필드버스 시스템 선택, 이것을 먼저 고려하자

많은 제조 및 프로세스 산업분야에서 필드버스 시스템에 수요가 늘고 있다. 기존의 아날로그 장비를 디지털 장비로 교체하는 과정에서 필드버스는 필수요소로 작용하고 있는 중이다. 그럼에도 우리는 적절한 필드버스 시스템 선정기준을 마련하지 못하고 고민하는 경우가 종종 발생한다. 이에 필드버스 시스템 선정에서 먼저 고려해야 할 사항을 알아본다.< 편집자 주>
산업 현장에서 필드버스 시스템을 선택할 때, 그것이 자신이 의도하는 애플리케이션에 적합한지를 먼저 알아봐야 한다. 그러나 우리는 이러한 필드버스 시스템 선택과 관련한 선정기준을 마련하기가 쉽지 않음을 절감하곤 한다.
자신이 의도하는 애플리케이션에 최적으로 적용할 수 있는 필드버스 시스템이라는 판단 기준들이 어떻게 정의 되어야 하며, 또 점검목록은 어떻게 고안될 수 있을 것인가에 대한 명확한 기준을 마련하기가 쉽지 않기 때문이다. 단지 이러한 필드버스 시스템과 관련한 국제 표준규격을 통해서 제시되는 다양한 제안들을 참고적으로 활용할 수 있는데 그치고 있다.
그러나 이러한 국제 표준의 제안서들을 가지고 면밀히 검토하다보면, 또다른 한계에 부딪히고 만다. 각 제안서별도 사용되는 많은 용어들이 각자 개별적으로 정의되어 있는가 하면, 적용 기준들 마저도 사용자에게는 전혀 소용이 없는 경우가 발생하기도 한다. 더구나 현재 시장에서 출시된 다양한 시스템에 대한 기술들이 대부분 완전하지도 못한 미완의 기술을 통한 제품을 제공하는 경우도 다수 접하게 된다.
이러한 다양한 문제들이 필드버스 시스템 선택과 관련하여, 우리의 실제적인 비교를 힘들게 만드는 것이다.
이에 사용자에게, 그리고 그들이 의도한 애플리케이션에 대해 진정한 의미를 지니고 있는 필드버스 시스템들의 일반적인 기술 특성들을 정의하고 적용 단계별 프로토콜 및 토폴로지 네트워크 구조에 대해 알아보고자 한다.
필드버스의 레벨별 분류
이러한 특성들은 해당 필드버스 시스템이 어떤 식으로 정의되건 관계 없이 결정될 수 있는 것이므로, 시스템 및 의도하는 애플리케이션의 요건에 대한 직접적인 비교가 이루어질 수 있다.
필드버스를 선택할 때 고려되어야 할 사항은 수많은 점검사항들이 존재한다. 그럼에도 이러한 다양한 조건에 접근하기 전에 무엇보다도 먼저 고려해야 할 사항으로는 다음 2가지로 요약할 수 있다. 첫째는 어느 것이 산업 자동화를 위해 설계되었는가 하는 것이다. 둘째는 어떤 것이 국제 표준규격에 준하여 완전하게 표준화되어 있는가 하는 것이다.
현재 산업 자동화 부문에서 국제적으로 표준화된 시스템들(또는 현재 표준심의중인 시스템들)에 대한 개요는 표 1에서 확인할 수 있다.
표 1에서 보는 바와 같이 필드버스 시스템은 크게 3가지 레벨로 크게 나누어 고려할 수 있다. 이는 자신이 수용하고자 하는 영역을 선정함에 있어 우선적으로 고려한다면 필드버스 선정에서의 큰 고민을 어느 정도 해결해 줄 것으로 본다. 필드버스는 크게 센서/액추에이터 레벨, 디바이스 레벨, 필드레벨로 나눌 수 있다.
센서/액추에이터 레벨
이는 자동화 피라미드에서 가장 낮은 수준이다. 여기서는 대부분 이진 센서 및 액추에이터들이 연결되어 있으며, 또한 최대 8개의 입력 및 출력부를 지닌 모듈들로 구성된다.
전형적으로 센서들은 간단한 신호 디바이스, 푸시버튼, 선택 스위치, 라이트 커튼, 유도•용량•광 스위치 및 초음파 근접 스위치, 수준 탐지기, 압력 스위치, 그리고 인크리멘탈(증분형) 샤프트 인코더 등을 말한다.
