Foundation Fieldbus ·Profibus·LonWorks의 기술적 적용과 전망
머리말
필드버스는 디지털, 양방향 통신 시스템으로서 센서, 액추에이터, 제어기 controllers를 연결하며 공정제어 및 기타 자동화 분야의 계기를 연결하는 일종의 근거리 통신망 local-area network으로서 다변수 계기(multivariable instruments) 사용시 아날로그 신호의 감쇄 현상, 원격제어와 원격 교정(remote calibration)에 대한 불편함을 개선하고자 하였다. 또한 필드버스를 도입하여 기존의 아날로그 방식의 배선 설계와 현장 공사의 번거로움을 개선을 기대하고 있다. 이러한 필드버스의 장점에 대해서는 독자들이 충분히 이해하고 계시리라 믿는 바이나 장점을 간단히 다시 짚어 본다.
첫 째, 디지털/아날로그 변환이나 전류 부스터 등이 필요없게 됨에 따라 HART 방식 계기에 비해 오차가 줄어들고, 둘 째, 트랜스미터로부터의 측정치를 32bit 실수(4 byte)로 처리함에 따라 충분한 분해도 resolution를 가져 계기측정치의 정도 accuracy를 손상하지 않으며, 셋 째, 측정값이나, 계기의 상태에 대한 정보(1 byte)를 제공한다. 넷 째, 측정 범위 measurement range 조정의 부담에서 자유로워질 수 있는 이점과 함께 계기 사용의 융통성이 보다 좋아지며 spare part가 적어도 되는 점과, 프로젝트 엔지니어링시에 data specification이 간단해지고 엔지니어링 초기에도 계기 발주가 가능해지는 등의 이점을 누릴 수 있다. 다섯 째, 산업 표준에 따르는 데이터 전송이 가능하고, 여섯 째, 다중변수 계기에서의 계산이 필드계기에서 가능하게 됨에 따라 지능의 분산이 이루어지고 중앙 제어기의 부담이 덜어지는 점 등을 들 수 있다.
디지털 시대의 필드버스는 디바이스에 내장한 진단 기능을 통해 신뢰도를 개선할 수 있다. 필드버스의 진단정보는 네트워크를 통해 호스트 시스템에 전달되고 실시간으로 시스템 전체의 상태를 효과적으로 볼 수 있게 한다. 연구 결과에 의하면 유지보수 작업의 80%는 불필요한 것이며 문제가 실제로 발생했을 때 계장 기술자의 문제 해결시간의 2/3는 진단에 사용되며 1/3만이 수리에 투입 된다. 장치에 대한 지식과 실시간 모니터링으로 불필요한 알람을 소거하고 문제 진단 시간을 절약한다면 설비 유지보수 예산에 크나큰 영향을 줄 것이다.
자산관리 최적화 솔루션(Asset Optimization Solution)은 필드 계기의 자체진단 기능을 플랜트 관리시스템(Plant Management System)및 기업전체의 ERP(Enterprise Resource Planning) 시스템, 최근의 정보기술, 인터네트 기술과 연결하여 현 자동화 시스템의 지평을 한층 넓힐 것이다. 세계적인 자동화 공급업체들은 사용자의 요구에 따라 여러 가지 필드버스와 프로토콜을 지원하고 있으며 당사도 Foundation Fieldbus, Profibus, LonWorks를 지원하고 있다. 본고에서는 그간 진전된 필드버스 솔루션과 실무적인 관점을 위주로 논하고자 하며 독자의 이해를 돕기 위해 필요한 구체적인 자료가 Profibus솔루션 쪽이 많은 관계로 각 필드버스간 공통적인 면은 Profibus를 중심으로 기술하고 Foundation Fieldbus와 LonWorks에 대해서는 Profibus와 상이한 기술적 측면을 중심으로 기술하고자하며 구체적인 상품과 솔루션 예가 필요한 경우 당사의 자료를 활용하고자 한다.
Profibus
아무도 Profibus의 필드버스 유럽 최고 정상의 위치를 의심치 않는다. 1990년을 전후로 공급을 개시하였던 Profibus는 세계적으로 235,000의 응용사례와, chip 판매 기준으로 2,500,000개의 접속규모를 보이고 있다고 밝히고 있다. Profibus-DP가 80%로 대부분을 차지하고 Profibus-PA가 13,000개 노드로 5%, 그리고 Profibus-FMS가 나머지를 차지한다. Profibus는 벌써 필드검증을 마친 솔루션으로서의 자부심에 차있고 이제 영역을 넓혀 아시아와 기타지역으로 확장을 꾀하고 있다.
