최근 들어 산업용 통신부분에서의 가장 큰 변화는 다수의 벤더 및 협회들이 필드버스에서 산업용 이더넷 기반의 네트워크로 진화하고 있다는 점을 들 수 있다. 산업용 네트워크에서도 Ethernet 기반의 솔루션을 적용하여 현재 Office에서 사용되고 있는 많은 IT 기술을 산업 현장에 적용하여 보다 훌륭한 시스템을 구축하고 있는 중이다.
글_ 장희돈, 지멘스 (heedon.chang@siemens.com)
자동화 기술은 지난 20년간 큰 발전을 이뤄 왔고, 그 중 특히나 산업용 통신에 관한 부분은 빠르게 진화하고 그 중요성이 보다 강조되고 있다. 이러한 빠른 진화에 발 맞추어 신기술을 습득하고 빠르게 현장에 적용하여, 어떠한 제품을 생산하려 할 때 기획에서 그 제품이 실제 생산할 수 있는 Cycle 시간을 줄여 생산성을 높이는 것이 자동화 엔지니어들이 해야 할 일이다.
산업용 통신부분에서의 가장 큰 변화는 다수의 Major Supplier 및 협회들이 산업용 이더넷 기반의 네트워크로 진화하고 있는 점이다. 산업용 네트워크에서도 Ethernet 기반의 솔루션을 적용하여 현재 Office에서 사용되고 있는 많은 IT 기술을 산업 현장에 적용하여 보다 훌륭한 시스템을 구축하려고 하고 있다. 산업 통신 방법 중 가장 많이 사용 되고 있는 프로피버스(PROFIBUS)의 경우 PROFINET을 산업용 이더넷 솔루션으로 제공 하고 있다.
이제부터 산업용 이더넷의 기술인 PROFINET에 대해서 알아 보도록 하자.
1. 자동화 시장의 현재 모습
자동화 세계의 현재 모습은 소수의 MAIN PLAYER들이 시장을 선도하며 이끌어 나가고 있으며, 보다 GLOBAL 경쟁, GLOBAL 시장, 그리고 GLOBAL한 제품 생산을 이뤄 나가고 있다. 이와 마찬가지로 자동화 세계를 이끌어 가는 많은 VENDOR와 END CUSTOMER들은 다음의 세가지 요구 조건을 가지고 있게 되었다.
(1) 하드 웨어 및 소프트 웨어의 표준화
(2) 환경의 변화에 빠르게 적응 할 수 있는 유연성
(3) 보다 많은 사람이 보다 많은 장소에서 보다 많은 정보의 취득
또한, 현재까지 많이 사용되고 있는 분산 자동화 시스템은 사용자들의 전폭적인 지지에 기반하여, 더 많은 발전을 이뤄낼 것이며 모든 APPLICATION에 지능형 자동화 플랫폼으로 분산될 것으로 예상된다.
이더넷은 오랜 시간 동안 사무용 네트워크에서 표준으로 사용되어 왔고, 저렴한 비용으로 효율적인 통신망을 구성할 수 있었다. 실시간 데이터 통신의 결정론적인 요소를 지원할 수 있는 많은 기술들의 보완으로, 생산 레벨에 이르기까지 이더넷을 이용한 다양한 APPLICATION을 구현할 수 있다. 이로 인해 생산 레벨에서 경영 레벨에 이르기까지 단 하나의 네트워크로 무결성을 유지할 수 있는 시스템 구조의 변화가 오고 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 각각의 분산 모듈들은 지능형 모듈로 교체되어 보다 효과적이고 분산화된 구조의 자동화 시스템을 구축할 것이다. 모듈화 APPLICATION의 이점은 다음과 같다.
– 명확히 인식되는 인터페이스를 기반으로 논리적인 제어 기능의 분리.
– 개별 OEM들의 사전 테스트로 인한 공기 단축.
– 개별 모듈의 개별적인 시운전을 통해, 전체 시운전 기간의 단축.
– 표준을 사용함으로써 얻어지는 빠르고 우월한 계획.
– 매우 우월한 자동화 모듈들의 유연성.
현재 사용하고 있는 필드버스 시스템의 경우, 그 자체의 성능 및 호환성 자체는 문제가 없다. 그럼에도 공장 전체 레벨로 본다면, 이 기종의 필드버스끼리의 상호 통신의 어려운 점과 Ethernet 등과 같이 호환성 및 사용 방법의 용이함이 부족하다.
마지막으로 안전 네트워크와 일반 네트워크를 하나로 구성하려는 사용자의 요구가 증대할 것이며, 이러한 네트워크는 사용자에게 복수개의 네트워크 및 시스템을 구성할 필요없이 단 하나의 시스템, 네트워크로 사용자의 모든 환경 및 요구 조건을 충족시킬 수 있다.
