[PLC] Petri Net을 활용한 PLC 자동화 프로그래밍 기법 연구


1. 서론

PLC(Programmable Logic Controller)는 산업 자동화에서 핵심적인 역할을 하며, 주로 Ladder Diagram(LD)과 Structured Text(ST) 언어로 프로그래밍된다. 하지만 래더 다이어그램만으로 공정을 설계하는 것은 직관적이지만, 체계적인 설계 접근법이 부족할 수 있다. 이에 따라 Petri Net을 모델링 도구로 활용하여 PLC 자동화 프로그램을 설계하고 변환하는 기법을 연구하고자 한다.

Petri Net을 활용하면 시스템의 동작을 수학적으로 분석하고, 상태 변화와 이벤트 흐름을 명확하게 정의할 수 있다. 이는 동기화, 병렬 처리, 리소스 공유 문제 등을 체계적으로 모델링하는 데 강점을 가지며, 복잡한 산업 공정을 논리적으로 설계하는 데 유용하다.

2. Petri Net 개요

Petri Net은 상태(State)와 이벤트(Event)를 명확하게 정의할 수 있는 수학적 모델로, 공정 흐름을 논리적으로 표현하는 데 강점이 있다. Petri Net의 주요 구성 요소는 다음과 같다.

  • Place (장소): 시스템의 상태를 나타냄
  • Transition (전이): 상태 변화(이벤트)를 나타냄
  • Token (토큰): 상태의 활성화를 나타냄
  • Arc (연결선): Place와 Transition 간의 관계 정의

Petri Net은 순차 공정, 동기화, 병렬 프로세스를 명확하게 표현할 수 있어 산업 자동화 공정의 모델링 도구로 적합하다. 특히 자동화 라인에서 로봇의 협업, 물류 흐름 최적화, 생산 공정 동기화 등의 분야에서 활용될 수 있다.

3. Petri Net을 PLC 코드로 변환하는 기법

Petri Net을 PLC 프로그램으로 변환하려면 LD 또는 ST 언어로 변환하는 명확한 규칙이 필요하다.

3.1 Petri Net → SFC(Sequential Function Chart) 변환

SFC(순차 기능 차트)는 PLC에서 순차 공정 및 상태 기반 제어를 쉽게 표현할 수 있는 도구로, Petri Net과 유사한 개념을 가진다.

  • Place (장소) → Step
  • Transition (전이) → Transition 조건
  • Token (토큰) → 활성화된 Step

SFC는 PLC에서 순차 공정을 다룰 때 유용하므로 Petri Net을 SFC로 변환한 후, Ladder Diagram이나 ST 코드로 변환할 수 있다.

3.2 Petri Net → Ladder Diagram 변환

Ladder Diagram은 직관적인 시각적 표현이 가능하므로, Petri Net의 상태 전이를 릴레이 논리로 변환하면 PLC에서 쉽게 구현할 수 있다.

  • Place (장소) → 내부 릴레이 (M 비트 사용)
  • Transition (전이) → 접점 조건 및 코일
  • 토큰의 흐름 → 상태 변화 논리 구현

예를 들어, 컨베이어 벨트가 특정 조건에서만 작동하도록 제어하는 공정을 Petri Net으로 모델링한 후, 이를 Ladder Diagram으로 변환할 수 있다.

3.3 Petri Net → Structured Text 변환

Structured Text(ST)는 복잡한 논리 처리를 쉽게 구현할 수 있어, Petri Net의 전이 논리를 IF-THEN 문으로 변환하여 활용할 수 있다.

  • Place (장소) → Boolean 변수 (Step_A := TRUE;)
  • Transition (전이) → IF 조건문 사용 (IF Condition THEN Step_A := FALSE;)
  • Token 흐름 → 상태 변화 조건문으로 처리

예제 코드:

IF Sensor_Input THEN
    Step_A := FALSE;
    Step_B := TRUE;
END_IF;

4. 자동 변환 알고리즘 개발 가능성

Petri Net을 기반으로 PLC 프로그램을 자동 생성하는 알고리즘을 개발하면, 설계 자동화 및 코드 표준화가 가능해진다. Python을 활용하여 Petri Net을 XML 형식으로 저장하고 이를 Ladder Diagram 또는 ST 코드로 변환하는 스크립트를 만들면 자동 변환이 가능하다.

자동 변환의 주요 흐름은 다음과 같다:

  1. Petri Net 모델을 XML 또는 JSON 형식으로 변환
  2. 변환된 데이터를 기반으로 LD/ST 코드 자동 생성
  3. PLC 시뮬레이터에서 테스트 및 검증 수행

5. 연구 방향

  1. Petri Net을 활용한 PLC 공정 모델링 기법 연구
  2. Petri Net → SFC → LD/ST 변환 규칙 정립
  3. 소형 공정(컨베이어, 로봇 팔 등) 예제 모델링 및 변환 실험
  4. 자동 변환 스크립트 개발 가능성 검토 (Python + PLC 코드 생성)
  5. Petri Net 기반 시뮬레이션 도구 활용 및 검증 실험

6. Petri Net 설계 및 시뮬레이션을 위한 무료 툴

Petri Net을 모델링하고 시뮬레이션하는 데 사용할 수 있는 무료 도구는 다음과 같다:

  1. PIPE (Platform Independent Petri net Editor)

    • 오픈소스 Petri Net 모델링 도구
    • 시뮬레이션 및 분석 기능 제공
    • Windows, Linux, Mac 지원
    • 다운로드 링크

  2. WoPeD (Workflow Petri Net Designer)

    • 워크플로우 모델링에 특화된 Petri Net 도구
    • 시뮬레이션 기능 내장
    • Windows 지원
    • 공식 사이트

  3. TAPAAL

    • 시간 제약 Petri Net(Time Petri Net) 분석 가능
    • 모델 체킹 및 검증 기능 제공
    • 공식 사이트

이러한 도구를 활용하면 Petri Net 모델을 설계하고, 이를 기반으로 PLC 코드로 변환하는 연구를 진행할 수 있다.

7. 결론

Petri Net을 모델링 도구로 활용하면 PLC 자동화 공정 설계를 보다 체계적으로 접근할 수 있으며, LD 또는 ST 코드로 변환하여 실행 가능하다. 이를 기반으로 자동 변환 알고리즘을 개발하면 설계 자동화, 유지보수 용이성, 코드 표준화 등의 장점이 기대된다. 향후 연구를 통해 변환 기법을 구체화하고, 실제 자동화 공정에 적용하는 실험을 진행할 예정이다.

또한, 무료 Petri Net 설계 및 시뮬레이션 도구를 활용하면 연구 및 실험을 더욱 효과적으로 수행할 수 있다.

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