1. Protocol Architecture
Profibus는 ISO/OSI 국제규격을 따르고 있으며 물리계층 Physical Layer와 데이터링크 계층, 그리고 응용계층(Application Layer)과 사용자 계층(user Layer)를 사용한다. 물리계층은 송신모드, 송신매체, 전송라인 길이 등을 정의하며, 데이터 링크 계층(Layer 2)은 bus access control을 관장하며 direct data link mapper를 통해 접근된다.
현장계기의 parameter 설정을 위해 Profibus DP V1이 사용되며 주기적(cyclical) 데이터 뿐 아니라 비주기(acyclic) 데이터 입출력, 또한 알람 서비스도 지원한다. DP V1은 선택 사양으로서 기존의 DP 모델을 계속 사용할 수 있음을 의미한다. DP V1과 PA-Profiles는 PA와 DP에 동시에 사용될 수 있으며 동일한 커플러(Coupler)를 통해 DP, PA의 두 가지 디바이스가 단일 버스 시스템에서 운용될 수 있는 장점을 가지게 된다.
2. Transmission Technology
Profibus-DP(max. 12 Mbps)는 RS-485 방식이며 Profibus-PA의 통신 방식은 IEC 1158-2에 따른다. Profibus-PA는 2선 방식으로 전원과 정보를 동시에 전달하며 본질안전방폭(Intrinsic Safety) 기준을 만족한다. Profibus-DP와 Profibus-PA는 통신프로토콜이 동일하며 이는 IEC 1158에 표준으로 지정되어 있다. Profibus-DP/PA의 동일한 프로토콜로 인해 연결이 용이한 장점이 있다. Twisted, shielded 2 wire copper cable이 사용되며 설치 환경의 EMC 조건에 따라 다를 수는 있지만 통상 shield 접지를 하게된다.
PROFIBUS-PA=IEC 1158 communication services + IEC 1158-2 transmission
PROFIBUS-DP=IEC 1158 communication services + RS 485 transmission or fiber optic
(1) DP 485 송신
① 모든 디바이스는 버스형 구성(bus structure)
② Twisted pair shielded copper cable 사용
③ 9.6kbps(1200m)~12Mbps(100m)의 전송속도
④ 한 개의 세그먼트에 32개의 디바이스 연결
⑤ 세그먼트의 양단에 터미네이터 설치
⑥ 32개 이상의 노드일 경우 리피터(repeater)를 사용하여 127개 노드까지 연결
(2) IEC 1158-2(H1)
① Data transmission:digital, bit-synchronous, manchester cording
② Transmitssion speed:31.25kbps
③ Data security:start/end delimiter
④ Cable:two wire twisted pair
⑤ Remote powering:optional, via data lines
⑥ Explosion Protection:IS or non-IS
⑦ Topology:line(trunk), tree(spur)
⑧ Number of stations:32 stations, max 126
⑨ Repeate:up to 4 repeaters
⑩ Signal delay limit:640 micro sec.
⑪ Attenuation limit:10.5dB
⑫ Distortion limit:6 dB
(3) Fiber Optic(FO)
Profibus guideline 2.022에 표준사양(Profibus-FO transmission technique)이 있으며 EMI 및 전기 노이즈에 강하고, 고속 전송속도의 강점이 있으며 폭넓은 전송대역, 긴 전송거리, 작고 가벼운 케이블, 쉬운 설치작업, 전기신호 분리, 낙뢰에 무관, 연관 전기 디바이스의 성능 향상, Redundancy network topology 등의 장점이 있다.
3. Bus topology and installation instruction
Profibus 버스 구성방법으로는 Line(Daisy Chain) 구조, Line with linear stubs, Tree 구조 등이 있으며 라인 구성의 경우 DP 경우 1200m, PA 경우 1900m를 초과할 수 없다. linear stubs 구조 및 Tree 구조에서 Ls(지선의 길이)가 PA 경우 120m를 초과할 수 없고, DP 경우 0.2m를 초과하지 않는다. Profibus DP에서 Tree 구조는 허용되지 않는다.
4. Bus accessing methods and network configuration
Profibus는 정형화된 버스 접근 프로토콜 uniform bus access protocol을 가지며 데이터를 저장하는 프로토콜과 데이터 전송처리를 위한 프로토콜이 있다. Profibus는 이러한 프로토콜을 통하여 마스터(일명 Process Near Controller PNC라고도 함)와 슬레이브(일명 subscriber라고도 함) 사이의 주기적이면서도 실시간 데이터 전송을 실현한다. 슬레이브(필드 디바이스)가 데이터를 보내는 시기는 마스터에 의해 결정되며 Master/Slave간의 주기적인 데이터의 크기는 최대 246 byte이다.