여기서 ‘단일하다’는 것은 네트워크의 모든 요구 조건이 하나의 기반에서 충족되어, 전 공정에서 단일한 네트워크를 사용한다는 것이다. 또한 이러한 네트워크는 OFFICE망에서 사용되어 왔던 WAN, SMS, MAIL, INTERNET REMOTE ACCESS 등과 같은 기술을 자동화 세계에서도 차용하여 같이 사용할 수 있도록 한다.
앞서 얘기 되었던 시스템적인 변화에 기인하여, 필드버스로 구분 되어진 기존의 산업용 네트워크 체계가 산업용 이더넷 기반의 네트워크로 진화 할 것이다. 기존의 필드버스에서 이뤄내지 못했던 이종간의 통합, IT 기술 이용 등의 여러 장점을 가지면서 기존의 SAFETY 네트워크와 일반 네트워크의 결합 등의 이점을 그대로 유지하고 확장되어야 한다.
2. Siemens AG의 자동화 기술의 역사
자동 제어 기술의 꽃이라 할 수 있는 PLC (Programmable Logic Controller)의 모습이 현재와 같은 CONNECTION 기반 구조의 모습을 가지게 된 것은 그리 오랜 일이 아니다. 최초의 제어 컨트롤러는 RESISTOR, TRANSISTOR 기반의 구조를 가지고 있었으며, 단순한 연산만을 구현할 수 있었다.
자동화 기술의 선두 기업인 SIEMENS는 1958년 RESISTOR, TRANSISTOR 기반의 SIMATIC G 모델을 선보였다. 이후 다이오드 기반(DTL)의 SIMATIC N, H 모델, 그리고 HLL (High-Noise Immunity and Surge Proof Logic), TTL (Transistor-Transistor Logic)등의 모델에 걸쳐 현재의 자동화 시스템의 모델이라 할 수 있는 SIMATIC S5 모델을 1973년 출시했다.
그리고, 1995년에는 자동화의 모든 요구 조건을 모든 레벨에 걸쳐 하나의 벤더를 통해 구현할 수 있는 TIA (Totally Integrated Automation) 개념을 처음으로 소개했다. 현재에는 MOTION CONTROLL, SAFETY CONTROL 등 모든 자동화 시스템을 구축 할 수 있는 모든 솔루션을 제공하고 있다.
3. 산업용 이더넷에 대하여
이더넷(Ethernet)은 1976년 로버트 멧칼프(Robert Metcalf)에 의해 처음으로 주창 되었으며, 1980년대 및 1990년대 폭발적인 인터넷 및 통신의 발전에 힘입어 현재 세상에서 가장 많이 사용되고 있는 (약 80%), 네트워크 구조이다. 현재 IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) 의 802.3에 의해 표준화 되어 졌다. 최소 50개 이상의 벤더에 의해 지원되고 있으며, 현재 10 Gigabit 이더넷이 출시 되고 있다.
그러면 산업용 이더넷(Industrial Ethernet)이란 무엇일까? 쉽게 설명한다면 위와 같이 많이 사용되고 있는 이더넷의 기술을 산업 현장에 맞추어 적합하게 사용할 수 있도록 만든 이더넷 기술, 제품들이라 할 수 있다. SIEMENS는 이미 1985년 SINEC H1이라는 이름으로 산업용 이더넷을 제공해 왔다. 산업용 이더넷은 일반 이더넷과 비교하여 다음의 차이점을 가지고 있다.
(1) 신뢰성: 데이터가 정확한 시간내에 정확한 정보를 가지고 도착할 수 있는지.
– 물리적 신뢰성: 먼지, 습기, EMC 등 공장내 현장에서 발생하는 환경적인 요소를 극복할 수 있는 Design
– 구조적 신뢰성: 네트워크 단절시 빠른 시간 <300 ms이내 자동 복구할 수 있는 구조
– 논리적 신뢰성: 정확한 정보를 정확한 시간 내에 전달, 만일 전송 하지 못하였을 경우에는 진단 기능이 필요
(2) High performance
자동화 시스템에서 산업용 이더넷 통신은 Program의 Down Load와 같이 높은 속도가 필요하지 않은 통신에서 Motion 제어와 같은 빠른 응답 속도가 필요한 부분까지 모든 부분을 지원해야 한다.
또한, 하나의 요소를 위하여 별도의 전용 시스템을 구성 하는 것은, 설치비용, 통합 관리, 시스템 구조의 복잡성 등의 이유로 지양되어야 한다. (즉 단일 네트워크에서 모든 요구를 충족 해야한다.)
