분산 이더넷 I/O가 TCP/IP와 IT 표준을 통해 진보한다

프로세스, 조립 및 하이브리드 공정의 산업 현장에서 이더넷 I/O 기술의 발전은 새로운 혁신적인 시스템을 구성하는 기초가 되고 있다. 이는 발전하는 필드버스 기술과 TCP/IP 이더넷으로 대변되는 IT 기술의 접목을 통해 이루어졌다. < 편집자 주>
PROFInet이 이더넷 기반의 통신구조를 구현함으로써 최대 1ms의 응답속도를 갖는 네트워크를 구성, 빠른 응답속도가 요구되는 동작제어를 포함한 모든 산업 자동화에서 적용이 가능하게 되었다. 또한 1개의 네트워크로 실시간 통신 및 IT통신과 TCP/IP 통신이 총체적으로 구축 가능하다는 장점을 가진다.
현재 산업자동화 분야에서는 필드버스 시스템이 통신방법으로 대부분 사용되고 있으며, Profibus, DeviceNet, Foundation Fieldbus, Interbus, P-net, SwiftNet, WorldFIP 등이 국제표준화기구에서 IEC 61158 규격에 의해 인정된 산업 제어 시스템을 위한 국제 표준의 대표적인 개방형 필드버스이다.
Profibus는 현재 1000만 이상의 장치에 장착되어, 유저에 의해 가장 많이 선택된 필드버스 기술이다. Profibus는 공정 자동화는 물론 조립 자동화 산업 전반에 거쳐 적용되고 있으며, 두 산업이 혼용되는 하이브리드 분야에서도 강점을 보이고 있다. 또한 안전 애플리케이션에서 강세를 보이고 있으며, 드라이브와 관련한 다양한 검증된 솔루션도 확보하고 있다.
최근에는 산업 자동화 분야 네트워크에서 부각되고 있는 통신구조의 혁신과 IT 기술의 도입을 통한 기술 혁신이라는 2가지 경향이 두드러진다. 따라서 이러한 산업용 네트워크 분야에서의 경향을 기존의 필드버스에 접목하려는 시도가 활발하게 추진되었다. 하나의 기술로 새로운 자동화 시장에서의 경향을 간단하고 경제적으로 구현할 수 있는 다수의 네트워크가 탄생하게 된 것이다.
특히 Profibus와 IT 기술의 대명사인 Ethernet을 혼합한 Profinet이 주목된다. 이 기술은 오피스 영역에서는 상상할 수 없는 공장의 복잡하고 어려운 환경을 극복할 수 있으며, 오랜시간 확보한 필드버스에서의 노하우를 통해 가능하다.
Profinet은 국제 프로피버스 사용자 협회(Profibus International User Organization)의 깃발아래 모인 50여 주요 회사들에 의해 이더넷 기반 필드버스 통신의 개방적이고 혁신적인 표준으로서 개발되었다. Profibus와 이더넷을 사용하며 얻은 경험은 이들 두 분야를 가장 훌륭하게 결합시키는 원동력이다.
이더넷은 처음 오피스 환경을 위한 통신망으로 탄생되어 국제적 입지를 굳혀왔다. IEEE 802.3과 8.2.11에서 정의된 국제 표준은 고속 데이터 전송을 특징으로 타 제품들과 차별화된다. 뿐만 아니라 고도의 시장 적응력을 통해 지속적인 제품 개발과 기술 발전을 진행하고 있다. 15년이상 동안 지멘스는 산업 환경에서 이더넷을 사용하는 최적의 표준을 기반으로 하는 네트워크를 공급해 왔다. 산업용 이더넷은 모든 산업의 필요를 충족시켜 주고 있다.
Profinet은 필드 레벨에서 감독 레벨에 이르기까지 모든 장치들을 연결하기 위해 기초로 산업용 이더넷을 사용한다. 이렇게 함으로써 Profinet은 단지 하나의 버스를 이용하여, 산업 성능에 최신의 오피스 통신의 이점까지 접목한 것이다.
이러한 배경에서 탄생한 Simatic ET 200S는 현재 출시되어 있는 최초의 분산 I/O 시스템이며, 이는 실시간 Profinet 인터페이스를 장착한 인터페이스 모듈을 가진다. 개발 시작부터 이것은 현재 간단한 신호정보 입력에서 완전 통합된 4kW 주파수 변환기에 이르는 광범위한 여러 모듈을 사용자에게 제공한다.
이를 통해서 사용자는 구성, 프로그래밍, 진단 업무를 쉽고 편리하게 해낼 수 있으며, 정보화 기술의 혜택을 광범위하게 누릴 수 있게 되었다.