(1) Master Device
Profibus DP 네트워크상의 핵심 디바이스로서 통신을 관장한다. 마스터는 자신이 버스 운용권(Bus Token)을 가질 때면 언제라도 메시지를 보낼 수 있으며 DP Master에는 Class1과 Class 2의 두 가지가 있다.
① DP Master Class 1(DPM1)
중앙제어기로서 지정된 주기적인 데이터 통신(cyclic data transmission)을 관장한다.
② DP Master Class 2(DPM2)
초기 구성/수정(PC), 프로그래밍, 혹은 운전 조작반(Operator Panels) 등의 시운전, 초기구성, 운전, 감시제어 등을 위한 디바이스들로서 비주기적 데이터 통신(acyclic data transmission)을 수행한다.
(2) Slave Device
트랜스미터(압력, 온도 등), 밸브 포지셔너(Positioner), 기타 입출력 디바이스 등이 포함되며 버스를 운용하는 권한이 없이 Master Device의 요구에 따라 응답만 하게 된다.
5. Network Configuration
필드 디바이스가 마스터와 주기적으로 통신하기 위해서는 네트워크 주소가 당연히 요구된다. 이러한 네트워크 주소의 할당은 네트워크 구성자(Network Configurator)에 의해 이루어지며 이를 통해 주기(cycle time)와 무반응 시간(dead time)이 결정된다.
(1) 필드 디바이스 데이터 파일(GSD unit-specific data files)
GSD file을 사용하면 다양한 성능 특성 등을 하나씩 복제하는 어려움을 피할 수 있다. GSD file은 필드 계기의 고유한 특성과 정보를 포함하게 되어있으며 제조회사 정보, unit name, 하드웨어 및 소프트웨어의 수정 버전 상태, baud rate, 입출력 수와 타입 type, 계기 진단 정보 및 상태 메시지 등이 포함된다.
Profibus 사용자 기구(PUO Profibus User Organization)는 GSD file과 관련된 관리 및 식별 번호(identification number)를 부여한다. 모든 GSD file들은 PUO의 웹 서버에서 다운로드 받을 수 있다(http://www.Profibus.com).
(2) Field Device Tool/Device Type Manager (FDT/DTM)
FDT/DTM은 필드 디바이스와 network configuration 응용 시스템과의 호환성(interoperability)를 위한 새로운 방식으로서 HART, Profibus Foundation Fieldbus 등을 동시에 지원하며 풍부한 GUI 기능도 함께 가지고 있다. ABB, Siemens, Foxboro, Endress & Hauser, ifax, Elcon, Krohne, pepperl & Fuchs, VEGA, WIKA 등 여러 회사가 이 FDT/D-TM 방식을 지원하고 있다.
DTM은 디바이스 공급업자가 디바이스와 함께 공급하게 되며 Engineering station과 configuration tool에 끼워지게 된다. 즉 프린터를 PC와 연결할 때 Printer driver software를 공급업체가 함께 공급하고 그 driver software를 PC에 올려 기타의 소프트웨어와 통신하는 것과 같다.
DTM은 stand alone 방식이나 DCS system의 네트워크상에 올리는 integrated 방식으로 사용될 수 있다. stand alone 방식은 단일 필드버스에만 응용되며 integrated 방식은 네트워크에 연결된 전 디바이스에 응용될 수 있다. stand alone 방식은 시운전시에 주 제어기 등의 운전이 어려울 때 등의 특별한 상황에서만 권장되며 정상 운전시에는 integrated 방식이 보통이다.
이러한 툴의 실제 솔루션의 예로 ABB의 Smart Vision을 생각할 수 있다. smart Vision은 PC, Windows 환경에서 사용될 수 있고,
① Configuration & Parameterization
② Diagnostics & Calibration
③ Maintenance & Display
④ Documentation & Archiving
등의 기능을 가지며 HART, Profibus, Foundation Fieldbus 모두를 지원한다. Smart Vision은,
① Modular Structure
② Upward Compatible
③ Plug In Technology
④ Microsoft Standard(Active X)
⑤ Free Toolkit for DTM development
등의 면모를 가지고 있다.
6. Protocol Functions and Profiles
국제 표준으로 Function Block 모델이 사용된다. Profile A로 불리는 analog input block은 최소한의 공통 정보를 규정하고 있으며 Phsical limitations, measureing ranges, measured value of the transmitters, two upper/lower alarm thresholds 등을 포함하며 모든 트랜스미터의 parameters와 status messages에 통용된다.
Profibus DP와 PA의 필드 계기는 프로파일을 통해서만 주고 받을 수 있으며 Profile A는 연속 프로세스의 용도로 Profile B는 전반적인 모든 디바이스에 사용될 수 있다.
