필드버스 산업용 통신을 위한 PROFIBUS 전기층(Electrical-Layer) 솔루션

PROFIBUS는 멀티 전기층(Electrical-Layer) 옵션을 가지는 산업용 네트워크 표준의 하나이다. 자동화 애플리케이션에서 가정 일반적인 PROFIBUS 전기층은 데이터 전송 성능을 증가시키기 위해 RS-485를 사용한다. 이에 PROFIBUS 애플리케이션을 위한 네트워크 기술을 알아본다. < 편집자 주>
글_ Chris Sterzik, Texas Instruments
1. 개요
프로세스 자동화, 공장 자동화, 모션 컨트롤 등의 산업용 통신은 필드버스(Fieldbus)를 통해 이루어진다. 필드버스 네트워크는 그림 1에 보이는 것과 같이 보다 하위 레벨의 산업용 계층에 쓰인다. 액추에이터/센서 레벨로 간주되는 최하위 레벨에서는 구동장치와 센서를 거쳐 필드 버스가 자동화 프로세스에 바로 연결된다. 이 하위 레벨 필드 버스의 한 예가 PROFIdrive이다.
액추에이터/센서 보다 한 단계 상위 레벨인 필드 또는 셀 레벨에서의 통신은 전체 자동화 프로세스를 이루는 여러 단계들을 조정하는 것에 관한 것이다. 이러한 종류의 필드버스의 예가 PROFIBUS FMS이다. PROFIBUS FMS와 PROFIdrive는 보다 큰 규모의 필드 버스 계열 PROcess FIeldBUS, 간단히 표현하면 PROFIBUS의 일부이기도 하다.
독일에서 개발된 PROFIBUS는 1989년에 독일 국가표준(DIN 19245)으로 제정되었다. 이후, 이 표준은 1996년 유럽 표준(EN 50170)으로 승인되었다. PROFIBUS는 여러 경쟁 필드버스 표준들과 더불어 IEC 61158 및 IEC 61784의 국제 표준 규격으로 승인되었다.
시간이 지나면서 “PROFIBUS”라는 용어는 다양한 애플리케이션을 아우르는 포괄적인 용어로 지칭되었다. 본래, PROFIBUS 애플리케이션은 PROFIBUS FMS(Field Management system)라는 뜻으로 사용되었다. 그러나 현재, PROFIBUS DP(factory automation) 및 PROFIBUS PA(process automation), PROFIdrive(motor control) 등 여타 애플리케이션들에도 상용화되었다. 각각의 이러한 PROFIBUS 프로토콜은 광섬유, MBP(Manchester encoding bus powered; 맨체스터 인코딩 버스 전원 공급), TIA/EIA-485(RS-485) 또는 RS-485IS(본질 안전) 전기/광학 층으로 구현할 수 있다.
PROFIBUS를 준수하는 것은 애플리케이션에 따라 다르며, 설계의 몇 가지 부분들이 이를 준수하는 데에 전체적인 영향을 미친다. 이러한 요인 중 한 가지가 TIA/EIA-485 트랜시버이다. 트랜시버를 선정하려면, 우선 물리적 계층과 트랜시버가 그 계층의 일부가 되는 원리를 이해해야 한다.
2. PROFIBUS 트랜시버의 선정
PROFIBUS와 표준 RS-485 트랜시버를 구분하는 두 가지 주요 특징이 있다. 첫째, 가장 중요한 특징은 드라이버의 차동 출력이다. 관련 기능은 특별히 PROFIBUS DP 애플리케이션에 적용되며 PROFIBUS DP 마스터 및 슬레이브 테스트 사양(PROFIBUS DP 마스터의 PROFIBUS 테스트 사양 버전 3.0 [2005년 11월] / PROFIBUS DP 슬레이브의 PROFIBUS 테스트 사양 버전 3.0 [2005년 11월])에 포함되어 있다. 두 번째 주요 특징은 차동 출력 커패시턴스다. 이 차동 출력 커패시턴스는 전체 스테이션 커패시턴스의 일부로, 국제 IEC 61158-2 표준에 따라 허용되는 최대 신호 속도를 제한한다.
