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미래기술을 입은 산업통신망 최신 기술
2012. 11. 25.
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I. 기술적 배경 플랜트 운영자는 생산 시스템에 고도의 신뢰도와 높은 수익성을 제공하는 시스템이 필요 하다. 플랜트는 항상 중지 없이, 오랫동안 가혹한 산업 환경에서 동작해야 한다. 또한 다 른 시스템들과 여러 제조회사의 컴포넌트 사이의 상호 연결을 통해 연속적인 제어 시스 템 기반을 구축해야 한다. 바로 통신 시스템이 이러한 상호 연결의 기반을 제공 한다. 프로세스 산업의 공장 운영자는 연속공정, 배치 프로세스 그리고 위험 지역(Hazardous Area) 전체를 관통하여, 전체 생산 구조에 일관되며, 고도의 가용성과 신뢰도를 내장하 고, 수정 및 확장이 유연하며, 종국에는 계획에서 운영까지의 모든 공정에서 사용 할 수 있는 경제적인 산업용 네트워크를 요구한다. PI (PROFIBUS & PROFINET International)는 이 조건을 만족한다. 이것을 위한 기초는 오랜 시간 동안 가치가 입증된 PROFIBUS이다. 플랜트 분야의 요구 조건은 현장에서 증 명된 PA 디바이스 어플리케이션 프로파일로 충족된다. 이더넷을 사용하는 플랜트를 위해 서 PI는 PROFINET 솔루션을 제공한다. 이 솔루션을 통해 TCP/IP와 DHCP와 같은 IT 세상에 존재하는 프로토콜을 사용할 수 있 으며, 한편 가용성(Availability) 실시간 등 산업 환경에서 보다 중요하게 생각되는 요구 조건을 만족하는 프로토콜을 정의하며 동시에 지원한다. 이 배경으로, 사용자는 PROFIBUS와 PROFINET이 서로 경쟁 하는 솔루션이 아니라 상호 보완적인 솔루션임을 알 수 있다. PROFIBUS는 연속 공정 및 위험한 지역(Hazardous) 에 적합하며, PROFINET 또한 배치 프로세스와 인터넷 등을 통해 회사 경영 레벨 (ERP/MES)과 통합하여 원격 접속, 원격 진단 기능이 사용되기를 원하는 공정에 적용된 다. PROFIBUS과 PROFINET은 FA와 PA의 요구 조건을 동시에 충족시키는 유일한 통신 시 스템이다. 이 기술은 특히나 운영중인 공장의 증설 및 기존 공장을 위한 기존 자산 보호 를 위해 비용 절감 방안을 위해 개발되었다. 또한 프로세스 자동화에서는 2가지 통신 시 스템의 이점을 모두 얻는다. PROFIBUS는 프로세스 자동화에서의 사용에 최적의 맞춤 사용이 가능하다. 내장된 PROFIBUS DP 통신 프로파일, 버스를 통해 안전한 에너지 공급, 특정 어플리케이션에 최적화된 네트워크 컴포넌트, 표준화되어 지고 PA 프로파일에 기반해 상호 연결이 손 쉬운 디바이스들, 버스와 디바이스의 상태 감시 및 고장 진단을 위한 다양한 기능들, 그 - 1 -
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리고 그 외 많은 기능을 통해 PROFIBUS 프로세스 산업에서 프로세스와 연계된 가장 강 력한 솔루션이다. 이 솔루션에는 공장 전반에 걸쳐 물류의 입고에서 출하까지의 모든 어 플리케이션(예를 들어 주입기, 패키징, 이송기기 등)에 대해 완벽한 통합을 이룰 수 있 다.
