4-2. 필드버스(Field Bus)

필드버스(Fieldbus)의 개요

 

1.필드버스(Fieldbus)의 기원 

 

필드버스(Fieldbus)는 실시간 분산 제어를 위해 사용되는 산업용 컴퓨터 및 기기의 네트워크 프로토콜 집합의 통칭이라고 정의되고 있다.

필드버스(Fieldbus)의 기원은 1940년대 계장분야에서 SAMA가 공기압력 신호를 통해 제어하느 기술을 국제통인 신호로 제정한 것으로 보기도 하고, 1960년대 IEC에서 전기적 국제통일 신호(4~20mA)를 사용한 것을 기원으로 보기도 하지만, 이때에는 제어 신호와 데이터를 모두 전달하기보다는 데이터 전달만을 수행했다고 볼 수 있다.   

이러한 연결 방식은 전자파 노이즈에 덜 민감하고 오류의 감지가 쉬워서 제어시스템에 많이 사용되긴 하지만 길게 연결되는 수많은 전선 다발, 노이즈, 열, 설치비용, 관리 문제 그리고 시스템 업그레이드의 어려움 등의 문제점들을 안고 있었다. 

 

본격적으로 제어 신호와 함께 데이터를 전달한 것을 필드버스의 기원으로 본다면, 1980년대 미국의 GM에서 자사의 제조설비를 자동화하기 위해 수립하고 적용한 자동화 장비용 통신방식(MAP : Manufacturing Automation Protocol)으로 볼 수 있다.  

그러나 GM의 자동화 통신 방식은 복잡하게 구성된 표준과, 이후에 개발된 개선안이 하위 호환성을 가지지 않는 문제가 있어 2번의 개정을 거치다 사라지게 되었다.

 

 

이러한 문제점의 해결을 위해 개발된 것이 각 필드 기기간의 직렬 공통 버스 통신 시스템인 필드버스이다. 필드버스는 배선을 획기적으로 간소화하고, 제어공정 제어나 공장자동화 등에서의 신속한 처리가 요구되는 다량의 데이터를 효과적으로 처리할 수 있으며 필드 기기의 추가나 변경이 쉽고 시스템의 형태나 배치, 구성에 유연성을 제공한다.

 

* 필드버스의 특징

필드버스는 분산제어 또는 자동화용 디지털 직렬통신망으로서, 자동제어 분야에서 통신을 이용한 제어방식을 가능케 하는 중요한 기반 기술이다. 이것은 각 제어기의 고속통신을 이용한 정보교환을 통하여 유기적인 결합을 이루고 멀티입력/멀티출력의 복잡한 시스템의 제어를 간단한 구성으로서 가능하게 하는 등 다음과 같은 특징을 가지고 있다.

① 디지털 데이터전송을 함으로써 강한 내 잡음성을 갖고 있다.

② 통신을 이용한 Multi-target/Multi-control이 가능하다.

③ 시스템 설치 및 유지보수가 용이하다.

④ 시스템 신뢰도, 유연성, 확장성 증가를 기대할 수 있다.

⑤ 스마트 센서를 사용함으로써 센서 레벨까지 분산화가 가능하다

⑥ 양방향 통신을 통하여 필드기기 모니터링 및 제어를 할 수 있다.

⑦ 소프트 PLC와 같은 PC기반의 제어기법 구축을 위한 기반기술이다.

⑧ 센서 및 액추에이터의 주기적 교정으로 시스템 유지 보수비용 절감이 가능하다.

 

 

2.필드버스(Fieldbus)의 종류

 

필드버스는 적용분야의 요구사항에 따라 최적화되어 있으며, 각각 고유의 특징을 가지고 있다. 현재 많은 필드버스 사양들이 있지만 대부분은

적용 시스템에 부합되도록 어떤 특정한 요구 사항들을 만족시키거나 주어진 문제점의 신속한 해결책을 제시하기 위해 제안되었다.

 PROFIBUS, MIL1553 그리고 FIP는 각각 독일,미국, 프랑스 국가 규격이다. 이러한 필드버스의 규격화를 위하여 IEC, IEEE, ISA 등 국제 전기 관련 국제단체에서는 필드버스의 표준을 만들기 위하여 노력한 결과, 현재는 Modbus, PROFIBUS, Interbus, Bitbus, Controlnet, Fieldbus Foundation, P-net 등이 세계표준(IEC 61158)으로 제정되어 사용자가 현장상황에 알맞게 선택하여 사용할 수 있게 복합표준으로 제정되었다. 

 

2-1. Modbus 

 

Modbus는 1979년 미국의 모디콘 사에서 개발되어 오늘날까지 전 세계의 생산현장에서 가장 많이 사용되고 있는 통신방식 중의 하나로 성장하게 되었다. 이렇게 폭넓은 사용자 층을 확보하게 된 원인에는 여러 가지가 있겠지만 무엇보다도 사용하기에 쉬운 통신 Protocol 구조와 강력한 응용성에 있다고 하겠다. 

 

(1) Modbus 통신의 종류

Modbus 통신의 종류는 크게 Modbus Serial, Modbus plus, Modbus TCP/IP 등 세가지로 나누어 진다.

