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산업 통신망 국제 표준화 동향과 CC-Link 네트워크

산업 자동화 시스템에서 정보 네트워크에 대한 중요성이 더욱 증가하고 있다. 네트워크를 기반으로 하여 전체 산업 자동화 설비에 대한 정보 통합과 제어가 광범위하게 이루어지고 있다. 이에 지난 2006년 국제 표준으로 인증된 CC-Link에 대한 주요 특징을 알아본다.

현재 산업 통신망 관련 국제 표준은 ISO(국제표준화기구)와 IEC(국제전기표준회의) 두 단체에서 추진중이다. 양 기관은 상호 협력주의를 기반으로 IEC에서는 전기, 전자, 정보기술 분야를, ISO에서는 산업 자동화 시스템 등 기타 분야를 각각의 활동범위로 채택하고 있다.

양 기관에서 발표한 최근의 산업 통신망 표준으로는 지난 2000년에 IEC TC65/SC65C에서 IEC 61158(Digital Communications)로 발표되었으며, Foundation Fieldbus, Profibus, ControlNet, Interbus, Swiftnet, WorldFIP, P-net, FF HSE 등으로 구성되었다. 이들 산업 통신망 표준들은 지속적인 논의를 통해 2003년 5월 공식적인 국제표준으로 발표되었다. 또한 IEC SC65C/WG6에서는 IEC61784-1 규격으로 ‘필드버스(Fieldbus)’를 채택하였으며, 최근 IEC SC65C/WG11을 통해 추가된 IEC 61784-2 규격으로 ‘리얼 타임 이더넷(Real Time Ethernet)’을 선정했다. IEC 61784-2 에는 EtherNet/IP, Profinet, P-NET, Interbus, VNET/IP, Tcnet, EtherCAT, Ethernet Fowerlink, EPA, Modbus-RTPS, SERCOS, Foundation HSE, CC-Link 등이 통신 프로파일 패밀리(CPF)로 구성되어 있으며, 이 표준 규격은 2007년 9월 최종 발표를 앞두고 있다.

ISO에서는 개방형 구조를 지향하는 오픈 프레임워크 표준을 ISO TC184 (산업자동화통신망표준) / SC5 (구조 및 통신) / WG5 (Open Framework)에서 표준을 준비하여 2003년 10월 ISO15745(Open Framework)로 공표하기에 이르렀다.

ISO15745는 Part1에서 Part5까지 발표되었으며, 총 16개의 개방형 통신 네트워크 프로토콜들이 표준으로 채택되었다. 특히 Part5는 2006년 3월에 ISO15745-5로 최종 승인되었다. Part5에는 PROFInet, MODBUS TCP, Ethernet Powerlink, EtherCAT, CC-Link 등 5개 프로토콜 항목이 포함되었다. 이는 산업용 오토메이션 시스템의 애플리케이션 통합 프레임워크 시리즈 규격의 완결판이라 할 수 있다.

이로써 2006년 현재 개방형 구조의 산업 통신망은 총 16개의 프로토콜이 국제 표준으로 완결된 상태이다. 여기서 주목되는 부분은 일본 미쓰비시가 주도하고 있는 CC-Link이다. 그 동안 CC-Link는 국제 산업 통신망 표준화 활동에 소극적인 모습을 보여 왔으나, 세계 각국에서의 국제 표준화 추진 활동과 생산 현장에서의 표준 네트워크에 대한 관심이 높아지는 것에 고무되어 적극적인 방향으로 선회한 경우이다. 또한 독자적인 프로토콜을 고수했던 지난 시기와 달리 산업용 이더넷을 적극 수용하기 위한 연구개발를 완료하고 사양 발표를 앞두고 있다.

CC-Link의 개발 배경

FA분야에서 ‘제어와 정보의 융합’은 피할 수 없는 대세가 되었다. 종전에 상품화한 Field Network의 경우 대부분 단순 비트 제어 신호를 전달하는 수준에 머물러 있었기에 정보 전달 기능은 물론이고 고기능 기기의 제어 조차도 어려운 상황이었다.

필드버스의 초기 형태는 전용의 리모트 I/O 네트워크로서 주로 PLC 등의 자동화 시스템에서의 I/O 연결 모듈을 현장 기기 가까이에 배치하기 위해 개발되었다. 그러나 전용 네트워크로서 폐쇄적인 구조를 가지고 있으며, 단순한 비트 제어만이 가능하다는 단점을 가지고 있었다. 각종 제어기기의 고기능화에 의해, 향후의 Field Network에서는 단순한 비트 제어 뿐만 아니라 데이터 제어와 메시지 송수신 등의 기능이 더해진 Intelligent한 네트워크가 요구되고 있다.