Profile B에는 Framework datasheet가 있고 Physical Block(PB), Transmission Block(TB), Function Block(FB)이 있다. PB, TB, FB 모두에 공통적인 기능이 framework에 있다.
Physical Block에는 제조업체명, 디바이스명 unit name, 제조 일련번호 serial number, 진단, 암호password, 인증 certification, factory setting, unit information, 제조 일자, S/W revision, H/W revision, Tag, Configuration Meter 등에 대한 정보가 포함된다.
Transmitter Block(Pressure Transmitter 기준)에는 센서 calibration, 센서 limit 시험, 센서 알람, 응용분야에 따르는 단위 환산, 센서 type, process connection 재질, diaphragm material, filling fluid, pressure level, Oring material, 기타 정보가 포함된다.
Function Block에는 input channel, filter time constant, scaling of process variables, % 단위로의 변환, 알람(HI_HI, HI, LO, LO_LO, hysterisys), 시뮬레이션 simulation, 등이 포함된다.
Foundation Fieldbus(FF)
Foundation Fieldbus 기술이 Profibus와 다른 점은 필드계기간 주기적, 비주기적 통신을 허용하며 이러한 기능을 통하여 제어기능을 필드계기에 분산하는 것이 가능하게 된다는 점에 있다. Profibus는 마스터-슬래이브(Master-Slave) 방식으로 주기적, 비주기적 통신을 마스터에 의해서만 이루어 지게 되며 두 필드계기간의 독립적인 데이터 교환은 마스터의 개입이 없이는 이루어질 수 없다.
1. Physical Layer
Profibus와 동일하다.
2. Communication Stack
Communication Stack은 OSI 계층의 데이터 링크 계층(Data Link layer DLL)과 응용 계층(application layer)을 지칭한다. DLL은 필드버스로의 메시지 송신을 관할하며 Line Active Scheduler(LAS)라는 중심적이고 결정적인 제어기를 통해 메시지 송수신을 통제한다. LAS는 foundation fieldbus의 핵심적이고도 Profibus의 master device와 비슷하지만 기본적인 메커니즘에서 차이가 있다.
Foundation Fieldbus의 디바이스에는 Basic Device, Link Master가 있다. Link Master는 LAS가 될 수 있으나 basic device는 결코 LAS의 역할을 할 수 없다.
3. Communication
주기적 통신(Scheduled communication), 비주기적 통신(Unscheduled Communication)이 있다.
(1) 주기적 통신(Scheduled communication)
LAS에는 모든 디바이스에 있는 버퍼(buffers)의 data를 주기적으로 보낼 송출 시간 테이블(list of transmit times)을 가지고 있다. 필드의 디바이스가 데이터를 보내야하는 시점이 되면 LAS는 지령(compel data: CD)메시지를 디바이스에 보낸다. 이 CD를 받는 즉시 디바이스는 버퍼에 있는 데이터를 발행(publishes) 하거나 방송(broadcast)하고 버스상의 디바이스 중 이를 수신토록 구성된 디바이스는 구독자(subscriber)가 된다. 주기적 통신은 말 그대로 정규적인 제어 즉 버스상의 디바이스간 제어 루프의 data를 주기적으로 주고 받을 때 사용된다.
(2) 비주기적 통신(Unscheduled Communication)
버스상의 어떤 디바이스라도 비주기적 메시지를 보낼 수 있는 기회가 주어진다. LAS는 pass token(PT) 메시지를 특정 디바이스에 보내고 그 디바이스가 PT를 받으면 허용된 시간만큼 보내고자 하는 축적된 data를 보내게 된다. 보낼 data가 적은 경우 주어진 시간 안에 끝날 수 있다.
(3) Link Active Scheduler Operation
LAS는 주기적으로 compel data를 내보내는데 주기 사이에 여유가 있으면 그 때를 이용하여 probe node, time distribution, pass token 등의 비주기적인 token을 돌린다.
(4) Live list maintenance
LAS가 pass token을 내보낼 때 응답하는 모든 디바이스들의 목록을 Live List라 한다. 새로운 디바이스가 버스에 추가될 때 live list에 없는 node에 prove node token을 보내고 이를 받은 node는 prove response(PR) 메시지로 LAS에 응답한다. LAS는 이 응답을 받으면 live list에 바로 추가하게 되고 모든 디바이스에 pass token을 보낸 후에 주소를 할당하여 주게 된다. 디바이스는 pass token에 응답하면 live list에 계속 남게 되며 디바이스가 버스에서 떨어져서 pass token에 3회 응답하지 않으면 live list에서 삭제 된다.