차동 출력 전압 (VOD)
표준 RS-485 정의 VOD는 그림 3에서와 같이, -7V ~ 12V의 공통 모드 전압 범위에서 60Ω 레지스터에 가로질러 나타나는 차동 출력 전압이다. PROFIBUS DP 마스터 및 슬레이브 모두에 대한 테스트 사양에서는 피크-투-피크 차동 출력 전압(VOD(PP))이 4V 이상 7V 미만이어야 한다고 규정하고 있다. 대부분의 데이터 시트에는 피크-투-피크 수치가 아닌 제로-투-피크 전압이 규정되어 있다. 예를 들어, 대부분의 PROFIBUS 데이터 시트에는 2.1V의 최소 제로-투-피크 VOD가 규정되어 있으며, 드라이버의 극성에 따라 그림 3의 실제 측정치가 -2.1V 또는 2.1V가 될 수 있음을 뜻한다. 최소 2.1V0-P는 4.2 VPP[2.1V – (-2.1V)]에 해당한다.
VOD 정의를 PROFIBUS 부하에 적용
그림 3의 등가 회로는 그림 2의 PROFIBUS 네트워크의 전형이 아닌, 단위 부하가 32인 RS-485 버스이다. PROFIBUS 시스템은 세그먼트 당, 많게는 32개의 스테이션을 갖출 수 있어, 그림 3에 제시된 최악의 경우를 예로든 부하와 유사하다. 그러나 PROFIBUS 표준은 버스가 유휴 상태일 때, 차동 전압을 유지할 수 있도록 버스의 양 단에 풀업(pullup) 및 풀다운(pulldown)을 제공할 것을 요구한다. 그림 4는 권장 PROFIBUS 종단(termination)을 보여준다.
중앙 종단 레지스터에는 두 가지 옵션이 가능하다. 일반적인 애플리케이션들은 그림 4의 220Ω 레지스터를 이용한다. 케이블의 특성 임피던스가 125Ω[150||(390+390)] 미만일 경우에만 150Ω의 종단을 선택해야 한다. 종단 저항은 전송 라인의 특성 임피던스 보다 적어서 노이즈 마진이 감소되는 부정적인 영향을 미친다.
그림 5는 그림 3과 그림 4의 조합으로, PROFIBUS 드라이버에 부하를 가하게 된다. 195Ω 풀업 및 풀다운 레지스터들은 PROFIBUS 드라이버의 양단에 위치한 390Ω 풀업 및 풀다운 레지스터의 병렬 등가이다. 110Ω 차동 임피던스는 두 220Ω 레지스터의 병렬 조합이다.
노이즈 마진을 늘이는 VOD 증가
5V 종단 전압은 VOD에 포지티브(positive) 오프셋이나 시프트를 야기시킨다. 여기서 시프트의 의미는 3가지가 있다. 첫째, 파형의 비대칭은 리시버 출력의 듀티 사이클 왜곡으로 전이될 수 있다. 듀티 사이클의 왜곡 정도는 신호의 상승 및 하강 시간과 수신기의 임계치에 의거한다. 둘째, 파형의 비대칭은, 열등한 PROFIBUS 애플리케이션을 갖춘 특정 로직 상태가 잡음이 심한 산업 환경에 처해 있음을 의미한다. 마지막으로, 드라이버는 버스 전압이 0.5V 이상으로 진폭에 차이가 없어야 한다는 PROFIBUS DP 테스트 가이드라인을 충족시키기 위해 오프셋을 극복해야 한다.
그림 7은 비평형 PROFIBUS 부하와 그에 따른 잡음 여유의 변화로 발생되는 오프셋을 나타낸다. 그림 7의 좌측 노이즈 마진은 대칭이며, 수신기 임계 전압이 VIT(-,MIN)에 대하여 -200mV이고, VIT(+,MAX)에 대하여 +200mV라고 가정하면, 노이즈 마진은 1.9V(2.1V – 0.2V)가 된다. 그러나, 우측 노이즈 마진은 대칭이 아니다.