개발의 진보에 더불어, 프로세스 자동화 내의 이더넷 시스템이 더 많이 사용되고 있다. 회사의 관리 레벨에서 프로세스 제어 레벨까지, 또한 프로세스 제어 레벨에서 필드 디바 이스의 레벨에까지 확장되고 있다. 여기서 유일한 예외 사항은 본질 안전이 요구되는 연 속적인 프로세스 공정이다. 아직까지 본질 안전을 완벽히 지원하는 이더넷 기반의 솔루 션이 없으므로, 이 영역의 솔루션은 PROFIBUS PA를 사용한다. PROFINET은 생산 자동화에서는 이미 통신 표준으로 성공적으로 사용된다. PROFINET은 내장된 이더넷 기반 통신으로 극도의 빠른 I/O 통신에서 시스템 파라미터 지정까지의 고 객 요구사항을 만족한다. 통신은 오직 하나의 케이블에서 단순한 제어 명령에서 모션 제 어와 같이 통신이 극히 중요한 제어를 동시 수행한다. 네트워크 구성에서 Line, Ring, Star 그리고 Tree, 더불어 무선과 광섬유 케이블을 이용 - 2 -
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한 솔루션으로 PROFINET은 기존 네트워크 솔루션에 접목될 수 있으며, 모든 것을 철거 하고 신규로 설치 할 필요가 없다. PROFINET은 이중화 솔루션 기능과 지능형 고장 진 단 컨셉을 내장 한다. 비 주기적으로 전송되는 진단 데이터는 네트워크와 디바이스의 상 태에 대한 중요한 정보를 제공한다. 이를 통해 정확한 운영을 하며, 또한 유지 보수를 쉽게 빠르게 할 수 있다. 이미 현장과 PROFIBUS에서 입증된 PROFIsafe 고장 안전 기술은 PROFINET에서도 적용되며, 프로세 스 산업에서도 PROFINET을 적용하는데 동일한 Know-how를 사용한다.
II. PROFIBUS PA Profile V3.02 혁신 PROFIBUS통신은 수 년간 큰 변화가 없었다. 오직 최근의 PROFIBUS PA Device V3.02 어플리케이션 프로파일이 소개되었으며, 여기에는 많은 혁신적인 기능들이 포함 되며, NAMUR 요구 조건을 만족하는 많은 혁신적인 기능이 포함되어 있다. 공장 전반에 걸쳐 전체 라이프 사이클을 관리 할 수 있는 기능이 포함되어, 플랜트 운영 자에게 특히 유용하다. 현재 프로세스 산업에 근무하는 사용자의 2가지 큰 고민거리인 표준화된 고장 진단 정보와 손 쉬운 디바이스간 통합을 수월하게 수행할 수 있는 방법이 포함된다. 이 PA 프로파일 V3.02 를 지원 하는 모든 PROFIBUS PA 디바이스는 PI에서 표준화된 고장 진단 방법을 따라야 한다. 모든 제조자는 이 방법에 따라 자사의 지능형 필드 디바이스의 고장 진단 정보를 NAMUR 표준 NE107 “Self-monitoring and diagnosis of field devices” 따라 구성해 야 한다. 4가지 그룹은 Failure, Function check, Out of specification 그리고 maintenance required이다. 따라서 제조사 고유의 고장 진단 정보의 맵핑은 필드 디바이스에서 이뤄지고, 표준화된 정보만이 상위 프로세스 제어 시스템 혹은 유지 보수 시스템과 통합된다. 이를 통해 미 래의 디바이스 교체 작업에 소요되는 많은 노력이 간소화 될 수 있다. NAMUR 표준 NE105와 NE121은 필드버스 시스템으로 디바이스를 통합할 때 필요 조 건을 포함한다. 첫 번째 조건은 디바이스의 통합이 어떠한 유지 보수 작업을 일으켜서는 안 되는 점이다. 두 번째 조건은 라이프 사이클과 투자 보호에 대한 항목이다. 이 룰에 따라 특별히 만일 오래된 디바이스가 10년의 주기로 교체 되거나 아니면 다른 - 3 -
