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PROFINET, 산업용 이더넷의 표준(3)

지난 달에는 PROFINET 의 IRT에 관련한 내용을 알아 보았습니다. 산업용 이더넷(Industrial Ethernet)의 사용을 위해서 이해해야 할 것은 이더넷을 이용하여 산업용 프로토콜을 정확히 전달하는 것이 무엇 보다 중요한 내용일 것입니다. 이번에 알아볼 내용은 IO 통신을 구축하는 방법에 대해서 알아 보도록 하겠습니다.

글_ 장희돈, 지멘스 heedon.chang@siemens.com

PROFINET IO라는 말에서 유추 할 수 있듯이 현장 계기, 리모트 IO의 데이터, Alarms 및 진단 데이터의 교환을 위한 네트워크로 PROFINET IO는 전통적인 Ethernet의 하드웨어와 소프트웨어를 사용합니다.

PROFINET IO는 PROFIBUS IO의 구성 방식을 사용합니다. 따라서 사용자는 PROFIBUS DP를 사용했던 방식과 동일한 방식으로 PROFINET IO를 구성할 수 있습니다. 단 PROFIBUS의 경우와 PROFINET IO의 차이점은 몇 가지 볼 수 있습니다.

먼저 볼 수 있는 것은 MASTER / SLAVE 모듈 사이에서 12 MBPS의 최고 속도로 데이터를 주기적으로 데이터를 교환하는데 비해, PROFINET은 100 MBPS Full duplex 방식을 기본으로 사용합니다. 또한 PROFINET IO의 경우 Device의 설정이 IP 주소와 Device의 이름으로 구성되는 것에 비해, PROFIBUS DP는 물리적인 DIP Switch를 이용합니다.

PROFINET IO는 디바이스와 콘트롤러의 데이터 교환에 3가지 서로 다른 채널을 사용합니다. 표준 TCP/IP채널은 주기적 데이터 통신, Parameter, Configuration 데이터의 전송에 사용되며, RT Channel 혹은 Real Time Channel 에서는 표준 주기 데이터의 전송 및 Alarm 데이터의 전송에 사용됩니다. Real Time 통신은 콘트롤러와의 데이터 전송을 촉진시키기 위해서 표준 TCP/IP 인터페이스를 우회(Bypass) 합니다.

마지막 채널은 IRT(Isochronous Real Time) 채널이며, 모션 제어와 같이 빠른 응답 속도가 요구되는 어플리케이션에서 사용이 되는 매우 빠른 채널을 제공합니다. 이러한 IRT는 이전 PROFINET에서 소개되었으므로, 여기서는 자세한 내용은 기술하지 않겠습니다.

Ethernet에 관한 몇 가지 이해

이 글을 읽으시는 많은 분들 역시 단순히 이더넷이라고 하면 여러분의 책상 뒤에 있는 물리적인 케이블을 이더넷이라 생각 할 것입니다. 이런 케이블들은 사무실의 PC, 프린터 혹은 서버 등이 구성되어 있는 Local Network 및 인터넷 등과 같은 무한한 크기의 네트워크에 연결되어 있을 것입니다. 그러나 주의할 점은 이러한 케이블은 이더넷의 물리적인 부분입니다. 이 케이블(미디어)는 이더넷 메시지를 여러분의 PC에 전송 하는 역할을 하고, 이 Wire위에 IP, TCP 그리고 NetBEUI와 같은 통신 프로토콜이 존재하게 됩니다. 이러한 프로토콜은 사무 환경에서 잘 알려져 있는 파일의 공유, 프린팅, 메일 보내기 그리고 인터넷을 이용한 정보 검색 등에 폭 넓게 사용됩니다.

