Network Classifications
Industrial Network Standards
Actuator/Sensor Interface (AS-i)
Control Area Network (CAN)
ControlNet
EtherNet/IP
Foundation Fieldbus H1
Foundation Fieldbus HSE
Interbus
LonWorks
Modbus
Profibus-DP
Profibus-PA
Profinet
WorldFIP
24.1 Network Classifications
Industrial Networks 산업용 네트워크
산업용 네트워크는 여러 방식으로 분류할 수 있습니다. 각 분류 방식은 특정 산업, 애플리케이션 또는 표준 기관에 따라 유용하게 활용됩니다.
산업 자동화에 사용되는 네트워크는 애플리케이션의 유형에 따라 다음과 같이 분류할 수 있습니다:
• 프로세스 제어(Process Control)
• 자재 취급(Materials Handling)
• 모션 제어(Motion Control)
• 개별 자동화(Discrete Automation)
또한, 네트워크가 전송하는 데이터의 유형에 따라 다음과 같이 분류할 수 있습니다:
• 비트 또는 비트 문자열로 표현되는 ON/OFF 데이터
• 공학 단위 값을 나타내는 스칼라 데이터(Scalar Data)
• 일반적인 데이터베이스 교환
마지막으로 자동화 수준에 따라 다음과 같이 분류할 수 있습니다:
• 센서 수준(Sensor Level)
• 필드 수준(Field Level)
• 제어 수준(Control Level)
• 정보 수준(Information Level)
하지만 네트워크 프로토콜의 통합과 네트워크의 다중 용도화로 인해, 이러한 분류 방식은 실질적으로 큰 도움이 되지 않는 경우가 많습니다.
그럼에도 불구하고 특정 유형의 산업 자동화 데이터를 효율적으로 전송하기 위해 설계된 네트워크들이 존재합니다. 이후의 논의에서는 다음과 같은 네트워크 분류를 기준으로 설명을 진행합니다:
• 개별 센서 데이터(Discrete Sensor Data)
• 프로세스 제어 필드버스(Process Control Fieldbus)
• 제어 수준 네트워크(Control-level Networks)
• 정보 기술 네트워크(Information Technology (IT) Networks)
24.1.1 Discrete Sensor Data
리미트 스위치(Limit Switch), 근접 스위치(Proximity Switch), 레벨 스위치(Level Switch), 다양한 종류의 릴레이(Relay)와 솔레노이드 밸브(Solenoid Valve), 모터 컨택터(Motor Contactor)와 같은 단순 액추에이터는 하나의 이진 비트(Binary Bit)로 표현됩니다. 이러한 장치들과 데이터를 송수신하기 위해 설계된 네트워크는 일반적으로 여러 장치의 데이터를 한 위치에서 집중시키는 노드(Node)를 갖추고 있으며, 이 위치는 network connection hub입니다. 이러한 네트워크의 배선은 제어용 I/O 장비와의 연결 비용을 절감하는 데 중점을 둡니다. 일반적으로 네트워크 연결 인터페이스에서는 신호 조정(Signal Conditioning)이나 데이터 처리(Data Processing)가 거의 불가능하거나 전혀 수행되지 않습니다. 많은 경우, 장치와 network connection hub 모두에 사전 제작된 배선용 커넥터(Connector)를 사용하여 연결이 더욱 간소화됩니다.
24.1.2 Process Control Fieldbus
프로세스 제어 데이터는 일반적으로 여러 스칼라 항목(Scalar Item)의 디지털 표현이며, 이산 상태 데이터(Discrete Status Data)와 함께 하나의 패킷(Packet)으로 구성됩니다. 이 데이터가 피드백 제어(Feedback Regulatory Control)에 사용될 경우, 샘플링 시간(Sample Time)과 제어 루프 실행(Control Loop Execution) 간의 동기화(Synchronization)가 필요합니다. 전통적으로 프로세스 제어용 현장 계측기(Field Instrument)는 통신 배선으로부터 전원을 공급받았기 때문에, process control fieldbus는 현장 계측기와 종종 현장 액추에이터(Field Actuator)의 전자 부품에 전원을 제공합니다. 또한, 프로세스 산업의 많은(하지만 모든 것은 아님) 측정 지점이 폭발 위험 지역에 위치하므로, 본질 안전(Intrinsic Safety) 또는 비발화(Nonincendive) 등 전류 제한 기술(Current-limiting Technology)이 반드시 적용되어야 합니다. 마지막으로, 프로세스 플랜트의 배선은 용접기(Welding Machine), 라디오(Radio), 날씨(Weather) 등 다양한 원인으로 인한 전기적 간섭(Electrical Interference)에 노출됩니다. Fieldbus 배선 설계와 프로토콜은 이러한 환경에서 높은 수준의 노이즈 내성(Noise Rejection)을 갖도록 요구됩니다.
24.1.3 Control-level Networks
Control-level network는 일반적으로 IT 네트워크를 산업 환경에 맞게 적용한 형태입니다. 공장 바닥이나 프로세스 플랜트는 일반적으로 먼지와 위험이 많은 환경이며, 전기적 노이즈(Electrical Noise)와 장비 진동(Equipment Vibration)이 심합니다. 최근에는 control-level network를 공장이나 프로세스 플랜트 내부까지 확장하는 추세이며, 이 경우 열악한 환경에 맞게 배선(Wiring), 특히 커넥터(Connector)를 조정하는 특별한 고려가 필요합니다.
네트워크가 높은 수준의 전기적 노이즈에 노출될 경우, 일반적인 배선 해결책은 차폐 케이블(Shielded Cable)을 사용하고, 네트워크 전원 근처의 한 지점에서 접지(Grounding)하는 것입니다. Control-level network는 전통적으로 프로세스 장치에 전원을 공급할 필요는 없지만, 현재는 상용 옵션(Commercially Available Option)을 통해 네트워크 장비(Network Equipment)에 전원을 공급하는 것이 가능합니다.
Control-level networks는 종종 IT 네트워크와 동일한 커넥터를 사용하지만, 진동, 습기, 오일 미스트, 먼지 등이 많은 플랜트나 작업장 환경에서는 이러한 커넥터가 신뢰성을 잃을 수 있으므로, 공장 환경에 맞게 특별히 설계된 커넥터를 사용하는 것이 일반적으로 권장됩니다.
24.1.4 IT Networks
IT 네트워크는 전 세계적으로 통신 스택의 하위 계층에서는 Ethernet을, 상위 계층에서는 TCP/IP 프로토콜 모음을 사용하는 것으로 표준화되어 있습니다. 산업 자동화 네트워크가 IT 네트워크와 상호 연결될 경우 주의할 점은, 제어 시스템 네트워크에 상위 계층의 메시지가 유입되지 않도록 라우터를 통해 산업 자동화 네트워크를 격리해야 한다는 것입니다. 또한, 산업 자동화 네트워크에는 인증된 접근만 허용되도록 방화벽 보호가 일반적으로 필요합니다.
24.2 Industrial Network Standards
산업용 네트워크에 대한 표준이 너무 많다는 점은 이미 언급된 바 있습니다. 이 절에서는 산업 자동화에서 널리 사용되는 주요 “표준” 네트워크들을 간략히 소개드립니다. 여기서 “표준(Standard)”이라는 용어는 공식적으로 인정된 표준 제정 기관에서 합의된 투표 과정을 통해 제정된 법적 표준(de jure) 또는 시장에서 널리 사용되고 공개 문서로 지원되는 사실상 표준(de facto)을 의미합니다. 공급업체에 독점적이거나 아직 공개 문서화되지 않았거나 특정 산업에만 초점을 맞춘 많은 산업용 네트워크는 본서에서 다루지 않습니다.
다음은 산업 자동화에서 가장 일반적으로 사용되는 표준 네트워크에 대한 간략한 개요입니다. 보다 자세한 설명은 참고 문헌을 참조하시기 바랍니다.