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기술적으로 진보된 버전이 있다면, 그에 적합한 표준은 반드시 기존 디바이스와 통합이 가능해야 한다. 디바이스의 기술적인 진보 및 혁신은 항상 프로세스 산업 플랜트의 장기간 서비스를 위 해 안전한 통합 방안을 포함해야 한다. 여기서 디바이스의 진보된 기술이 항상 안전한 디바이스의 통합을 방해하지 않는 조건이 고민거리이다. 이전 모델의 기능을 자동 전송 하는 것을 통해 PROFIBUS PA 프로파일 V3.02에서 이 뤄 진다. 디바이스교체의 표준 메커니즘은 이전 디바이스의 특징을 알아 채고, 자동적으 로 요구 되는 요소를 설정한다. 여기서 중요한 점은 지능화된 시스템이 전체 필드 디바 이스에 존재하는 점이다. 결론적으로 이 메커니즘은 제어 시스템과 독립적인 관계이며, 특히나 현재 운영 중인 시 스템이 디바이스 통합을 위해서 반드시 업그레이드 되어야 하지 않다는 점이다. 또 다른 긍정적인 효과로 업로드/다운로드 파라미터 전송 시간의 최적화이다. 커미셔닝 기간이나, 향후 디바이스 교체 시 큰 장점이다. 새로운 메커니즘으로 얻을 수 있는 전송 속도는 과거에 비해 최대 5배 빨라진다. 이 표준에 대해서, 프로토타입 테스트가 독일 프랑크 푸르트 BIS Prozesstechnik에서 수 행되었다. 테스트는 두 가지 시나리오(프로세스 운영 중 디바이스 교체와 에러 발생시 NE 107에 의거한 상태 표시)에 대해 집중하고 있으며, 최소 다섯 가지의 제어 시스템에 서 2가지 이상의 필드 디바이스가 테스트됐다.
III. PROFIBUS 프로세스 자동화를 위한 PROFINET 프로세스 자동화의 모든 영역에서 PROFINET의 최상의 사용을 위해, PI (PROFIBUS & PROFINET International) 사용자와 공동작업으로 요구 조건 카다로그가 만들어졌다. 이것의 주요 목적은 최종 사용자의 자산보호이며, 앞서 소개 된 바와 같이 프로세스 컨 트롤 시스템은 일반적으로 수 십년의 라이프 사이클을 가지고 있기 때문이다. 이러한 컨셉의 기반으로 플랜트 운영자는 이미 PROFIBUS를 기반한 미래형 시스템을 기 반하고 어느 시점이라도 PROFINET으로 변경할 수 있다.
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주기적 비 주기적 데이터 교환, 필드버스 통합, 운전중 설정(CiR)을 포함한 디바이스 통 합 및 파라미터 설정, 이중화 그리고 타임 스탬핑 등의 기능이 중요하게 포함되어 있다.
PROFIBUS PA가 이미 완벽한 솔루션을 제공하고 있으므로, 위험(Hazardous) 지역에 전 원 공급하여 디바이스와 통신은 아직 이더넷 기반으로는 구현되고 있지 않다. 모든 요구조건이 제공되고 있는 이때, PROFINET은 이미 프로세스 자동화에 적용될 준 비가 되어있다. 여기서 중요한 점은 PROFINET이 제지나 철강과 같이 높은 성능이 요구 되는 산업 뿐 아니라 이더넷을 사용하는 회사 네트워크와 Internet과 연결이 요구되는 전반 산업에 걸쳐 준비되어 있다는 점이다. 원격제어, 원격 고장 진단 등 인터넷을 사용 하는 기술 그리고 MES와 ERP 시스템과 바 로 연결, 무선 통신 사용 그리고 진화된 네트워크 관리 시스템 기능이 이를 지원하는 큰 힘이다.