그러나, FA(Factory Automation)의 현장에서 사용하기 위해서는 여러가지 다른 요구 조건이 필요케 됩니다. 파일에 접속 하거나 프린트를 하는 것 외에, 콘트롤러는 인버터 시스템에 내장되어 있는 데이터에 접근해야 하며, 옆에 설치된 제어기기와 신호를 주고받고 IO 디바이스내에 있는 IO의 값에 연속적으로 접속해야 합니다. 예를 들자면, 사용자가 인터넷에 접속 하여 인터넷 메일 홈페이지에 접속하는 것에 비해 Beverage 공장의 음료 주입 기계가 용액을 용기 내부로 정확히 주입하는 것이 더 값어치 있는 통신이 될 것이며, 이를 위해서는 FA 현장에서 사용하기 위한 데이터 통신은 실시간 (Real- Time)을 지원 하던지 아니면 매우 실시간에 근접한 성능을 보여줘야 합니다.

전통적으로 자동화 네트워크에서의 이더넷의 사용은 제어용 PC와 상위 시스템의 연결과 같은 매우 제한된 범위 내에서 사용되어져 왔습니다. 간혹 FA현장에도 사용 되었으나, 실시간성을 구현하기 위한 네트워크 장비들은 매우 고가였고, 이러한 투자는 사실상 불필요한 투자(Unnecessary Investment)를 일으키곤 했습니다. 그러나 현재 Ethernet의 폭발적인 사용으로 인한 네트워크 제품 값의 하락으로, 점차 FA 현장에서도 Intelligent 스위치나 라우터 등 실시간을 구현할 수 있는 장비가 사용되기 시작했으며, 이더넷은 FA현장에서 더 큰 수용성을 가지게 되었습니다.

PROFINET IO 의 이점

프로피넷 IO는 이더넷 Application Layer상에서 독특한 방식으로 통신을 하며, 이를 통해 다음과 같은 이점을 고객에게 전해주게 됩니다.

* 빠른 속도

* 완전하고 무결성한(Seamless) PLC와 PROFIBUS의 통합

* Time- Critical한 모션 제어 어플리케이션의 지원

* 손쉬운 설치

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* 짧은 기동

* 분산 지능화

* Commissioning 시간 및 엔지니어링 지원의 최소화

PROFINET Device

PROFIBUS IO에서 사용되었던 구조와 PROFINET IO 구조의 차이점은 바로 이 곳에서 찾을 수 있습니다.

PROFIBUS IO의 경우 아래 그림2.에서 보는 바와 같이 Master – Slave구조를 가지고 있어, Token을 보유한 Device가 통신의 우선권을 가지는 방식을 사용합니다.

PROFINET IO의 구조는 IO- Supervisor, Device, Controller, Parameter Server로 구분하며 각각의 기능은 다음 표 1.에서 확인 할 수 있습니다.

PROFINET IO Device는 이더넷 기반으로 네트워크에 연결되어 있는 복수개의 Controller 혹은 Supervisor에 통신을 구성하고 내부 데이터를 전송합니다. 즉 단일 Master 시스템에 종속된 Slave가 아닌, 보다 독립적인 분산 자동화 시스템의 한 요소로서 동작 합니다. 각 디바이스간의 전송되는 데이터는 그림 3.에서 확인 할 수 있습니다.

IO 디바이스의 구조는 기본적으로 PROFIBUS DP의 구조에 준하여 모델화 되었습니다. 각 모델은 손쉬운 증설이 가능하도록 Modular, Compact 필드 디바이스로 구성이 되며, 새로운 부분으로는 하나의 Slot내에 Module내부를 복수개의 Sub-module로 구성됩니다.

IO Controller는 IO – Device에서 데이터를 읽어, Process Image로 데이터를 Writing 작업을 하며, 이는 PROFIBUS에서 사용 되는 방식과 동일 하게 구성되며, Process Image에 기록된 데이터를 기준으로 IO Controller의 내부 사용자 프로그램이 수행됩니다.