미쓰비시가 개발한 CC-Link는 이러한 조건을 만족시키는 차세대 Field Network로서, PLC 시스템에서 사용되며 입출력 기기 뿐만 아니라 워드 데이터를 다루거나 스스로의 CPU를 통한 복잡한 연산을 수행하는 기기의 분산화, 간편한 배선 절감 효과를 얻을 수 있다.

CC-Link의 구성

CC-Link 시스템은 PLC 시스템에 장착한 1대의 마스터 국에서 리모트 입출력은 물론 여러 가지 특수 기능을 수행하는 리모트 디바이스/인텔리전트 디바이스들과 연결하여PLC 시퀀스 프로그램에 의해 각종 제어를 수행하는 시스템이다. 1대의 PLC 시스템에는 최대 4장의 마스터 국 장착이 가능하므로 대규모의 시스템 구축도 가능하다.

구성 기기
리모트 국은 전송 데이터 종류와 기능에 따라 리모트 입출력, 리모트 디바이스, 인텔리전트 디바이스의 3가지 형태로 구분된다.

리모트 입출력으로는 미쓰비시의 리모트 입력, 출력, 입출력 혼합 기기와 파트너 메이커의 솔레노이드, 액추에이터, 밸브, 센서 등 다양한 기기 중에서 선택이 가능하다. 리모트 디바이스로 사용이 가능한 제품으로는 당사의 리모트 기기(예; A/D변환, 온도입력, 고속 카운터, 시리얼 통신, SERVO 제어 유니트 등) 및 다양한 파트너 제품의 접속이 가능하다. 인텔리전트 디바이스국은 마스터국/로컬국, 표시기, PC용 인터페이스 보드 등 다양한 제품이 있다.

데이터 크기
각 국은 1개의 국으로써 점유하게 되는데 1개 네트워크 시스템에서는 최대 64개의 국까지 연결할 수 있다. 1개의 시스템에서 사용할 수 있는 데이터 개수가 미리 정해져 있고 각 국은 데이터를 나눠 가지게 된다. 이때 1개 국은 최소 1국 점유부터 4국 점유까지 가능하며 점유 국수에 따라 사용할 수 있는 데이터 개수를 더 확보하게 된다. 표2는 점유 국수에 따라 확보되는 데이터 개수를 나타낸다.

CC-Link의 주요 특징

CC-Link를 이용함으로써 생(省)배선, 생(省)공간에 의한 시스템의 Cost절약은 물론 Intelligent한 기기의 활용에 의한 생산성 향상을 실현할 수 있다.

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전용 LSI 칩을 사용한 간편한 접속을 실현
① 리모트 입출력용 LSI(MFP2)
통신을 의식하지 않고 CPU없이 On/Off정보를 다루는 기기에서 사용하는 통신용 LSI이다. 단순히 입출력 정보를 MFP2에 데이터 라인을 통해 전송만 해주면 이후의 모든 통신은 MFP2칩이 알아서 수행한다. 대응 기기는 솔레노이드 밸브, 센서 등이다.

② 리모트 디바이스용 LSI(MFP3)
통신을 의식하지 않고 비트나 워드 데이터를 다루는 기기를 개발할 수 있게 해주는 통신용LSI이다. 대응 기기는 인버터, 서보, 아날로그 입력 기기, 아날로그 출력 기기, 표시기 등이다.

다루기 쉬운 업계 초고속 버스형 네트워크
– 통신 속도 10Mbps(총 연장 거리 100m이내일 때)에 의해 고속 응답성을 필요로 하는 제어에도 사용할 수 있다.

– 시스템의 전체 거리에 따라서 최적의 통신 속도를 Flexible하게 선택하는 통신속도/거리 가변 방식을 사용한다.

– Broadcast Polling 방식을 채택함으로써 링크 스캔을 최적화하여 10Mbps 통신 시 3.9~6.7ms정도의 빠른 링크 스캔 시간을 실현하였다.

워드 데이터와 비트 데이터를 간단히 다룰 수 있다
워드 데이터 및 비트 데이터의 Cyclic 전송에 의해, 리모트 입출력 기기뿐만 아니라 인버터와 표시기 등 워드 데이터를 사용하는 Intelligent기기의 정보가 리모트 레지스터를 통해 항상 리프레쉬 되므로 간단하게 교신할 수 있다.

충실한 RAS 기능
①자국(子局) 분리 기능
이상이 발생한 국을 네트워크에서 자동으로 탈락시켜, 정상적인 국들로만 데이터 링크를 하는 기능이다.