그림 7에는 RS-485 애플리케이션에서 볼 수 있는 일반적인 값들보다 더 큰 최소 VOD 확보의 중요성을 보여주고 있다. 그림 7의 VOD가 1.5V 및 800mV 오프셋으로 감소한다고 가정하면, 이에 따른 노이즈 마진은 700mV와 2.3V가 된다. 데이터시트 상의 최소 VOD는 그림 3의 평형 공통 모드 부하로 산정되지만, 테스트 지침의 VOD(PP) 요건을 충족시키고 PROFIBUS 종단에서 충분한 크기의 노이즈 마진을 유지하려면 2.1V의 최소 VOD가 필요하다.

VOD와 PROFIBUS DP 테스트 가이드라인
슬레이브 및 마스터 PROFIBUS DP 테스트 사양에는 다음과 같이 명시되어 있다. “A와 B라인 간의 차동 전압이 최소 4V, 최대 7V여야 한다. A와 B라인의 신호를 DGND에 대하여 측정한다. 진폭의 차이는 0.5V 미만이어야 한다.” 그림 8에는 그림 5의 부하 및 0V의 공통 모드 전압에 대한 SN65HVD1176에 대한 A와 B 파형이 나와 있다.
진폭들의 합은 6.24V(4V 초과)이며 진폭들의 차는 0.32V(0.5V 미만)이다. VOD(PP) = (A+ – B -) – (A – – B +) = (4.24 – 0.880) – (0.960 – 3.84) = 6.24V (4V와 7V 사이) 종단에 의해 생성된 전압은 0.24V이다. 표 1에는 -7 및 +7 공통 모드 전압에 대한 A 및 B 전압이 나와 있다.
반향 및 Vcc 변화로 인하여 더욱 커지는 VOD
그림 5의 등가 회로는 PROFIBUS 네트워크의 분산 특성의 원인이 되지 않으며, 반향을 고려하지 않는다. PROFIBUS 표준에는 차동 종단이 220Ω일 때, 그림 4에서 볼 수 있는 종단에 쓰이는 형식 A 케이블 사양(IEC 61158-2의 표 100)이 규정되어 있다. 이 매체의 특성 임피던스는 135Ω ~ 165Ω(f=3 – 20MHz)의 범위가 가능하다. 등가 차동 종단은 171Ω이며, 일반적인 PROFIBUS 케이블의 특성 임피던스는 150Ω이다. 반향이 이미 높아져 있는 VOD(PP) 값들에 더해져, 공칭 5V의 경우, VOD(PP) 값은 6.65V(6.24 × 1.07)로 증가한다.
따라서, 지금까지의 논의에서는 일반적인 PROFIBUS 환경이 PROFIBUS DP 테스트 가이드라인에 위배된다는 점이 파악되지 않았다. 그렇지만 Vcc 및 케이블 임피던스를 61158-2 표준 및 트랜시버 데이터시트에 나와 있는 허용 범위 내에서 변하도록 하면, PROFIBUS DP 테스트 가이드라인에 위배되는 조합을 찾아볼 수 있다.(표 2 참조) Vcc를 5V 미만(4.75V 이상)으로 제한하고, 165Ω 특성 임피던스에 보다 근접한 케이블을 선정하면 지침을 준수할 수 있다.
스테이션 당 버스 커패시턴스
PROFIBUS 표준 EN 50170과 IEC 61158-2에는 주어진 신호 속도(kbps)에 대한 버스 커패시턴스의 최대 크기가 명확히 규정되어 있다. 예를 들면, 500kbps의 신호 속도에서 모든 버스 노드의 전체 커패시턴스는 0.6nF를 초과할 수 없다. 이 전체 커패시턴스에는 모든 커넥터, 스터브(stub), 버스 내 디바이스들의 차동 커패시턴스가 포함되어 있지만, 케이블 자체의 커패시턴스는 포함되어 있지는 않다. (그림 9 참조) 한 예로 SN65HVD1176을 사용하면, 노드 커패시턴스 계산은 10pF+20pF+2pF(디바이스, 커넥터, 스터브)이며, 노드 커패시턴스 32pF x 8 스테이션은 256pF이다. 256pF의 전체 커패시턴스는 스테이션 당 최대 1.5Mbps의 신호 속도를 허용한다. 노드 커패시턴스가 25pF라면, 8 노드 버스의 전체 커패시턴스는 200pF가 되며 허용가능 한 최대 신호 속도는 12Mbps가 된다.