(5) Time Distribution Message
LAS는 모든 디바이스들이 정확히 동일한 data link time을 갖게 하기 위해 주기적으로 time distribution 메시지를 내보내는데 주기적 통신(scheduled communication)과 application layer의 scheduled function block의 수행이 이 time distribution 메시지에 근거하고 있다.
(6) LAS Redundancy
하나의 필드버스에 여러 개의 Link Master를 가질 수 있다. 운전 중인 LAS가 고장나면 다른 Link Master가 LAS가 되어 계속 운전할 수 있게 된다.
(7) Fieldbus Access Sublayer(FAS)
필드버스 접근 하위계층(fieldbus access sublayer)은 data link layer와 application layer의 Fieldbus Message Specification을 연결하는 부분으로 DLL의 주기/비주기 기능을 사용한다.
Virtual Communication Relationship(VCR)이라는 기능을 사용하게 되는데 이는 전화기로 보자면 단축 다이얼과 같은 기능으로 3가지 형태의 VCR이 있다.
(8) Client/Server VCR Type
클리이언트/서버 방식의 VCR은 queued, unscheduled, user initiated, one to one 방식의 필드버스 디바이스 간의 통신 방식이다. setpoint qusrud, 모드 변경, tuning 변경, 알람 관리, 원격진단, access display view 등 주로 운전자(operator) 메시지에 사용된다.
(9) Report Distribution VCR Type
queued, unscheduled, user initiated, one to many 방식의 필드버스 디바이스 간의 통신 방식으로 이벤트나 트랜드 리포트를 가지고 있는 디바이스가 LAS로부터 pass token을 받으면 그룹 어드레스(group address)에 등록된 디바이스에 동시에 보내게 되는데 이 기능은 대개 필드 디바이스가 운전 콘솔(operator console)에 알람을 알리는데 사용된다.
(10) Publisher/Subscriber VCR Type
발행자/구독자 VCR 타입은 buffered, one to many 통신 방식으로 ‘buffered’의 의미는 네트워크상에 data의 최신 버전만 유지됨을 의미한다. 디바이스는 compel data(CD)를 수신하면 data를 기다리는 구독자에 일시에 data를 보내게 주로 필드 계기의 process value(PV)를 PID control block과 operator console에 보낼 때 사용하게 된다.
(11) Fieldbus Message Specification(FMS)
Fieldbus Message Specification은 말 그대로 표준 메시지 형식을 의미하며 사용자(최상위 계층) 응용간 메시지를 주고 받을 때 필요한 내용이 된다. FMS는 통신 서비스, 메시지 형식, 그리고 사용자 응용 부문에 필요한 프로토콜 양식을 규정한다. 필드버스 간을 오가는 data를 ‘object description’으로 서술하게 되는데 이러한 object descriptions는 object directory구조에 함께 모아지게 된다.
(12) Virtual Field Device(VFD)
현장 디바이스를 원격으로 보기 위해서 VFD를 이용하는데 user application VFD와 network and system management Application VFD의 두 가지를 통상 가지게 된다. VFD는 network management information base(NMIB)와 system management information base(SMIB)에의 인터페이스 역할을 한다. NMIB는 VCR, dynamic 변수, 통계, LAS schedule등을 포함하며, SMIB는 device tag, address 정보, function block 수행을 위한 정보를 포함한다.
(13) Communication Services
FMS통신 서비스는 다시 설명하자면 function block 등을 주고 받는 사용자 application에 표준 통신방식을 제공하는 것으로 context management service, object directory service, variable access services, event services, upload / download services, program invocation services 등이 있다.
(14) Message Formatting
FMS 메시지의 형식은 Abstract Syntax Notation1(ASN.1)으로 불리는 a formal syntax description language(정규 문장법 서술 언어)에 의해 정확히 설정된다. ASN.1은 International Teligraph and Telephone Consultative Committee(CCITT)에 의해 개발되었다.
3. User Application-Blocks
Foundation Fieldbus에서 application은 block에 바탕을 두고 있는데 이러한 block에는 Resource Block, Transducer Block, Function Block 등이 있다.
(1) Resource Block
Resource block은 필드버스 디바이스의 특성을 설명하는 것으로 디바이스명, 제조업체, 제조 일련번호 등을 포함하며 디바이스 하나에 한 개만이 있다.
(2) Function Block
Function Block은 제어 기능과 관련된 것들로서 10개의 기본 function block이 표준(FF-891 Function Blocks--Part 2 Specification)으로 지정되어 있는데 analog input(AI), analog output(AO), bias(B), control selector(CS), discrete input(DI), discrete output(DO), manual loader(ML), proportional/derivative(PD), proportional/derivative/integral (PID), ratio(RA) 등이다.
