필드버스 기술은 산업 자동화 시스템 현대화의 핵심 구성 요소로, 공장 현장에서 다양한 디바이스 장치와 시스템 간의 통신이 가능하다. 이는 현재 제4차 산업혁명과 함께 핵심 이슈가 되고 있는 스마트제조 구축을 위한 디지털화의 기반을 달성할 수 있도록 했다. 이에 필드버스 기술의 역사, 주요 기능 및 업계의 현재 상황을 포함하여 필드버스 기술의 기본 사항에 대한 개요를 정리한다.
주요 필드버스 프로토콜 비교
산업 자동화에서 필드버스의 사용은 최근 십여년 동안 보편화되었습니다. 현재까지 활발하게 사용되고 있는 주요 필드버스 프로토콜에 대해서 알아보고, 각각 고유한 기능과 장점을 소개합니다.
프로피버스
프로피버스(Profibus)는 처음 독일의 지멘스(Siemens AG)에서 개발한 필드버스 프로토콜이며, 현재는 독립적인 전문가 집단이 PI (Profibus & Profinet International)에서 모든 권리와 사용권을 담당하고 있습니다. IEC 61158 개방형 국제 표준으로 유럽에서 가장 폭넓게 사용되며, 최대 12Mbps의 높은 데이터 전송 속도로 유명합니다. 또한 적응력이 뛰어나 공정 제어, 모션 제어 및 안전 시스템을 포함한 광범위한 응용 분야에 사용할 수 있습니다. 2022년말 기준으로 7천만 노드에 근접한 구축실적으로 확보하고 있습니다.
[영상 참조: https://youtu.be/558NrD-M3Qw]
모드버스
모드버스(Modbus)는 텔레메카닉(현재의 슈나이더 일렉트릭)에서 처음 개발한 기술로부터 성장하여, 특히 미국과 캐나다에서 널리 사용되는 개방형 필드버스 프로토콜입니다. 소규모 시스템에서 사용하기에 적합한 간단하고 비용 효율적인 프로토콜이어서 누구나 쉽게 접근하고 사용해 볼 수 있다는 장점을 가지고 있습니다. 단일 네트워크에서 최대 247개의 장치를 지원하며 최대 115.2kbps의 데이터 전송 속도를 제공합니다.
[영상 참조: https://youtube.com/watch?v=JBGaInI-TG4]
디바이스넷
디바이스넷(DeviceNet)은 처음 알랜브래들리(현재의 로크웰오토메이션)에서 개발한 개방형 필드버스 프로토콜로, 지금은 협회 조직 격인 ODVA에서 표준화를 비롯한 상호운용성 연구를 담당하고 있습니다. 표준 CAN(Control Area Network) 프로토콜을 기반으로 하며 산업 자동화 시스템에 사용하도록 설계되었습니다. 최대 125kbps의 높은 데이터 전송 속도와 단일 네트워크에서 최대 64개의 장치를 지원하는 기능으로 유명합니다.
[영상 참조: https://youtube.com/watch?v=acnpobFi5qg]
씨씨-링크
씨씨-링크(CC-Link)는 일본 미쓰비시 전기에서 자사의 필드버스 시스템으로 개발했으며, 개방화 정책에 따라 독립적인 비영리 협회조직인 CLPA(CC-Link Partner Association)을 설립하고 여기에서 표준화 및 연결 솔루션 개발 지원을 제공합니다. 아시아에서 널리 사용되며 최대 10Mbps의 높은 데이터 전송 속도와 다양한 장치를 지원하는 기능이 우수합니다. 또한 원격 진단 및 유지 관리와 같은 고급 기능을 지원합니다.
[영상 참조: https://youtube.com/watch?v=KpZ4xizLKO8]
파운데이션 필드버스
파운데이션 필드버스(Foundation Fieldbus)는 필드버스 파운데이션(Fieldbus Foundation; 현 FieldComm Group)에서 개발한 플랜트 프로세스 분야에 특화된 필드버스 프로토콜입니다. 프로세스 제어를 비롯한 자동화 시스템에 사용하도록 설계되었으며 센서, 액추에이터 및 PLC를 포함한 광범위한 장치를 지원하는 기능으로 알려져 있습니다. 또한 원격 진단 및 유지 관리 등의 고급 기능도 제공합니다.