액추에이터에는 공압 밸브, 유압 밸브, 신호 램프, 음성신호 발생기 및 단순한 전기 구동장치 등이 속한다.
센서 및 액추에이터 수준에서는 비트(bit) 중심의 데이터 통신이 주류를 이룬다.
디바이스 레벨
이 수준에는 보다 복잡한 센서 및 액추에이터, 그리고 8개 이상의 입•출력부를 지닌 모듈 등은 물론, 최하위 수준에서 나온 자동화 디바이스들이 상호 연결되어 있다.
그 전형적인 예로는, 레이저 스캐너, 바코드 판독기, 압력•온도 및 유량 전송기, 리니어 변환기, 앱솔루트 샤프트 인코더, 기압조절 및 유압 조절 밸브, 속도 제어형 구동장치 등은 물론, 스크린 및 키보드가 딸린 오퍼레이터 스테이션 등이 포함될 수 있다.
데이터 통신은 일반적으로 디바이스 레벨에서 바이트(byte) 단위로 이루어진다.
필드 레벨
필드 수준에서 개별 자동화 장치들은 상호 연결되어 보다 큰 단위로 링크된다. 여기서는 블록(block) 중심의 데이터 교환이 사용된다.
다양한 레벨으로의 분할은 그 실용성이 입증된 것인데, 왜냐하면 필드버스 시스템에 대한 요구조건이 해당 레벨에 따른 중요도에 의해 달라지기 때문이다.
이들 세 가지 레벨 중 하나에 분명하게 할당될 수 없는 제품들도 많이 있다. 그와 같은 제품들은 위에서 기술된 하나 이상의 수준들에 대한 연결 옵션들을 사용할 수 있는 경우가 전형적이다.
이더넷 기반 솔루션들은 일단 위의 개요에 포함되지 않았는데, 이는 그 당시에 완전하게 표준화되지 못한 상태였기 때문이다. 하지만 이들이 디바이스 레벨은 물론 필드 수준에서도 많은 비중을 차지하는 방향으로 자리잡아가고 있는 중이다.
토폴로지와 네트워크 구조
입력 및 출력 디바이스들과 필드 상의 센서 및 액추에이터, 그리고 운용 및 디스플레이 디바이스들을 컨트롤러와 연결하려면, 전기 네트워크가 필요하다. 토폴로지란 용어는, 이 네트워크 상의 통신 스테이션의 물리적 배치와 아울러 이들이 해당 네트워크에 링크되는 방법을 가리키는 것이다. 다음은 현재 사용되고 있는 주요 구조들이다.
스타 토폴로지
스타 토폴로지에서 중심 노드는 두 지점간 (2점) 연결을 통해 각 필드 디바이스, 센서 및 액추에이터 등과 연결된다. 이는 각 디바이스들을 해당 컨트롤러와 연결하는 전통적인 병렬 배선방식에 해당한다. 그 결과, 케이블 배선상의 여유분이 전혀 없다.
각 슬레이브는 정확히 하나의 터미널을 가지며, 각 마스터는 연결가능한 슬레이브 수만큼의 터미날을 지니게 된다. 슬레이브들에 주소를 할당할 필요가 없다. 어떤 버스 액세스 프러시저도 수립될 필요가 없다.
링 토폴로지
모든 노드들이 정확히 두 개의 연결 분기선을 지니는 네트워크를 말한다. 여러개의 슬레이브들을 2점 연결방법으로 연속적으로 연결한 다음, 최종 노드를 첫번째 것과 연결한다면, 그 결과는 링 구조가 된다.
각 슬레이브를 통하여 통신하며 개별 슬레이브는 익스텐더 또는 리피터의 기능을 한다. 링 네트워크 상의 위치에 따라 자동적으로 주소가 부여되기 때문에, 슬레이브에 별도로 주소를 할당할 필요가 없다.
메쉬 토폴로지
완전한 설명을 위해, 또한 메쉬 토폴로지도 언급해 두고자 한다. 이것은 적어도 두 개의 노드를 갖고 그 사이에 두 개 이상의 경로가 수반된 네트워크 토폴로지에 해당된다.