이 중에서 Modbus Serial은 다시 RS 232C 기반의 Modbus와 RS 422 기반의 Modbus 그리고RS 485 기반의 Modbus로 세분화 되어지고 Modbus의 전송방식에 따라 RTU(Remote Terminal Unit) 전송방식과 ASCII(American Standard Code For Information Interchange) 등 두

가지로 나눌 수 있다. 일반적으로 산업현장에서는 Modbus RTU 전송방식이 주로 사용되고있으나 RTU와 ASCII 전송방식을 선택하여 사용하는

제품도 많이 사용 되어 지고 있다.  

 

 

(2) Modebus 통신의 OSI 계층 구성도

통신의 구성체계를 이해하는데 가장 일반적으로 사용되는 OSI 통신 계층 구성도를 사용하여Modbus 통신을 살펴보면 Modbus Serial과 Modbus Plus는 Physical layer와 Data link layer 그리고 Application layer로 구성 되어져 있다. 그리고 Modbus TCP/IP는 위의 세계 계층의 사이에Network layer와 Transport 그리고 Session layer가 더해진 좀더 복잡한 계층 구조를 가지고 있다. 

 

(3) 일반적인 Modbus Network 구성

Modbus TCP/IP가 개발되기 이전에는 상위의System간의 통신을 Modbus PLUS를 사용하였으나 Modbus TCP/IP가 개발된 이후에는 통신속도와 System의 응용성에서 우위를 점하고 있는 Modbus TCP/IP가 System간에 주로 사용되는 통신 방법이 되었다.그리고 기존부터 사용해온 Modbus Plus와 Modbus 232/485는 Gateway를 사용하여 Modbus TCP/IP로 변환하여 상위의 System과 연결하는 방법이 보편적으로 사용 되어지고 있다. 

 

 

2-2. PROFIBUS  

 

 

PROFIBUS는 1987년 유럽의 12개의 회사(ABB, Honeywll등)가 참여한 연구 프로젝트로 시작하였다. 이후 추가적으로  5개의 독일 협회가 이 프로젝트에 참여하였다. 이들이 모인 가운데 연구를 진행한 노력의 최종결과(1990년)는 FMS를 정의하는 DIN 19245, Parts 1 및 2였다. FMS에서 경험을 얻은 후, 마스터 및 슬레이브 장치 간에 데이터 전송을 위한 더욱 최적화된 성능 제공하기 위해 프로토콜을 확장할 필요가 있다는 결정을 하였다.

이러한 필요성이 인정되고부터 1993년 DP를 정의하는 DIN 19245, Part 3가 공표되었다.

1993년 유럽 필드버스 표준을 개발하기 위한 CENELEC의 지도 하에 그리고 1995년 및 1996년 두 차례의 투표 결과 EN 50170이 채택되었다. 이 표준은 현재 PROFIBUS(FMS, DP 및 PA), WorldFIP 및 P-NET의 정의를 포함하고 있다. DPV1을 정의하는 EN 50170의 확장이 1998년 4월 공표되었고 이러한 DPV1 확장에는 더욱 정교한 장치를 처리하기 위한 약간의 유연성을 추가되었으며 또한 이전에 표준화되지 않았던 몇 가지 표준 데이터 유형의 정의가 추가되었다. 

 

PROFIBUS-PA Profile은 1998년 처음 공개되었으며 1999년 10월 강화된 프로파일이 공개되었다. Profile은 IFAK(Institute For Automation and Communication)의 Christian Diedrich 박사가 의장을 맡은 연구그룹(Working Group)에 의해 개발되었다. PROFIBUS-DP 표준은 현재 세계표준(IEC 61158)으로 제정되었고 현재도 계속해서 안정된 표준으로 많은 현장에서 채택되고 있다. 

 

 

(1)PROFIBUS 기술

Profibus는 다음과 같이 세 가지로 분류된다.

* Profibus-FMS(Fieldbus Message Specification)

Profibus-FMS는 Cell Level의 통신에 적용하기 위해 개발된 통신 방식으로 여러 대의 Master를 가진 시스템(Multimaster-System)에서 Cell 상호간의 통신을 위한 Backbone으로 응용된다. FMS는 여러 가지 응용과 폭넓은 유연성을 제공하므로 다양한 통신이 필요한 곳에 많이 사용된다.

* Profibus-DP(Decentralized Peripherals) 

실시간 처리의 능력을 갖는 빠른 속도 보장으로 주변장치와의 연결시에 비용 부담의 절감효과로 특히 Field Level 안에서 자동화 시스템과 주변장치 사이의 통신을 위해 널리 이용되고 있으며, 이 Profibus-DP는 기존의 전압신호(24V), 전류 신호(0~20mA) 전송을 대체하는데 적합하다.

* Profibus-PA(Process Automation)

Profibus-PA는 화공분야에 연계되어 폭발의 위험이 존재하는 영역에서 Sensor와 Transmitter의 연결이 가능한 고유 안전성 기능을 갖는다. Profibus-PA는 국제표준 IEC 1158-2에 준해 한 개(두 가닥)의 Cable로 장비의 전원 공급과 Data 통신이 가능하다. 

