[PLC] PLC 프로그래밍에서 Petri Net과 ST 언어를 활용한 설계 방법론

3월 25, 2025

1. 왜 PLC 프로그래밍에는 설계 방법론이 부족할까?

PC 소프트웨어 개발에는 다양한 설계 방법론이 존재합니다. 예를 들어 객체지향 설계(OOP), 디자인 패턴, UML 등을 활용하여 체계적으로 개발할 수 있습니다. 그러나 PLC 프로그래밍에서는 이러한 체계적인 설계 방법론이 부족합니다.

PLC 프로그램은 주로 래더 다이어그램(LD) 또는 구조적 텍스트(ST)로 작성되는데, 대부분의 개발 방식이 경험에 의존하며, 체계적인 설계 모델 없이 즉흥적으로 작성되는 경우가 많습니다. 이로 인해 유지보수가 어렵고, 코드의 가독성이 떨어지며, 새로운 엔지니어가 기존 코드를 분석하는 데 많은 시간이 소요됩니다.

PLC 프로그래밍에도 체계적인 설계 방법론이 필요합니다. 이를 해결하기 위한 방법으로 Petri Net을 활용한 시각적 모델링과 ST 언어 기반의 일관된 코드 작성 원칙을 결합하는 방법을 제안합니다.

2. Petri Net을 활용한 PLC 시각적 모델링

2.1 Petri Net이란?

Petri Net은 이벤트 기반 시스템의 흐름을 모델링하는 도구입니다. 상태(Places)와 상태 전이(Transitions)로 구성되며, 특정 이벤트(조건)가 충족되면 상태가 변화하는 방식으로 동작합니다. 이는 PLC의 상태 기반(State-based) 논리를 표현하는 데 매우 적합합니다.

Petri Net은 다음과 같은 요소로 구성됩니다:

Place(상태 노드): 시스템의 특정 상태를 나타냅니다.
Transition(전이 노드): 상태 간 변화를 결정하는 이벤트입니다.
Arc(화살표): Place와 Transition을 연결하여 상태 변화의 흐름을 정의합니다.

PLC 프로그램을 Petri Net으로 모델링하면, 전체적인 논리 흐름을 직관적으로 이해할 수 있으며, 이를 기반으로 표준화된 ST 코드를 작성할 수 있습니다.

2.2 Petri Net을 사용한 설계 프로세스

시스템 동작을 분석하고 주요 상태를 정의한다.
상태 간 전이 조건을 명확하게 정리한다.
Petri Net을 작성하여 시스템의 전체 흐름을 시각화한다.
이 모델을 기반으로 ST 언어로 변환하여 구현한다.

3. ST 언어를 활용한 구현 및 리버스 엔지니어링 가능성

Petri Net 모델을 기반으로 ST 언어를 구현하려면, 일관된 코드 작성 방식이 필요합니다. 일관된 패턴을 따르면 ST 코드에서 Petri Net을 복원(리버스 엔지니어링)하는 것도 가능합니다.

3.1 ST 코드 작성 원칙

✅ (1) 상태(State)를 명확하게 변수로 정의하기

모든 상태는 ENUM 또는 INT 값으로 정의해야 합니다.
Petri Net의 Place(상태 노드)와 직접적으로 대응됩니다.

TYPE StateType : (IDLE, RUNNING, DETECT, EJECT) END_TYPE;
VAR state : StateType := IDLE;

✅ (2) 상태 전이를 CASE 문으로 구현하기

모든 상태 전이는 CASE 문으로 관리해야 합니다.
Petri Net의 Transition(이벤트 조건)과 대응됩니다.

CASE state OF
    IDLE:
        IF startButton THEN
            state := RUNNING;
        END_IF;
    
    RUNNING:
        IF sensor THEN
            state := DETECT;
        END_IF;
    
    DETECT:
        IF ejector THEN
            state := EJECT;
        END_IF;
    
    EJECT:
        state := IDLE;
END_CASE;

✅ 일관된 CASE 문을 사용하면 Petri Net으로 변환이 쉬워집니다! ✅ 상태 간 전이가 명확하여 리버스 엔지니어링이 가능합니다!

✅ (3) 전이(Transition) 조건을 별도의 함수로 분리하기

복잡한 전이 조건을 별도 함수로 정의하면 Petri Net 변환 시 유리합니다.

FUNCTION CheckTransition : BOOL
    IF (state = RUNNING) AND (sensor) THEN
        CheckTransition := TRUE;
    ELSE
        CheckTransition := FALSE;
    END_IF;
END_FUNCTION

Petri Net 변환 시:

Transition 노드 → CheckTransition() 함수
Place 노드 → state 값

이렇게 매칭하면 변환이 쉬워집니다.

4. ST → Petri Net 변환 프로세스 (리버스 엔지니어링)

PLC의 ST 코드를 보고 Petri Net을 복원하는 방법을 생각해봅시다.

🔍 분석 과정

1️⃣ CASE 문 분석 → 상태(State) 목록 추출

CASE state OF 내부에 등장하는 모든 상태(State)를 Petri Net의 Place 노드로 변환

2️⃣ IF 조건 분석 → 상태 전이(Transition) 추출

IF 조건 THEN state := XXX; → Transition 노드로 변환
Transition 노드에는 전이 조건을 추가 (예: sensor가 TRUE일 때 이동)

3️⃣ 함수 분석 → 복잡한 전이 로직 보완

CheckTransition() 같은 함수가 사용되었으면 Transition의 조건으로 추가

5. 결론: Petri Net + ST 언어로 PLC 설계 방법론 구축하기

PLC 프로그래밍에서도 체계적인 설계 방법론이 필요합니다. Petri Net을 활용한 시각적 모델링과 ST 언어의 일관된 코드 작성 원칙을 결합하면 다음과 같은 이점을 얻을 수 있습니다.

✅ 가독성 향상: Petri Net을 활용하면 PLC 프로그램의 논리 흐름이 한눈에 보입니다.
✅ 유지보수 용이: ST 언어에서 일관된 패턴을 따르면 유지보수가 쉬워집니다.
✅ 리버스 엔지니어링 가능: 표준화된 ST 코드 작성 방식 덕분에 기존 코드를 분석하고 Petri Net으로 변환하는 것이 가능합니다.
✅ 설계 자동화 가능: Petri Net 모델을 기반으로 자동으로 ST 코드를 생성하는 도구도 개발할 수 있습니다.

PLC 프로그래밍에서도 체계적인 방법론을 적용하면 더 효율적인 개발이 가능합니다. Petri Net과 ST 언어를 조합하여 표준화된 설계 방법론을 구축해보세요! 🚀

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