메쉬 토폴로지는 필드버스 테크놀로지에서는 일반적이지 않으며, 오히려 관련 데이터 양에 따라 두 노드들 간에 추가적인 연결이 구축되는 원거리통신망(WAN)들에서 주로 발견된다.
이 솔루션은 데이터 흐름을 적절히 변경하기 위한 부가적 복잡성을 나타낸다. 각 노드는 망 구축의 정도에 따라 두 개 이상의 경로로 연결된다.
라인 토폴로지
일명 버스 토폴로지라고도 알려진 라인 토폴로지는 모든 노드들, 즉 스테이션들이 하나의 단일 버스에 의해 함께 연결된 네트워크 토폴로지에 해당한다. 여기서는 더 이상 2점 연결이 없으며, 다만 모든 노드들이 통신에 항상 참여한다.
슬레이브가 전송하고자 할 때, 공통 라인(버스)에 대한 접근 권한을 명확히 지정하는 특정한 규칙들이 라인 토폴로지에 필요하다. 해당 라인은 반사가 일어나지 않도록 일반적으로 각 종단에 종단 저항장치(terminating resistor)들을 갖고 있다. 각 슬레이브는 하나의 터미널을 지닌다. 일반적으로 할당된 주소로 이루어진, 각 슬레이브의 고유 식별방법이 필요하다.
일반적으로 할당된 주소로 이루어진, 각 슬레이브의 고유 식별방법이 필요하다.
탭을 수반한 라인 토폴로지
라인 토폴로지의 한 가지 변이형으로 짧은 분지선(쇼트 스터브 라인)이 딸린 배선방식이 있다. 하지만, 분지선의 길이는 전송 고려사항에 의해 한정된다.
트리 토폴로지
트리 구조는 일반화된 라인 토폴로지에 해당한다. 탭 또는 지선의 크기는 제한되지 않으며, 지선이 있을 수 있다. 트리 토폴로지는 사용자에게 최대한도의 자유를 허용한다. 사용자는 해당 기계 또는 시설이 위치한 곳의 소요에 따라 네트워크를 조합할 수 있다. 트리 토폴로지를 사용함으로써, 라인 토폴로지를 쓰는것 보다 더 넓은 영역이 네트워크로 연결될 수 있다.
토폴로지 문제를 다룬다면, 또한 필드버스 시스템상의 메시지 흐름의 구성 문제도 역시 고려해야 한다.
일반적으로 필드버스 시스템의 메시지 흐름은 마스터-슬레이브 구조, 다중 마스터 구조, 혼합구조를 채택한다.
마스터-슬레이브 구조(자원-목적지 모델)
이것은 계층구조이다. 해당 시스템에는 단 하나의 마스터만 존재할 수 있으며, 이는 전송 권한을 독점한다. 마스터는 슬레이브에게 주기적으로 메시지를 전송하며, 해당 슬레이브들은 메시지로 응답해야 한다. 그러므로 메시지 흐름은 중앙 마스터에서 선택된 슬레이브로 전달되며, 다시 돌아가게 된다. 각 메시지는 자동적으로 인식되며, 오류가 있을 경우, 신속하게 반복될 수 있다.
다중 마스터 구조(생산자-소비자 모델)
이러한 형태의 구성에는 계층구조가 없으며, 모든 참여자가 동등한 수준이다. 대개, 메시지 흐름은 모든 변수 (각각의 객체)의 고유 식별 ID에 의해 구성된다.
모든 참여기기는 변경 시 또는 주기적인 순서에 따라, 자신의 변수를 ID와 함께 전송한다. 구조 내의 모든 참여기기들이 데이터를 수신하여, 해당 정보의 중요도를 자체적으로 검증한다. 이러한 절차는 생산자-소비자 모델에 해당하는 것이다: 하나의 참여자, 생산자가 정보를 생성하고 다른 참여기기들이 해당 정보를 사용하는 소비자가 된다. 전체적인 인식은 통용될 수 없다. 참여기기가 이해하지 못한 불완전한 메시지가 전송된 경우, 특별한 서비스가 요구된다.
혼합 형태
혼합 형태의 구성에서는, 마스터-슬레이브 및 다중 마스터 형식이 통용된다. 이러한 조직 구성은 어떠한 애플리케이션에서건 모두 새로 구성되어야 한다.
