).

공장의 산업기기 또한 특정 장소(제어실)가 아닌 운영자가 현장을 직접 점검하며 모니터링하는 방식으로 운영되고 있으며, IIoT(Industrial Internet of Things)라는 세계적인 변화 추세 속에 관련 제품과 솔루션들이 급속도로 출시되고 있다⁽⁴⁾⁽⁵⁾.

특히 산업기기를 자동화하고 원격에서 관리하는 방식은 설비의 운영인력을 감소시키고 생산성을 높이는 가장 중요한 요소이다. 이러한 이유로 산업용으로 사용되는 전자기기, 통신기기, 제어기기들은 일반 사무용 기기 대비 월등히 높은 가격대의 시장을 형성하고 있다. 이러한 이유로 우리나라 제조업 80% 이상을 차지하는 영세 사업자들의 경우 운영하는 사업장의 자동화에 투자하는 비용을 감당하지 못하고 기존의 시설을 고전적인 방식으로 운영하고 있다⁽⁶⁾⁽⁷⁾.

이에 본 논문에서는 IoT의 기능을 기본으로 제공하는 라즈베리파이를 이용하여 소규모 생산현장을 부담 없는 비용으로 IIoT (Industrial IoT)를 구현할 수 있도록 원격단말장치(RTU-Remote Terminal Unit)와 제어감시시스템 구성 방법에 대해 제안한다.

기존에 발표된 라즈베리파이를 이용하는 IoT 응용솔루션의 경우 하드웨어 자체가 학습과 실험용으로 제작된 특성으로 인하여 개발솔루션의 적용은 실험실 또는 가정용에 국한되는 한계점을 가지고 있으나 제안한 원격단말장치(RTU)는 라즈베리파이 하드웨어가 산업현장에서 발생되는 노이즈 환경에 대응할 수 있는 입출력 보호회로를 추가 구성하고, 산업계 표준 범용통신 프로토콜인 Modbus를 지원하여 소규모 산업현장적용이 가능하다.

또한, 오픈소스의 다양한 프로그램을 무상으로 이용할 수 있으며, IoT의 핵심 기능인 스마트기기를 활용한 시스템 모니터링도 가능하다.

본 논문의 순서는 다음과 같다. 1장인 서론에 이어 2장에서는 라즈베리파이를 이용하여 원격단말장치 및 제어감시시스템을 구성하고, 3장에서는 실제로 장치와 시스템을 구현하고 간단한 시설물 제어를 통해 전체 시스템의 동작 확인 및 고찰을 진행하였으며, 마지막으로 4장에서는 본 논문의 결론을 짓고 마무리한다.

2. 원격단말장치 및 제어감시시스템 설계

본 논문에서는 라즈베리파이를 주 제어장치로 하는 원격단말장치와 제어감시시스템의 설계를 진행하며, 제안한 장치와 시스템의 구성도는 그림 1과 같다.

라즈베리파이가 지원하는 입·출력장치가 산업현장에서 발생하는 노이즈로부터 하드웨어를 보호할 수 있도록 그림 2와 같이 입출력 모든 포인트에 Photo-coupler를 추가하고, 생산시설을 충분한 감시·제어가 가능하도록 표 1과 같이 입·출력 포인트의 수량을 확보하였다.

또한, 오픈소스 UI 프로그램과 터치 조작과 모니터링이 가능한 라즈베리파이 디스플레이 모듈을 이용하여 수집되는 신호의 현장 표출과 제어가 가능하도록 구성하고, 원격 모니터링을 지원하기 위한 자바 기반의 Web 모니터링 UI도 함께 구성하였다.

3. 원격단말장치 및 제어감시시스템 구현 및 테스트

본 논문은 라즈베리파이를 주 제어장치로 하는 원격단말장치와 제어감시시스템의 설계를 토대로 실제 구현을 수행하였으며, 제어감시시스템 구현에 사용된 장비는 다음 표 2와 같다.

메인 장비인 라즈베리파이에는 제조사가 제공하는 운영소프트웨어인 라즈비안을 설치하여 디바이스의 기본 구동을 담담하게 하였으며, 오픈소프트웨어로 제공되는 인터페이스 프로토콜을 이용하여 I/O 보드와의 통신을 구현하였다. 사용자가 쉽게 현장의 운영상황을 감시할 수 있도록 원격단말장치에 디스플레이를 일체형으로 포함하는 타입과 스마트기기와 노트북과 같이 일정 거리 이상의 원격지에서 현장 상황을 감시할 수 있는 타입의 2가지 형태를 구현하였다.