24.2.1 Actuator/Sensor Interface (AS-i)
AS-interface는 Discrete I/O를 컨트롤러, 원격 I/O, 또는 일부 fieldbus에 연결하는 데 가장 널리 사용되는 센서 네트워크입니다. 업계에서는 일반적으로 이 기술을 “AS-i”라고 부르지만, AS-International Association의 회원들은 “AS-interface”라는 표기를 선호합니다. AS-interface는 저비용의 multidrop bus topology를 사용하며, 두 가닥의 원형 케이블(Round Cable) 또는 독특한 두 가닥의 평면 케이블(Flat Cable)을 사용합니다. 두 케이블 모두 동일한 전선으로 DC 전원과 데이터를 동시에 전달합니다. AS-interface 탭(Tap)은 원형 케이블에 배선되거나 평면 케이블에 뱀파이어 탭(Vampire Tap)으로 절연을 관통하여 밀폐된 연결을 형성합니다. 각 탭은 장치(Device) 또는 최대 4개의 디스크리트 입력(Input)과 4개의 디스크리트 출력(Output)을 연결할 수 있는 I/O 모듈(Module)에 인터페이스를 제공합니다. AS-interface 버스는 I/O 장치가 밀집된 위치 근처에 배선됩니다. 하나의 AS-interface 네트워크는 최대 124개의 입력과 124개의 출력을 연결할 수 있으며, 길이는 약 100미터까지 가능합니다. 다양한 옵션도 존재합니다.
AS-interface 설치는 매우 간단하며, 특히 평면 케이블을 사용하고 M12 커넥터(Connector)가 장착된 센서 및 액추에이터를 사용하는 경우 더욱 간편합니다. 평면 케이블은 생산 라인의 센서 및 액추에이터 근처에 배선되며, 4~8포트 인터페이스 모듈이 적절한 위치에서 평면 케이블에 클램프 방식으로 연결됩니다. 각 센서 및 액추에이터는 양쪽 끝에 M12 커넥터가 있는 점퍼 케이블(Jumper Cable)로 AS-interface 모듈에 연결됩니다.
입력은 입력 단자에, 액추에이터는 출력 단자에 연결되도록 주의하셔야 합니다. AS-interface의 나선형 단자(Bare-wire Termination)에 커스텀 배선을 사용하는 것이 자재 비용은 저렴할 수 있지만, 설치 및 유지보수 비용은 훨씬 높습니다. 나선형 단자는 배선 캐비닛 내부에서만 사용해야 하며, 공장 바닥이나 플랜트 환경에 노출되는 연결에는 사용하지 않는 것이 좋습니다.
AS-interface 배선 사양을 만족하는 M12 커넥터가 장착된 센서 및 액추에이터 공급업체를 찾는 것은 어려울 수 있으며, 장치 선택의 폭을 제한할 수 있습니다. 예를 들어, Rockwell의 Allen-Bradley 브랜드와 Cutler Hammer 브랜드의 리미트 스위치(Limit Switch), 포토셀(Photocell), 근접 스위치(Proximity Switch)는 모두 DeviceNet 사양에 맞춰 M12 커넥터가 장착되어 있지만, AS-interface용은 아닙니다.
24.2.2 Control Area Network (CAN)
**Control Area Network(CAN)**은 원래 자동차 및 트럭의 분산 I/O를 위한 배선 하네스(Wiring Harness)를 대체하기 위해 개발되었습니다.
일부에서는 이 목적에 사용되었지만, 주요 자동차 제조업체들은 아직 이를 광범위하게 도입하지 않았습니다. CAN은 DeviceNet, SDS, CAN Kingdom, CAN Open 네트워크의 기술적 기반으로 사용되었으며, 이들 네트워크는 배선 비용 절감보다는 기능적 사용자 계층(User Layer)의 구현에 집중해왔습니다. CAN 칩(Chip)은 일반적으로 소형 마이크로프로세서(Microprocessor)와 함께 사용되며, 디스크리트 I/O를 위한 고기능 사용자 계층을 제공하는 방식은 fieldbus 네트워크가 아날로그 I/O에 대해 수행한 방식과 유사합니다. 이러한 이유로 이들 네트워크는 종종 “fieldbus”라고 불립니다. 향후 몇 년 동안 주요 자동차 제조업체들이 차량 경량화 및 비용 절감을 위해 엔진룸 내 센서/액추에이터 네트워크(Sensor/Actuator Network)를 구축하면서 CAN을 도입할 것으로 예상되며, 이로 인해 각 프로토콜의 기반이 되는 CAN 칩의 비용도 크게 낮아질 것으로 기대됩니다.
모든 CAN 기반 네트워크의 특징 중 하나는 producer/consumer messaging 방식입니다. 데이터를 생성하는 장치(Producer)는 네트워크에 브로드캐스트(Broadcast) 메시지로 데이터를 전송할 수 있으며, 이를 수신한 모든 장치(Consumer)는 애플리케이션 요구에 따라 해당 데이터를 사용할지 여부를 결정할 수 있습니다. Producer/consumer messaging은 여러 스테이션이 동일한 데이터에 접근해야 하는 제어 네트워크(Control Network)에서 일반적으로 더 효율적인 방식입니다.
24.2.2.1 CAN Open
CAN Open은 하드웨어 수준에서 CAN 버스를 위해 개발된 모든 물리적 배선(Physical Wiring)을 사용할 수 있으며, SDS 및 DeviceNet용으로 개발된 배선도 포함됩니다. CAN Open은 CAN의 물리 계층(Physical Layer)과 데이터 링크 계층(Data Link Layer) 위에서 동작하는 객체 지향(Object-oriented) 애플리케이션 계층(Application Layer)입니다. CAN Open 애플리케이션 계층은 producer/consumer 방식의 CAN 메시징을 구성하여 이벤트 기반 제어(Event-based Control), 원격 제어 요청(Remote Requesting), 동기화 트리거 제어(Sync-triggered Control Action)를 제공합니다.
24.2.2.2 DeviceNet
DeviceNet은 센서/액추에이터 네트워크(Sensor/Actuator Network)로 제공됩니다. AS-interface와 유사한 기능을 가진 I/O 모듈(Module)을 통해 기존 센서 및 액추에이터를 연결하고 DeviceNet 네트워크에서 통신할 수 있습니다. 상위 애플리케이션 계층인 CIP(Common Industrial Protocol)는 DeviceNet을 fieldbus로 사용할 수 있도록 하지만, 반드시 사용해야 하는 것은 아니므로 DeviceNet은 센서 네트워크로서 AS-interface와 동일한 수준의 단순성을 유지할 수 있습니다. DeviceNet 노드(Node)의 비용은 애플리케이션에 따라 고려해야 할 요소일 수 있지만, 센서 네트워크로서 DeviceNet을 사용할 경우 AS-interface와 동일한 배선 절감 효과(Wiring Savings)를 얻을 수 있습니다.
Rockwell은 DeviceNet을 개발하였으나, 그 사양(Specification)을 개방형 DeviceNet 공급업체 협회인 **ODVA(Open DeviceNet Vendor Association)**에 제공하였으며, 현재는 회원들이 모든 개정 사항을 관리하고 있습니다. DeviceNet 사양은 ODVA 웹사이트에 게시되어 있습니다.
DeviceNet은 그림 24-5에 나타난 것처럼 4가닥의 원형 케이블(Round Cable)과 평면 케이블(Flat Cable)로 제공되며, 노드(Node)와 장치(Device)에 전력을 공급합니다. 두 종류의 케이블 모두 전력(Power)은 데이터(Data)와 별도로 전달됩니다. DeviceNet 사양은 장치와 DeviceNet 인터페이스 모듈(DeviceNet Interface Module) 간의 배선 표준(Wiring Standard)을 요구하지 않습니다. 대부분의 DeviceNet 인터페이스 모듈은 나선형 전선(Bare Wire)을 위한 압착 나사 단자(Compression Screw Terminal)를 사용하지만, M12 원형 커넥터(M12 Round Connector)를 사용하여 장치를 인터페이스 모듈에 연결하는 경우도 많습니다. 그림 24-6에 나타난 평면 케이블과 DeviceNet 인터페이스 모듈은 설치 비용 측면에서 AS-interface와 거의 유사한 저비용 설치(Low-cost Installation)를 제공합니다. DeviceNet은 나선형 단자를 사용하는 고밀도 인터페이스(Higher Density Interface)로도 제공됩니다. 유사한 애플리케이션에서는 DeviceNet 네트워크의 설치 비용(Installed Cost)이 AS-interface와 경쟁할 수 있습니다.
DeviceNet에서 사용되는 CIP(Common Industrial Protocol) 애플리케이션 계층(Application Layer)은 CAN의 producer/consumer 기능을 활용하여 예외 기반 제어(Control by Exception) 및 기타 CIP 서비스를 전자 데이터 시트(Electronic Data Sheet) 사양을 통해 구성할 수 있습니다.
