필드버스(Fieldbus)란 무엇인가?

산업자동화분야는 기계, 전자 및 정보 기술의 복합적 구성에 의하여 이루어지는 첨단분야로 최신기술의 급속한 발전에 따라 다기능, 고도의 기술들이 계속해서 나타나고 있다. 이러한 기술중 90년대부터 산업자동화의 근본이라 할 수 있는 통신분야에서 두각을 나타내고 있는 기술이 세계적으로 그 사용이 확산되고 있는데 바로 필드버스(Fieldbus)라고 불리우는 산업 통신 기술이다.

1990년대 들어 산업자동화 분야에 있어서 80년대와는 다른 기술이 적용되기 시작했는데, 그것은 통신을 이용한 제어 방식의 활성화였다. 통신을 이용한 메시지 전송은 미국에서부터 시작되어 전 세계적으로 확산이 되면서 지속적인 발전을 이루어 왔지만, 90년대 이전까지 통신을 이용하여 메시지 전송을 주로 사용한 분야는 Personal Computer 영역이나 그 상위의 영역이었고, 자동제어 영역에서 보게되면 각 공장간 혹은 공정간 영역에서의 메시지 교환을 중심으로 이루어져 왔다.

가장 흔하게 적용된 예를 보면, PC와 PLC간의 메시지 교환이나 혹은 PLC와 PLC간의 Networking 구축을 들 수 있다. 주로 대용량의 데이터를 공유하기 위해 사용하던 이러한 통신방법이 90년대를 기준으로 하여 산업현장에 적용되면서 Fieldbus라는 이름으로 불려지게 되었다.

필드버스가 왜 필요한가?

Fieldbus란 용어가 발생된 원인을 살펴보면 다음과 같다. 제품을 생산하기 위해서는 생산설비가 반드시 필요하고, 수반된 생산 설비를 제어하기 위해서 제어용 컨트롤러가 필요한데, 지금까지 생산설비를 제어하기 위해서는 PLC류의 제어기기를 많이 사용했다.

생산설비가 정상적으로 동작되기 위해서는 각각의 공정에 필요한 Sensor나 Actuator들이 제어기기의 Input/Output 장치에 연결되어야 하는데, Fieldbus System 에서는 제어기기에 장착되는 Input/Output 장치가 Sensor나 Actuator에 근접해서 설치되는 형태로 변경된다. 즉, 제어기기의 Input과 Output 장치가 생산설비에 분산되어 적절히 설치되고 이들을 통신선을 이용하여 제어기기와 연결하는 형태로 만드는 것이다.

이렇게 입출력용 제어기기 장치가 생산현장에 분산되는 형태를 취한다고 해서 생산현장을 의미하는 ”Field(필드)”와 통신을 의미하는 ”Bus(버스)”를 합하여 필드버스(FieldBus)라고 불리게 된 것이다. 이러한 형태를 취하는 시스템을 특정 상품명이나 회사명에 관계없이 Fieldbus라 부르고 있으며, 현재 전세계적으로 약 100여개의 Fieldbus형태의 시스템이 시장에 나와 있는 것으로 알려지고 있다.

Fieldbus에 대한 시작은 처음에는 특정한 제어기기(PLC등) Maker가 독자적으로 구축한 시스템을 중심으로 활성화되기 시작하는데, 이렇게 특정 Maker에 의해서 특정분야에 구축된 Fieldbus를 “Closed System”
혹은 “Company Specific Protocol”이라 한다. 하지만 특정회사의 시스템을 이용(Closed System)하여 생산설비를 구축하는 경우에는 다음과 같은 문제 가 발생할 소지가 있는데 이는 해당회사에서 구축한 시스템만으로는 사용자가 원하는 모든 기능을 맞추기가 어려운 경우가 발생 하거나 혹은 다른회사에서 생산되는 제품을 시스템에 첨가해서 사용할 경우에는 (예를 들어 Robot, HMI, Drive등의 연결시) 공정제어상 메시지(데이터) 호환을 위해서 이것에 맞는 Input/Output 장치를 또 사용해야 하는 현상이 발생되기 때문에, 현장에 공통 Input/Output 장치를 설치하는 효율성의 반감 및 그 의미 자체가 감소된다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 시장에 나타난 것이 “Close System”과는 반대개념을 가진 “Open System”이다. 이러한 Open System은 대개 특정단체(조합, 협회, Club형태)가 중심이 되어 제조업체와 사용자 Group성격을 가지고 관련정보의 공유 및 공동 마케팅을 그 목적으로 하는데 이는 어느 특정업체가 각종의 산업현장에 필요한 모든 제품을 생산하는 것은 불가능한 관계로 이러한 단체를 통하여 공통된 표준을 제조업체간 공동으로 공유하게 되면 관련제품들이 서로간 호환성을 유지 할 수 있다는 실효성이 있기 때문이다.