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필드버스 시스템 통합 PROFINET의 기술적인 장점 뿐만 아니라 기존의 필드버스 기술과 현장 계기의 자산 보 호에 탁월한 장점을 가진다. 이 요구 조건에 부합하기 위해, PROFINET은 프록시(proxy) 라는 컨셉을 개발했고, 이것을 통해 필드버스 통합 솔루션을 제공한다. 이 컨셉을 통해 PROFINET은 프로세스 산업에서 자주 사용되는 PROFINBUS PA, HART, 그리고 Foundation Fieldbus H1 버스 방법과 완벽한 통합이 가능하다. 이러한 현존하는 시스템의 표준화된 특정 필드버스의 상세 기능이 매핑되어 PROFINET으로 통 합된다. 게이트 웨이로서 프록시는 특정한 네트워크 시스템을 상위 레벨의 PROFINET 네트워크 와 연결 한다. 단순한 I/O의 교환 뿐 아니라 진단 정보와 Alarm, Event와 같은 정보까 지 물리적으로 논리적으로 프로토콜 상으로 연결한다. 이중화 컨셉 프로세스 자동화에서 시스템의 가용성은 극도로 중요한 항목이다. 프로세스 산업에서는 특히나, 어떤 경우라도 제조 운영이 영향을 받으면 안된다. 특히나 Wire break, Circuit short 등 자주 발생하는 자동화의 실수에서 안전한 시스템 을 구축하기 위해 PROFINET을 위한 이중화 컨셉 역시 개발되었다. 가장 기본이 되는 컨셉은 어떠한 이벤트가 발생 하더라도, 통신 라인 자체를 자동으로 변경하여 통신상 간섭으로부터 위험을 예방하는 것이다. 알람 시간 관리 몇몇의 애플리케이션에는 Time stamp 역시 중요한 요소이다. 디지털 혹은 아나로그의 값과 알람은 millisecond 단위로 관리되어야 할 경우도 있다. 이를 위한 사전 조건은 정확한 시간동기화이며, Master 시스템은 일정한 주기를 통해 정확한 시간을 버스 상 노드들에게 전달할 수 있어야 한다. 따라서 시간 동기화를 구현해야 한다. 이것을 기반으로 모든 I/O 디바이스는 실시간 정 보를 알람과 다른 이벤트에 포함시켜 데이터 통신을 할 수 있다.
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운전중 설정(CiR) 이중화와 마찬가지로, 끊임 없는 공장 운영은 매우 중요하다. 디바이스를 재 인식, 네트 워킹, 신규 삽입, 교체 (부분/전체 교체) 할 때에도 공장 운영은 간섭받지 않아야 하는 것이 매우 중요하다. 이 모든 것은 PROFINET에서 “Configuration in Run” (CiR) 기능 을 통해 네트워크 통신에 어떠한 영향을 미치지도, 간섭 하지도 않고 수행된다. 이를 통해 플랜트의 정비, 보수 혹은 확장이 공장 전체의 Shutdown 없이 지속적인 생 산을 하며 수행된다. 자동 감지와 토폴로지 감지 기능을 통해 디바이스는 자동으로 인식 되고 그 위치를 정확히 파악해 낸다. 디바이스 교체 시 제어 시스템으로부터 자동으로 교체되는 디바이스에게 파라미터가 전 송 되므로, 매우 편리하고 신뢰성 있는 솔루션을 구현한다. 진단과 유지보수 필드버스
시스템은
공장
전반에
걸쳐
고장
진단
기능을
포함하며,
이
기술과
Know-how는 산업용 이더넷 기반 솔루션인 PROFINET에도 적용된다. PROFIBUS와
유사하게
예를
들어
감식과
유지보수(I&M;
Identification
and
Maintenance) 데이터를 제공하거나 전송 하며, NAMUR 표준 107과 같은 이벤트의 통 신과 디바이스 상태 정보를 전송한다. 디바이스에서 수 작업으로 변경 하거나, 외부 파라미터 설정 툴을 이용하여 PROFINET 을 통해 파라미터 변경 이벤트를 I/O 컨트롤러에 할당할 수 있다. 따라서 언제나 제어 시스템은 내장된 데이터와 실제 상태를 비교하고, 사용자에게 통보 하며, 필요 시 업데이트를 실행한다. 여기서 중요한 점은 모든 동작은 중앙 제어 시스템 에 기록되고 문서화되어 저장된다.
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