산업용 무선 필드버스 통신 기술

산업 분야에서 무선 필드버스 기술을 적용하면 장비들의 연결성, 케이블링과 같은 유선 필드버스의 한계를 극복할 수 있다. 또한 산업용 시스템의 유연성(Flexibility)을 높일 수 있는 장점이 있다.
글: 김동성, 금오공과대학교 전자공학부
무선 네트워크 기술이 산업 현장의 자동화용 기기들에 적용될 수 있다면, 케이블로 인한 공간 문제 해결, 장치 제어기 및 입출력 장치 연결의 단순화 등에 활용 될 수 있다. 무선 기술의 적용은 장비들의 연결성, 케이블링과 같은 유선 필드버스의 한계를 극복할 수 있고, 산업용 시스템의 유연성(Flexibility)을 높일 수 있는 장점이 있다. 본 원고에서는 산업 환경에서의 무선 필드 버스 기술들의 문제점 들을 분석하고 현재까지 연구되어지고 있는 무선 필드버스 기술 및 연구 사례들을 살펴본다.
산업용 무선 필드버스 통신망의 문제점과 요구사항
무선 채널과 무선 송수신기를 이용한 무선 필드버스 기술을 산업용 환경에 적용하기 위해서는 극복해야 할 여러 가지 문제들이 있다. 그 중에 대표적인 것들로 경로손실, 송수신기의 반이중 방식으로 인한 제한, 물리 계층의 오버헤드, 그리고 예측이 어려운 채널 에러 등이 있다.
또한 유선 필드버스에 무선 통신 기술을 적용하기 위해서는 다음과 같은 문제들을 예로 들 수 있다. WorldFIP에서와 같이 공급자-분배자-수요자(Producer-Distributor-Consumer) 전달 모델을 사용한다고 할 때 해결할 수 없는 일관성 문제가 제기될 수 있다. Profibus와 같은 필드버스 시스템에서 토큰 패킷의 반복되는 손실은 논리 고리(Logical Ring)의 안정성에 심각한 영향을 미친다. 궁극적으로는 이동성에 대한 대처방안이 없기 때문에 이에 적절한 방안이 필요한 토큰-패싱(Token-Passing) 프로토콜이 필요하다.
CAN과 같은 필드버스 시스템을 사용하는 방식에서는, 미디어 접근 제어(MAC) 기법으로 패킷 충돌을 회피할 수 있는 결정론적 방식(Deterministic Mechanism)을 사용해야 한다. 이로 인해 반이중(Half-Duplex) 방식을 사용해야 한다는 제약조건이 존재한다. 그래서 CSMA(Carrier-Sense Multiple Access) 방식에 의존하는 프로토콜은 무선 방식에 부적합하다.
산업용 무선 필드버스의 개발
본 원고에서는 무선 필드 버스 개발을 위한 예를 3가지 형태의 방식으로 설명하고 이를 비교해 본다.
상용 무선 프로토콜을 채택하는 방식
무선 필드버스의 물리 계층은 표 1과 같은 WLAN(Wireless Local Area Network) 또는 WPAN(Wireless Personal Area Network) 표준들을 사용할 수 있다. 전송속도나 서비스 영역 등이 무선 필드버스의 요구 사항들에 부합할 경우 하위층 표준으로 사용될 수 있다. 물리 계층보다 상위 계층에 대해서는 데이터 링크 계층이나 이미 존재하고 있는 필드버스 표준 규격들로 부터도 해법을 도출할 수 있다.
애플리케이션 계층의 경우도 기존의 방법을 응용하는 것이 유리하다. 현재 사용 가능한 프로토콜의 일부는 Manufacturing Message Specifiation(MMS)에 기반한 것으로 MMS는 유일하게 산업 통신을 위해 표준화된 애플리케이션 계층 프로토콜이다. Profibus와 FIP 경우 애플레이션 계층 프로토콜들이 MMS를 응용한 대표적인 것들이다.