단일 네트워크 구조와 통합화
Profinet의 중요한 상용상의 장점은 단일한 네트워크 구조 및 결과적으로 통합된 수준을 들 수 있다. 이는 플랜트 전반에 걸친 엔지니어링을 단순화시켜 시스템 전반에 대한 취급을 용이하게 한다.
특히 이더넷 인터페이스를 갖춘 필드 디바이스의 구성 방식에 있어서 과거에는 부족한 점이 많이 남아 있었다. Profinet 버전의 Simatic ET 200S 분산 I/O 시스템을 갖춤으로써, 이제 Profibus 디바이스 구성상의 사용자 편의성이 폭넓게 유지된다. 이는 디바이스 디스크립션을 XML 기반 GSDML 파일로 저장함으로써 얻을 수 있으며, 이 파일은 이전에 Profibus와 사용되던 GSD 파일을 대체한다. 가령 GSDML 파일은 Simatic ET-200S 터미널을 구성하는데 필수적인 모든 데이터를 보유하고 있다. 이 데이터에는 연결 가능한 모듈, 파라미터 및 진단 정보들의 수와 유형이 포함된다.
Simatic 범위는 STEP7 내에서 구성되며, 또한 구성 레이어는 Profibus 및 Profinet 터미널에도 동일하다. Profinet 터미널 주소는 STEP7 구성 소프트웨어를 사용하여 Profibus 슬레이브 인터페이스를 갖춘 CPU의 경우와 같이 동일한 방식으로 지정된다. 이 소프트웨어는 각각의 디바이스에 이름을 지정하고, 자유롭게 지정된 디바이스 이름은 MAC 어드레스에 지정된다. STEP7은 자동적으로 IP 주소를 지정하고, 그 다음 자동적으로 플랜트 컨트롤을 디바이스에 설정한다. 이것으로 구성 작업이 완결되며, 별도로 DIP 스위치를 사용하여 주소들을 설정할 필요가 없다.
Profinet 인터페이스를 갖춘 Simatic ET 200S는 디바이스들을 재구성하지 않고도 재배치시킨다. 이로써 장애 발생시 다운타임을 확실히 줄일 수 있게 되었다. 공장 전반에 거친 컨트롤에서 분산 입출력 신호에 이르는 액세스는 프로세스 이미지를 사용하고 유사한 액세스 명령어들을 사용함으로써 변경되지 않는다. 대부분의 경우 개별적인 컨트롤 소프트웨어에 적응할 필요가 없어진 것이다.
Profibus를 위한 FastConnect 기술에 대한 상당히 긍정적인 경험을 바탕으로 Profinet을 위한 버스 커넥터의 개발이 이루어졌으며, 이는 약 30초 내에 같은 방식으로 조합될 수 있다. 스트리핑 툴을 사용하여, 꼬인 이중 배선으로부터 절연이 제거되고, 피복 및 케이블은 단일한 작업공정 내에서 올바른 길이로 절단된다. 이어 와이어 코어는 준비된 주입구로 삽입되어야 한다. 색깔로 구분된 마크는 배선이 잘못 연결되는 것을 방지하며, 다음 단계에서 시간소모적인 고장 수리 과정을 예방한다. 이제 모두를 절연 치환 종단부로 밀어넣고 고정시키는 일만 남았다. 그것으로 끝인 셈이다.
이더넷 IT를 통한 확장 가능성
Profinet의 확장된 수량 프레임 워크는 확장으로의 이전에 특화된 한계는 제거되었거나 또는 실전에서 더 이상 필요성이 고려되지 않는다. 가령 ET200S 터미널은 현재 단지 연결가능한 모듈들(최대 63개) 및 터미널의 폭(최대 2m)이 제한된다. 파라미터의 수는 더 이상 Profinet 터미널의 확장을 제한하지 않는다.
입출력 정보는 컨트롤러와 분산 입출력 모듈들 사이에 특정 시간 프레임 하에서 신뢰성있게 교환되어야 한다. Simatic ET 200S의 IM151-3PN 인터페이스 모듈은 Profinet의 실시간 기능을 사용하여 이를 구현하고 있다. 리얼타임은 신속한 전송 프로토콜을 사용하며, 그럼에도 불구하고 잔여 이더넷 및 인터넷 기반 통신 방식과 호환 가능하며, 이로써 Profibus 인터페이스를 갖춘 전형적인 인터페이스 모듈로서 동급의 성능을 얻는다. 이러한 Profinet을 사용함으로써, 즉 전문적인 이더넷 솔루션을 사용하여 전형적인 공장 자동화 애플리케이션 구현도 가능하다.
