찬찬히 들여다보자, 산업용 통신 프로토콜
찬찬히 들여다보자, 산업용 통신 프로토콜
  • 오현식 기자
  • 승인 2017.04.06 09:44
  • 댓글 0
이 기사를 공유합니다

스마트 팩토리를 위한 기술들②

 
오늘날에는 업체들이 주도하는 여러 산업용 통신 프로토콜이 존재한다. 이들 산업용 프로토콜을 알아보고, 실시간성과 시간결정성 그리고 낮은 대기시간이라는 요소를 충족하는 표준에 대해 살펴본다.
글 | Zhihong Lin 텍사스 인스트루먼트 전략 마케팅 매니저·Stephanie Pearson, 텍사스 인스트루먼트 전략 마케팅 매니저

오늘날에는 ‘연결된 세계(Connected World)’가 실현됨에 따라 생산현장에서 역시 연결을 중요시하고 있다. 인간 기계 인터페이스(HMI)·프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC)·모터 및 센서 등의 장비들이 확장과 효율성을 위해 서로 연결되고 있다.

지금까지 공장을 구성하는 요소들은 크게 제어 영역 네트워크(CAN)·Modbus·PROFIBUS·CC-Link 등의 필드버스 프로토콜을 통해 연결되어 왔다. 최근에는 산업용 이더넷이 인기를 얻고 있다. 연결이 간편하고 속도가 빠르며, 연결거리 또한 길고 보다 많은 장비와 연결할 수 있기 때문이다.

오늘날에는 다양한 업체들이 주도하는 여러 산업용 이더넷 프로토콜이 존재한다. 최근 부상한 산업용 이더넷 프로토콜 표준에 대해 살펴본다.

산업자동화의 구성요소
산업자동화를 구성하는 요소로는 크게 PLC 컨트롤러와 HMI 패널, 산업용 드라이브 그리고 센서 등 네 가지가 있다.

먼저 PLC 컨트롤러는 산업자동화 시스템의 ‘뇌’를 담당한다. 릴레이 제어와 모션컨트롤, 입출력 및 공정제어 그리고 분산제어 시스템과 네트워크 제어 등을 실현한다. PLC는 열기·냉기·수분·진동을 비롯한 혹독한 환경에서 정밀도와 결정성 그리고 실시간 제어를 유지할 수 있어야 한다. 여타 제품군에게 신뢰성 있는 통신 연결을 제공해야 하기 때문이다.

HMI는 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 제공한다. 명령 입력과 피드백 출력을 통해 산업용 장비 등을 제어한다. HMI는 통신 연결을 통해 여타 산업용 시스템과 소통한다.

산업용 드라이브는 모터 작동 제어를 최적화할 수 있는 컨트롤러다. 산업용 드라이브는 여러 산업분야에서 사용되며, 다양한 전압 및 전력을 제어할 수 있다. AC 및 DC 드라이브뿐 아니라 모터 피드백 시스템을 장착해 서보 메커니즘의 동작 및 성능을 제어할 수 있는 서보 드라이브도 존재한다.

센서는 산업자동화 시스템의 손과 발 역할을 한다. 작업 상태를 실시간으로 관찰하고 감시하며 측정하는 등의 작업을 수행한다. 시스템 제어 측면에서 센서는 트리거가 되는 지점을 명확하게 지정할 수 있고, 피드백 기능 역시 제공한다.

마지막으로 통신은 모든 구성요소를 잇는 중추 역할을 한다. 모든 구성요소의 연결을 통하여 보다 효율적인 자동 생산 시스템을 구축하는 열쇠를 제시한다.

기존 산업용 통신 프로토콜
산업용 통신은 시리얼 인터페이스를 기반으로 개발되었다. 초기에는 다양한 기업에 의해 기술이 개발되고, 이후 표준화 작업을 거쳤다. 오늘날 시장에는 여러 표준이 공존하고 있다. 현재는 몇몇 기업들이 각각의 표준을 관장하고 있으며, 이로 인해 산업자동화 장비 제조업체들은 산업 표준 대부분을 구현해야 한다는 숙제를 안게 되었다. 그러다가 PROFIBUS와 CAN 버스 그리고 Modbus와 CC-LInk 같은 시리얼 통신 기반의 프로토콜이 등장했다. 이들 프로토콜로 인해 마스터와 슬레이브라는 구성이 보편화되었다.

① PROFIBUS는 공장자동화 및 공정자동화를 비롯한 산업자동화 시스템 분야에서 활발하게 활약하고 있다. PROFIBUS는 공정 데이터 및 보조 데이터 전송에 디지털 통신 방식을 활용하고, 최대 12Mbps 속도를 낼 수 있으며, 최대 126개 어드레스를 지원한다.

② CAN 버스는 고 집적 시리얼 버스 시스템이다. 자동차 산업을 겨냥하여 만든 시스템이지만, 이후 산업자동화용 필드버스로 그 범위를 넓혔다. CAN 버스는 최대 1Mbps 속도로 물리 링크 계층 및 데이터 링크 계층을 제공하는 시리얼 통신을 제공한다. CANopen 및 DeviceNet 프로토콜은 CAN 버스의 상위 개념으로, 동일한 산업용 네트워크를 활용하는 장치와의 상호운용을 보장한다. CANopen 네트워크는 최대 127개의 노드를 지원한다. 반면 DeviceNet은 64개의 노드를 지원한다.

③ Modbus는 사용이 단순하고 강하며 공개적인(Openly Published), 즉 로열티 지불이 불필요한 시리얼 버스다. 동일한 링크 내에서 최대 247개의 노드를 연결할 수 있다. Modbus는 구현이 용이하며, RS-232 및 RS-485 물리 연결을 실현함과 동시에 최대 115K보(baud) 속도를 낸다.

④ CC-Link는 일본 미쓰비시가 개발한 개방형 구조의 산업용 네트워크 프로토콜이다. 일본을 비롯한 아시아 지역에서 특히 강세를 보인다. CC-Link는 RS-485를 그 기반으로 하고 있다. 동일한 네트워크에서 최대 64개의 노드를 연결할 수 있으며, 최대 속도는 10Mbps에 달한다.

산업용 이더넷 통신 프로토콜
오늘날 이더넷은 높은 비용효율성을 자랑한다. 단순한 물리적 연결만으로도 향상된 속도를 제공하기 때문이다. 많은 산업용 통신이 이더넷 기반 솔루션으로 변모하는 이유이다.

TCP/IP를 활용한 이더넷 통신은 일반적으로 비 결정적이며 반응 시간은 100㎳ 남짓이다. 산업용 이더넷 프로토콜은 수정을 거친 매체 접근 제어(Media Access Control, MAC) 층을 활용해 대기시간을 낮추고 결정적 응답성(Deterministic Responses)을 한층 높였다. 이더넷을 활용하면 네트워크 토폴로지를 유연하게 선택할 수 있으며, 하나의 시스템에서 여러 개의 노드를 유연하게 구성할 수 있다.



주요기사
이슈포토