그림 1과 같이 무선 필드 버스의 데이터 링크 계층은 WLAN/WPAN 표준들이 디바이스 레벨 통신 요구사항 들과 일치점들이 있으면 이 표준들을 응용하는 것이 가장 편리하다. 애플리케이션 계층의 경우에는, 이미 존재하는 유선 필드버스의 프로토콜 또는 이를 응용한 기술들을 사용하는 것이 가장 바람직하다.
유무선 이기종(Hybrid) 필스버스 방식
이기종 유무선 필드버스 시스템에서는 송수신기들이 케이블로 연결된 유선 스테이션들과, 무선 송수신기들로 구성된 무선 스테이션들 상호간의 통신이 가능해야 한다. 이를 위해서, 무선 세그먼트들과 유선 세그먼트들은 하나 혹은 그 이상으로 이루어진 커플링 디바이스에 의해 연결된다.
실시간 통신을 위해서는 커플링 디바이스로부터 발생된 지연 시간의 영향이 중요하다. 리피터나 브리지들의 역할은 한 세그먼트의 패킷을 받아서 다른 세그먼트로 전달(Forward) 하는 역할이다. 이때 패킷 포워딩에 소비되는 지연시간은 디바이스의 종류와 포워딩 동작의 구현에 따라 달라지는데, 패킷이 커플링 디바이스에 모두 저장되기 이전에 송신 세그먼트로 보내는 방식인 Cut-Through 포워드 방식이 리피터의 전형적인 동작 모드이다. 그리고 커플링 디바이스가 포워드 할 패킷을 모두 받은 후 일정 시간 이후에 송신 세그먼트로 보내는 방식을 S+F(Store and Forward) 방식이라고 한다.
애플리케이션의 종류에 따라 때로는 무선 필드버스가 필요한 것이 아니라 단지 유선 필드버스의 무선으로의 단순한 확장만이 필요할 수도 있다. 이러한 구성을 이기종 망(Hybrid Network)이라고 부른다. 이기종 망의 설치는 서로 상이한 네트워크 세그먼트를 연결하는 커플링(Coupling) 기기를 사용함으로써 구현된다. 이는 커플링 기기가 작동하는 프로토콜 계층에 따라 세 종류로 분류될 수 있다. 리피터(Repeater)는 물리 계층사이의 연결을, 브릿지(Bridge)는 데이터 링크 계층 사이의 연결을, 게이트웨이(Gateway)는 애플리케이션 계층 사이의 연결을 지칭하는 커플링 기기이다.
본 장에서 제안하는 무선 필드버스의 구조는 유선망의 연장을 구현하는 데 적합한 것으로 이때 필요한 장치는 브리지이다. 그림 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 적용 계층(Adaptation Layer)은 데이터 링크 계층과 애플리케이션 계층 사이에 도입되어 애플리케이션에서 오는 요청들을 데이터 링크로 매핑시키는 역할을 수행한다(역방향의 매핑도 함께 수행한다). 이런 구조는 애플리케이션이 연결되는 망의 종류를 염두에 두지 않아도 되기 때문에 유선 도메인과 무선 도메인에 공통적으로 사용되는 애플리케이션 계층 프로토콜에 유리하다.
브리지를 이용한 대표적 예로는 유무선 혼합 Profibus 통신 기술(R-Fieldbus)을 들 수 있다. 유무선 혼합 Profibus 기술은 산업용 무선통신 기반의 환경 설치를 하기 위한 무선 기술에 대한 몇 가지 장점을 가지고 있다. 첫째 스테이션들은 기존 케이블에 대한 설치 변경 없이 간단하게 추가 및 제거를 할 수 있고, 둘째 무선 연결을 이용하면, Profibus LAN에서 Profibus LAN으로 스위칭 하는 것이 쉬우므로 고장 나거나 파손되는 케이블이 없어서 생산 공정의 고장 가능성을 줄일 수 있다.
자동화 통신망의 가장 낮은 레벨에선 제어기와 센서 및 구동기 사이의 실시간 통신이 요구되면서, 이더넷과 같은 무선 네트워크가 관심 있는 해결책으로 제시되고 있다. 하지만 이러한 기술의 도입은 이미 적용된 필드버스와 호환성에서 많은 문제점이 있다. 따라서 이에 대한 해결 방안으로 그림 3과 그림 4와 같이 Profibus DP 나 디바이스넷의 필드버스 프로토콜의 특성을 고려하여 이더넷과 블루투스 등을 각각 기반으로 게이트 장치를 이용하여 이기종 유/무선 네트워크를 적용할 수 있다.