②자동 복렬(復列) 기능
다시 정상 상태로 돌아온 국을 자동으로 네트워크에 복귀시키는 기능입니다. 마스터 국을 리셋 할 필요가 없으며, 매우 빠른 속도로 복귀를 시켜 주므로 리모트과 연결이 정기적으 로 끊어졌다가 이어지는 대차 시스템등에도 무리 없이 적용할 수 있다.

③링크 상태 확인 기능/진단 기능
데이터 링크의 상태를 표시해 줌으로써 통신상의 이상 유무를 파악하고 이상을 제거하기 쉽도록 해 주는 기능으로써 신뢰성 있는 시스템을 실현할 수 있다.

제어 대상에 따라 다양한 종류의 기기를 선택할 수 있다
– 파트너 메이커의 제품에는 동일 사양의 통신용 LSI(MFP2 혹은 MFP3)가 장착되어 있으며, 협회에서 완성품을 조합한 통신 테스트를 실시한다. 따라서 여러 회사의 제품과 조합하여 사용 하더라도 통신에는 전혀 문제가 없다.

– 2004년 9월말 현재 CC-Link 협회에 가입한 회원사는 605사로서 폭 넓게 기기를 선택할 수 있다.

주요 확장 기능

(1) 메시지 전송과 프로그램의 Up/Download등의 트랜전트 전송이 제어계의 사이클릭 전송에 전혀 영향을 주지 않아 제어와 정보의 융합을 실현한다.

(2) 대기 마스터 국 설정에 의해 RAS기능이 충실하다
마스터 국과 동등한 CPU의 로컬 국을 대기 마스터 국으로 지정하면 마스터 국이 다운될 경우 네트워크 관리를 대기 마스터 국이 대행하여 시스템 전체가 다운되는 것을 방지할 수 있다.

(3) 국 분리 기능에 의해 On-Line중에 유니트 교환이 가능하다
– 마스터 국의 링크 특수 릴레이(SB), 링크 특수 레지스터(SW)에 분리할 국을 지정함으로써 On-Line중에 분리된 국이 다운되어도 에러없이 대상의 유니트를 교환할 수 있다. (교환하는 유니트는 전원을 Off한 후 교환)

– 분리 국 지정은 파라미터를 사용하지 않으므로 On-Line중에 변경이 가능하다.

– 분리 국이 다운된 경우는 마스터 국 출력은 Off, 입력은 자기 유지되므로 다운전의 정보를 표시하고 있는 동안에 교환을 한다.

(4) 파라미터 등록 기능, 자동 리프레시 기능에 의해 PLC 프로그램이 간단해진다
– CC-Link 파라미터 설정이 주변기기에 의해 이루어 지므로 파라미터 지정을 위한 PLC 프로그램이 필요없게 되었다.

– Cyclic 전송하는 리모트 I/O 입출력, 리모트 레지스터를 주변기기의 파라미터 설정에 의해 END처리 후 자동적으로 리프레시되므로 FROM/TO 명령이 불필요하고 PLC 프로그램이 간단해 진다.

– Configurator Software를 사용한 간편한 파라미터 등록도 가능하다.

(5) 새로운 CC-Link 기기들
– 광 리피터 : 10Mbps의 최대속도를 유지하면서 거리를 최대 2Km까지 연장할 수 있다.

– T분기 리피터 : 10Mbps의 최대속도를 유지하면서 T자로 분기가 가능하여 기기의 조합이 자유롭다.

– T분기 모듈 : 고속 통신이 필요 없을 때에는 간단한 T-분기 모듈을 사용하여 분기를 할 수 있다.

– 광 공간 전송 리피터 : 적외선에 의해 최대 100m까지 무선으로 데이터 전송이 가능하다.

– PC용 CC-Link Board : PC를 CC-Link의 마스터국 혹은 로컬국으로 사용할 수 있도록 해주는 장비로서, HMI나 SCADA 시스템을 보다 쉽게 CC-Link와 연결시켜 줄 수 있다.

CC-Link 전송 방식 개요

– 기본 프로토콜은 브로드캐스트 폴링(Broadcast Polling) 방식이다. 이 방식은 각국으로의 데이터 통신을 동일 패킷을 이용해 그 데이터를 모든 국에 전송하는 방식이다.

– 마스터 국은 송신 테이블에 따라, 리모트국으로 폴링 요구를 하지 않는 대신, 해당 국으로부터 응답에 따라 다음국으로 폴링 요구를 자동 송신한다.

– 리모트 국 측은 마스터 국 폴링 요구 전송 데이터문을 수신한 후 응답한다.

