PLC 현장 데이터를 LTE로 서버에 전송하는 구조: RS485부터 클라우드까지

현장에 설치된 설비에서 센서 데이터를 실시간으로 서버에 올려야 하는 요구는 꽤 흔합니다. 그런데 막상 구현하려고 하면 현장에 인터넷이 없거나, LAN 배선이 불가능한 환경인 경우가 많습니다. 이런 상황에서 현실적인 해법 중 하나가 RS485로 PLC 데이터를 받아 LTE 모듈로 서버에 전송하는 구조입니다.

이 글은 아이젠텍이 실제로 구현한 사례를 바탕으로, 이 구조를 설계할 때 어떤 선택을 했고 어디서 주의가 필요한지를 정리합니다. 비슷한 요구사항을 가진 제품을 기획 중인 분들에게 참고가 될 수 있습니다.

현장 설비 데이터를 클라우드로 올리는 구조는 단순해 보이지만, 각 구간의 경계에서 챙길 것이 많습니다.

1. 전체 시스템 구조

이번 구현의 전체 흐름은 다음과 같습니다. PLC가 Modbus RTU 프로토콜로 내보내는 센서 데이터와 설비 상태를 RS485로 수신하고, 이를 ESP32에서 파싱한 뒤 LTE 모듈을 통해 서버로 전송하는 구조입니다.

• PLC: 현장 센서(온도, 습도, 압력 등)와 설비 상태를 Modbus RTU로 출력
• MAX3485: RS485 차동 신호를 ESP32가 읽을 수 있는 3.3V UART 레벨로 변환
• ESP32: 데이터 수신, 파싱, 가공 후 LTE 모듈로 전달
• A7670E: LTE Cat-1 모듈. AT 커맨드 기반으로 HTTP 또는 MQTT로 서버에 전송

한 보드 위에 RS485 트랜시버와 LTE 모듈이 함께 올라가는 구조입니다. ESP32 입장에서는 UART 두 개를 사용합니다. 하나는 RS485 수신용, 하나는 LTE 모듈 제어용입니다. 구조 자체는 단순하지만, 각 구간의 경계에서 처리해야 할 사항들이 실제 개발 시간의 대부분을 차지합니다.

2. RS485 수신부 설계: MAX3485 선택과 주의사항

RS485 트랜시버로 MAX3485를 선택한 이유는 동작 전압 때문입니다. 흔히 쓰이는 MAX485는 5V 동작이라 3.3V MCU인 ESP32와 연결하려면 레벨 시프터가 별도로 필요합니다. MAX3485는 3.3V 동작이라 ESP32와 직접 연결이 가능합니다. 회로 구성이 단순해지고 부품 수도 줄어듭니다.

안정적인 RS485 통신을 위해 챙긴 것들

• 종단 저항(120Ω): RS485 버스 양 끝단에 A-B 사이에 달아줍니다. 신호 반사를 방지하며, 배선이 짧더라도 달아두는 것이 안정적입니다.
• 바이어스 저항(470~680Ω): 버스에 데이터 전송이 없는 Idle 상태에서 A-B 라인 전위가 불안정해지면 노이즈가 유효한 데이터로 인식될 수 있습니다. A 라인은 VCC 쪽으로, B 라인은 GND 쪽으로 잡아주는 바이어스 저항으로 이를 방지합니다.
• TVS 다이오드(SMBJ15CA 계열): 현장 RS485 라인은 길고 외부 서지에 노출되기 쉽습니다. A-B 라인에 양방향 TVS를 달면 순간 과전압으로부터 트랜시버를 보호할 수 있습니다. 실험실 환경에서는 문제없다가 현장에서 IC가 손상되는 사례가 있습니다.
• 바이패스 커패시터(0.1µF): VCC-GND 사이 기본 항목입니다. 생략하면 통신이 간헐적으로 깨질 수 있습니다.

RS485 회로는 단순해 보이지만 현장 안정성을 위한 보호 회로가 중요합니다.

3. LTE 전송부 설계: A7670E와 전원 설계

LTE 모듈로는 SIMCom의 A7670E를 선택했습니다. LTE Cat-1 등급으로 센서 데이터 수백 바이트를 전송하는 용도에는 충분한 성능입니다. 국내 LTE 주파수 대역을 지원하고, AT 커맨드로 HTTP와 MQTT를 직접 처리할 수 있어 TCP 소켓을 별도로 다룰 필요가 없습니다.

전원 설계가 핵심입니다

LTE 모듈 설계에서 가장 주의해야 할 부분이 전원입니다. A7670E는 평상시 수십 mA를 소비하지만, 데이터 송신 순간에는 2A에 가까운 버스트 전류를 순간적으로 끌어당깁니다. 전원부가 이를 감당하지 못하면 전압 강하가 발생하고 모듈이 리셋되거나 접속이 끊깁니다.

• 대용량 커패시터(470µF 이상): 전원 입력단에 달아서 순간 전류 피크를 버텨줍니다.
• DC-DC 컨버터 사용: LDO 대비 전류 여유가 크고 발열도 적습니다.
• 전원 패턴 여유 확보: PCB에서 전원 라인을 가는 패턴으로 라우팅하면 전압 강하가 생깁니다. 넉넉하게 잡아야 합니다.

UART 연결과 제어 핀

• PWRKEY: 모듈 전원 ON/OFF 제어핀. 일정 시간 Low로 당겨주면 부팅됩니다.
• STATUS: 모듈 동작 상태 확인용. 부팅 완료 여부 판단에 사용합니다.
• LTE_SLEEP: 슬립 모드 제어. 상시 전송 구조라면 필수는 아니지만 배터리 구동 제품이라면 반드시 활용해야 합니다.

AT 커맨드 처리에서 주의할 점은 응답이 비동기로 온다는 것입니다. 응답 대기 중 타임아웃 처리를 구현하지 않으면 무한 대기 상태에 빠져 전체 시스템이 멈추는 상황이 발생할 수 있습니다. 타임아웃 처리는 펌웨어 설계 초기부터 반드시 포함해야 합니다.

LTE 모듈의 전원 설계는 책상 위 테스트와 현장 환경이 다르게 나타납니다. 현장 전원 조건을 항상 고려해야 합니다.

제언: 구조는 단순하지만, 경계마다 챙길 것이 있습니다