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PROFINET, 산업용 이더넷의 표준(5)

이번에는 최근 자동화 산업의 큰 트렌드라고 할 수 있는 Wireless 와 Failsafe, 그리고 이것과 연계하여 사용하는 PROFINET의 기능에 관련하여 소개합니다.

글_ 장희돈, 지멘스 heedon.chang@siemens.com 

들어가는 말

지난 하노버 2008 전시회에서 지멘스는 무선 공장의 Concept으로 실제 100M에 달하는 자동차 공정 라인을 부스에서 선 보이며 많은 고객에게서 높은 관심을 받았습니다.
사람 및 공장의 자산을 보호 할 수 있는 Failsafe 기술이 같이 연결되어 무선으로 연결 할 수 있는 솔루션 역시 하노버 전시회에서 소개되어, 앞으로 공정 자동화의 많은 분야에서 무선을 이용한 솔루션이 접목 될 수 있으리라 기대 됩니다.

현재 자동화 산업에서 사용되고 있는 무선 네트워크 시스템은 거리에 걸쳐 원격 제어/ 감시 시스템을 위해 GSM/CDMA, GPRS 등 2.5 세대와 3세대의 통신을 이용하는 방법이 사용 됩니다. 주로 이 경우에는 광 대역 지역의 감시/제어를 하는 분야에서 사용되고, 가스 송유관, 강을 따라 댐 제어/감시 등 수백 KM 거리를 제어 하는 분야에서 사용됩니다.

그림 2와 같은 제어 시스템은 유럽 내에 가장 긴 강인 다뉴브 강의 복합 발전 부분에서 사용 되었습니다. 88개의 로컬 스테이션을 통해 약 22,700 GWh의 전력을 년간 생산하고, 전체 오스트리아 전력의 25%를 차지하는 대규모 프로젝트에서 지멘스의 SINUAT을 이용한 솔루션이 성공적으로 수행 되었습니다.

하지만, 이러한 대규모의 공정에 집중하는 것이 아니라, 무선적용 가능 범위를 플랜트의 관점에서 생각해본다면, 당장 여러분의 공장에서도 여러 부분에서 적용 가능한 분야를 확인할 수 있습니다.

– AGV 등 이동 기기

– 항구, 물류

– Overhead Monorail / Crane

– 원거리 지역 간 통신 (Process Automation)

이러한 공정은 디바이스간의 통신 거리가 수 M ~ 수 Km까지 확장된 범위를 지원해야 하며, 현재 상용화 되고 있는 기술 중 이러한 요구를 충족하는 기술은 Wireless HART, Bluetooth, Wireless LAN, Zigbee 등이 있습니다. 이 기술은 근거리인 WPAN (Wireless Personal Area Network)을 지원하는 IEEE 802.15를 근간으로 하는 기술과 그 보다 확장적인 거리를 지원하는 IEEE 802.11을 지원하는 것으로 구분 될 수 있습니다. 또한 이러한 네트워크를 구분 할 때, 전송 할 수 있는 데이터의 속도 역시 중요합니다. 최소 몇 K bps의 속도에서 100 Mega bps를 지원하는 것으로 그 구분이 되어 있으며, 사용자의 요구 되는 Application 응답 속도에 따라 이 중에서 취사 선택 할 수 있습니다. 앞서의 두가지 요소를 바탕으로 각 네트워크를 거리별, 속도별로 구분하면 그림 3과 같습니다.

위와 같은 기술에서 PROFINET은 Wireless LAN을 이용하는 방법과 같이 사용하여 주로 Factory Automation에서 사용 할 수 있는 가능성에 대해 소개하고 있어 왔고, 2008년도 하노버 전시회에서는 Wireless LAN을 통해서 Fail safe 통신까지 가능한 기술을 소개하고 있습니다.