HART
HART(Highway Addressable Remote Transducer)는 Hart Communication Foundation에서 개발한 필드버스 프로토콜입니다. 현재는 파운데이션 필드버스와의 조직 통합을 통해 필드컴(FieldComm)으로 확장되었습니다. 프로세스 제어 및 자동화 시스템에 사용하도록 설계되었으며 센서, 액추에이터 및 PLC를 포함한 광범위한 장치를 지원하는 기능으로 알려져 있습니다. HART는 엄밀한 의미에서는 필드버스로 보지 않는 경우도 있습니다. 이는 기존의 4-20mA 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시켜주는데 사용되는 하이브리드 필드버스의 역할을 위해 개발되었기 때문입니다. 그럼에도 낡은 플랜트 시스템에도 높은 활용도를 유지하고 있습니다.
[영상 참조: https://youtube.com/watch?v=pXkun-PEiY0]
CANopen
CANopen은 CiA(CAN-in-Automation) 표준 필드버스로 산업용 자동화에 사용되는 CAN 프로토콜이라고 할 수 있다. 보쉬(Bosch)에서 개발된 표준 CAN 프로토콜을 기반으로 산업 자동화 시스템에서 사용하도록 설계되었으며, 최대 1Mbps의 높은 데이터 전송 속도와 단일 네트워크에서 최대 64개의 장치를 지원할 수 있는 기능이 우수합니다. 특히 기존의 CAN 통신과 달리 산업 현장에서의 실시간 제어가 가능합니다. 또한 CANopen을 구현하기 위해서는 다른 필드버스와 달리 전용화 된 ASIC이나 FPGA 등이 제공되지 않기 때문에 범용 DSP나 MCU를 통해 하드웨어와 소프트웨어를 구성해야 합니다. 최근에는 CANopen FD 버전으로 발전해 풀 메시 네트워크를 지원하고, PDO에서 최대 64bytes로 확장되었습니다.
AS-i(AS-Interface)
AS-Interface는 주로 공장 자동화 산업에서 사용되는 개방형 필드버스 프로토콜입니다. 다양한 장치 및 장비를 지원하는 저렴하고 간단하며 설치가 쉬운 버스 시스템으로 주로 센서, 액추에이터 사이의 필드기기간의 연결과 네트워트 통신을 위해 사용됩니다. 특히 납작 케이블을 통한 간편한 설치 및 디바이스 연결의 편리성은 아주 우수하다는 평가를 받고 있습니다. AS-Interface는 일반적으로 기계 제어, 로봇 공학 및 자재 취급과 같은 응용 분야에서 사용됩니다.
이러한 모든 프로토콜에는 고유한 기능과 장점이 있으며 사용할 최상의 프로토콜은 응용 프로그램의 특정 요구 사항에 따라 달라집니다. 예를 들어, 프로피버스는 고속 데이터 전송 및 적응성을 위한 좋은 선택인 반면, 모드버스는 소규모 시스템을 위한 비용 효율적인 옵션입니다. 마찬가지로 CC-Link는 높은 데이터 전송 속도와 광범위한 장치 지원으로 알려져 있으며, 파운데이션 필드버스는 플랜트 프로세스 분야에서의 고급 기능과 독보적이고 광범위한 인터페이스 디바이스 지원을 제공합니다.
[스터디 노트: 스마트 제조에서의 필드버스 기술(4) 편으로 이어집니다.]
[추천 링크]
[스터디 노트 01] 스마트 제조에서의 필드버스 기술(1)
[스터디 노트 01] 스마트 제조에서의 필드버스 기술(2)
[스터디 노트 01] 스마트 제조에서의 필드버스 기술(3)
[스터디 노트 01] 스마트 제조에서의 필드버스 기술(4)