24.2.2.3 SDS
SDS는 일반적으로 **CAN 인터페이스 칩(CAN Interface Chip)**과 함께 사용되는 마이크로프로세서(Microprocessor)의 프로그래밍 기능을 활용하여 다양한 신호 처리 기능(Signal Processing Features)을 구현하는 센서(Sensor) 및 액추에이터(Actuator)에 내장되어 있습니다. SDS는 발명자인 Honeywell Sensing and Control에 다소 독점적으로 유지되고 있지만, 사양(Specification)은 완전히 공개되어 있으며 다음의 Honeywell 웹사이트에서 확인하실 수 있습니다:
http://content.honeywell.com/sensing/prodinfo/sds/sdspec.stm
Honeywell은 자사의 센서 및 액추에이터 제품군 전반에 SDS를 스마트 디바이스(Smart Device)로 구현하였으며, AS-interface나 DeviceNet과 유사한 SDS 종단 블록(Termination Block)도 제공합니다. SDS 장치는 디스크리트 센서 및 액추에이터용 산업용 통신 네트워크에서는 일반적으로 제공되지 않는 다양한 기능을 사용자에게 제공하며, 이는 보통 PLC 프로그래밍으로 구현되던 기능들입니다. 예를 들어, 단순한 접점 센서(Contact Sensor)는 자체적으로 **접점 바운스 억제(Contact Bounce Suppression)**를 설정할 수 있습니다. 또한, 다음과 같은 기능들은 스위치(Switch)나 출력 릴레이(Output Relay)에서 소프트웨어 설정을 통해 구현할 수 있습니다:
• 배치 카운팅(Batch Counting)
• 태그 이름 주소 지정(Tag-name Addressing)
• 동작/정지 감지(Motion/Jam Detection)
• 정상 개방/정상 폐쇄(Normally Open/Normally Closed)
• 온 딜레이/오프 딜레이(On Delay/Off Delay)
• 타이머 응답 입력(Timed Response Input)
SDS의 장점 중 하나는 이러한 고속 기능들을 센서나 액추에이터에 직접 할당할 수 있어, 저비용의 PC 기반 제어기(PC-based Controller)를 사용할 수 있다는 점입니다.
24.2.3 ControlNet
ControlNet은 1995년 초 Allen-Bradley에 의해 개발되었습니다. 이 실시간, 결정론적, peer-to-peer, 네트워크는 PLC와 I/O 서브시스템을 5 Mbps 속도로 연결합니다. DeviceNet과 비교할 때 ControlNet은 더 빠르고, 더 많은 노드를 지원하며, 부동소수점 프로세스 변수(Floating Point Process Variable)와 같은 더 긴 데이터 값을 직접 처리할 수 있습니다. ControlNet의 또 다른 응용은 PC와 PLC 간의 peer-to-peer 통신입니다. ControlNet 시스템 아키텍처(System Architecture)는 다중 프로세서(Multiple Processor)로 작동하며, 네트워크의 RG-6 및 RG-59 동축 케이블(Coaxial Cable)을 따라 최대 99개의 주소 지정 가능한 노드(Addressable Node)를 설치할 수 있습니다.
ControlNet은 자동화 계층에서 EtherNet/IP와 DeviceNet 사이에 위치하지만, 고도로 분산된 I/O 수준 통신에 중점을 두기 때문에 두 영역과 겹치는 부분이 있습니다. ControlNet, DeviceNet, EtherNet/IP는 모두 producer/consumer 네트워크 모델(Network Model)을 사용하며, 각 노드는 데이터의 생산자(Producer), 소비자(Consumer), 또는 둘 다가 될 수 있습니다. ControlNet은 멀티캐스트(Multicast) 기능도 제공합니다. 이는 동일한 데이터를 네트워크의 모든 노드에 동시에 전송할 수 있는 기능입니다. Producer/consumer 또는 Foundation Fieldbus에서 사용되는 유사한 서비스인 publisher/subscriber는 멀티캐스트 프로토콜(Multicast Protocol)과 데이터 식별자 필드(Data Identifier Field)를 사용하여, 데이터에 관심 있는 노드가 이를 빠르게 식별하고 로컬에서 사용할 수 있도록 합니다. 이는 **토큰 패싱(Token Passing)**이나 마스터-슬레이브(Master-Slave) 모델보다 더 효율적인 방식입니다. ControlNet에서 시간에 민감한 데이터(Time-critical Data)는 예약된 시간 슬롯(Reserved Time Slot) 동안 결정론적으로 전송되며, 시간에 민감하지 않은 데이터는 예약된 시간 슬롯 이후의 가용 시간(Available Time) 동안 전송됩니다.
1996년 10월, Allen-Bradley는 ControlNet 사양(Specification)을 ControlNet International에 이관하였습니다. ControlNet International은 DeviceNet을 관리하는 **ODVA(Open DeviceNet Vendor Association)**와 유사한 회원 기반의 비영리 조직입니다. ControlNet 사양은 모든 자동화 공급업체에게 개발자 가이드(Developer’s Guide) 형태로 제공되며, 여기에는 다음과 같은 내용이 포함되어 있습니다:
• ControlNet 프로토콜(Protocol) 설명
• 제품 개발 방법(How to Develop a Product)
• ControlNet 시스템 설치 및 구현 지침(Guidelines for Installing and Implementing)
사양 외에도 다음과 같은 개발 도구(Development Tools)도 제공됩니다:
• 예제 소프트웨어(Example Software)
• 개발자 스타터 키트(Developer’s Starter Kit)
• ControlNet 펌웨어(Firmware)
• ASIC(Application-Specific Integrated Circuit)
현재 ControlNet의 미래는 다소 불확실한 상태입니다. 이는 동일한 제품에서 사용할 수 있는 EtherNet/IP가 더 널리 보급되어 있고, 속도가 더 빠르며, 일반적으로 비용이 더 저렴하기 때문입니다. ControlNet의 고도로 동기화된 메시징(Synchronous Messaging) 기능의 가치는 분명하지만, EtherNet/IP의 낮은 비용(Lower Cost)과 높은 속도(Higher Speed)는 Rockwell 제품군에서 ControlNet을 효과적으로 대체할 수 있게 합니다. ControlNet과 DeviceNet을 위해 개발된 애플리케이션 및 사용자 계층(Application and User Layer)인 CIP(Control and Information Protocol)는 EtherNet/IP에서도 사용할 수 있습니다.
24.2.4 EtherNet/IP
Ethernet Industrial Protocol(EtherNet/IP)은 ODVA, ControlNet International, Rockwell Automation의 공동 노력으로 개발되었습니다. EtherNet/IP는 애플리케이션 계층에서 CIP(CIP: Control and Information Protocol)를 사용하여 데이터를 효율적으로 전송하도록 설계되었습니다. 이 프로토콜은 상용 Ethernet 위에서 동작하지만, 산업 자동화에 더 적합한 물리적 배선과 커넥터를 조사하기 위해 ODVA의 특별 관심 그룹(Special-interest Group)이 구성되었습니다.
ODVA 및 유사 기관의 노력으로, EIA/TIA(Electronic Industries Association/Telecommunications Industries Association) 42.9 위원회는 산업용 Ethernet 케이블 및 커넥터에 대한 사양을 준비하기 위한 표준화 위원회를 구성하였습니다. 이 노력의 결과로 새로운 표준이 제정되었으며, 2005년 중반 기준으로 작업은 아직 완료되지 않았지만, 위원회는 이미 Category 5E, Category 6, Category 7 케이블의 사용을 선택하였습니다. 또한 RJ-45 형태의 벌크헤드 커넥터(Bulkhead Connector)와 원형 M-12(12 mm) 4핀 커넥터(Four-pin Connector)도 지정되었습니다.
이 작업의 목적은 산업 환경에 적합한 케이블 플랜트(Cable Plant)를 구축하기 위한 표준을 제정하는 것입니다.
EtherNet/IP의 목적은 가능한 한 많은 상용 Ethernet 하드웨어와 케이블을 사용하여 산업 등급의 데이터 통신 서비스를 제공하는 것입니다. 그 이점은 상용 시장에서 널리 사용되는 Ethernet을 통해 높은 속도를 낮은 비용으로 확보할 수 있다는 점입니다.
EtherNet/IP는 TCP/IP를 사용하여 모든 네트워크 연결과 일반적인 네트워크 애플리케이션을 처리합니다. 하지만 주기적인 고속 데이터 트래픽은 효율성과 결정성(Determinism)을 위해 UDP/IP 프로토콜 프레임을 사용합니다.
24.2.5 Foundation Fieldbus H1
Foundation Fieldbus는 프로세스 제어(Process Control)를 위한 양방향 디지털 데이터 전송 네트워크 기술을 제공하기 위해 개발되었습니다.