IO Controller가 취합하는 데이터중 가장 많이 사용되는 Remote IO의 데이터의 종류를 살펴보면, Remote IO는 그림 5.와 같이 통신을 연결 하는 Interface 모듈과 많은 Signal 모듈로 구성됩니다. 이때 Remote IO의 Interface Module을 제외한 다른 슬롯은 현재 상태, 값(Status, Real Value), 진단 데이터(Diagnostic Data) 및 Alarm 데이터를 가진다. 데이터의 특성에 따라 이런 데이터는 IO Controller 및 IO Supervisor에 자동적으로 데이터를 전송 하게 됩니다.
다음은 데이터 교환을 기준으로 한 구분입니다.

* 주기적 데이터 교환 : IO Controller 와 IO-Device간의 데이터

* 비 주기적 데이터 교환 : Configuration과 진단 데이터

* Alarms : Alarms 데이터

상기 그림 6.에서 볼 수 있듯이, 데이터 전송을 위해서는 정보의 제공자와 수용자 사이에 여러 개의 CR(Communication Relation)이 구성되며, Record data CR은 비주기 데이터 교환을 하는 Configuration 및 진단 데이터를 의미하며, 이를 제외한 IO Data CR 과 Alarm CR 은 Real time 채널을 이용한 상태값 혹은 시급한 Alarm 정보를 빠르게 제공합니다.

이러한 PROFINET IO를 구성 기 위해서는 최소 1개의 IO Controller와 1개의 IO Decive가 필요하며, 복수개의 IO Device를 위한 복수 개의 IO Controller로 구성된 시스템 역시 구성 가능합니다.

PROFINET IO 구성

앞서도 설명 했듯이, PROFINET IO의 구성(그림 7.)은 IP 주소와 Device 이름의 설정으로 구성이 됩니다. 즉, PROFIBUS DP의 Dip 스위치 설정과는 차이가 발생합니다. IP를 지정하는 것은, PROFINET을 지원하는 모듈을 이더넷 네트워크에서 물리적으로 MAC 주소를 검색하여, IP주소를 할당 하거나, DHCP등의 방법을 통해서 Server에서 IP를 부여할 수 있습니다. 그 이후, Device 이름을 설정 합니다. 단, 이 Device 이름은 프로젝트 내에서 유일한 이름이어야 합니다.

PROFINET을 이용하는 제품의 호환성은, PROFINET과 PROFIBUS는 PROFIBUS International 협회에서 제품의 호환성을 인증 받게 되고, 인증 받은 제품은 GSD 파일을 통해 PROFIBUS / PROFINET을 지원하는 모든 엔지니어링 Tool을 이용하여 손쉽게 적용 가능합니다. 단, PROFINET GSD 파일이 기존의 PROFIBUS의 방식과 다른 점은 XML 기반을 사용한다는 것입니다.

지난 호에서도 강조한 바와 같이, PROFINET은 PROFIBUS와는 달리, 상위 Management Level에서 하부 Field Level에 이르기 까지 하나의 통신 네트워크를 이용하여 상 하위 Level을 쉽게 통합할 수 있습니다. 이러한 통합을 위한 통신의 부하가 때로는 IO 통신의 부하에 영향을 미칠 수 있으므로, PROFINET 구성에서 PROFINET IO를 위해 Network Source를 설정해 줄 수 있습니다. 사용자는 최적의 Network Performance를 구성할 수 있습니다.

PROFINET IO를 구성하는 중요한 요소는, 바로 PROFINET을 이용하여 기존에 사용되고 있던 Field Bus 시스템과 통합 할 수 있으며, 이를 위해서 PROXY를 사용합니다. 사용자는 PROFINET IO와 PROXY를 이용한 네트워크를 동일한 네트워크에서 구성할 수 있으므로, Field Bus 시스템과 산업용 이더넷 시스템을 보다 유연하게 구성할 수 있습니다. 여기서 지원되는 Field Bus는 PROFIBUS DP, InterBUS-S, DeviceNet등이 있고, 3rd party 회사에서 PROXY가 제공됩니다.