산업 자동화에서의 이점은?

필드버스의 일반적인 계층구조는 OSI 7계층을 기반으로 하고 있다. OSI 7계층 구조에서 7계층인 응용계층, 2계층인 데이터링크 계층, 그리고 1계층인 물리 계층으로 구성되어 있으며, 실제 사용되고 있는 각 필드버스들에는 조금씩 변형된 형태가 쓰이고 있다.

특히 데이터 링크 계층은 OSI 2계층에서 4계층까지의 기능을 적절히 축소한 범위에서 제공할 수 있도록 하며 임계 시간을 갖고 있는 응용 기능을 처리할 수 있도록 버스를 관리한다. 필드버스 규약은 엄격한 실시간 요구가 만족되어야 하기 때문에 절대적으로 3계층 구조를 택하며, 보통 필요한 기능들만으로 제한하고 있다.

필드버스란 산업용 자동화 시스템의 하위 레벨에 위치한 센서, 단일 루프 제어기, 논리연산장치(PLC), 모터, 밸브, 로봇 등 필드레벨의 기기를 통제하는 산업용 네트워크라 말할 수 있다. 디지털 방식을 기반으로 하고 있어 기존 아날로그 통신 방식에 비해 다량의 신호를 원거리까지 전송할 수 있고, 종래의 각각의 현장 기기나 입출력 모듈의 엄청난 가닥 수의 케이블 대신 한 가닥의 네트워크선을 사용함으로써 배선을 절약할 수 있고, 설치가 간소화된다.

필드버스는 또한 획기적인 정보통신 기술의 혁명에 힙입어 운영에 필요한 각종 데이터 및 진단 내용을 실시간으로 제공하며, 발생할 수 있는 사용자의 에러를 최소화하고 이기종의 장비들 간에 상호 동작성을 보장한다. 또한 시스템 통합의 용이성과 시스템의 유연성, 확장성, 유지 보수성을 높여 시스템의 기능과 성능을 향상시키는 등 다양한 기능을 수행할 수 있게 된다.

이러한 다양한 장점으로 산업 자동화의 현장에서 필드버스의 채택이 빠르게 진행되고 있다. 특히 최근들어 필드기기들의 표준화과 진행되고 많은 노력이 기울여지고 있다. 이렇게 필드기기들이 표준화된다는 것은
시스템의 확장성이나 필드기기의 첨가가 휠씬 더 간단해져 어떤 인터페이스나 변환기도 필요하지 않다는 것을 의미한다.

필드버스 규약은 보통 네개의 계층과 하나의 관리 서비스를 포함한다. 필드버스는 사용자가 데이터 링크 계층이나 응용계층에 관계할 필요가 없다는 장점이 있다. 단지 사용자는 관리 서비스에 대한 제한된 지식만
으로도 충분하다. 현재 세계적으로 크게 사용되고 있는 필드버스 Open System으로는 Profibus, Interbus, WorldFIP, Device Net, Actuator Sensor Interface (AS-interface)을 들 수 있다.

이 중에서 Profibus, WorldFIP, DeviceNet은 제어기기(PLC) 메이커인 지멘스(Siemens), 텔레메카닉(Telemecanique – 이후 슈나이더일렉트릭), 알렌브래들리(Allen Bradley – 이후 로크웰오토메이션) 같은 다국적 기업이 주축이 되고 있는 반면에, Interbus나 AS-interface같은 경우는 PLC를 생산하지 않는 업체가 주축이 되어서 활동하고 있다.

아이씨엔 매거진 2006년 창간준비호