2.3 산업용 네트워크 기술(필드버스/ 이더넷)

산업용 네트워크 중 하나인 필드버스란 Field(생산에 필요한 각종 설비들이 운전되는 현장) + Bus(각 설비 사이의 데이터를 전송하는 통로), 즉 생산에 필요한 각종 설비들이 운전되는 현장에서 각 설비들(센서, 액추에이터, 제어디바이스) 사이의 데이터를 전송하는 디지털 직렬 통신망이라고 정의할 수 있다.

제조실행시스템

 

2.3.1 필드버스

공정 제어를 위한 신호 전송 체계로 1940년 SAMA가 국제 통일 신호로 제정한 공기압식 신호(0.2~1.0㎏/㎠)를 시발점으로 해서 1950년대까지는 3-50 psi의 공압 계측 신호가 표준으로 사용되었고, 1960년대에는 IEC가 전기식 국제통일 신호(4-20mA의 전류 또는 전압의 아날로그 신호)를 제정한 것이 초기의 과정이다.

1980년대 중반부터 디지털 기술을 이용하는 통신망 신호 전송 체계의 필요성이 대두되기 시작하면서 필드버스 기술이 개발되기 시작했다. 기존 방식인 중앙 집중적인 배선 방식에 비해 필드버스의 장점은 원가 절감과 유지보수의 편의성, 시스템 구축 시 하나의 제조회사에 의존하지 않고 사용자가 원하는 제품을 선정해 사용할 수 있다는 것이다. 
 
필드와 제어기와의 거리가 얼마 안 되면 문제가 없으나 거리가 멀어질 경우 초기 공사 시 배선 비용이 증가하고, 많은 전선이 묶여 있으면서 생기는 배선의 오류와 그에 따른 점검 비용 등이 소요된다. 그러나 필드버스의 경우 리모트 I/O 모듈을 현장 근처에 설치해 단자대 없이 센서 및 기기를 직접 연결하고 통신선 한 가닥만 제어 기기로 배선함으로써 중앙 집중식 대비 약 40~50%의 절감 효과를 얻을 수 있다.
 
또한 센서나 리모트 I/O의 이상 시 해당 노드에서 점검을 빠르게 할 수 있어 장비의 다운 타임을 줄일 수가 있다. 필드버스 대부분은 통신선로 및 각 리모트 I/O의 상태 점검을 할 수 있는 유지 보수용 소프트웨어가 있어서 사용자가 더욱 편리하게 사용할 수 있다.
 

필드버스의 세분화

 

컨트롤버스

PLC, DCS 또는 제어용 PC·HMI(Human Machine Interface) 상호의 정보교환에 이용되는 네트워크로서 컨트롤러 상위 네트워크라고도 한다.
 

필드버스(field bus)(협의)

종래의 PLC, DCS 또는 아날로그형의 제어 기기와 필드 기기간의 접속을 디지털화·네트워크화한 것으로 FA계(Factory Automation), PA계(Process Automation)로 분류할 수 있다. 컨트롤러 하위 네트워크 혹은 필드 네트워크라고도 한다.
 

센서버스

센서 신호, 액추에이터 신호(검출단·조작단의 온 오프 신호, 접점 신호, 또는 아날로그 입출력 신호)를 고속으로 전송하는 네트워크를 말한다. 코드화된 제어 명령이나 메시지는 취급할 필요가 없고 디바이스 버스, 비트 버스 혹은 센서 레벨 네트워크라고도 한다.
 
필드버스 계열의 통신 방식들은 아날로그에서 디지털 방식으로 전환되어 그 사용이 폭발적으로 늘었으나 각 벤더별 개별 프로토콜을 사용한다. 다른 이유는 다 차치하더라도 오픈 프로토콜이 아니라는 점은 큰 단점으로 작용한다. 이에 비해 산업용 이더넷은 빠른 속도와 유연한 Topology구성(링 구성)으로 오류 복구 기능이 있고 무선이 가능하다는 장점이 있다.
 
산업용 이더넷의 대응책으로 필드버스 진영에서도 ODVA, 한국프로피버스협회, CC-Link협회, 필드버스파운데이션협회, 한국 EtherCAT 호환 프로토콜 개발 등의 작업을 진행하고 있으나 Ethernet의 파도를 넘기에는 힘겨워 보인다.

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2.3.2 산업용 이더넷

1970년대 산업용 애플리케이션에 처음으로 사용되었던 이더넷이 산업 자동화를 위한 현재와 미래의 네트워크로 진화하고 있다. 자동화 장비 제조업체들 대부분이 기존의 독자적 네트워크를 이더넷 기반 프로토콜로 대체하는 추세이다.
 
