Keysights ad
Home » 이슈포커스 » 산업용IoT » 시리얼과 이더넷을 왕래하는 시리얼 디바이스의 미래

시리얼과 이더넷을 왕래하는 시리얼 디바이스의 미래

RS-232와 RS-485로 대표되는 비동기 시리얼 통신 연결은 여전히 산업용 디바이스 인터페이스에서 가장 일반적으로 사용되고 있다. 이 일반적인 사용에는 고장 및 진단 뿐만 아니라 구성 및 설치, 오퍼레이터 인터페이스(HMI), 제품 설치(배치 다운로드) 그리고 제품 모니터링도 포함하고 있다. 시리얼 포트 출력은 클린룸의 파티클 카운터(particle counters-대기오염측정기)에서부터 비젼 시스템, marquee 디스플레이, 스케일, 스캐너 그리고 공장 현장의 PLC 및 PAC에 이르기까지 다양한 디바이스에서 볼 수 있다.

1979년 MODBUS의 출현으로 이제는 공장현장, 연구실, 테스트실 혹은 언제 어디에서나 이더넷을 사용하는 시대가 도래해 시리얼 디바이스의 거리와 인터페이스 한계를 무너뜨렸다. 이는 시리얼 터널링에 의해서 가능하다. 시리얼 데이터는 마치 표준 TCP/IP 데이터처럼 IP 패킷내에 캡슐화되어 이더넷 네트워크를 통해서 전송된다. 작동은 일반적으로 어플리케이션 소프트웨어와 연결된 디바이스 둘 다에 상관이 없으며, 전송은 데이터가 보내고 받을 수 있는 쌍방향이다.

이는 또한 TCP 기반의 이더넷 네트워크에서 사용하는 프로토콜의 아주 초기의 포트이기 때문이다. 터널링은 시리얼 디바이스에서 시리얼 디바이스로, PC에서 시리얼 디바이스로 그리고 시리얼 디바이스에서 PC로 향하는 것과 같은 유연한 구성을 허용한다.

또한, 디바이스 서버는 이더넷을 통해서 OPC 클라이언트/서버 시스템과 인터페이스로 쉽게 연결될 수 있다. 최신의 OPC-UA를 포함하여, 현대의 OPC 버전은 데이터의 “시리얼 캡슐화”를 지원하며, OPC 서버는 OPC 클라이언트로서 디바이스 서버를 사용하도록 구성될 수 있다. 디바이스 서버는 802.11b 무선 이더넷 LAN 연결을 통해서 작동되도록 구성될 수 있으므로, 와이어링의 한계는 완전히 없어지게 되었다.

시리얼 및 이더넷 기반 시설 모두를 이용하는 디바이스 서버

최근들어 늘고 있는 디바이스 서버의 사용은 공장 현장에서 사용중인 시리얼 디바이스의 수명과 성능 모두에 대한 확대를 제공한다. 기존의 IP-기반의 LAN/WAN 기반시설과 함께 기존 시리얼 기반시설을 이용하고 수렴할 수 있다. 시리얼 디바이스는 IP연결만으로 무선 네트워크와 인터넷을 통하는 것을 포함하여 원격의 위치로부터 접속될 수 있도록 한다.

글_ 폴 벡커(Paul Wacker), Advantech Corporation, Industrial Automation Group

처음 연구실에서 시작되어 공장 현장으로 진출한 시리얼 디지털 통신은 디바이스에서 디바이스로 데이터를 전송하는 가장 초기의 방법이었다.

연구실 및 테스트 벤치상에서 디지털 데이터는 처음에는 RS-232 케이블에 의해서 전송되었는데, 추천 규격인 RS-232(Recommended Standard 232)는 두 개의 디바이스간 쌍방향 통신을 제공했던 비동기 데이터 통신을 위한 EIA(Electrical Industry Association)의 표준이었다.

1970년대 초부터, IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)는 RS-232와 유사했던 다중 연결 방식(multi-drop) 시리얼 통신에 대한 표준을 설립하고, 동일한 케이블을 통해서 서로 통신하기 위해서 15개까지의 디바이스를 허용하였다. 이것이 RS-485이다.