초기부터 아날로그 제어 계측에 사용되던 4–20 mA DC 전송을 대체하는 것이 목적이었습니다. 또한 아날로그 전송에 일반적으로 사용되던 동일한 유형의 배선을 사용하여 현장 계측기(Field Instrument)에 전원을 공급하고, 본질 안전(Intrinsic Safety) 요건을 완전히 충족하도록 설계되었습니다. ANSI/ISA 50.02 표준은 이러한 모든 요구사항을 충족하였으며, Foundation Fieldbus의 기반이 되었습니다.
Fieldbus Foundation은 1994년, 많은 사용자들의 요청에 따라 WorldFIP North America와 Interoperable Systems Project(ISP)라는 두 경쟁 조직으로부터 통합되어 설립되었습니다. 사용자들은 단일 필드버스(Fieldbus) 프로토콜의 중요성과 공인된 표준에 기반해야 한다는 필요성을 강조하였습니다. 이전까지 제어 시스템 산업은 두 개의 버스 제안으로 나뉘어 있었지만, 하나의 사양에 에너지가 집중되면서 Fieldbus Foundation은 ANSI/ISA 50.02 문서를 기반으로 구현 사양(Implementation Specification)을 빠르게 완성하였습니다. 즉시 Fieldbus Foundation은 필드 장치(Field Device)가 사양을 준수하는지 검증하기 위한 테스트 스위트(Test Suite) 개발을 시작하였으며, 이 검증 프로그램은 Foundation Fieldbus Registration이라 불렸습니다. 검증 테스트를 통과한 장치는 Foundation의 등록 심볼(Registration Symbol)을 사용할 수 있으며, 이는 그림 24-7에 나타나 있습니다.
24.2.5.1 Wiring and Signaling
초기 Foundation Fieldbus 사양은 Hunk 1(H1)으로, 4–20 mA를 대체하는 계측기 연결을 목표로 하였습니다. H1은 31,250bps의 낮은 속도로 동작하는 통신 버스이며, 이는 노이즈 제거, DC 전원 공급, 본질 안전 제공을 위해 필요한 속도입니다. 노이즈 제거는 전통적인 디지털 사각파(Square Wave) 대신 사다리꼴 파형(Trapezoidal Waveform)을 사용함으로써 향상됩니다. 인코딩 방식은 Manchester Bi-phase이며, 각 비트에 대해 고(High)와 저(Low) 상태가 모두 필요합니다. 신호는 두 선 간의 차동(Differential) 방식으로 전달되며, 이는 RS-232의 단일 종단(Single-ended) 방식보다 노이즈에 강합니다. 사용되는 배선은 임피던스가 명시되지 않은 차폐된 단일 트위스트 페어(Shielded Single Twisted-pair)로, 기존 아날로그 계측기 케이블을 사용할 수 있도록 되어 있습니다.
Foundation Fieldbus H1의 토폴로지는 trunk와 spur 방식이며, ANSI/ISA 50.02 표준 개발 당시에는 그림 24-8과 같이 묘사된 형태 때문에 ‘닭발(Chicken Foot)’이라고 불렸습니다. H1은 배선 제한이 거의 없어 가장 경제적인 방식으로 케이블을 설치할 수 있습니다. 닭발 배선 방식은 유지보수가 쉬워 가장 일반적으로 사용되며, 계측기 간 데이지 체인(Daisy-chain) 방식도 허용됩니다. 각 계측기에서 나오는 배선은 접속함(Junction Box) 내에서 하나의 세그먼트로 결합된 후, 현장 마샬링 접속함(Field Marshalling Junction Box)으로 연결됩니다. 현장 마샬링 접속함에서 나오는 배선은 각 페어마다 차폐가 있는 멀티코어 케이블(Multicore Cable)이며, 전체 차폐도 포함됩니다. 이 배선은 각 H1 세그먼트에서 H1 종단 I/O 카드(H1 Termination I/O Card)로 연결됩니다. 단, H1 계측기는 버스 주소(Bus Address)로 식별되므로, 하나의 세그먼트에 속한 모든 필드 장치(Field Device)는 멀티코어 케이블의 하나의 페어만 사용합니다. 이는 그림 24-9에 나타나 있습니다.
24.2.5.2 Intrinsic Safety and Power Delivery
H1은 본질 안전(Intrinsic Safety)을 지원하지만 필수는 아닙니다. 본질 안전의 기본 요건은 배선이 안전 지역(Safe Zone)에서 위험 지역(Hazardous Zone)으로 넘어가는 지점에 설치되는 배리어(Barrier)입니다. 이 배리어는 가연성 가스 혼합물을 점화시킬 수 있는 에너지를 가진 전류가 통과하지 못하도록 하며, 대신 접지(Earth Ground)로 우회시킵니다. Foundation Fieldbus H1은 차동 신호(Differential Signal)이므로, 본질 안전 배리어는 양극성(Bipolar)입니다. 이는 한쪽이 접지 기준이 되는 아날로그 신호와는 다릅니다. 배리어는 H1 링크에서 전달 가능한 전압을 제한하며, 결과적으로 연결된 필드 계측기(Field Instrument)에 공급 가능한 전력도 제한됩니다. 초기 H1 사양은 하나의 필드버스 세그먼트에 연결 가능한 장치 수를 사용 가능한 주소 수(240)로만 제한하였지만, 본질 안전을 위한 최대 전류 소모도 제한하였습니다. 저전력 전자 장치(Low-powered Electronics)의 도입으로 필드 장치의 전력 요구가 감소함에 따라, 본질 안전을 유지하면서 세그먼트당 장치 수를 늘릴 수 있게 되었습니다. 개정된 H1 사양은 유럽에서 개발된 Fieldbus Intrinsically Safe Concept(FISCO) 사양을 기반으로 하며, 전기 배선의 특성을 세그먼트 전체에 분산된 것으로 간주하여 고장 시 에너지를 줄이고, 기존의 Entity Concept보다 더 많은 장치를 본질 안전 Foundation Fieldbus H1 세그먼트에 연결할 수 있도록 합니다. 이후에는 대부분의 프로세스 플랜트에 항상 폭발성 증기가 존재하지 않는다는 점을 고려하여 Fieldbus Non-Incendive Concept(FNICO) 사양이 제정되었습니다. 이 사양은 Foundation Fieldbus H1 세그먼트당 장치 수를 추가로 늘릴 수 있도록 허용합니다.
Foundation Fieldbus H1 세그먼트에서 필드 장치에 DC 전원을 공급할 수 있지만, 반드시 그렇게 해야 하는 것은 아닙니다. 장치는 아날로그 제어 시스템에서처럼 자체적으로 전원을 공급받을 수도 있습니다. 필드버스로부터 전원을 공급받는 장치는 일반적으로 9~32 VDC로 동작하며, 대부분의 상용 필드버스 전원 공급 장치는 약 24 VDC에서 동작합니다. H1 버스로부터 전원을 공급받을 수 있는 장치의 최대 수는 본질 안전(Intrinsic Safety) 및 비발화(Nonincendive) 등급의 적용 여부에 따라 달라집니다. 일반적으로 본질 안전 FISCO(Fieldbus Intrinsically Safe Concept)를 준수하는 필드버스에서는 약 9개의 장치에 전원을 공급할 수 있으며, FNICO(Fieldbus Non-Incendive Concept)는 이를 약 12개까지 늘릴 수 있습니다. 본질 안전이 적용되지 않은 필드버스에서는 약 30개의 장치에 전원을 공급할 수 있습니다. 그러나 바람직한 엔지니어링 관행에서는 H1 필드버스 세그먼트당 장치 수를 이러한 최대값보다 적게 유지하는 것이 좋습니다.
24.2.6 Foundation Fieldbus HSE
HSE(High Speed Ethernet)는 Foundation Fieldbus H1을 통해 송신기(Transmitter)와 액추에이터(Actuator)를 연결하는 프로세스 제어용 백본 또는 제어 수준(Control-level) 버스입니다. 초기에는 IEC 61158 Part 2 및 ANSI/ISA 50.02-2 표준에서 Hunk 2(H2)라는 상위 백본 버스 기능이 정의되어 있었습니다. 그러나 해당 표준에서 정의된 1 Mbps의 AC 전류 방식 버스(AC-current Mode Bus), 1 Mbps의 전압 방식 버스(Voltage Mode Bus), 1 및 2.5 Mbps의 광섬유 버스(Fiber-optic Bus)는 비용이 너무 높고 속도가 너무 느렸습니다. 이에 따라 Foundation Fieldbus HSE는 상용 Fast Ethernet과 인터넷 소프트웨어 표준 프로토콜(Standard Protocol)을 사용하도록 설계되었습니다. 이로 인해 100 Mbps의 매우 빠른 버스가 구현되었으며, Ethernet 구성 요소의 대량 사용으로 인한 비용 절감 효과(Economies of Scale)도 얻을 수 있게 되었습니다. Foundation Fieldbus HSE는 IEC 61158 필드버스 표준의 Type 5로 표준화되어 있습니다.