그동안 이더넷 기술은 '시간 결정성'이 부족하다는 이유로 산업계에서 외면받았지만 필드버스와 결합해 산업용 이더넷으로 진화하면서 시간 결정성이 높아졌으며, 속도 역시 개선됐다. 현재 산업용 이더넷의 데이터 전송 속도는 10 Mbit/s에서 1 Gbps/s까지 가능해졌다. 일반 이더넷에 비해 산업용 이더넷이 필요한 이유는 환경요인에 기인한 장비적인 특성과 제어 데이터 내부 특성에 따른 통신 방식의 차이 등을 들 수 있다.
 
OA 환경에서는 항온, 항습 시설이 갖춰진 전산실 등에 장비를 설치해 구동하지만 산업 환경은 쇳물이 녹는 고로 옆 또는 실외에 설치될 수도 있다. 제어 데이터 내부적인 특성으로는 대용량의 데이터 처리가 아닌 정확하고 손실 없는 데이터 처리와 실시간 정보 전송이 필요하다.
 
이더넷에서는 특정 패킷이 목적지에 도달하는 시간이 정해져 있지 않기 때문에 실시간 제어 기능이 보장되지 않는다. 이것이 이메일이라면 아무도 신경 쓰지 않겠지만, 고속의 공정 제어 변수라면 패킷 손실과 속도 손실은 큰 문제가 될 수 있다. 일반적으로 산업용 공장 설비 제어에서는 속도와 원하는 결과를 지정된 시간프레임 내에서 얻어내는 결정성(Determinism)이 중요하다. 
 

산업용 이더넷 기반 요구사항

 

오픈 이더넷과의 호환성

 

분산 제어 시스템 지원

 

기존 필드버스 시스템과의 간편한 통합

 

강력한 실시간 기능

 

메이저 PLC 업체에서의 지원 유무

 

온도, 진동, 습기 및 오염의 내성 등

 
PLC 등 컨트롤러 하위는 아직 필드버스를 사용하는 데가 있으나, 그 상위로 연결되는 부분은 이미 이더넷이 석권하고 있다. 이젠 필드 계열에까지 그 적용 범위가 확대되고 있는 상황이고 이더넷을 지원하는 End Device도 많이 나와 있다. 
 
산업용 이더넷은 공장자동화에 새로 설치된 노드수와 관련해 기존의 필드 버스를 능가하고 있다. HMS의 글로벌 산업용 이더넷 시장 보고서에 의하면 필드버스 42%인 반면 산업용 이더넷은 새로 설치된 노드의 52%를 차지한다. EtherNet/ IP는 현재 15%로 가장 널리 설치된 네트워크이며 PROFINET 및 PROFIBUS가 뒤따르고 있으며 둘 다 12%이다. 무선 기술 또한 6%의 시장 점유율로 강세를 보인다.
 
2000년 초에 선보인 이더넷 아이피(EtherNet/ IP)는 이더넷 상에서 운용되는 산업용 프로토콜로서 ControlNet과 DeviceNet 등을 사용한다. EtherNet/ IP는 로크웰 오토메이션이 Allen-Bradley 컨트롤라인을 위해 개발한 것이지만 현재는 공개 표준으로 여겨지며 ODVA에 의해 관리되고 있다.
 
EtherNet/ IP와 함께 시장을 양분하는 프로피넷(PROFINET)은 원래 지멘스가 만든 것이지만 현재는 공개 표준으로 프로피버스 및 프로피넷 인터내셔널(PI)이 관리하고 있다. FA, 모션 컨트롤, PA 등 세 가지 영역을 하나의 백본으로 모두 커버하는 산업용 이더넷이다.
 
제조 현장은 안정적이고 지속적인 생산이 가능한 시스템 환경 구축이 생명이기 때문에 각 업종에 적합한 신뢰성이 검증된 디바이스 위주로 도입된다. 이때 통신 방식은 보통, 제조 디바이스에 따라 결정되는 경우가 많다.
 
예를 들어 로크웰 오토메이션의 디바이스를 주로 사용하는 곳에서는 EtherNet/ IP를, 지멘스 PLC를 주로 사용하는 현장에서는 PROFINET을, 미쓰비시 제품을 사용하는 경우 CC-LINK IE를 사용하는 것이 그렇다. 문제는 공장들은 대부분 이들 디바이스들을 생산 라인별로 혼용하는 경우가 많다는 것이다.
 
과거에는 다른 산업용 이더넷 간의 상호 운용성은 비용과 시간이 많이 드는 시스템 통합 과정을 거쳐야 하므로 몇몇 대기업을 제외하고는 적극적으로 수행하지 못했다. 최근 스마트 공장 이슈가 부각되면서 이종 디바이스 간 상호 연동과 공장의 디바이스 레벨에서 엔터프라이즈, 클라우드 레벨까지 통일된 정보 수집 체계를 구축하기 위한 OPC-UA 기술이 새롭게 조망되고 있다.