그 밖의 사례: 무선 CAN
CAN 통신은 신호의 감도를 이용해 패킷 충돌을 감지하는 CSMA/CD 기반의 프로토콜로서, 네트워크상의 모든 노드는 버스 상으로 메시지를 보내기 전에 활성 기간 없이 버스를 모니터한다. 또한 분산 실시간 통신 시스템에서 통신 네트워크와 그 동작은 메시지 전송 상에서 결정적인 역할을 한다. 정보를 실시간으로 전송해야 할 필요가 있는 경우 CAN 네트워크는 실시간 요구사항을 만족한다. 그리고 우선 순위화 된 메시지 구조는 메시지 전달 시간을 감소시킨다. 따라서 CAN 네트워크 기반 무선 액세스 방법은 실시간 응용에서의 메시지 전달 시간을 만족해야 한다. 게다가 낮은 우선순위를 가진 메시지가 전달되기 전에 더 높은 우선순위를 가진 메시지가 목적지에 전달되어 져야 한다.
무선 CAN은 RFMAC 프로토콜과 WMAC 프로토콜에 대한 방법들에 대해 연구되어 졌다. RFMAC 프로토콜은 마스터 노드 영역 내에서 하나의 마스터 노드와 슬레이브 노드들로 이루어진 중앙 집중식 WCAN 네트워크에서 동작된다. 중앙 집중적인 무선 네트워크에선 ALOHA, PRMA(Packet Reservation Multiple Access), ISMA(Idle Signal Multiple Access) 등으로 만들어진 경쟁 기반 채널 액세스 프로토콜들로 평가된다. ISMA 액세스 프로토콜은 중앙 집중식 WCAN에서 부분적으로 적용된 방법 중의 하나이며 공유 채널에 전송하려면 중앙 노드와 단말기에 트래픽이 발생할 수 있다.
WMAC 프로토콜은 분산 WCAN 네트워크에서, 일부 노드는 중앙 노드의 도움없이 서로 통신을 수행할 수가 있다. WMAC 프로토콜은 산발적 그리고 주기적 메시지를 지원하기 위해 설계되었다. 그러므로 어떤 노드는 언제 어느 때나 메시지를 브로드캐스트 할 수 있다. 경쟁 상황은 각각의 메시지에서 서로 다른 PIFS(Priority Interframe Space) 지연 시간을 이용하여 해결하였다. 또한 CSMA/CA 프로토콜의 우선순위는 내부프레임 타이밍에 의해 해결된다고 제안하고 있다. 그러나 WCAN 기술은 산업형 환경에 적용되기에는 많은 구현상의 문제로 인해 학술적 연구의 사례로만 발표되었다.
산업에서 고려사항
산업용 필드버스를 실용화 하기 위해서는 무선 채널의 영향 및 산업 환경의 외적인 요소를 고려하여야 한다. 유선 채널보다 무선 채널에서 결함 추정(Fault Assumption)이 다양할 것이고, 유선 채널에서보다 무선 채널에서 에러가 더 자주 발생할 것이다. 그러나 무선 채널에서의 전송 에러는 일시적인 반면(딥 페이드 상태로 갔다가 다시 채널 상태가 원활히 복귀되는 경우), 유선 채널에서의 전송 에러는 치명적인 경우가 많다(전선 결손, 하드웨어 부분 훼손). 이를 위해서 새로운 프로토콜 메커니즘이나 현재 프로토콜 메커니즘의 재구성이 필요하다고 할 수 있겠다. 또한 무선 필드버스 설계의 어려움을 줄일 수 있도록 패킷 손실이나 패킷 전송 한계에 유연한 요구사항을 가지는 산업 응용 프로그램을 디자인하는 것도 하나의 방법이 될 수 있다.
아이씨엔 매거진 2006년 11월호