(3) Transducer Blocks
센서로부터 읽고 출력 하드웨어에 명령하는데 필요한 현장의 입출력 기능으로부터 function block을 떼어내는 기능을 한다. Calibration date, 센서 타입 등을 포함하고 있으며 입력이나 출력 function block 하나에 하나의 transducer block이 있게 된다. 4가지의 link object가 user application에 정의되어 있다.
(4) Link Objects
디바이스 내부나 네트워크상의 function block의 input과 output간의 link에 대한 정의
(5) Trend Object
function block parameter의 local trending data를 호스트나 다른 디바이스가 접근할 수 있게 한다.
(6) Alert Object
필드버스상의 알람과 이벤트의 reporting을 제공한다.
(7) View Object
humane/machine interface(HMI)에 사용될 수 있는 block parameter 집합들의 사전정의(predefined)된 그룹들로서 dynamic, static variable을 보기 위한 4가지의 view들이 있다.
4. Device Descriptions
필드버스에서 중요한 점이 호환성으로 이를 위해서 device description(DD)을 사용한다. DD는 Virtual Field Device(VFD)의 확장된 정보를 제공한다. DD는 제어기나 호스트 시스템에 필요한 정보를 제공하는 디바이스를 운전하는 운전자와 같은 역할을 한다. 또한 PC에 프린터를 연결할 때 필요한 프린터 드라이브 소프트웨어와도 같다.
제조업체는 각 디바이스에 대한 호환성(interoperability) 테스트 보고서를 Foundation Fieldbus에 제출해야 한다. The universal, function block, transducer block, 제조업체 고유 parameter 등이 이 테스트 보고서에 포함된다. Device Description Service(DD-S) interpreter를 사용하는 어떤 호스트도 디바이스의 DD를 읽음으로써 디바이스에 정의된 모든 parameter와 호환성을 가질 수 있다.
LonWorks 소개
LonWorks이 다른 여타의 통신버스와 차별되는 것은 Broad-Scope Control Network으로서 센서버스, 디바이스 버스 등의 여러 개의 프로토콜이 통합되어야 하는 경우에 비해 현격한 비용절감과 성능향상을 가져올 수 있다는 점이다. 실제로 자동차 산업인 경우 센서버스와 필드버스가 필요하며 컨베이어 시스템의 경우 센서버스, 필드버스와 함께 데이터 버스(data capable/supervisory bus)가 필요 한데 Network Integration의 경우 protocol의 수에 따라 비용이 기하급수 적으로 증가한다는 점에 유념할 필요가 있다.
LonWorks은 물류 처리Material Handling, Web Process, 환경, 섬유기계 Textile dyeing machine, 방사선 치료 nuclear remediation, paint booth, 가스관 터빈 제어, 반도체 장비 등 여러 분야에 걸쳐 사용되고 있으며 수 백만에 이르는 LonWorks에 근거한 현장기기가 운영되고 있다. LonWorks은 센서버스와 필드버스의 중간대역에 해당된다 볼 수 있으며, 견고하고 유연하면서도 어떤 제어에도 적용될 수 있는 네트워크로 설계되었다. LonWorks은 기존 PLC Solution에 분산 I/O를 접목시킨 점에서 기타 어떤 네트워크와 다르다.
LonWorks은 Master/Slave 방식을 지원하면서도 현장 계기들 간의 peer-to-peer 연결을 지원하고 제어에 필요한 정보를 공유하는 완전한 분산제어를 실현하였다. 통신 매체로는 standard twisted pair wire, coax cable, power line, RF channels를 지원하며 네트워크 topology는 bus, ring, star, 그리고 앞의 3가지를 모두 동시에 구성할 수 있다.
LonWorks 네트워크는 수천 개의 노드로 확장될 수 있으며 네트워크 중에 장비를 설치, 제거할 수 있다. Echelon의 LonWorks 디바이스는 LonMark의 호환성 지침에 만족하도록 설계되어 있다. LonMark는 표준기관으로서 공급업체, 사용자, 장비 설계자, 그리고 시스템 통합 사업자로 구성되어 있다. LonWorks은 객체지향, 분산네트워크로 출발하였기 때문에 마이크로소프트의 Active X, 선 마이크로시스템스의 Java, Jini, Internet Protocol 등의 기업시스템/기술에 쉽게 통합된다(www.lonmark.org).