Foundation Fieldbus H1만으로 구성된 프로세스 제어 네트워크에서는 각 버스 세그먼트가 프로세스 컨트롤러(Process Controller) 또는 유사한 장치에서 종단되어야 하며, 한 세그먼트의 장치가 다른 세그먼트의 장치와 직접 통신할 수 없습니다. 많은 프로세스 컨트롤러는 이러한 “브리징(Bridging)” 통신을 지원하는 통신 서비스를 제공하지만, 캐스케이드 루프 제어(Cascade Loop Control)에 필요한 속도로 데이터를 전송할 수 있다는 보장은 없습니다. Foundation Fieldbus의 계획은 항상 세그먼트를 직접 연결할 수 있는 H2 수준의 버스를 갖추는 것이었으며, HSE가 바로 그 버스입니다. Foundation Fieldbus 아키텍처의 일부에는 여러 H1 버스 세그먼트를 하나 이상의 HSE 네트워크에 연결하는 링크 장치(Linking Device)가 포함되어 있습니다. 이 아키텍처는 그림 24-10에 나타나 있습니다.
Foundation Fieldbus HSE는 H1과 동일한 애플리케이션 계층(Application Layer)과 사용자 계층(User Layer)을 사용하므로 완전히 상호 운용됩니다. 링크 장치(Linking Device)는 ISA 및 IEC 필드버스(Fieldbus) 표준의 데이터 링크 계층(Data Link Layer)에서 정의된 스패닝 트리 브리지(Spanning Tree Bridge) 기능을 수행하며, H2 버스에 필요한 모든 요구사항을 충족합니다. 다만, 애플리케이션 계층 기능을 H1의 데이터 링크 계층에 매핑하는 대신, HSE는 필드버스 기능을 UDP/IP(User Datagram Protocol/Internet Protocol) 데이터 프레임에 매핑하여 표준 100BaseT Ethernet에서 전송합니다. 이는 환경 조건이 허용되는 경우 상용 Ethernet 배선(Wiring), 액세서리(Accessory), 종단 장치(Termination)를 사용할 수 있다는 의미입니다. 그 외의 장소에서는 산업용 Ethernet 배선 및 구성 요소를 사용해야 합니다.
HSE는 케이블 이중화(Cable Redundancy)를 통해 장애 허용(Fault Tolerance)을 제공하도록 설계되었습니다. HSE는 폐쇄 루프 제어 네트워크(Closed-loop Control Network)의 일부로 사용되므로 실시간 메시지 전달(Real-time Message Delivery)이 매우 중요합니다. 제어 데이터 메시지가 HSE를 통해 전달되는 경우 해당 케이블 구간은 반드시 이중화되어야 합니다. HSE의 이중화 방식은 케이블 고장 후 전환을 기다리는 방식이 아니며, 이 방식은 실시간 메시지 전달을 보장할 수 없습니다. HSE 이중화는 동일한 메시지를 모든 활성 HSE 네트워크 구간에 동시에 동일한 메시지 식별자(Message Identity)로 전송하는 방식을 사용합니다. 이 중 하나의 메시지만 사용되며, 나머지는 이중화 관리자(Redundancy Manager)에 의해 차단됩니다. 이중화된 구간에서 메시지를 수신하지 못하면 케이블 고장을 의미합니다. 이중화는 이중(Dual) 이상도 지원됩니다.
HSE는 Foundation Fieldbus H1과 동일한 소프트웨어 인터페이스를 지원하므로, 본질 안전(Intrinsic Safety) 및 필드 장비(Field Equipment)에 대한 전원 공급(Power Delivery)을 제외하고는 H1과 동일한 모든 기능을 갖추고 있습니다. 현재 HSE를 지원하는 필드 장비용 상용 제품은 없지만, 향후 비본질 안전 환경에서는 구현이 가능할 수 있습니다. 또한 IEEE 802.3af Power Over Ethernet 표준의 48V를 24V로 조정하여 HSE 네트워크에서 DC 전력을 분배하는 것도 가능해질 수 있으며, 이는 프로세스 자동화(Process Automation)에서 더 적합한 전압입니다. 향후 HSE용 본질 안전 배리어(Intrinsic Safety Barrier) 개발도 가능할 수 있지만, 현재로서는 상용 제품이 없습니다.
24.2.7 Interbus
Interbus는 고효율 필드버스(Fieldbus)이며, 로컬 루프(Local Loop)라고 불리는 통합 센서 네트워크입니다. 그림 24-11은 Interbus의 링(Ring) 토폴로지를 보여줍니다. 필드 장치(Sensor 및 Actuator)는 일반적으로 로컬 루프 I/O 모듈(I/O Module)에 연결됩니다. I/O 모듈은 링 형태로 서로 연결되어 이전 모듈로부터 데이터를 수신하고 다음 모듈로 데이터를 전송하며, 링은 루프 종단 모듈(Loop Termination Module)에서 종료됩니다.
Interbus 필드버스는 모든 원격 버스 모듈(Remote Bus Module)을 포함하여 로컬 루프 종단 모듈까지 링으로 상호 연결합니다. Interbus 원격 버스의 마지막 I/O 모듈은 링을 닫아 신호를 마스터(Master)로 되돌려 보냅니다.
Interbus 네트워크당 최대 I/O 수는 4,096 포인트이며, 이는 로컬 루프와 원격 노드(Remote Node)에 종단된 I/O를 포함한 수치입니다. 로컬 및 원격 모듈의 최대 수는 512개이며, 이 중 로컬 루프 모듈은 최대 192개까지 가능합니다. 데이터 전송 속도는 500 Kbps이며, 원격 버스 모듈 간 최대 버스 길이는 400m입니다. 각 원격 버스 모듈은 자체 리피터(Repeater)를 포함하고 있으므로 최대 13km까지 매우 긴 네트워크 구성이 가능합니다. 로컬 루프 모듈 간 거리는 최대 20m까지 가능합니다.
Interbus 모듈은 가변 속도 드라이브(Variable-speed Drive), 모터 컨택터(Motor Contactor), 모션 컨트롤러(Motion Controller), 인코더(Encoder), 바코드 리더(Barcode Reader), 아날로그 및 디지털 디스크리트 I/O 등 다양한 기능을 위해 제공됩니다. Interbus Club 웹사이트(http://www.interbusclub.com)에서는 Interbus를 구현한 제품 목록을 확인하실 수 있습니다.
Interbus는 Phoenix Contact에서 공장 네트워크의 디스크리트 I/O에 대한 배선 및 설치 비용을 줄이기 위해 처음 개발되었습니다. 이후 AS-interface 포트를 전체 Interbus 아키텍처에 통합함으로써 비용을 더욱 절감할 수 있었습니다. Interbus는 Profinet과 통합되어 제어 수준 네트워크(Control-level Network)로서 선호되고 있습니다.
Figure 24-11: Interbus Topology
24.2.8 LonWorks
LonWorks 시스템은 1980년대 후반에 Echelon Corp.에서 주거용, 빌딩, 상업용 및 산업 자동화를 위한 저비용, 중간 성능의 네트워크로 개발하였습니다. 이 시스템은 다양한 시장에 적용되었으며, 특히 빌딩 자동화 분야에서 두드러진 우위를 점하고 있습니다. 원래는 간단한 2선식 트위스트 페어(twisted-pair) 네트워크를 기반으로 개발되었지만, 전력선 변조(power line modulation), 광섬유(fiber optics), 무선(radio), 적외선(infrared) 등 다양한 매체가 함께 제공되어 왔습니다. 실제 사용에서는 LonWorks 전력선 변조가 가장 널리 사용되는 대체 매체입니다. 무선 LonWorks는 지속적인 비용 절감과 함께 발전이 이루어지고 있습니다.
