[스마트팜] 구형 PC와 EtherCAT을 활용한 온실 환경 제어 및 모션 제어 시스템 설계

 

구형 PC와 EtherCAT을 활용한 온실 환경 제어 및 모션 제어 시스템 설계

온실의 자동화 제어 시스템을 구축할 때, 정밀한 센서 데이터 수집과 모터를 활용한 자동 개폐, 급수, 환기 등의 동작을 안정적으로 제어하려면 단순한 마이컴 기반 제어를 넘어선 시스템이 필요하다. 이 글에서는 구형 PC + EtherCAT을 활용한 온실 제어 시스템 설계 방법을 소개한다.

1. 왜 EtherCAT인가?

기존의 병렬 포트, 아두이노, 라즈베리 파이 기반 제어는 간단한 제어에는 적합하지만 다음과 같은 한계가 있다:

  • 실시간성 부족 (특히 라즈베리 파이)

  • 정밀한 모션 제어 불가능 (스텝, 서보 제어의 한계)

  • 센서 채널 수 확장 한계

**EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology)**은 이러한 문제를 해결하는 산업용 고속 필드버스 기술로, 다음과 같은 장점이 있다:

  • ✨ 실시간성 보장: 수십 μs 단위의 통신 지연, 고정 지연 (low jitter)

  • ✨ 모션 제어 최적화: 서보/스텝 드라이버에 정밀한 위치, 속도, 가감속 명령 전달 가능

  • ✨ 확장성: 하나의 EtherCAT 라인에 수십~수백 개의 슬레이브 장치를 연결 가능

  • ✨ 범용성: 아날로그/디지털 I/O, 센서, 모터 드라이버 등 다양한 장비 지원

2. 시스템 구성 개요

🚀 기본 아키텍처

[Linux PC + EtherCAT Master (EtherLab)]
    ├── [AI 슬레이브] ← 온도/습도/조도/CO2 센서
    ├── [DI/DO 슬레이브] ← 펌프, 히터, 환풍기 제어
    ├── [서보 드라이버 슬레이브] ← 커튼, 루버 자동 개폐
    └── [AO 슬레이브] ← PWM 팬 속도 제어

🔧 핵심 구성 요소

구성 요소 예시
EtherCAT 마스터 Linux + PREEMPT_RT + EtherLab
NIC (이더넷 카드) 인텔 i210 시리즈 추천
슬레이브 모듈 Beckhoff EL 시리즈 (DI/DO/AI/AO), Delta, Omron 등
드라이버 Leadshine, Delta, Beckhoff 서보 드라이버

3. 온실 환경 제어 예시

제어 항목 EtherCAT 구성
온도/습도 감지 AI 슬레이브 (0-10V 또는 4-20mA 입력)
조도 감지 AI 슬레이브 + 광센서
팬/펌프 제어 DO 슬레이브 + SSR 릴레이
자동 커튼 EtherCAT 서보 드라이버 + 서보모터
CO2 농도 감지 AI 슬레이브 + CO2 센서

4. 실시간 제어 및 소프트웨어

📄 OS 및 프레임워크

  • Ubuntu 또는 Debian 기반 리눅스

  • 실시간 커널 (PREEMPT_RT)

  • EtherLab EtherCAT Master (오픈소스)

👨‍💻 제어 소프트웨어 예시

  • Python + C 혼합 제어 (주기적 프레임 송수신)

  • 조건 기반 제어 로직 구현 (ex. 온도 > 30 °C → 팬 작동)

  • 로깅 및 원격 웹 대시보드 (Grafana, Django, Node-RED 등 연계)

5. 결론: EtherCAT으로 모든 것이 클리어

EtherCAT을 사용하면 기존 저가형 시스템의 한계를 모두 극복할 수 있다.

항목 EtherCAT 장점
실시간성 ✅ (us 단위 제어 가능)
확장성 ✅ (수십~수백 개 슬레이브)
정밀 모션 제어 ✅ (서보, 스텝 드라이버 완벽 대응)
유지보수 ✅ (산업 표준 기반 구성)
미래 확장 ✅ (대형 온실, 농장, 공장 제어로 확장 가능)

EtherCAT은 단순히 센서를 연결하는 수준을 넘어, 진정한 자동화 시스템의 기반이 될 수 있는 기술이다.


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