Wireless LAN은 IEEE 802.11을 기반으로 하여 IEEE 802.3 기반인 이더넷에 무선으로 적용 할 수 있습니다. 따라서 기존에 플랜트 네트워크에서 가장 많이 사용되는 이더넷 기반 정보 시스템과 현장의 필드 네트워크를 물리적, 또는 수직적 수평적으로 확산/통합이 가능합니다. 사용자는 무선 랜을 이용 하여, Mobile Panel 혹은 UMPC 등 휴대가 손쉬운 디바이스를 이용하여, 플랜트 내에서 정보 시스템에서 현장 로컬 계기에 이르기까지 자유로이 데이터의 접속 및 관리를 할 수 있습니다. PROFINET은 단순한 무선 접속을 넘어 고장 안전 기술에 이르기까지 확장하는 방법에 대해서 논의하고 있습니다.

PROFIBUS 및 PROFINET을 이용하여 Failsafe를 통신하는 방법으로 PROFIBUS 협회에서는 PROFISafe라는 프로파일(Profile)을 통해서 구현하고 있습니다. PROFIsafe는 필드버스(Fieldbus) 어플리케이션의 상에 별도의 레이어를 사용 할 수 있도록 디자인되어, 표준 데이터 통신과 동시에 failsafe에 관련 통신 역시 같이 사용할 수 있도록 구성되는 통신입니다. 사용자의 경우 이러한 기술을 사용하여, 별도의 제어 시스템을 구성하지 않고, 또한 별도의 네트워크를 구성하지 않는 점이 장점으로 들 수 있습니다. 따라서 사용자는 빠른 Commissioning 시간 및 비용 감소를 기대할 수 있습니다.

이러한 기술은 여기에 그치지 않고, Wireless 를 통하여 Failsafe 통신이 구현 하도록 기술 개발 및 상용화 되어 있으며, 사용자는 이제 Wired 방식 및 Wireless에서 PROFINET/PROFIBUS를 이용하여 Failsafe를 구성 할 수 있습니다.(그림 5 참조)

이것은 Failsafe에 관한 Profile Version 2.4는 BGIA와 TUV에 이미 2007년 4월에 인증을 받은 바 있습니다.

hilscher

Wireless + Profisafe를 이용하여 이미 전 세계적으로 많은 Application이 진행되고 있고, 몇 사례를 소개 하겠습니다.
 

사례 1. Cam Motion
Wireless + Failsafe를 이용 하여, Gantry Machine 적용
지역 : 미국

Cam Motion에서는 중간 재공품을 Assembly Line으로 옮기기 위해 조종자가 하나의 Crane/Gantry 기계를 조정 하는 방식을 사용 했습니다. 그러나 중간 재공품의 종류가 많고, 또한 사용자의 부주의로 인해 잦은 사고가 발생하여 안전 Concept이 포함된 무인화 시스템을 구축하기로 결정했습니다. 그림 7에서 보는 것이 Machine Vision 및 Safety IO 등이 탑재된 Gantry Machine 부분입니다. 작업 반경 안에, 사람의 접근이 감지 되면, 자동적으로 시스템은 Stop 됩니다. 그림 8은 Machine 쪽에서 사용되는 Access Point 입니다. 지멘스의 Scalance W 모듈이 사용되었으며, IP65 등급 및 Failsafe 통신을 신뢰성 있게 통신 시킬 수 있는 여러 솔루션이 내장되어 있습니다. 그림 8의 우측 부분은 상부 판넬의 모습입니다. 노란색의 Fail safe IO 모듈을 확인 할 수 있습니다.

그림 9는 전체적인 시스템의 구성도 입니다. 지상층의 Control Panel에 CPU가 설치 되고 상부 시스템에는 Remote IO 와 Inverter 등이 설치 되어 원격 IO 를 무선으로 Failsafety로 구성한 예가 됩니다. 관련한 자세한 정보는 다음에서 참조 하시기 바랍니다.
https://www.automation.siemens.com/net/html_76/newscenter/firma_camotion.htm

사례 2. 제철 공장 물류 출하 시스템
사용 회사 : ArcelorMittal Gent
지역 : 벨기에
 
ArcelorMittal은 전 세계적으로 철강 분야 세계 1위의 기업입니다. 생산량 및 직원수 그리고 전 세계 27개국의 지사를 가지고 있습니다. 벨기에의 공장은 10㎢ 의 크기에 년간 5,000,000 ton의 생산량을 가지고 있습니다. 여기서 제조되는 코일은 자동차 등에 사용됩니다.