LonWorks의 프로토콜은 LonTalk이라 하며, Echelon이 처음에는 영업 비밀로 보유했으나 현재는 ANSI/EIA 709.1로 표준화되었습니다. 이 프로토콜은 ISO의 7개 계층 전체를 포함하며, Echelon이 기능적으로 설계하고 Toshiba 및 Cypress Semiconductor가 생산·판매하는 뉴런 칩(neuron chip)에 실리콘으로 구현되어 있습니다. 각 뉴런 칩은 프로토콜 처리, 매체 변조, 응용 프로그램 처리를 위한 세 개의 마이크로프로세서를 내장하고 있습니다. I/O 처리와 같은 간단한 응용은 뉴런 칩의 마이크로프로세서만으로도 수행할 수 있습니다. LonTalk은 철도 운송 통신을 위한 표준인 IEEE 1473-L의 기반이 되기도 합니다.
LonWorks는 컨트롤러에 I/O 클러스터를 연결하기 위한 피어 투 피어(peer-to-peer) 네트워크입니다. 이 목적은 CAN과 유사하지만, 자동화 응용에서는 더 높은 성능이 요구되므로 뉴런 칩에는 훨씬 더 강력한 마이크로프로세서가 필요합니다. 뉴런 칩의 가격은 CAN 칩의 약 3배로, 그만큼 높은 성능을 반영하지만, 종종 I/O 노드에 별도의 로컬 마이크로프로세서가 필요 없게 만들어 줍니다.
LonTalk 프로토콜이 표준화되면서 뉴런 칩이 아닌 다른 칩으로도 해당 프로토콜을 이식하는 것이 가능해졌습니다. 잠재적인 가능성은 존재하지만, 현재로서는 ANSI/EIA 709.1 프로토콜을 지원하는 다른 칩 구현은 없습니다.
LonWorks 장치의 상호운용성(interoperability)은 LonMark Interoperability Association이 담당하며, 상호운용성을 검증하기 위한 다양한 테스트를 제공합니다. LonMark Interoperability Association 웹사이트(http://www.LonMark.com)에는 LonMark 로고를 부착할 수 있는 인증 제품 수천 개가 나열되어 있으며, 이는 LonWorks 상호운용성의 상징입니다.
LonWorks 네트워크는 Cisco 제품인 i.LON™ 1000 Internet Server를 통해 인터넷 및 기타 TCP/IP 네트워크에 연결할 수 있습니다. i.LON은 LonTalk/IP 라우터로서, LAN에 있는 장치들이 LonWorks 네트워크의 장치들과 직접 통신할 수 있도록 해줍니다.
24.2.9 Modbus
Modbus는 다양한 형태를 포함하여 제어 수준에서 가장 널리 사용되는 버스입니다. Modicon은 현재 Schneider Electric의 브랜드명이며, 원래는 컴퓨터가 PLC의 정보를 수집하고 동작을 제어할 수 있도록 하기 위해 Modbus를 개발하였습니다. 모든 PLC의 데이터 모델은 주소 지정이 가능한 레지스터(register) 집합으로 구성되어 있으며, 이는 I/O, 제어 릴레이(control relay), 아날로그 입력(analog inputs), 아날로그 출력(analog outputs), 변수(variables) 등의 세트로 구성되어 있습니다. PLC의 I/O는 디지털 디스크리트 입력 장치가 I/O 하드웨어 내 위치에 따라 I/O 레지스터에서 단일 비트로 나타나도록 구성되어 있습니다. 이로 인해 디지털 디스크리트 출력이 일부 레지스터에 혼합되어 있는 경우가 많으며, 출력 정의를 위해 레지스터 마스크(register mask)가 필요합니다.
Modbus 명령은 하나 또는 여러 개의 레지스터 내용을 PLC에서 호스트 장치(컴퓨터 또는 다른 PLC)로 전송할 수 있는 방법을 제공합니다. Modbus 명령 세트는 1979년에 처음 개발되었을 때 매우 인기가 높아 다른 PLC에서도 자주 복제되었습니다. 가장 널리 알려진 Modbus 파생형은 J-Bus이며, Siemens, Telemechanique 및 기타 여러 소규모 PLC 공급업체들이 Modicon 기반이 아닌 PLC에서 보조 접근 프로토콜로 사용하였습니다. 16비트 레지스터에서 동작하는 명령 세트라는 Modbus의 개념은 모든 PLC 공급업체와 ISO 9506 제조 메시지 명세서(Manufacturing Message Specification, MMS)에서도 채택되었습니다. 또한 Modbus는 현재까지도 SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition) 시스템에서 가장 일반적으로 사용되는 프로토콜입니다. 동일한 구조는 OPC/DA에서도 사용됩니다.
Modbus의 동일한 명령 세트는 여러 가지 물리적 계층(physical layer)을 통해 구현되었습니다. 표 24-1은 Modbus에서 사용되는 물리적 계층을 보여주며, 그림 24-12에서도 이를 설명하고 있습니다.
Modbus는 원래 비동기식 시리얼 라인에서 동작하도록 개발되었으며, 현재는 ANSI/EIA/TIA-232F 표준으로 정의되어 있습니다. 이로 인해 별도의 정의 없이 시리얼 포트 모뎀과 호환이 가능했습니다. SCADA 시스템용 원격 종단 장치(Remote Termination Units, RTUs)가 개발되었을 때, Modbus는 시리얼 전화선 통신을 위한 전송 프로토콜로 자연스럽게 선택되었습니다. 이 버전은 Modbus/ASCII로 알려지며, RTU뿐만 아니라 다양한 응용 분야에서 여전히 널리 사용되고 있습니다.
현장 플랜트에서는 여러 PLC를 하나의 컴퓨터에 연결해야 하는 경우가 많은데, Modbus/ASCII는 속도가 느리고 멀티드롭 통신을 지원하지 않기 때문에 적합하지 않습니다. 이러한 환경에서는 Modbus가 ANSI/EIA/TIA-485 멀티드롭 시리얼 버스에서 Modbus/RTU로 구현됩니다. 485 버스는 균형 잡힌 차동 라인(balanced differential line)을 사용하여 트위스트 페어 케이블에서 232F보다 훨씬 더 긴 거리, 더 높은 속도, 더 우수한 잡음 제거 성능을 제공합니다. 이 방식은 Modbus 구현에 있어 여전히 매우 널리 사용되고 있습니다.
Schneider/Modicon은 Modbus Plus 또는 일반적으로 **Modbus+**라고 불리는 Modbus의 또 다른 버전을 지원하기도 했습니다. Modbus+의 사양은 공식적으로 개방형 네트워크로 발표된 적은 없지만, Modicon 브랜드 제품과 Schneider와 협약을 맺고 개발된 외부 제품에서 여전히 사용되고 있습니다. Modbus+는 고급 데이터 링크 제어(High-level Data Link Control, HDLC) 프로토콜을 사용하는 시리얼 라인을 기반으로 하며, 멀티드롭 통신을 지원합니다.
Modbus/TCP는 1998년에 개발되어 “개방형(open)”으로 선언되었습니다. Modicon/Schneider 웹사이트에서 사양이 공개되었으며, 현재는 독립적인 Modbus-IDA 협회로 소유권이 이전되었습니다. 해당 사양은 협회 웹사이트(http://www.modbus-ida.org)에 게시되어 있습니다. Modbus/TCP는 Modbus 통신에 여러 가지 개선을 가져왔습니다. 상용 이더넷 부품을 사용함으로써 비용을 절감하고, 기업 LAN 또는 인터넷을 통한 원격 운영을 가능하게 하며, 이더넷의 10/100/1000 Mbps 속도를 통해 운영 속도를 향상시킵니다. 그러나 PLC가 일반적인 인터넷 보안 문제에 노출되므로, 알려진 방법을 통한 보안 및 개인정보 보호가 필요합니다. Schneider의 여러 사업부는 Transparent Factory 이니셔티브의 일환으로 Modbus/TCP를 적용한 75개 이상의 제품을 구현하였습니다. 많은 다른 기업들도 이더넷 인터페이스의 주요 응용 계층으로 Modbus/TCP를 선택하고 있습니다.