토폴로지의 문제는 또한 얼마나 많은 슬레이브들이 해당 필드버스 네트워크에 연결될 수 있는가 하는 물음을 포함한다. 또한 사용자는 마스터와 슬레이브, 그리고 슬레이브 간의 최대 허용 거리를 고려해야 하며, 아울러 중계기 사용 가능성(또는 필요성) 여부도 고려해야 할 필요가 있다.
데이터 전송과 전원 공급
데이터 전송
필요한 데이터 전송률에 따라, 케이블에 상당한 요구사항이 부여될 수 있다. 이는 전송 특성들(임피던스, 감쇠)뿐만 아니라, 또한 금지된 전자파가 주변환경에 유출되는 것을 방지하고, 역으로 주변에서 오는 전자기파의 영향으로부터 보호하는 것도 해당된다. 데이터 전송에 구형파가 사용된다면, 대개 방사되는 노이즈를 막는 쉴딩(shielding) 기능이 요구된다.
전원 공급
데이터 전송 외에도, 버스 케이블은 또한 슬레이브에 전력을 공급하는 일을 담당한다 (일반적으로 24V DC). 몇몇 경우, 특히 필드버스에 연결된 액추에이터들이 중앙 E-STOP 스위치를 통해 차단될 필요가 있을 때에는, 두 쌍의 케이블을 사용하여 연결된다.
전형적인 필드버스 케이블 유형
전송 특성에 대한 요구조건이 증가될수록, 버스 케이블, 라우팅 및 케이블 조립에 드는 비용도 늘어나게 된다. 가령, 동축케이블은 결코 꼬여져서는 안되며, 휘어지는 반경을 최소화하도록 유의하여 경로를 설정해야 한다. 배선 수가 많을수록, 커넥터 내지 지선 조합에 소요되는 비용도 높아지기 마련이다. 더욱이, 케이블 전체의 경로를 따라 간단없는 쉴딩작업을 하는 것도 무시할 수 없는 별도의 비용과 노력이 수반된다.
설치환경 조건
환경적 영향에 대비한 보호
종래의 시스템에서 제어 전자장비들은 대부분 잘 보호된 컨트롤 캐비닛 속에 장착되었다. 하지만, 분산 필드버스 시스템에서는 더 이상 그렇지 않다. 분포된 분산형 컴포넌트들을 사용할 때, 허용 가능한 주변 온도는 중대한 요소가 될 수 있다. 필드버스 컴포넌트들은 센서 및 액추에이터 자체에 내장되거나 바로 근처에 인접하여 설치되기에, 거기서 발생되는 조건들을 견딜 수 있어야 한다. 여기서는 극도의 저온 내지 고온이 나타날 수 있으며, 따라서 급격한 온도 변화는 해당 전자장치들의 신뢰성에 부정적인 영향을 줄 수 있다.
필드버스 컴포넌트들을 담고 있는 외장들은 이러한 조건들에 적합한 외함 등급을 지니고 있어야 하며, 아울러 지속적이면서도 안정적으로 먼지와 습기 등이 스며드는 것을 방지해야 한다. 외장, 커넥터 및 케이블 등은 적절한 화학적 내성을 제공하는 품질 등급을 갖추어야 한다. 식품 산업에 필요한 높은 위생 요건에는 이음매의 정합성과 사용된 부품들의 견고성이 지극히 요구된다. 높은 충격내지 진동 부하가 때이른 고장의 원인이 되어서는 안 된다. 부품 내지 컴포넌트들이 움직일 때에는, 다음과 같은 물음에 답해야 한다.
1) 지정된 필드버스 케이블은 이동 애플리케이션에 적합한가?
2) 파워 레일 내지 슬립 링을 써서 신호 전송이 완수될 수 있는가?
3) 해당 필드버스 컴포넌트들은 그것이 실제로 어디에 쓰이건, 설치되는 장소에 알맞게 그 크기가 충분히 작아야 한다.
전자파 적합성
전자파 간섭 문제는 이러한 맥락에서 특별한 중요성을 갖는다. 이는 유럽의 경우, 유럽연합 (EU)의 지침 89/336 EWG (EMC 지침)에 상정되어 있다. 여기서 사용자는 우선, 해당 필드버스 자체가 다른 컴포넌트의 고장을 야기할 수 있는지, 여부를 판단해야 한다. 일반적으로 통용되는 표준규격은 산업환경(Class A) 및 주거 환경(Class B)에서 허용된 방출 한도를 정의하고 있다. 해당 컴포넌트들은 통상적인 표준규격에 따라 검사된다.