모든 이점들과는 별개로 Profinet은 또한 현재 사용중인 필드버스 시스템이 장착된 기초를 고려한다. 기존의 필드버스에서 Profinet 시스템으로의 완벽한 통합이 보장되는 것이다. 이는 현재 그리고 미래의 필드버스 사용자들과 디바이스 제조업체들을 위한 투자의 고급 보안을 의미할 뿐만 아니라 Profinet과 다른 필드버스 시스템들의 장애없는 하이브리드 작업을 의미한다. 동일한 분산 입출력 처리 명령어로 인해 동일한 사용자 프로그램을 대체로 수정작업 없이 계속 사용하는 것이 가능하다.
실시간 이더넷 통신과 IT로부터의 통신
IM151-3PN의 디바이스 모델은 Profibus 버전으로서 동일한 모델을 기반으로 한다. 이때 모듈들은 슬롯에 따라 설정되고, 또한 채널들은 모듈들에 따라 설정된다. 이러한 시도되고 검증된 모델은 현재 사용중인 분산 입출력 모듈의 사용을 허용하며, 동일한 관점에서 수집된 진단 데이터를 제공한다. 또한 Profibus 및 효율적인 고장 수리 기능은 통합된 시스템 진단 기능으로 신속히 오류가 해결될 수 있게 한다.
일반적인 진단 메카니즘과는 달리 Profinet은 정보 기술의 사용을 가능하게 한다. 웹으로의 통합은 자동화 레벨로부터 정보의 국제적인 접근이 가능해 진 것이다. 사용자는 엔지니어링 툴과 독립되어 있으며, 이러한 정보는 임의의 표준 브라우저를 사용함으로써 수정할 수 있다. 이는 원격 유지보수 및 서비스를 간편화시키고, 소프트웨어 업데이트가 신속하게 수행될 수 있게 한다. 이런 목적으로 Profinet은 웹 페이지의 형식과 내용 및 데이터로의 접근 방식을 특별하게 구성한다. Simatic 진단 버퍼와 같은 부가적인 제조업체에 따른 디바이스 정보들은 이런 관점을 이행한다.
ET200S 분산 입출력 시스템은 새로운 IM151-3PN 인터페이스 모듈을 사용함으로써 시스템의 사용 영역을 넓혀 Profinet에 직접 연결된 애플리케이션을 포함하고, 이러한 방식으로 시험되고 검증된 Profibus 기능성들을 이더넷으로 전송한다. 이는 실시간 이더넷 통신과 IT 세계로부터의 통신 기술이라는 2가지를 사용자가 하나의 매체 상에서 사용할 수 있다는 것을 의미한다.
구성 및 프로그래밍 부문을 위한 일반적인 수준의 편리함을 포기할 필요 없이 안전 위주의 데이터 전송에 대한 Profibus의 뛰어난 성공과 함께 기존에 소개된 ‘PROFIsafe’ 프로파일은 버스-독립적이어서 PROFInet으로도 포팅될 수 있다. 이는 안전 위주 데이터조차 표준 프로세스 데이터, 엔지니어링 애플리케이션에서 수집한 데이터 및 하나의 공유 케이블 상에서 IT 세계에서 수집한 데이터와 함께 전송 가능하다는 것을 의미한다.
실시간 동기성 기능을 사용함으로써 Profinet은 하드웨어 부문의 실시간 요청, 즉 드라이브 기술로부터의 요구조차 충족시킬 수 있을 것이다. 이러한 기능이 특정 하드웨어를 필요로 하더라도 이는 표준 이더넷과의 무제한 호환성 및 현재 구현중인 Profibus 기술을 위한 투자의 보호라는 Profinet의 개념을 충족하는 것이다.
< 자료제공: 지멘스㈜ 자동화사업부>
그림 1. Simatic ET 200S 분산 입출력 시스템을 위해 새로운 IM151-3PN 인터페이스 모듈을 사용함으로써, 사용자는 PROFInet 및 그의 실시간 이더넷 통신에서 얻는 모든 잇점을 누릴 수 있다. 동시에, 간단한 디지털 입력에서 4kW 에 이르는 출력을 갖는 새로운 주파수 변환기에 이르는 모든 기능들은 PROFInet과 연결하는 데 사용할 수 있다.
그림 2. ET 200S PROFInet 인터페이스 모듈로 새로운 FastConnect 인터페이스 컨넥터를 사용함으로써 버스 케이블의 조정이 간편해졌다. Simatic ET 200S에서는 단지 30초만에 Profinet과 접속이 가능하다.
그림3. 현재 사용중인 필드버스 디바이스들을 ‘프록시(Proxy)’를 사용하여 Profinet 시스템으로 간편히 통합시킨 덕분에, 현재 가동중인 기계설비와 프랜트의 투자의 보호가 보장받는다. 게다가 다양한 제조업체들 및 필드버스들의 컴포넌트들은 이러한 방식으로 Profinet 시스템으로 통합될 수 있다.
아이씨엔 매거진 2007년 02월호