최근 자동화 분야에서는 새로운 전자제어 방식의 장치, 플랜트가 계속 개발되고 있으며, 현재 모든 분야의 생산 및 자동화 엔지니어링에서 큰 과제는 전 세계적인 상품가격 경쟁에서 이기기 위한 경쟁력 향상과 저가격화이며 이를 위해 현재 보유하고 있는 시스템을 어떻게 합리화 할 것인가가 중요한 포인트로 되고 있다. 현재까지도 널리 사용되고 있는 생산현장의 센서/액추에이터의 패러렐 배선 방식은 유연성이 부족할 뿐만 아니라 시간적으로나 비용면에서 큰 장애가 되고 있다. 이 문제를 해결하기 위해서는 센서/액추에이터 등의 말단장치를 배선 절감화가 가능한 필드 시스템을 사용하여 시리얼로 접속하고, 여러 다른 제조사의 다종 디바이스를 같은 네트워크 상에서 접속, 관리하게 함으로써 장치 비용이나 엔지니어링 비용 등을 절감할 수 있다.
이와 같은 요구에 따라 필드버스(Fieldbus)기술이 등장하게 되었으며, 필드버스는 자동화 현장의 배선비용 절감화를 위해서 뿐만 아니라 오픈된 국제 사양을 지향함으로써 유연성 있는 제어 시스템을 실현하게 한다는 목표 하에서 추진되어 왔다. 앞으로 자동화 시스템은 장치의 멀티 벤더화, 시스템의 구축, 변경의 신속화, 비용 절감을 위한 오픈화와 표준화가 반드시 요구될 것이다. 이런 의미에서 필드버스 시스템의 중요성은 더욱 부각되고 있다.
현재 공장 자동화 분야에서 사용하고 있는 모든 버스를 넓은 의미로 필드버스라고 부르고 있지만 사용되는 버스의 성격에 따라 센서버스, 디바이스버스, 필드버스와 같이 3가지 버스로 구분할 수 있다.
본문에서는 좁은 의미의 필드버스만을 필드버스로 지칭하기로 한다. 센서버스란 단일 ONOFF 접점들을 효율적으로 다룰 수 있는 가장 단순한 버스이며, 디바이스버스는 하나의 장비 단위의 데이터를 효과적으로 다룰 수 있는 버스이다. 마지막 필드버스는 트랜스미터, 밸브 등과 같은 계측 제어용 기기들의 데이터를 효과적으로 다룰 수 있는 데이터 구조가 가장 복잡한 버스이며 좁은 의미의 필드버스이다. 필드버스의 구조를 살펴보면 필드버스에 접속되는 각종 제어 및 자동화 관련 기기들에서 생성되는 데이터들은 크게 실시간 데이터와 비실시간 데이터로 나뉘어지며, 이러한 실시간 및 비실시간 데이터가 하나의 네트워크 미디엄을 공유하게 된다. 예를 들어 필드버스에서 생성되는 동기신호, nominal and actual value 신호, 이벤트 메시지 등과 같은 실시간 데이터들은 일반적으로 데이터의 길이가 짧으며, msec 단위 이내의 매우 짧은 시간 내에 데이터의 전송 및 처리가 완료되어야 한다. 컴퓨터 통신망이 완전한 기능을 수행하기 위하여서는 OSI의 7계층 구조를 모두 갖추어야 하나, 필드버스는 실시간 동작에 대한 요구사항을 만족시키기 위하여 물리 계층과 데이터 링크 계층 그리고 위에 바로 응용 계층이 위치하고, 그 위에 사용자 계층이 위치하는 4계층의 구조를 가진다. 물리 계층은 전선, 광섬유 또는 무선과 같은 미디어에 의해 전달될 데이터를 코딩하는 기능을 수행한다. 즉, 데이터 링크 계층으로부터 전달된 데이터를 받아서 이를 전기 또는 광신호로 변환하여 버스를 통하여 전송하며, 또한 버스를 통하여 수신된 신호를 데이터로 변환하여 데이터 링크 계층으로 넘겨준다. 데이터 링크 계층에서는 매체 접속 제어(MAC) 기능과 논리 링크 제어(LLC) 기능을 제공한다. 매체 접속 제어 기능은 여러 개의 노드들이 하나의 네트워크 매체를 공유하는데 있어서 데이터간의 충돌을 방지하기 위하여 각각의 노드에 데이터를 전송하는 권한을 부여하는 기능을 말하며, 논리 링크 제어 기능은 통신을 하려는 노드들 간에 논리적 링크를 설정 및 해제하는 기능을 비롯하여 노드들 간의 통신 과정에서 발생할 수 있는 각종 오류를 처리함으로써 노드들 간에 신뢰할 만한 데이터 전송이 이루어지도록 하는 기능을 수행한다. 응용 계층은 원격 변수 입출력, 프로그램 및 데이터 파일 전송, 프로그램 원격 관리 및 각종 사건 처리 등과 같이 공정 제어와 공장 자동화 환경에서 요구되는 각종 응용 서비스를 제공한다. 