전기장 및 자기장, 정전기 방출, 노이즈, 그리고 공급 전압 효과 등에 대한 시스템 및 컴포넌트들의 전자파 적합성(EMC)은 필드버스를 고장 없이, 안정적으로 운용하는 데 절대적으로 중요하다. 유럽연합 지침에 기초하여, 제조사들은 일련의 검사에 호환성을 증명할 것을 요구 받는다. 완전하다고는 할 수 없지만, 이는 다음 표와 같이 목록화 할 수 있다.
1)평가 기준 A
간섭 조건에서 시스템 속성값이 감소하는 일이 발생하지 않아야 한다.
2)평가 기준 B
간섭 조건에서 데이터 통신이 중단될 수도 있으나, 자동적으로 통신을 재개해야 한다.
야외 사용을 고려하여 적절한 낙뢰 방지수단이 강구되어야 한다. 유럽의 경우, 피뢰검사는 EN 61000-4-5에 준하여 실시된다.
데이터 전송용으로 광섬유 케이블을 사용하면, 전송 케이블 상의 전자기장의 직접적인 영향은 제거하지만, 슬레이브의 경우에는 그렇지 않다. 슬레이브들은 여전히 간섭 대상이 되는데, 이는 전원공급 라인과 결부되어 있을 가능성이 있다.
위험한 동작 대처
공장 자동화에서, 위험한 동작을 수행하는 기계나 시스템들은 반드시 제어되어야 한다. 이를 필드버스 시스템을 사용하여 달성하기 위해, 이러한 시스템은 안전 관련 정보를 전송할 수 있어야 한다. 해당 시스템 또는 부품들 중 하나에서 일어나는 모든 고장은 위험한 움직임이 야기되는 경우, 정지시켜야 한다. 이 부문에서의 안전 요건을 위한 근거는 EU 지침 RL 98/37/EC (기계 지침)이다.
중대한 공정 제어작업이 포함된 공정 자동화에서는, 또한 시스템이 고도의 고장안전(fail safe) 기능을 제공하여, 시스템 또는 개별 컴포넌트들에 장애가 발생하더라도 그 기능이 지속될 수 있도록 하는 일이 요구된다. 차량, 기차, 선박 내지 광산 등에서 필드버스가 사용될 경우, 거기에 통용되는 특수한 요건들이 고려되어야 한다. 선급 협회들이 요구하는 것과 같은 승인 절차들이 이에 속한다.
방폭
수많은 애플리케이션들이, 단지 공정 자동화에서뿐 아니라, 2차적인 방폭을 요구한다. 위험 지역들은 EU 지침 RL 1999/92/EC에 준하여 다음과 같이 분류된다:
Zone 0(가스) 및 Zone 20 (분진) 등은 폭발 기체가 지속적, 장기적이며 빈번하게 발생할 수 있는 구역들을 포함한다. 디바이스 범주(Device Category) 1에 속한 컴포넌트만이 여기에 사용될 수 있다.
Zone 1(가스) 및 Zone 21(분진) 등은 폭발 기체가 간헐적으로 발생할 수 있는 구역들을 포함한다. 여기에는 범주 1 내지 2의 디바이스들을 사용하도록 요구된다.
Zone 2(가스) 및 Zone 22(분진) 등은 정상 조건 하에서는 폭발 기체가 결코 형성될 수 없거나, 형성되더라도 단시간에 불과한 구역들을 포함한다. 여기에는 범주 1, 2 또는 3의 디바이스들이 사용될 수 있다.
해당 EU 지침 94/9/EG (ATEX100a-지침)이 범주 1, 2 및 3은 물론, 그 라벨 표시를 충족하는 디바이스 보호 시스템 및 컴포넌트들을 구축하는 데 적용된다. 이 라벨 표시는 2003년 중반부터 요구되고 있다.
여기서 자세히는 다루지 않을 다양한 기술적 솔루션들이 나와 있기 때문에, 어떤 필드버스가 내폭성을 갖고 있는 지 여부에 관해서는 포괄적으로 말할 수 없다. 범주 1, 2 또는 3으로 승인된 컴포넌트들이 실제로 통용될 수 있는가 하는 문제가 관건이다.
아이씨엔 매거진 2007년 01월호