공장 현장에서, RS-232는 프로그래밍을 요하는 PLC와 같은 디바이스처럼 일반화되었으며, 데이터 수집과 분석을 위해서 스프레드시트와 데이터 베이스를 구동하는 컴퓨터로 데이터를 전송하기 위해서 반드시 필요했다. 하지만 RS-232는 많은 디바이스간 통신을 위한 방식으로서는 큰 결점이 있었는데, 즉 RS-232는 시리얼 디바이스당 1대의 PC나 호스트로 전용 연결로 제한되어 있다는 것이다. 또한 디바이스에서 디바이스까지 50 피트(약 15 미터)라는 확정된 물리적 제한이 있었다.

또다른 표준인 RS-422는 3600 피트(약 1,000 미터)까지의 더 먼 통신거리를 제공하지만, 여전히 제한적이었다. RS-232 표준은 예를 들어, 초당 10 기가비트까지 제공하는 이더넷 통신과는 대조적으로 현대의 데이터 전송 속도인 초당 300~9600 비트와 비교해서 상당히 느린 통신 속도를 제공하였다. RS-485가 되었던 RS-232/422 표준의 다중 연결 방식(multi-drop)의 버전은 약간 더 빨라졌고 싱글 마스터에 연결되는 여러 개의 슬레이브 유닛을 가질 수 있었다. RS-232나 RS-485도 전체 공장에 대한 멀티-디바이스 통신의 수준까지 스케일러블하지는 않았다.

또한, 이러한 표준들은 “깨지기 쉬운(brittle)” 통신 인터페이스를 생성하였다. 사용자 어플리케이션 프로그램 인터페이스(API)는 모두 device-to-device 송신을 요하였으며, API내 또는 전송된 데이터내의 사소한 변경은 전체 통신 방식을 무너뜨릴 수 있었다. Microsoft Windows와 DLL 라이브러리의 도입 이후에도 여전히 시리얼 루프상의 각 디바이스에 대한 호스트상에 로드 되는 전용의 디바이스 드라이버를 요하고 있다.

이러한 중대한 결점에도 불구하고, 비동기 시리얼 통신 연결은 여전히 산업용 디바이스 인터페이스에서 가장 일반적으로 사용되고 있다. 이 일반적인 사용에는 고장 및 진단 뿐만 아니라 구성 및 설치, 오퍼레이터 인터페이스(HMI), 제품 설치(배치 다운로드) 그리고 제품 모니터링도 포함하고 있다. 시리얼 포트 출력은 클린룸의 파티클 카운터(particle counters-대기오염측정기)에서부터 비젼 시스템, marquee 디스플레이, 스케일, 스캐너 그리고 공장 현장의 PLC 및 PAC에 이르기까지 다양한 디바이스에서 볼 수 있다.

전자 디바이스간의 시리얼 통신을 위한 모드버스(MODBUS)

1979년, Modicon(현재는 Schneider Electric)의 엔지니어팀이 RS-232나 RS-485와 같은 시리얼 인터페이스를 통해서 디지털 데이터를 전송하는 방식의 표준을 만들었다. 이 방식이 바로 Modbus (Modicon bus에서 이름을 따서)라고 하였으며, 공장현장에서의 전자 디바이스들간의 시리얼 통신을 위한 사실상의 표준이 되었다. Modbus는 특히, 원래 단순한 PLC 를 위해 설계된 것으로 그 외의 디바이스와 사용되었을 때 많은 한계를 가지지만, 오픈형이고 유용한 특징들도 많이 있으며 특히 무료이다. 또한, 대부분의 디바이스는 Modbus에 대한 DLL과 드라이버를 가지고 있다.

Modbus는 자체 바이너리 RTU 형식에서의 SCADA 통신에서 프린터와 같은 통신에서 주로 사용되며, 사람이 판독할 수 있는 verbose ASCII 버전에서 데이터를 컴퓨터로 보내는데 사용된다. Modbus가 이루어 낸 가장 큰 진보는 디바이스 어드레싱에 있었다. 각각의 디바이스는 Modbus 시스템내에 독특한 어드레스가 주어지며, 마스터 디바이스에 의해서 주로 이루어지기는 하지만 디바이스는 Modbus 명령을 보낼 수 있다.

hilscher

이제는 공장현장, 연구실, 테스트실 혹은 언제 어디에서나 이더넷을 사용하는 시대가 도래해 시리얼 디바이스의 거리와 인터페이스 한계를 해결하는 것이 가능해졌다.
RS-485 Modbus 시스템에 의해서 요구되는 독특한 한대의 cable-one 디바이스 시스템 대신에, 이더넷 네트워크를 통해서 전송 받는 호스트로 전송된 시리얼 데이터를 통한 이더넷은 서버와 게이트웨이의 사용을 허용한다.