Modbus 응용 계층 명령은 표 24-2에 제시되어 있습니다. Modicon은 표 24-2에 사용된 용어들을 자사 PLC의 릴레이 래더 로직(Relay Ladder Logic, RLL) 개발 시 처음 도입하였으며, 현재는 일반적으로 사용되고 있습니다. RLL에서 사용되는 정의는 다음과 같습니다:
- Coil: 단일 출력 비트
- Input: 단일 입력 비트
- Register: 비트 또는 값으로 구성된 16비트 집합
- Holding: 내부 레지스터 저장소, 일반적으로 40,000번대
- Force: 출력 비트 또는 다수의 비트의 실제 상태를 설정
- Preset: 홀딩 레지스터에 값을 설정
- Mask: 출력 전에 마스크 레지스터와 XOR(배타적 논리합)을 수행
24.2.10 Profibus-DP
Profibus는 원래 PLC와 HMI 같은 호스트 시스템 간의 표준 통신 링크로 개발되었으나, 초기의 Profibus-FMS는 HMI 업데이트를 지원하기에는 속도가 부족했습니다. 이후 PLC RTU 또는 원격 멀티플렉서와의 표준 연결이 필요해지면서, 이러한 문제를 해결하기 위해 Profibus-DP가 개발되었습니다. Profibus-DP는 짧은 거리에서 최대 12 Mbps의 고속 통신이 가능하다는 점에서 매우 매력적인 특징을 가지고 있으며, 이로 인해 제어 수준 버스이자 필드버스로 활용됩니다. Profibus International은 FMS, DP, PA와 같은 수식어보다는 단순히 Profibus라는 용어를 선호하지만, 산업계에서는 여전히 이러한 구분을 사용하고 있습니다.
많은 기업들이 자사 제품에 Profibus 통신을 지원하고 있으며, 독일 국가 표준으로 시작된 Profibus는 현재 IEC 61158 필드버스 국제 표준에 포함되어 완전히 국제화되었습니다. Profibus의 주요 장점 중 하나는 Siemens가 이를 공장 통신 표준으로 채택하고 있다는 점입니다. Siemens는 세계 최대의 산업 자동화 시스템 통합업체이자 PLC 최대 제조업체로, Profibus를 사용하면 Siemens 제품과의 통합이 훨씬 수월해집니다.
Profibus International은 자동화 장치 네트워크에 대한 프로그래밍 인터페이스로 FMS를 사용하는 대신, GSD(Gerätestammdaten, 장비 마스터 데이터) 파일과 EDD(Electronic Device Descriptions)를 사용하는 객체 지향 방식(object-oriented method)을 도입하였습니다. 장치의 GSD를 보유하면 해당 장치의 모든 사용 가능한 데이터를 접근할 수 있습니다. EDD는 HART 및 Foundation Fieldbus의 DD와 매우 유사하며, 현재는 IEC 61804 기반의 공정 제어용 기능 블록(Function blocks, FB) – Part 2: 기능 블록 개념 및 전자 장치 설명 언어(Electronic Device Description Language, EDDL) 사양을 기반으로 이들 네트워크와 공통 형식을 공유합니다.
24.2.11 Profibus-PA
Profibus-PA는 공정 제어 분야에서 사용하기 위한 양방향 디지털 데이터 전송 네트워크 기술로 개발되었습니다. 처음부터 Foundation Fieldbus H1과 마찬가지로, 기존의 아날로그 제어 계측에 사용되던 4–20 mA DC 전송을 대체하기 위한 목적이었습니다. 또한 아날로그 전송에 일반적으로 사용되던 동일한 유형의 배선(wire)을 사용하고, 현장 계측기(field instruments)에 전원을 공급하며, 본질 안전 요건(intrinsic safety requirements)을 완전히 충족하도록 설계되었습니다.
Profibus-PA는 IEC 61158 국제 필드버스 표준의 일부로도 완전히 명시되어 있습니다. 물리 계층은 Foundation Fieldbus와 동일하지만, 데이터 링크 계층은 Profibus-DP의 것을 사용합니다. 이로 인해 제조업체는 두 버스 중 어느 쪽이든 현장 장치를 쉽게 제작할 수 있지만, 데이터 링크 계층의 차이로 인해 동일한 네트워크에서 공유할 수는 없습니다.
Profibus-PA는 현장 계측기에 DC 전원을 공급하고 본질 안전(intrinsic safety)을 지원해야 하는 전통적인 공정 제어 응용 분야를 위해 설계되었습니다. Foundation Fieldbus H1과 달리, Profibus-PA는 Profibus-DP의 확장 형태인 마스터/슬레이브(master/slave) 네트워크입니다.
일반적으로 현장 계측기는 현장 접속 박스(field junction box)에 배선되며, 이곳에서 Profibus DP/PA 커플러(coupler)에 종단됩니다. Profibus-DP는 상위 제어 수준 필드버스로 사용되어 PA 세그먼트를 제어 시스템의 마스터에 연결합니다. 현장 계측기의 전원은 종종 접속 박스에서 공급됩니다.
Profibus-DP에는 본질 안전 장벽이 존재하지 않기 때문에, 본질 안전이 요구되는 시스템에서는 접속 박스와 DP/PA 커플러를 안전 지역(safe area)에 설치하고, 각 Profibus-PA 세그먼트에 본질 안전 장벽(intrinsic safety barrier)을 배치해야 합니다.
24.2.11.1 배선 및 신호 방식
Profibus-PA는 4–20 mA를 대체하는 계측기 연결 응용을 목표로 합니다. Foundation Fieldbus H1과 마찬가지로, Profibus-PA는 31,250 bps의 매우 낮은 속도로 동작합니다. 이는 통신 버스로서는 느린 속도지만, 잡음 제거, DC 전원 공급, 본질 안전 제공이 필요하기 때문에 필수적인 속도입니다. 잡음 제거는 전통적인 디지털 사각파 대신 사다리꼴 파형(trapezoidal waveform)을 사용함으로써 향상됩니다.
인코딩 방식은 맨체스터 바이페이즈(Manchester Bi-phase)로, 각 비트에 대해 고(High)와 저(Low) 상태가 모두 필요합니다. 신호는 두 선 간의 차동 방식(differential)으로 전달되며, 이는 RS-232의 단일 종단 방식(single-ended)보다 잡음에 훨씬 강합니다.
배선은 차폐된 단일 트위스트 페어(shielded single twisted-pair)를 사용하며, 임피던스는 명시되지 않아 기존 아날로그 계측기 케이블을 그대로 사용할 수 있습니다.
Profibus-PA의 토폴로지는 그림 24-13에 나타난 바와 같이 트렁크와 스퍼(trunk and spur) 방식입니다. Profibus-PA는 배선 제한이 거의 없어 가장 경제적인 방식으로 케이블을 설치할 수 있습니다. 그림에 나타난 배선 방식이 가장 일반적으로 사용되며 유지보수가 용이하지만, 계측기 간 데이지 체인 방식(daisy-chain wiring)도 허용됩니다. 접속 박스에는 일반적으로 Profibus PD/PA 커플러와 각 배선 세그먼트용 전원 공급 장치가 포함되어 있습니다. 본질 안전이 요구되는 경우, 세그먼트는 접속 박스에서 연결되고, 단일 트위스트 차폐선이 안전 지역의 본질 안전 장벽까지 연결됩니다.
24.2.11.2 본질 안전 및 전원 공급
Profibus-PA는 본질 안전 (intrinsic safety)을 지원하지만 필수 사항은 아닙니다. 본질 안전의 기본 요건은 배선이 안전 지역 (safe zone)에서 위험 지역 (hazardous zone)으로 넘어가는 지점에 장벽 (barrier)을 설치하는 것입니다. 이 장벽은 가연성 가스 혼합물을 점화시킬 수 있는 에너지를 가진 전류가 통과하지 못하도록 하며, 그러한 전류는 접지 (earth ground)로 우회됩니다. Profibus-PA는 차동 신호 (differential signal)를 사용하므로, 본질 안전 장벽은 양극성 (bipolar)이며, 이는 일반적으로 한쪽이 접지 기준이 되는 아날로그 신호와는 다릅니다.
이 장벽은 Profibus-PA 링크에서 전송 가능한 전압을 제한하며, 결과적으로 연결된 현장 계측기에 공급 가능한 전력도 제한됩니다. 초기 Profibus-PA 사양에서는 단일 필드버스 세그먼트에 연결 가능한 장치 수를 예약되지 않은 주소 수 (125)로만 제한했지만, 본질 안전을 위해 최대 전류 소비량은 제한하였습니다. 저전력 전자장치의 도입으로 현장 장치의 전력 요구량이 감소함에 따라, 본질 안전을 유지하면서 세그먼트당 장치 수를 늘릴 수 있게 되었습니다.