ArcelorMittal은 외부 물류 부분에서 이 시스템을 사용 하려고 했습니다.

옥외에 생산된 코일을 야적 하고, 상위 MES 시스템과 통합되어 생산 이력이 기재되며, 물류 출하시 정확한 출하 지시를 할 수 있도록 하는 MES와의 통신. 또한 거친 환경에서 정확히 움직일 수 있는 신뢰성, 내구성 그리고 사람의 인명, 회사의 재산을 보호해 줄 수 있는 안전 시스템이 필요 했습니다.

그림 10. 11에서 볼 수 있듯이, 사용 환경은 매우 거친 외기 조건을 만족해야 합니다. MES 시스템은 46개의 별도의 크레인과 통합 되어 있으며 Tracking 정보를 동기화 합니다. 또한 현장의 재고를 기준으로 생산 계획을 재 조정 합니다. 또, 어떠한 크레인의 경우에는 1970년대 부터의 데이터를 보유 하고 있습니다. 그림 10에서 우측 부분의 펜스에는 Failsafe를 이용한 시스템이 적용 됩니다. 이 크레인의 경우 무인 운전으로 구축 되기 때문에, 작업장 내에 Door가 열려 있는 경우에는 작업을 중단하고, 또한 위험 지대에 사람이 있는 경우 작업을 중지하여 인명을 보호해 주는 기능을 내장하고 있습니다.

위의 펜스 부분과 Crane의 Control 시스템은 PROFINET Failsafe 를 이용 하여 Wireless LAN을 사용 하여 통합 됩니다. 또한 또 하나의 Wireless Network는 MES 서버와의 통신을 구축 합니다.

이러한 시스템을 이용 하여 공장 내부 및 외부에 극도의 가용성을 구성 하였고 최신의 인프라 구조를 표준 기술을 이용 하여 구축 합니다. 이 시스템은 Failsafe + PROFINET을 통해서 구성이 되어 있고, 완전 자동화 시스템으로 구축 하여 운전자가 필요 없는 시스템을 구축 하여 전 자동 시스템의 구축으로 인건비 및 생산성의 증대를 가져 왔습니다.

이외에도 전 세계적으로 많은 구성 예를 가지고 있으며, 국내의 경우에도 H 사의 자동차 라인, 또한 자동차 2차 Vendor에서 인도, 중국, 미국, 멕시코등의 Assembly Line, Body shop line에 많은 PROFINET적용 예를 가지고 있습니다. 또한 기존 PROFIBUS를 이용 하고 있었던 Line의 현대화 작업에서 최신의 기술을 이용 하여 PROFINET을 사용 하는 국내의 사례 역시 보고 되고 있습니다.

자동화의 추세는 점차 단순한 Controller의 한가지 기능의 개선이 아니라 전체 자동화 시스템의 혁신 그리고 그 중에서 네트워크의 현대화 및 미래 지향적인 솔루션의 도입이 주를 이루고 있습니다. 여러가지 자동화의 요소를 만족 하는 시스템은 PROFINET이 Solution으로 제공 될 수 있으며, 사용자는 FA + PA의 어느 영역에서도 PROFINET을 적용 할 수 있으며, Failsafe, Motion Control, Component base Automation 및 기존 FieldBus 통합등 고객의 자산을 보호 하고 확장이 용이한 시스템으로 모든 자동화의 요구 조건을 PROFINET으로 충족 시킬 수 있습니다.
 
이상으로 PROFINET 에 관련한 여러 가지 분야에 대해 알아 보았습니다. 혹시 부족한 내용이나, 보다 깊은 이해가 필요한 부분이 있다면, 다음 부분을 참조하시고, Siemens 마케팅부로 문의 주시기 바랍니다. 연재기사를 읽어 주신 모든 분께 감사드립니다.

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

아이씨엔 매거진 2009년 02월호

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