보다 높은 신호 속도를 얻고 PROFIBUS 준수를 유지하기 위해서는, 트랜시버 출력 커패시턴스를 최소로 유지해야 한다. SN65HVD1176는 10pF 이하의 출력 커패시턴스를 확실히 보장한다. 경쟁력 있는 제품은 일반적인 커패시턴스 값을 제공하며, 최대 제한이 없다.
견고성 (Robustness)
견고성은 산업 애플리케이션에 있어 중요한 특성 중의 하나로, PROFIBUS도 예외는 아니다. 이 애플리케이션 노트에서 견고성은 트랜시버가 처리할 수 있는 전기적 과도스트레스(EOS)의 정도이며, 정전기 방전(ESD) 및 과도 전압, 공통 모드 전압의 형태를 취할 수 있다. 이러한 견고성 측정치들은 피크 전압과 지속 시간으로 구분된다. 최저 피크 전압 및 최장 지속 시간은 절대 최대 정격이다. ESD 정격은 최고 피크 전압과 최단 지속 시간을 나타낸다. 과도 전압은 ESD와 절대 최대 정격 사이에 속한다.
절대 최대 정격/권장 작동 조건
버스 핀들의 절대 최대 정격(AMR)은 손상 없이 느린 상승 시간(사인 파)을 적용할 수 있는 최대 전압이다. 권장 작동 조건(ROC)은 AMR의 부분 집합이다. 대부분의 PROFIBUS 트랜시버는 RS-485 기반이므로, 버스 I/O에 대한 ROC는 RS-485 표준(-7V ~ +12V)와 일치한다. AMR은 업체마다 다르지만, ROC는 일반적으로 1V에서 2V로 범위가 확대되고 있다.
공통 모드 전압 범위
절대 최대 정격이 권장 작동 조건을 제한하고 있듯이, ROC는 리시버의 공통 모드 전압 범위를 제한한다. 공통 모드 전압 범위가 넓으면, 드라이버 및 수신기가 서로 다른 접지 전위에서 작동하는 애플리케이션에 유용하다. 이는 멀티 귀환 전류(return current)가 동일한 귀환 라인을 통과하거나 외부 신호들이 버스 라인에 결합될 수도 있는 유선 애플리케이션에서도 마찬가지다. 그림 10은 RS-485 인터페이스의 일반적인 PROFIBUS 다이어그램을 보여주고 있다. 서로 다른 노드의 접지는 케이블로 연결되므로, 접지 귀환(ground return)에 걸친 전압 강하는 접지 전위 차를 발생시킨다. 마이크로프로세서는 절연물로, 접지 전위 차로부터 보호된다. 그러나, PROFIBUS 트랜시버는 입력 신호의 공통 모드 전압 시프트로 여겨지는 것에 견딜 수 있어야 한다.
공통 모드 전압 제거
지금까지 넓은 절대 최대 정격과 그에 따른 넓은 공통 모드 전압 범위의 개념은 존속성의 맥락에 놓여 있었다. 존속성을 초월한다는 것은, 공통 모드 전압 범위가 넓더라도 정확하게 통신을 이룰 수 있다는 것이다. 그림 11에서는 SN65HVD1176의 기능을 테스트하기 위해 개발된 테스트 회로를 보여준다. SN65HVD1176는 진폭과 상승 시간에 변화를 불러오는 공통 모드 입력을 제거한다. 차동 전압이 0V이므로, 출력은 고장 시에도 안전 상태로 유지될 수 있다. 테스트 중, 출력 변화가 없었던 것은 공통 모드 노이즈 전압을 제거하는 리시버의 성능을 보여준 것이다.