응용 계층 위에 사용자 계층을 추가하여 이를 표준화함으로써 필드버스가 단순히 통신을 위한 네트워크 시스템 이상의 기능을 제공하도록 하고 있다. 필드버스의 사용자는 바로 필드 장비들이다. 필드버스의 사용자 계층을 표준화한다는 것은 바로 이러한 필드 장비의 기능을 표준화하는 것이다. 필드버스 시장이 확대됨에 따라 여러 가지 필드버스가 제안되고 있다. 규격 오픈화의 정도를 기준으로 분류하면 IEC, EN 규격 등으로 표준화된 완전 오픈 버스, 제안 벤더가 일부 오픈화하고 있는 버스, 완전한 벤더 독자의 버스로 분류된다. 오픈 필드버스에 필요한 조건을 요약하면, 사양의 오픈성, 각 계층을 통한 일관성, 네트워크 프로토콜의 효율성, 전송 스피드, 각 디바이스에 대한 유연성, 설치와 유지보수가 용이할 것 등을 들 수 있다. 이와 같은요구를 충족하기 위하여 국제 표준화 활동이 이루어져 왔다. 세계적으로 단일화된 필드버스 프로토콜을 정립하기 위해 국제적인 그룹 즉, ISA, IEA, Profibus(Pcess Fieldbus), FIP(Factory Information Protocol) 등과 그 외 다수의 특정 프로토콜 제작자가 참여하는 ISA/IEA SP50위원회에서 필드버스 개념설정과 그 적용에 대해 많은 노력을 기울여 왔다. 그러나 ISA SP50 위원회가 여러 해 동안 필드버스의 규격작성을 진행해 왔으나 표준화 작업은 여러 가지 기술적인 문제와 상호이해 관계로 결론에 이르는 데 어려움을 겪고 있다. 그럼에도 표준화는 WorldFIP와 ISP(Interoperable System Project) 두 개의 주요 그룹에 의해 지배되어 왔다. 최근 이 두 개의 국제조직은 FF(Fieldbus Foundation)로 통합되었으며, 현재는 Profibus와 FF가 시장 점유권을 놓고 경쟁하고 있다. 현재 널리 보급되고 있는 대표적인 오픈 필드버스는 FOUNDATION Fieldbus와 Profibus라고 할 수 있으며 이에 대해 살펴보면, FOUNDATION Fieldbus 프로토콜은 물리계층(Physical Layer), 데이터 링크 계층(Data Link Layer)과 FAS(Fieldbus Access Layer) 및 FMS(Fieldbus Message Specification)을 포함하는 응용 계층(Application Layer)으로 이루어진 통신 스택과 사용자 어플리케이션으로 구성된다. 물리계층은 국제 표준안인 IEC/ISA의 표준을 따른다. 물리계층은 필드버스 매체로 전송하기 위해 데이터 링크 계층으로부터 받은 메시지를 물리적인 신호로 바꾸어 주는 역할을 한다. 또한 필드버스 매체로부터 수신한 물리적인 신호를 데이터 링크 계층으로 전해주기 위해 적합한 메시지로 변환한다. 데이터 링크 계층(DLL)은 IEC/ISA 필드버스 데이터 링크 계층의 부분 집합이다. DLL의 주된 기능은 필드버스 매체로의 메시지 전송 제어이다. LAS(Link Active Scheduler)라는 버스 스케줄러를 통해서 필드버스로의 메시지 접근을 관리한다. 기본적으로는 중앙 제어 방식의 프로토콜을 사용하고 있으나 토컨 패싱과 스케줄링에 의한 데이터 전송을 모두 지원한다. 로컬 링크에는 최대 32개의 노드가 가능하다. 데이터 링크 계층의 모든 메시지는 DLPDU(Data Link Protocol Data Unit)의 형태로 전송된다. FAS 계층은 DLL계층과 응용계층인 FMS 간에 인터페이스 기능을 수행한다. FMS에서 생성된 메시지가 DLL에서 제공하는 토컨 패싱 또는 스케줄링 방식을 통하여 전송되기 위하여서는 전송단과 수신단 간에 통신관계가 설정되어야 하며, 이러한 기능이 FAS 계층에서 수행된다. FAS에서 통신관계를 설정하기 위한 서비스의 종류는 VCR(Virtual Communication Relationship)에 의하여 결정된다. FMS는 필드버스 응용 계층으로 필드버스의 사용자 계층과 직접 연결되는 부분이다. FMS는 통신에 사용되는 객체, 서비스, 통신 모델 등을 정의하며 사용자에게 실질적인 통신 서비스를 제공한다. 