 

(2)Profibus의 고유특성

Profibus는 Field Level로부터 Cell Level까지의 분산된 Digital 장비를 서로 연결할 수 있도록 직렬 Fieldbus System의 기술적, 기능적인 특성을 갖는다. Profibus는 Master와 Slave로 구분되고 Master 장비는 Bus에서의 Data Traffic을 확정하고 Bus 접근 권한을 소유시에는 외부의 요구 없이 메시지를 송신할 수 있다. Profibus Protocol에서 Master는 Active Station의 역할을 수행한다. Slave는 주변디바이스로서 입/출력 장비, Valve, Motor Drive, Transmitter 등을 의미하고 오직 수신된 메시지를 수신하거나 Master의 요청에 따라 메시지를 전송하도록 되어 있어 Bus 접근권한은 가지지 않는다. Slave는 Bus Protocol의 적은 부분만을 필요로 하기 때문에 시스템을 구성하는 비용이 적게 든다. PROFIBUS는 제작자가 독립적으로 채택하여 적용 및 제작할 수 있고(Vendor-independence), 공정자동화에 광범위하게 사용되는 개방형 필드버스이다. Vendor-independence와 개방형 특성은 유럽표준 EN 50170과 EN 50254 및 IEC61158에 명시되어 있다. PROFIBUS는 서로 다른 제작사에서 만들어진 디바이스간의 통신시 특별한 인터페이스 없이도 통신을 가능하게 하여 준다. PROFIBUS는 기능별, 적용단계별 통신프로토콜(Communication Profiles)인 DP와 FMS가 있고, 응용되는 전송기반기술(Physical Profiles)은 RS-485와 IEC 1158-2 또는 광통신 기능이 있다. 향후의 기술발전 측면에서 PROFIBUS User Organization 에서는 TCP/IP에 기반한 범용 프로토콜 개발을 진행하고 있고 일부업체에서는 상용제품을 시장에 내놓았다.

Application Profiles은 각기 서로 다른 형태의 응용 분야에서 필요한 프로토콜 및 전송기술을 정의하고 있을 뿐 아니라 Vendor-independent device의 적용 방법까지 정의하고 있다. 

 

 

2-3. Foundation Fieldbus

Foundation Fieldbus 협회는 국제 Fieldbus 표준을 목적으로 설립되었다. WorldFIP와 ISP가 함께 1994년 9 월에 설립한 이 협회는 공정제어와 제어설비를 생산, 공급, 사용하는 세계 유수의 200여 개사가 가입되어 있는 비영리 조직이다. 이 회사들은 공동으로 국제 Fieldbus Protocol 개발을 위해 많은 지원을 해왔으며, IEC/ISA Fieldbus 표준개발에 많은 중요한 공헌을 하였다.  
Foundation Fieldbus는 ISA가 공식적으로 규정한 SP50 Standard Project와 IEC의 사양에 상응하게 설계되었다.

설립된 이후 협회는 ISA, IEC의 Fieldbus 표준을 우선으로 하여 발전시켜 왔다.   
FOUNDATION Fieldbus 에는 다음과 같은 두가지 통신 레벨이 지정되어 있다.

• 제어기, 컴퓨터, 인버터와 다른 게측기들이 다루어지는 고속 통신 레벨 (high speed communication level - HSE)

• 프로세서 센서와 엑츄에이터가 다루어지는 저속 통신 레벨 (low speed communication level - H1) 

H1 층은 IEC 61158-2 기반으로 이루어지고, 고속층은 고속 이더넷 (HSE : High Speed Ethernet)을 사용한다. 

 

 

(1)전송표준

 

FOUNDATION Fieldbus HSE 는 Ethernet 100BASE-T 표준을 사용한다. 세그먼트의 길이는 100m(328 ft)까지 지원한다. FOUNDATION Fieldbus HI, ICE 61158-2 표준은 네가지 종류와 케이블 유형을 정의한다. A,B,C,D의 서로 다른 케이블 유형이 있으며 최대 허용 버스 길이는 각각 1900m(6232 ft), 1200m (3936 ft), 400m (1312 ft) and 200m (656 ft) 이다. (안전 지역 어플리케이션의 경우) 전송속도는 31.25 kBit/s 이다. 

 

(2)시스템 통합 

기기들은 두가지 파일을 사용하여 FOUNDATION Fieldbus에 통합될 수 있다.

• Common File Format File : 'CFT'는 호스트에 의해 사용되는 소프트웨어 파일이며, 기기의 구체적인 FF 성능이 물리적인 대상 없이도 (가상 필드 기기) 매핑된다.

• Device Description(DD)은 각 오브젝트의 확장기술 (extended description)을 Virtual Field Device(VFD)에 제공하며, 이 안에는 제어시스템이나 호스트가 VFD에 있는 데이터의 의미를 이해하기 위한 정보가 있다. DD는 시스템파일과 FFO 파일, 두개의 파일로 구성된다. SYM 파일은 텍스트 포맷으로 된 심벌 파일이고, FFO 파일은 기기에 대한 자세한 기술 (description)이다.