필드버스 전망
사용자들의 요구에 따라 자동화 관련 업체들이 연합하여 단일, 공개적 기술, 그리고 국제적이면서 호환성 있는 필드버스 개발을 완성하고자 출발한 것이 ‘Fieldbus Foundation’이라 할 수 있다. Fieldbus Foundation은 독립적인 비영리 단체로서 International Electrotechnical Commossion(IEC)와 ISA(the international society for measurement and control)의 기술적 작업에 바탕을 두고 있다.
세계적인 자동화 공급업체 130개 회사가 회원으로 등록되어 있는데 이들 업체는 세계 자동화 시장의 90% 이상을 점유하고 있다. Fieldbus Foundation의 중요한 조직의 하나가 이사회(Board of Director, BOD)로서 130개 회원사의 투표로 선출된다. 이사회(BOD)의 하위에 Fieldbus Foundation의 회장(FF President)가 있다. End User Council(EUC)은 130개의 회원사, 이사회, 회장에 협회의 활동과 사용자의 요구 사항 등을 살피고 보고(report)하는 기능을 가지며 이를 통하여 시장의 수요에 따른 기술 사양이 만들어지도록 하는 것이다.
회장을 보좌하는 조직으로 Quality Director와 Executive Committee가 있는데 Quality Director는 협회의 품질인증 시스템에 대한 전반적인 관리업무를 수행하며 Executive Committee는 회장이 협회의 일반 운영과 전략적인 중요사안을 무리 없이 수행할 수 있게 보좌한다.
또한 회장 하부조직으로 Technical Team, Marketing Team, Member Support의 조직이 있는데 Technical Team은 협회의 기술작업을 수행하는데 다시 Specification Group, Software Group, Interoperability Group으로 세분화 된다. Marketing Team은 foundation fieldbus 기술을 알리고 제품과 서비스을 계획/지도하는 책임을 가진다. member support group은 협회의 제품과 서비스를 직접 수행하며 기술 상담, 교육 훈련, 문서 발송, 회원관리, 전시회 관련업무, 현장 테스트, 제품 카탈로그, Device Description Software, 디바이스 등록 등의 업무를 맡는다.
FF는 1998년 여름 호환성 인증을 시작한 이래 FF의 호환성 인증을 통과한 계기의 수가 꾸준히 증가하고 있다. 신크루드 캐나다 Syncrude Canada Ltd.는 공정제어 산업계에서 사용해 온 아날로그 제어시스템을 대신할 필드버스 시스템의 디바이스에 대한 호환성 시험의 일련 과정을 마쳤는데, 이 시스템은 8개의 공급업체, 20개의 디바이스, 3개의 주 제어시스템을 포함하고 있다. 아날로그 루프를 대체할 H1은 실용 가능한 단계이고 100Mbps High-Speed Ethernet(HSE)이 머지 않아 출시될 것이다. HSE는 대량의 데이터 통신이 필요한 분석기 Analyzer, PLC, 기타 필드레벨 제어기기 등의 통합을 가능케 할 것이다.
세계적인 자동화 업체들이 Profibus interface를 공급하고 있으며 세계적으로 235,000의 응용사례와, chip 판매 기준으로 2,500,000개의 접속규모를 보이고 있다. Profibus-DP가 80%로 대부분을 차지하고 Profibus-PA가 13,000개 노드로 5%, 그리고 Profibus-FMS가 나머지를 차지한다.
시장조사에 따르면 2004년까지 필드버스 관련 시장규모는 U$ 750백만에 이를 것으로 보고 있다. 분산 리모트 I/O, PC 기반 제어시스템, PLC 등에 관한 조사에 의하면 Siemens가 이끌고 있는 Profibus가 현재 20%의 시장지분을 차지하고 있으며 계속 강세를 지속하여 2003년에는 23%까지 성장할 것으로 예측했다. 그러나 Ethernet과 다른 필드버스가 계속하여 Profibus를 위협할 것으로 보았다.
Windows가 초기 버전 3.1에서 최근의 Windows 98, Windows NT로 성장하는 것과 같이 필드버스도 지속적으로 성장하고 확대될 것이다. 필드버스 소프트웨어에도 새로운 일반의 공개된 인터페이스에 기능이 계속 추가될 예정이며 그 중 하나가 Device Description의 버전을 모니터링 할 수 있는 기능을 디바이스에 추가하는 것이다. 이를 통하여 네트워크상의 호스트 시스템과 다른 디바이스와의 호환성이 보장될 수 있게 된다.