ESD 보호
절대 최대 정격이 진폭이 작고 지속 시간이 긴 EOS 스펙트럼의 한쪽 끝에 있는 경우, ESD는 반대편 끝에 위치한다. ESD 이벤트는 일반적으로 kV 진폭 및 ns 상승 시간의 항목으로 측정된다. ESD 테스트는 JEDEC 표준 22, 테스트 방법 A114-A(또 MIL-STD-883D의 테스트 방법 3015.7)에 규정되어 있다. 이 특정 표준은 인체 모델(HBM)을 규정하고 있다. 그림 12은 HBM 시뮬레이터의 도식과 HBM 전류 파형을 보여준다.
SN65HVD1176은 위와 같은 큰 과도를 극복할 수 있도록, 이에 상응하는 큰 전압에 신속하게 반응하는 보호 다이오드를 사용한다. 그림 13에는 전압이 16V를 초과할 경우 ESD 보호 회로가 작동하는 점을 강조한 A와 B 출력의 등가 도식이 실려 있다. 그림 13에 제시되어 있는 16V와 SN65HVD1176의 16kV ESD 정격은 디바이스의 -9V ~ 14V 절대 최대 정격과는 다르다는 점에 유의하자.
과도 과전압 보호
과도 과전압은 TIA/EIA-485 표준에 규정되어 있다. 이 표준에는 “단일 경쟁 쌍(single contending pair)때문에 높은 전류가 차단될 경우, 라인에서 발생될 수 있는 과도 전류에 대한 보호”라는 정의와 요건을 제시하고 있다. 그 지속 시간은 ESD 이벤트 보다 현저히 길며(us 대 ns), 전압 수준은 현저히 감소된다.(±25V 대 kV) 그림 14의 과도 과전압 테스트 회로는 TIA/EIA-485에서 취한 것이다. 같은 사양에서의 테스트 전압은 25V 및 -25V이다. 그림 14에 나와 있는 바와 같이, SN65HVD1176은 ±40V의 과도 과전압에 견딜 수 있다.
앞서 언급한 세 가지는 산업 환경에서 디바이스가 처할 수 있는 과도스트레스에 대한 모든 조건을 말하고 있지는 않지만, 디바이스의 견고성에 대한 측정치를 제공한다. 절대 최대 정격, 과도 과전압 보호, ESD 정격이 클수록 인터페이스는 더욱 견고해진다.
3. 결론
IEC 61158-2 표준에는 DP 및 비 DP 애플리케이션 모두에 대한 물리 층이 규정되어 있다. 이 표준은 노드가 버스에 가할 수 있는 커패시턴스를 엄격히 제한하고 있으며, 이에 따라 트랜시버의 버스 커패시턴스를 제한하고 있다. 이 표준은 또한 케이블 매체, 사용되는 버스 종단, 세그먼트 당 허용된 노드 수 등을 규정하고 있다.
PROFIBUS DP 애플리케이션에 사용되는 디바이스는 61158-2 요건 외에도, PROFIBUS DP 가이드라인의 요건 또한 충족시켜야 한다. 이 가이드라인에는 차동 출력 전압을 트랜시버에 두는 필드 레벨 테스트가 규정되어 있다. 또한 61158-2를 준수하는 PROFIBUS 시스템이 PROFIBUS DP에도 준수하도록 하려면, 디바이스 Vcc 및 케이블 매체의 제어에 주의를 기울여야 한다.
PROFIBUS는 산업용 애플리케이션으로 고안되었으므로, 그 인터페이스 또한 견고하여야 한다. 견고성의 측정치는 절대 최대 정격, 과도 과전압 보호, 송수신기 버스 핀의 ESD 정격으로 나타난다. 표 3은 다른 PROFIBUS 트랜시버 데이터시트에 비교해, SN65HVD1176이 탁월한 견고성을 갖추고 있음을 보여 준다. 또한, SN65HVD1176은 고속 애플리케이션에서 IEC 61158-2의 커패시턴스 요건을 충족하도록 낮은 버스 커패시턴스를 제공한다.
아이씨엔 매거진 2008년 01월호