이는 시리얼 터널링에 의해서 가능하다. 시리얼 데이터는 마치 표준 TCP/IP 데이터처럼 IP 패킷내에 캡슐화되어 이더넷 네트워크를 통해서 전송된다. 작동은 일반적으로 어플리케이션 소프트웨어와 연결된 디바이스 둘 다에 상관이 없으며, 전송은 데이터가 보내고 받을 수 있는 쌍방향이다. Modbus 프로토콜의 연속적인 성공에 대한 이유들 중의 하나는 TCP 기반의 이더넷 네트워크에서 사용 하는 프로토콜의 아주 초기의 포트이기 때문이다. 터널링은 시리얼 디바이스에서 시리얼 디바이스로, PC에서 시리얼 디바이스로 그리고 시리얼 디바이스에서 PC로 향하는 것과 같은 유연한 구성을 허용한다.

시리얼과 이더넷을 연결하는 디바이스 서버

시리얼 디바이스 서버는 어플리케이션에 따라 여러가지 작동 모드가 있으며, 이러한 모드로는 TCP Server (Polled Mode), TCP Client (Event Handling), Pair Configuration (Peer-to-Peer), 모뎀 에뮬레이션(modem emulation), Modbus 게이트웨이(Modbus/TCP to Modbus ASCII/RTU) 등이 포함된다. TCP 클라이언트/서버 모드에서, 컴포트 리다이렉션 소프트웨어는 호스트 컴퓨터상에 설치된다. 기존의 COM 포트 기반의 Windows 어플리케이션과 함께 사용되는 원격 시리얼 포트는 로컬 COM-포트로서 출현하였으며, PC당 총 255개까지의 COM-포트가 존재할 수 있었다.

TCP는 RTU가 정기적이고 시간 기준 시스템상에서 폴링되는 곳에서의 SCADA 시스템과 같은 디바이스 폴링(device polling)을 위한 “서버”로서 작동될 수 있거나, 원격 유닛이 폴링된 것을 기준으로 하기 보다는 “report by exception”을 기준으로 작동되는 곳에서의 이벤트-핸들링(event-handling)을 지원하기 위한 “클라이언트”로서 작동될 수 있다. 클라이언트 모드를 위한 어플리케이션에는 RTU뿐만 아니라 바코드나 RFID가 포함되는 반면, TCP 서버 모드를 위한 어플리케이션에는 일부 OPC 서버와 IP-aware 소프트웨어를 포함한다.

Pair Configuration (peer-to-peer) 모드에서의 연결은 디바이스 설정 시간에서 one-time을 기준으로 확정된 각 유닛의 IP 어드레스와 함께 각자의 디바이스 서버에 의해서 시작된다. 이러한 구성을 위한 기본적인 어플리케이션은 LAN과 WAN 네트워크를 통한 시리얼 연결의 확장이다.

디바이스 서버는 실제적인 시리얼 다이얼-업 모뎀(serial dial-up modem)에 대한 대체품으로서 사용될 수 있으며, 이는 다이얼-업 SCADA와 같은 레가시 모뎀 기반의 어플리케이션의 계속적인 사용을 허용한다. 디바이스 서버는 “다이얼링” 또는 “콜 받기(receiving a call)”에 의해서 원격 디바이스를 선택하며, 디바이스 서버는 레가시 모뎀의 통신 스트링(communications strings)을 모방한다. 예를 들어, 모뎀이 원래 설계된 것과 같이 마치 전화 번호를 다이얼로 돌리는 것처럼 “ADTD192.168.2.22:5201”와 같은 데이터 스트링을 보낸다.

이 어플리케이션은 레가시 SCADA 어플리케이션의 수명을 연장할 수 있고, 브로드밴드 IP 접속으로 비용을 들여 TELCO 임대라인을 대체하는 성능으로 실제적으로 절약을 할 수 있고, 느린 속도의 임대 라인 아날로그 모뎀이 대체되었을 때 업데이트 디바이스 서버는 Ethernet to serial Modbus RTU 또는 ASCII Modbus 상에서 Modbus/TCP를 전환하면서, 게이트웨이로서 구성도 가능하다. 이는 공장의 엔지니어들에게 레가시 장비의 계속적인 사용을 허용하면서 모뎀 이더넷 네트워크 내로의 통합을 가능하게 해준다. 이러한 형태의 게이트웨이는 게이트웨이당 총 8개의 디바이스로 제한이 되는 반면, 독점이거나 경제적으로 업그레이드하기에 불가능한 레가시 SCADA와 HMI 어플리케이션의 사용도 허용한다.