Foundation Fieldbus는 2000. 3. 29에 High Speed Ethernet(HSE)의 Final Specification(FS 1.0)을 발표하였다. HSE 최종 사양이 마무리 되어 세계 모든 계기업체가 이를 바탕으로 제품을 개발할 수 있게 되었다. 이 HSE FS 1.0은 1998년 FF 이사회의 HSE에 대한 야심적인 결정에 따라 이루어진 결정판이며 HSE의 개발은 저렴하고, 호환성 있고 또한 빠른 네트워크에 대한 계측제어 사용자의 요구에 부응한 것에 지나지 않는다. HSE는 연속 공정제어와 조립공정 두 부문의 요구를 동시에 충족하는 공개되고 공유되는 필드버스 기술의 중요한 이정표로 평가된다.
널리 보편화 되고 저렴한 Ethernet은 HSE FS 1.0 에서 100 Mbp 에서 1 Gbps 혹은 그 이상의 속도에도 이를 수 있으며 Foundation Fieldbus 31.25 kbps(H1) 즉 Function Block, Device Description Language 등을 지원할 뿐 아니라 링크 디바이스를 통해 Ethernet Device를 H1에 인터페이스 시킬 수 있다. 또 다른 HSE의 기능은 표준 Function Block 뿐 아니라 특정 응용 분야에 적용되는 Flexible Function Block(FFB)도 지원하는데 이 FFB는 IEC 61131 표준 Languge를 사용하며 HSE의 일부분으로 설계되었지만 H1에서도 사용될 수 있다.
새로운 기술과 함께 기술/설계업계도 이러한 변화를 수용하는 노력이 요구된다. 엔지니어링 표준의 수정도 중요한 사항이 될 것이다. ISA는 Piping & Instrumentation diagram(P&ID) symbols(SP5.1), data sheets(SP20), terminology(SP51)에 대한 작업을 하고 있다. 현 필드버스 시스템에 맞는 단일 와이어 혹은 세그먼트사의 여러 개의 디바이스를 어떻게 표현하느냐도 또 다른 문제이다.
Profibus 국제담당 이사인 마이클 브리안트 Michael Bryant는 “Profibus는 유럽은 말할 필요도 없이 아시아, 특히 중국, 말레이시아, 싱가포르, 그리고 한국 등에서 강세를 보이고 있고 북미, 특히 미국에서 힘을 얻어가고 있다"고 밝히고 있다. Klaus Wucherer(Siemens Automation and Drives Company President)는 Profibus-DP와 새로이 개발된 Profibus-PA가 유럽과 중국 그리고 아시아 전반에서 최상의 system으로 구축되고 있으며 향후 10~15년에 걸쳐 급격히 확대될 것으로 내다보았다.
많은 사람들은 Foundation Fieldbus와 Profibus의 향후 경쟁 및 통합 가능성에 깊은 관심을 가지고 있다. 특히 Profibus-PA는 Foundation Fieldbus H1과 정면 대결이 불가피 할 것으로 보인다. Andre Bouffioux(General Manager for Siemens’s process control systems group)는 Profibus와 FF의 기술적 통합이 가능할 것으로 내다보았고 Profibus가 indutrial Ethernet과 접속되는 것은 물론 여러 network들(DeviceNet, FF, Interbus, ControlNet 등)도 indutrial Ethernet에 interface될 것으로 보았다. 현재 모든 필드버스가 차지하는 시장지분은 자동화 시장 전체의 10%에 지나지 않는 것으로 보고있다. 이는 앞으로 개척해야 할 땅이 무한함을 뜻하는 것이며 이제 시작 단계에 불과하다는 것이다(Intech, May 1999 , Worldbus Journal).
필드버스가 기존의 시스템에 비해 좋은 점이 많은 것은 사실이나 몇 가지 불편한 점도 있다. 즉 Repeater, segment coupler설치의 곤란함, 통신라인의 거리제한, 전송속도에 따른 성능제한, 필드 디바이스의 소요전력 등으로 단일 세그먼트에 구성할 수 있는 노드의 수가 이론적인 노드 수에 비해 현격히 감소할 수 있고 이로 인한 비용의 증가도 무시할 수 없게 된다.
기존 4~20mA 아날로그 시스템에 비해 케이블 공사, 배선작업 등의 어려움은 줄어드는 반면 노드 어드레스 지정, 통신시스템의 초기구성/변경 및 필드버스 네트워크의 최적 운전 등 정보기술에 적응해야 하는 부담을 가지게 된다. 업체간 상호 호환성이 아직은 완전히 검증되지 않았다. 미국의 영향을 보다 많이 받는 한국은 Foundation Fieldbus의 진전상황을 관망하고 있다. Foundation Fieldbus 관련제품이 아직 시장에 충분히 출시되지 않은 상황에서 한국의 잠재적 수요자들은 적극적인 투자계획을 세우지 않고 있다. 따라서 공급업체들이 더욱 적극적으로 실무진을 훈련시키고 시장에 홍보를 강화하는 것이 필요하다.