(3) Fail – Safety
자동화 시스템의 경우 인명과 공장의 자산을 보호 해 줄 수 있는 고장 안전(Fail Safe) 기술의 중요성이 강조된다. 시스템 전반에 고장 안전 기술이 탑재 될 수 있어야 한다. 또한 고장 안전 기술과 더불어 무선 네트워크와 같은 최신의 기술이 같이 사용 될 수 있어야 한다.
4. PROFINET이란?
PROFINET은 위에서 설명 되어졌던, 현재 자동화 시스템의 사용자 요구 조건 및 표준 이더넷 기반위에 PROFIBUS INTERNATIONAL이라는 특정한 제조 업체가 아닌 중립적인 협회에 의해 주창되고 발전되어 지고 있는 산업용 네트워크이다.
표준 TCP/ IP와 IT 기술을 사용 할 수 있고, 산업용 이더넷이 갖추어야 할 모든 요소를 가지고 있으며, 자동화 시스템 중 실시간(REAL-TIME)성을 보장한다. 또한 현재 사용하고 있는 필드버스 시스템과 완벽히 연결 될 수 있다.
그림 8에서는 PROFINET이 가지고 있는 산업적 특징을 보여주고 있다.
(1) 각종 분산 필드 디바이스들과 PROFINET을 통해 연결 되어 IO 데이터를 전송 할 수 있다. 모든 디바이스는 하나의 통일된 네트워크 구조를 가지며, 이것은 전 생산 라인에서 경영 레벨에 이르기까지 단일한 통신을 제공 할 수 있는 기반이 된다. PROFINET IO는 IO Controller (IO를 제어하는 컨트롤러)와 IO Device (IO 정보를 제공하는 제공자)로 구성되며, 몇 milli-second내에 빠른 데이터를 주고 받을 수 있도록 구성 되어 있다. 또한 기존 사용되는 필드버스도 PROFINET IO에서 IO Device로 통합되어 사용 할 수 있다.
(2) PROFINET CBA (Component Based Automation)
PROFINET을 이용함으로, 사용자는 개별 공정을 하나의 Component로 구성 할 수 있다. 이로 인해 서로 다른 제조사의 공정 제어 시스템을 보다 쉽게 통합 할 수 있게 된다. 각 Component들은 입력 및 출력에 대해 엔지니어링 프로그램 내에서 프로파일화 된다. 이렇게 요구되는 통신은 PROFINET CBA의 Exception-based and deterministic 통신을 통해 최고 10ms까지 빠른 cycle 시간을 지원 할 수 있게 된다.
(3) PROFINET 통신
PROFINET은 사용자의 다양한 요구를 만족하기 위해 실 시간성을 지원하며, 모션 제어와 같은 빠른 응답속도가 필요한 Application에서는 1 ms이내의 응답 속도를 지원하고 있다. 이는 PROFINET의 표준 TCP/IP를 지원하면서 ERTEC 기술을 이용 하여 IRT (ISOCHRONOUS REAL TIME)을 동시에 지원 함으로 가능한 방식이다. 보다 자세한 내용은 그림 12에서 확인 할 수 있다.
(4) PROFINET INSTALLATION
PROFINET은 PROFINET의 정확한 사용에 관련하여 올바른 사용 방법에 대해 기술한 가이드 라인을 배포하고 있으며, 이는 사용자에게 정확한 설치로 인한 오 작동의 예방 및 유지 보수의 절감 효과를 이뤄내고 있다.
(5) PROFINET SAFETY
Safety는 많은 자동화 시스템에서 주요한 요소이다. 예전의 고전적인 방식은 Relay를 사용함으로 시스템의 보호를 이뤄 왔으나, 현재는 일반 통신 네트워크 망과 통합하여 사용하고 있다. 특수 버스 모델은 점차 더 적게 사용되고 있으며, 이러한 예는 자동차 산업을 보면 쉽게 파악 할 수 있다.
결론적으로 최초의 PROFINET IO에 관한 내용은 PROFIBUS 협회에 의해 주창되어 졌다. 그 이후 안전 기술에 관련하여 독일의 TUV에 의해 인증을 받아 안전 관련 모듈 역시 PROFINET과 같이 사용 할 수 있게 되어 졌다. 자세한 구조상의 내용은 그림 14에서 확인 할 수 있다. 일반 PROFINET PROTOCOL위에 SAFETY관련한 데이터는 우선권을 가지게 되며, Safety 관련 모듈과 우선하여 데이터를 주고 받을 수 있게 된다.
안전 기술을 탑재한 모듈 역시 PROFINET의 CBA의 하나의 모듈로서 동작 할 수 있고, 모든 자동화의 영역의 모듈들이 모듈 기반의 제어 CBA를 지원 하며 안전 관련 기술과 병행하여 사용 되어 질 수 있다.
아이씨엔 매거진 2008년 07~08월호