그림 3의 상부 원격단말장치는 라즈베리파이, 라즈베리파이 Display, SRIO-100 I/O보드 및 Galaxy TAB을 이용하여 감시제어 설비를 구성하였으며, 하부 원격단말장치는 라즈베리파이, Uni Pi I/O보드 및 Galaxy Note 5를 이용하여 감시제어 설비를 구성하였다. 구현에 사용된 원격단말장치 2가지 타입 모두 별도의 추가 장비가 없이도 이동 단말기의 웹브라우져를 이용한 감시제어가 가능하도록 라즈베리파이에서 웹서비스 제공하도록 구현하였다.

구현된 원격단말장치의 산업현장 적용 가능 여부를 검증하기 위해 입출력 테스트 지그를 만들어 입력되는 디지털 상태 신호의 화면 표출 속도와 입력된 디지털 상태 신호를 기반으로 생성되는 출력 신호 생성속도 측정을 진행하였다.

그림 4는 원격단말장치의 기능을 테스트하기 위해 제작한 입출력 테스트 지그로 디지털 입력신호의 발생과 출력 신호의 확인이 가능하다. 원격단말 장치의 입력 반응시간 측정은 ‘타임스템프 카메라(timestamp camera)’ 앱을 이용하여 테스트지그를 이용한 신호입력과 Display 장치를 통해 상태가 변화되는 테스트 전 과정을 동영상으로 촬영한 후, ‘BANDICUT’ 프로그램을 이용하여 테스트 지그를 통해 입력된 디지털 신호가 Display 화면상에 표현되는 시간을 산출하였다.

표 3은 I/O 보드로 입력되는 현장의 신호가 감시화면에 표출되는 시간을 가정하여 3회 입력 시간을 측정하여 평균 시간을 산출하였으며, 표 4는 입력 신호를 기반으로 로직 연산결과가 출력되어 입출력 테스트지그의 출력 LED가 점등되는 시간을 입력반응시간 측정의 방법과 동일한 과정으로 10회 실시하여 평균을 산출한 결과이다.

그림 5는 I/O보드에서 제공하는 오프소스 UI 편집기를 이용하여 실제 현장에 적용하여 원하는 설비의 조작이 가능하도록 UI와 동작 스위치를 위치시키고 해당 명령을 할당하여 스마트기기와 현장 디스플레이를 통해 감시·제어 행위를 확인할 수 있도록 구현하였다.

그림 6은 2가지의 I/O 보드를 이용하여 각기 다른 소규모 현장 환경에 적용한 것으로. 현장에 설치된 전등, 환풍기 및 콘센트의 전원을 스마트기기를 이용하여 제어하고 상태 변화 여부가 표출되는 모습이다.

스마트팩토리 구현을 위한 전용 기기가 아닌 범용 임베디드 보드인 라즈베리파이와 I/O보드를 이용하여, 입력신호의 화면표출과 연산결과 출력시간이 2초 이내에 원활하게 진행됨과 소규모 작업 현장의 운영화면(UI)작성과 이를 이용한 감시제어가 가능함을 확인함으로 저렴한 비용으로 소규모 현장에 최적화된 제어감시시스템을 구현할 수 있음을 구현하고 확인하였다.

4. 결 론

본 논문에서는 범용 임베디드보드인 라즈베리파이와 확장 I/O보드를 활용하여 IoT 원격제어감시를 위한 원격단말장치와 제어감시시스템을 제안하였다. 이를 통해 필요한 현장의 상태정보를 수집하고 기기의 원격 감시제어를 통해 효과적인 관리 운영이 가능함을 확인하였다.

또한, 오픈소스기반의 소프트웨어인 라즈비안과 UI편집기를 통해 원격단말장치와 제어 감시시스템을 구현하여 소규모 현장에 최적화된 터치패널 LCD 기반의 정보 표출 UI구성이 가능한 것을 확인하였다.

본 논문을 활용하여 실제로 소규모 제조업 현장의 간단한 설비의 원격제어감시를 저렴한 비용으로 구축할 수 있을 것으로 예상되며, 오픈소스로 제공되는 다양한 기능을 첨가하여 고기능을 구현할 수 있는 라즈베리파이 기반의 소규모 원격단말장치 및 제어감시시스템의 귀중한 참고자료로 활용할 수 있을 것으로 사료된다.