– 마스터 국은 1 링크 스캔 종료 후 ‘리프레시 사이클 종료’ 프레임을 송신하며, 그 후 다음 링크 스캔 개시까지의 사이에, 더미 신호(101010…)을 송신한다.

– 데이터 전송의 대략적인 순서는 그림 7과 같다.

CC-Link 전송 수순

① 마스터국은 테스트 사이클에서 전체 국에 대해 “테스트 폴링 데이터” 프레임을 송신한다.

② 각 리모트국은 해당 프레임내의 테스트 데이터를 첨부한 “테스트 응답 데이터” 프레임을 송신한다.

③ 마스터국은 1국(폴링 개시국)에 대해, 모든 리모트국으로의 송신 데이터를 첨부한 “폴링&리프레시 데이터”프레임을 송신한다.

④ 모든 리모트국은 그 프레임 내의 데이터에서 자국에 관련된 데이터를 추출하고, 1국은 ‘응답&리프레시 데이터’ 프레임을 송신한다.

⑤ 마스터국은 2국째 이후에는 ‘폴링 요구’ 프레임을 송신한다.

⑥ ’폴링 요구’의 어드레스와 자국 국번이 일치하는 리모트국은 ‘응답&리프레시 데이터’ 프레임을 송신한다.

프레임 형식(HDLC)

전송 프레임의 형식은 그림 9와 같다. 마스터국의 경우 데이터부에 RY는 최대 256바이트, RWw 최대 512바이트, 메시지 데이터는 최대 150바이트를 실어 보낼 수 있다. 기타 국의 경우는 RX 최대 16바이트, RWr 최대 32바이트, 메시지 데이터 최대 34바이트 전송이 가능하다.

국제 표준의 개방형 통신망

CC-Link는 산업 통신망 네트워크중에서 고객의 Needs를 폭넓게 만족시킬 수 있는 최적의 시스템으로 성장하고 있다. 또한 ISO/IEC 국제 표준 및 반도체 제조장비를 위한 SEMI 표준을 승인받아 자동차, 반도체, 식음료, 수처리, 빌딩, 공공설비에 이르기까지 광범위한 적용분야를 가지고 있다.

성능면에서 살펴보면, 첫째로 각 기기에 맞춰 1대당 비트 데이터 224~896점, 워드 데이터 32~128점까지 자유롭게 할당할 수 있고, 메시지 전송을 필요로 하는 기기에는 32Byte의 프레임도 동시에 송신할 수 있으므로 Intelligent한 기기와도 통신을 할 수 있다. 둘째로는 Hardware로 Broadcast Polling을 실시하므로 1 Cycle Time이 기기마다 명확하게 정해져 보다 확실하게 데이터 교신을 보증한다.

Trouble Shooting면에서는, 다양한 파트너 메이커 제품에 내장된 통신 LSI에 Protocol을 내장하고 있어, 제어 대상 기기측에서는 간단한 설정으로 통신이 이루어 지며 Master국에서의 통신 진단도 가능하므로Trouble Shooting이 용이하다. CPU가 필요없는 LSI를 제공하므로, 파트너 메이커가 파트너 기기 개발 시 간단히 대처할 수 있다.
따라서 CC-Link는 보다 신뢰성 있는 통신 네트워크 구성으로 폭넓은 제어 기기의 선택을 가능하게 함으로써, 향후 Field Network의 보다 나은 시스템 구성을 이룰 수 있다. 그리고 CC-Link의 광범위한 보급을 더욱 확산시키기 위해 CC-Link의 관리를 FA 관련 6개사가 간사를 맡은 중립기관 CC-Link 협회에 위임하고 명실 상부하게 완전 개방화되기에 이르렀다.

최근에는 산업 자동화 시스템에서 안전 네트워크에 대한 요구에 부응하여 CC-Link Safety를 제안하고, 공식 프로토콜 사양서를 발표하기도 했다. CC-Link의 네트워크 사양에 안전 기능층을 추가한 안전 필드 네트워크인 CC-Link Safety는 잇달아 제정되는 국제안전규격에 대응하고 제조업체의 다양한 안전 요구사항을 실현하면서 ‘고속통신’과 ‘정시성’이라는 CC-Link의 장점을 그대로 이어 받았다.

2006년말 기준으로 CC-Link 회원사 수 약 800여개사, 대응 제품 수는 약 800여종을 보유하며 이제 완전하게 개방된 필드 네트워크 사양으로 한층 많은 메이커에 의한 대응 제품의 개발이 기대된다.

아이씨엔 매거진 2007년 09월호

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