PROXY는 Field Bus 시스템의 Slave들과 주기적으로 통신을 하여, 그 데이터를 Image로 보관하며, 이 데이터는 PROFINET IO Controller로 주기적으로 전송되어 Field Bus의 Slave들은 PROFINET Controller와 데이터 교환을 쉽게 할 수 있습니다. 그림 11.을 통해 쉽게 도식화 될 수 있습니다.

PROFINET IO를 구성하여 Controller와 Device간 설정을 하는 것은, IP 주소와 Device의 이름을 근간으로 구분하고 상호 인식할 수 있습니다. 그림 12.에서 IO – Controller와 IO – Device가 상호 인식할 수 있는 엔지니어링 스텝을 IO – Supervisor에서 어떠한 과정을 거치는지 도시화하였습니다. 사용자가 Field Bus에서 Dip Switch와 같이 하드웨어적 설정 및 네트워크 종단에 저항을 설치하는 작업에 비교했을 때 손쉬운 작업과 설정을 하는 것을 확인할 수 있습니다.

PROFINET IO 지원 모듈

여러번 강조되는 사항이지만, PROFINET IO은 PROFINET IO, PROFINET Controller 그리고 PROFINET Supervisor 및 parameter Server로 구성됩니다.

PROFINET Controller는 PLC Controller에 PROFINET Port가 있는 모듈과 PROFINET을 지원하는 CP (통신 모듈)이 부착되어 있는 타입으로 구분할 수 있습니다. 또한, PC 기반에서 PROFINET IO를 지원하는 물리적인 네트워크 카드 (CP 1616 등) 혹은 소프트웨어적으로 PROFINET IO를 지원하는 소프트웨어를 이용 하여, IO 콘트롤러를 구성할 수 있습니다. 또한 CPU 319 모듈과 같은 시스템은 PROFINET IO 뿐 아니라, IRT도 지원하는 모듈이 제공됩니다. 또한 사용자는 여러 회사에서 Controller가 공급됨으로 특정 Vendor의 Controller 사용으로 인한 기술적인 종속성, 즉 시스템 확장 시 Vendor에 종속될 수 있는 두려움 없이 산업용 이더넷 기반 기술을 사용할 수 있습니다.

PROFINET IO 제품으로 IO 모듈, Inverter, Sensor 등의 전형적인 분산 자동화 모듈들 뿐만 아니라, Ethernet을 이용한 네트워크의 필수 요소 중 하나인 네트워크 콤포넌트도 PROFINET의 IO로 구성 할 수 있습니다. 사용자는 PROFINET을 통해 위의 네트워크 장치들의 동작 상태의 감시 및 진단 데이터도 취득 하여, 복잡한 네트워크 관리 프로그램 및 네트워크 전문 IT 직원의 도움없이 스스로 손쉽게 네트워크를 관리할 수 있고, 이러한 장치들은 PROFINET으로 통합되어 Siemens AG의 Step 7 과 같은 엔지니어링 소프트웨어에서 관리됩니다.

맺는말

산업용 이더넷을 활용한 어플리케이션은 지난 몇 년가 아주 빠르게 보급되고 있으며, 사용되는 Application 역시 자동차, 전자를 넘어 전 산업에 걸쳐서 사용되고 있습니다. 자동화 선진국이라 하는 유럽 및 미국의 경우 많은 Application이 산업용 이더넷 기반으로 적용되고 있습니다.

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여러 번 소개되고 있지만, 독일의 주요한 자동차 회사들은 AIDA (the Automation Initiative of German Domestic Automobile manufacturers)라는 협회를 만들어 이미 2004년 전부터 자사의 기반 네트워크로 PROFINET을 채용하였으며, 전 공장에 기반 네트워크를 산업용 이더넷으로 수행 하고 기존의 어플리케이션을 산업용 이더넷으로 변환하고 있습니다.

참조사이트
www.profinet.com
www.siemens.com/profinet

아이씨엔 매거진 2008년 10월호

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