개정된 Profibus-PA 사양은 FISCO (Fieldbus Intrinsically Safe Concept) 사양을 기반으로 하며, 이는 실제 사용되는 현장 장치의 전력 소비량을 기준으로 합니다. 이는 최대 전력 요구량보다 훨씬 낮은 경우가 많아, 본질 안전을 유지하면서 더 많은 장치를 Profibus-PA 세그먼트에 연결할 수 있게 해줍니다. 이후의 사양인 FNICO (Factory Mutual Non-Incendive Concept)는 대부분의 공정 플랜트에서 항상 폭발성 증기가 존재하지 않는다는 점을 고려하여, Profibus-PA 세그먼트당 장치 수를 추가로 늘릴 수 있도록 허용합니다.
현장 장치에 DC 전원을 Profibus-PA 세그먼트에서 공급할 수 있지만, 반드시 그렇게 해야 하는 것은 아닙니다. 장치는 아날로그 제어 시스템에서처럼 자체 전원을 사용할 수도 있습니다. 필드버스로부터 전원을 공급받는 장치는 일반적으로 9–32 VDC로 동작하며, 대부분의 상용 필드버스 전원 공급 장치는 약 24 VDC로 동작합니다.
Profibus-PA 세그먼트에서 전원을 공급받을 수 있는 장치 수는 본질 안전 및 비점화 (nonincendive) 분류의 적용 여부에 따라 달라집니다. 일반적으로 본질 안전을 충족하는 FISCO 기반 필드버스에서는 약 9개의 장치에 전원을 공급할 수 있으며, FNICO는 이를 약 12개까지 늘릴 수 있습니다. 본질 안전이 적용되지 않는 필드버스 세그먼트에서는 약 30개의 장치에 전원을 공급할 수 있습니다. 그러나 일반적인 엔지니어링 관행에서는 Profibus-PA 세그먼트당 장치 수를 이러한 최대치보다 적게 유지하는 것이 바람직합니다.
일반적으로 Profibus-PA는 현장 장치에서 제어 기능을 지원하지 않기 때문에, Foundation Fieldbus H1보다 세그먼트당 더 많은 장치를 연결할 수 있습니다.
24.2.12 Profinet
Profinet은 Profibus를 넘어서는 차세대 기술입니다. Foundation Fieldbus와 마찬가지로, Profinet은 다층 통신 구조를 포함하는 제어 시스템 아키텍처입니다. 기본 개념은 네트워크 내 구성 요소 객체 간의 통신이 이루어진다는 것입니다. Profinet 객체 모델은 Profibus의 GSD (Gerätestammdaten) 및 EDD (Electronic Device Descriptions) 개념을 확장하여 XML (extensible markup language) 기반의 객체 설명으로 발전시켰습니다. 모든 객체 기반 시스템과 마찬가지로, 각 객체의 외부 또는 노출된 속성 (attributes, 또는 parameters)은 명확한 규칙을 통해 통신 가능한 항목입니다. 모든 Profinet 객체 속성의 데이터 형식은 XML 데이터 구조입니다. Profinet의 구성은 이러한 객체들을 속성을 통해 연결하는 작업입니다.
Profinet은 프로토콜의 모든 측면을 정의하기 위해 일련의 국제 표준을 사용합니다. 기본 기술은 ISO/IEC 8802-3 표준 이더넷과 TCP/IP, 그리고 Microsoft의 COM/DCOM 객체 모델 및 프로토콜을 기반으로 합니다. Profinet은 다른 네트워크와의 상호 운용을 위해 설계되었으며, Profibus 네트워크도 완전히 지원합니다. Profinet의 궁극적인 목표는 물리적 환경이 적합한 모든 Profibus 사용 영역에서 Profinet을 사용하는 것입니다.
Profinet의 많은 부분은 상용 이더넷 배선 부품 또는 현재 제공되는 더 견고한 버전을 사용합니다. Profibus 네트워크와의 인터페이스 기능은 완전히 지원되지만, Profinet은 단순히 이더넷 위의 Profibus를 넘어서 더 많은 기능을 제공합니다.
Profinet은 프록시 (proxy)라는 소프트웨어 개념을 사용하여 기존 버스 장치를 모델링하고 이를 Profinet 데이터 구조의 통합된 일부로 만듭니다. 프록시는 Profibus 시스템의 필드버스 마스터 장치에 구현되며, 다른 산업 자동화 네트워크와의 인터페이스에도 사용할 수 있습니다. Profinet 프록시의 역할은 제어 시스템의 데이터를 필드버스에서 Profinet으로 투명하게 (transparently) 접근 가능하게 만드는 것입니다. 프록시 소프트웨어는 기존 컨트롤러에 추가할 수 있지만, 대부분은 기존 컨트롤러의 이더넷 인터페이스에 코프로세서 (coprocessor) 형태로 구현됩니다.
Profinet은 모든 유형의 제어 시스템을 위해 개발되었으며, 기존 PLC의 하드웨어 중심 주소 지정 방식보다 I/O 주소 지정 작업을 훨씬 간단하고 오류 없이 수행할 수 있도록 합니다. I/O 포인트는 Profinet을 지원하는 최종 장치 또는 Profinet 프록시에서 해당 장치 유형에 적합한 속성을 가진 객체로 명명됩니다. 이를 통해 객체 지향 엔지니어링 도구는 IEC 61131-3 호환 언어로 I/O를 객체 이름으로 참조하는 자체 문서화 (self-documenting) 프로그램을 생성할 수 있습니다.
Profibus International은 텍스트 기반의 GSD (Gerätestammdaten) 및 EDD (Electronic Device Descriptions) 파일을 제공해온 것처럼, XML 형식으로 정의된 Profinet 객체 클래스 (object classes)의 라이브러리도 제공합니다. 대부분의 GSD 및 EDD는 Profinet 객체 클래스로 제공될 것으로 예상됩니다.
24.2.13 WorldFIP
WorldFIP는 ANSI/ISA 필드버스가 개발되는 기반이 된 프로토콜입니다. 이 기술은 2000년에 IEC 61158의 Type 1로 채택되었지만, WorldFIP는 원래의 사양대로 IEC 필드버스 표준의 Type 7로도 포함되어 있습니다. WorldFIP의 초기 모델은 프랑스의 원자력 산업에서 대량의 아날로그 및 디스크리트 데이터를 빠르게 수집하기 위한 데이터 수집 네트워크로 설계되었습니다. 장치에 최소한의 전자 장치를 사용하고, 원자로 격벽을 관통하는 구멍을 하나만 사용하는 것이 목표였습니다. 비록 원자력 분야에서는 널리 사용되지 않았지만, WorldFIP는 전력 산업의 실시간 제어 구간과 여러 국가의 운송 분야에서 널리 사용되었습니다.
WorldFIP 프로토콜은 Foundation Fieldbus와 마찬가지로 충돌 감지 (collision detection), 마스터/슬레이브 (master/slave), 토큰 패싱 (token passing) 방식이 아닌 분산 중재 (distributed arbitration)를 기반으로 합니다. 또한 두 프로토콜 모두 게시/구독 (publish/subscribe) 방식의 논리를 통해 데이터 분배를 제공하며, 이는 분산 제어 동작에 있어 정밀한 시간 동기화를 가능하게 합니다.
WorldFIP의 버전은 응용 분야에 따라 프로파일 (profiles)로 구분됩니다. 표 24-3은 WorldFIP 웹사이트에서 발췌한 것으로, 각 프로파일을 설명합니다. 프로파일 1은 매우 단순한 장치에만 사용되도록 설계되었으며, 상위 프로파일에서 지원되는 기능이 부족합니다. 번호가 낮은 프로파일은 일반적으로 MicroFIP 또는 WorldFIP-I/O라고 불리며, 상위 프로파일은 FullFIP라고 불립니다.
WorldFIP는 다양한 응용 분야에 맞춰 여러 물리 계층 (physical layers)을 명시하고 있습니다. Foundation Fieldbus H1 및 Profibus-PA에서 사용되는 저속 (31,250 bps)의 차폐 트위스트 페어 케이블 시스템 (shielded twisted-pair cabling system)은 WorldFIP에서도 본질 안전 (intrinsic safety)을 요구하는 현장 전원 방식의 공정 제어 계측기용으로 지정되어 있습니다. 또한, 구리선 기반 네트워크에는 더 높은 속도인 1.0 Mbps 및 2.5 Mbps가 명시되어 있으며, 광섬유 네트워크에는 5.0 Mbps의 속도가 지정되어 있습니다. 이 모든 사양은 국제 필드버스 표준인 IEC 61158의 물리 계층에도 포함되어 있습니다.