이것은 필드버스에 접속되는 디바이스의 응용 프로그램에 접속된다. 응용 계층의 서비스를 수행하기 위해 서비스를 요구하는 클라이언트와 서비스에 응답하는 서버와의 관계는 통신 객체, 통신 서비스 및 통신 관계의 통신 요소들로 구성된다. 통신 객체는 각 노드 사이에서 교환되는 데이터이며, 통신 서비스는 통신 객체들에 대한 해당 노드의 응용 서비스 수행을 나타낸다. 통신 관계는 각 노드간 서비스의 논리적 연결 기능을 나타낸다. 또한, 통신 관계의 통신 요소들로는 객체 사전(OD)과 가상 통신 관계 목록(VCR List)이 있다. 객체 사전은 통신 객체 목록이며, 가상 통신 관계 목록은 통신 관계를 관리한다. 실제로 네트워크 구성시 이러한 통신 요소를 먼저 정의하고 각 통신 요소 간의 관계를 설정해야 한다. 그리고, 또하나의 대표적인 프로피버스(Profibus)는 독일에서 개발되어 유럽의 표준안 EN50170으로 지정된 완전 오픈 버스이며, FA 네트워크의 계층과 용도에 따라 ProfibusDP, ProfibusFMS, ProfibusPA의 3종류의 사양을 규정하고 있으며, 주로 생산자동화, 공정 제어, 빌딩 자동화 등의 분야에서 필드 장비들 간에 실시간 통신을 위하여 사용된다. ProfibusDP는 실시간 처리의 능력을 갖는 빠른 속도 보장으로 주변장치와의 연결 시에 비용 부담의 절감효과로 특히 필드 레벨안에서 자동화 시스템과 주변장치 사이의 통신을 위해 널리 이용되고 있으며, ProfibusDP는 기존의 전압신호(24V), 전류 신호(0～20mA) 전송을 대체하는데 적합하다. ProfibusFMS는 셀 레벨의 통신에 적용하기 위해 개발된 통신 방식으로 여러 대의 마스터를 가진 멀티마스터 시스템에서 셀 상호간의 통신을 위한 백본으로 응용되며, 여러 가지 응용과 폭넓은 유연성을 제공하므로 다양한 통신이 필요한 곳에 많이 사용된다. 마지막으로 ProfibusPA는 화공분야에 연계되어 폭발의 위험이 존재하는 영역에서 센서와 트랜스미터의 연결이 가능한 고유 안전성 기능을 갖는다. 또 ProfibusPA는 국제표준 IEC 11582에 준해 한 개(두 가닥)의 케이블로 장비의 전원 공급과 데이터 통신이 가능하다. 프로피버스는 필드 레벨로부터 셀 레벨까지의 분산된 디지털 장비를 서로 연결할 수 있도록 하는 직렬 필드버스 시스템의 기술적, 기능적인 특성을 갖는다. 프로피버스는 마스터와 슬레이브로 구분되고 마스터 장비는 버스에서의 데이터 트래픽을 확정하고 버스 접근 권한을 소유 시에는 외부의 요구 없이 메시지를 송신할 수 있다. 프로피버스 프로토콜에서 마스터는 액티브 스테이션의 역할을 수행한다. 슬레이브는 주변디바이스로서 입/출력 장비, 밸브, 모터 드라이브, 트랜스미터 등을 의미하고 오직 수신된 메시지를 수신하거나 마스터의 요청에 따라 메시지를 전송하도록 되어 있어 버스 접근 권한은 가지지 않는다. 슬레이브는 버스 프로토콜의 적은 일부만을 필요로 하기 때문에 시스템을 구성하는 비용이 적게 든다. 프로피버스는 제작자가 독립적으로 채택하여 적용 및 제작할 수 있고(벤더독립), 공정자동화에 광범위하게 사용되는 개방형 필드버스이다.벤더독립과 개방형 특성은 유럽표준 EN 50170과 EN 50254 및 IEC 61158에 명시되어 있다. 프로피버스는 서로 다른 제작사에서 만들어진 디바이스간의 통신 시 특별한 인터페이스 없이도 통신을 가능하게 하여 준다. 프로피버스는 민감할 정도의 고속통신이나 복합적인 통신에 모두 사용할 수 있고, 향후 앞선 관련기술이 개발된다 하더라도 프로피버스는 미래를 대비하는 산업통신 시스템이 될 수 있다.
[출처] 필드버스 개요|작성자 더월
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2016-02-29 11:44:22 