디바이스 서버는 이더넷을 통해서 OPC 클라이언트/서버 시스템과 인터페이스로 쉽게 연결될 수 있다. 최신의 OPC-UA를 포함하여, 현대의 OPC 버전은 데이터의 “시리얼 캡슐화”를 지원하며, OPC 서버는 OPC 클라이언트로서 디바이스 서버를 사용하도록 구성될 수 있다. 디바이스 서버는 802.11b 무선 이더넷 LAN 연결을 통해서 작동되도록 구성될 수 있으므로, 와이어링의 한계는 완전히 없어지게 되었다.

디바이스 서버 어플리케이션

일반적인 디바이스 서버 어플리케이션은 시리얼 통신 PLC의 원격 프로그래밍과 진단이다. 이러한 어플리케이션은 COM 포트 리다이렉션이 가능한 호스트 컴퓨터가 시리얼 PLC가 있는 공장의 이너넷 네트워크를 통해서 통신하는 것을 허용한다. 이는 랩탑이나 데스크탑, PLC까지 어느 장소에 있든 무선으로 원격 액세스가 가능하며, 예를 들어 PC가 완전히 다른 시설에 위치해 있다면 실제적으로는 불가능한 전용의 케이블선을 설치하는 대신 기존의 IP 네트워크 기반시설을 이용할 수 있다.

HMI와의 시리얼 연결은 디바이스 서버를 위한 또 하나의 일반적인 어플리케이션이다. 새로운 설치나 기존 공장의 재구성 시에, 전용 케이블을 HMI 패널까지 연결하는 대신에 이더넷이 가능한 디바이스 서버를 사용함으로써 상당한 비용 절감을 실현할 수 있으며, HMI는 시리얼 케이블 길이의 제한에 따라 위치하는 것이 아니라 오퍼레이터에게 편리한 장소에 배치할 수 있다. 공장 marquee 디스플레이와 같은 시리얼 디스플레이는 디바이스 서버가 가능하게 될 수 있으며 다른 HMI연결과 동일한 장점을 제공한다.

디바이스 서버의 사용은 공장 현장에서 사용중인 시리얼 디바이스의 수명과 성능 둘 다를 확대를 제공하며 기존의 IP-기반의 LAN/WAN 기반시설과 함께 기존 시리얼 기반시설을 이용하고 수렴한다. 시리얼 디바이스는 무선 네트워크와 인터넷을 통하는 것을 포함하여 원격의 위치로부터 접속될 수 있으며, 필요한 것은 IP 연결이다. RS-232를 위해서는 50피트, RS-485를 위해서는 3600 피트라는 더 이상 짧은 케이블 제한이 없으며, 디바이스 서버는 케이블 제한이 없다. 많은 디바이스는 하나의 케이블을 공유할 수 있으며 디바이스는 한 곳의 장소 이상에서부터 접근될 수 있다. 디바이스 서버는 무기한으로 시리얼 디바이스의 수명을 연장시킬 수 있다.

아이씨엔 매거진 2010년 02월호

Keysights ad


추천 뉴스

국회융합혁신 경제포럼 김정태의원(왼쪽)과 슈나이더 일렉트릭 코리아 김경록대표(오른쪽)가 수상 후 사진촬영을 하고 있다

슈나이더 일렉트릭 김경록 대표, 2017 4차 산업혁명 경영대상 수상

김경록 대표, 에코스트럭처 성공적 도입을 통한 4차 산업혁명의 새로운 비전 제시 인정 받아 슈나이더 일렉트릭 ...

사물인터넷 이미지 internet of things

세계 사물인터넷(IoT) 시장, 2021년 1조 4천억 달러 전망

IDC의 최근 연구보고서(Worldwide Semiannual Internet of Things Spending Guide)에 따르면, 올해 전세계 사물인터넷(IoT) 지출 규모가 ...

답글 남기기

이메일은 공개되지 않습니다. 필수 입력창은 * 로 표시되어 있습니다.

hilscher