<테마특강>필드버스란 무엇인가

◆박장환 교수

82년 동국대학교 대학원 공학석사

92년 오스트리아 그라츠 공대 공학박사

92∼97년 그라츠 공대 연구소 연구원

현재 국립한경대학교 전자공학과 교수, CAN·LON유저그룹 회원

저서 : 필드버스입문(도서출판 동서)

필드버스(fieldbus)가 국내 산업계의 주요 이슈로 떠오르고 있다. 지난 80년대 중반 독일을 중심으로 유럽에서 개발돼 확산되기 시작한 필드버스는 현재 거의 모든 산업분야에서 활용되고 있다. 유럽의 산업계에서는 필드버스의 적용이 거의 상식화돼 있으며 미국은 응용단계, 일본은 시작단계를 조금 넘어선 수준이다.

주변장비의 최적화된 활용을 목적으로 개발된 필드버스는 케이블의 절감으로 인한 보수유지 간편성과 지능성을 지닌 주변필드기기와의 연계성으로 산업현장에 다양한 장점을 제공한다. 국내에서도 이제 여러 필드버스시스템 중 어떤 버스시스템을 활용할 것인지 혹은 이미 시장에 나와 있는 인터버스(interbus), 파운데이션 필드버스(foundation fieldbus), 프로피버스(profibus), 디바이스넷(devicenet), AS-I 등 다양한 필드버스시스템을 어떻게 활용할 것인지 등에 대한 연구가 필요하다. 특히 응용분야에 따라서 이미 유럽 선진국의 다양한 산업분야에서 설치돼 적용되고 있는 사례는 이제 필드버스의 시작단계에 있는 국내 산업에 많은 참조가 될 것으로 보인다.

필드버스시스템의 구축을 위해서는 기술적 지식이 필요하고 현장에서 필요한 자동화 과제의 수행을 위한 설비의 기능적인 충족에 중점을 두어야 한다. 그럼에도 불구하고 필드 시스템의 설치와 계획에 있어 여러가지 어려움이 발생한다.

필드버스는 학문 지향적인 아닌 현장에 뿌리를 내리고 있는 활용성에 중심을 두는 산업기술로서 주변필드기기들을 잘 운용할 수 있으면 쉽게 적용 가능하다. 이미 국내의 일부 산업현장에 필드버스가 운용되고 있었으나 그 용어의 생소함으로 인해 국내 사용자들에게는 아직도 조금은 낯설다. 필드버스시스템 자체의 중요성과 필드기기들의 운용능력에 대한 중요성 모두 필요하지만 이 두 가지 측면 가운데는 필드기기들을 운용할 수 있는 능력이 우선되어야 함을 강조하고 싶다.

사용자가 중요시해야 할 부분은 필드버스 개발의 비즈니스적인 측면을 한번쯤은 생각해 보아야 한다는 것이다. 필드버스시스템에는 다양한 필드기기들의 종류가 있음은 그 만큼 시장성이 있다는 것을 의미한다.

요즘은 필드버스들의 프로파일과 규격의 변화가 빈번하게 이루어지고 있다. 예를 들어 프로피버스는 97년 초에 이미 DP/V1이 발표됐고 작년에는 모션 제어가 추가되면서 FDT(Field Device Tool)가 새로 발표돼 공정제어시스템의 통합을 용이하게 하고 있다. 또한 올 6월에는 프로피버스 PA 프로파일 3.0이 새로 추가되어 이전 버전과의 호환성에 대한 지식이 필요하게 됐다. AS－I는 새로운 확장버전 2.1이 발표됨으로서 기능의 향상을 가져왔으며, 현재 유럽 선진국의 자동차 생산라인에서 가장 많이 사용하고 있는 인터버스는 개방형 제어를 토대로 PC 기반제어 그 응용을 확산시키고 있다.

도대체 필드버스란 무엇인가. 간단하게 필드버스를 정의한다면 필드버스는 데이터 전송을 위한 전기적 시스템을 의미한다. 좀더 자세히 전문적인 용어를 빌어 정의를 내린다면 「한 설비의 분산 설치된 요소들이 하나의 케이블에 의해 상호간에 연결돼 데이터 교환이 가능하거나 또는 동시에 논리연산제어장치(PLC) 및 분산제어시스템(DCS)에 지능형 필드기기들이 한 케이블에 의해 연결돼 있는 데이터 교환 시스템」을 의미한다.

4∼20㎃ 계측신호를 사용할 때와 비교할 경우 장점은 케이블을 절감할 수 있다는 데 있다. 또 현재의 기술적인 관점에서는 지능성 있는 디바이스들의 사용으로 분산제어가 가능한 것도 큰 장점으로 부각된다.

필드버스 투입시 비용절감에 대한 부분을 정량적으로 분석해보면 일반적으로 공정설비의 전체 투자비용은 새로운 화공설비의 전체 투자비용의 약 20%에 해당한다. 또 프로젝트·조달 등에서 필드버스의 투입으로 비용절감이 가능하다. 그러나 4∼20㎃와 경우와 대비해서 필드기기 자체에 대한 비용의 변화는 거의 없다.

필드버스를 사용해 구축된 공정시스템은 일반적으로 버스 능력을 갖는 필드기기들이 세그먼트 커플러 또는 파운데이션 필드버스 등에 의해 연결돼 전원공급을 받는 형태의 H1버스와 그 상위에 연결되어 있는 H2버스로 이루어진다. H1버스는 전송속도 312Kbps로 규정되고 부가적으로 폭발위험이 있는 지역(방폭 지역)에 대해서는 고유안전성(intrinsic safety)의 도입이 가능하다. 이 지역에서는 한 세그먼트에 연결가능한 필드기기의 수가 현재의 기술로는 10개 이하로 제한된다.

또 소프트웨어 부분과 관계 있는 인터페이스의 호환성이 요구되고 이는 단일화된 디바이스 프로파일과 펑션블록(function block) 안에서 확정됨으로써 서로 다른 벤더들의 필드기기 교환이 가능하다. 그리고 세그먼트 커플러에 의해 연결된 H1버스의 상위부분을 H2 버스라 하며 1000Kbps 정도의 전송속도를 제공한다. 현재 현장에서 많이 사용되는 고유안전성과 관계 있는 H1·H2 필드버스로는 프로피버스와 파운데이션 필드버스가 가장 널리 알려져 있다.

프로피버스의 경우 프로피버스 DP(Decentralized Periphery)를 H2버스라 하며 PA(Process Automation)는 H1버스라 한다. 파운데이션 필드버스의 경우 H2는 HSE(High Speed Ethernet)가 개발 중에 있으며 현재는 록웰오토메이션사의 ControlNet이 사용된다. 이밖에 고유안전성의 응용이 가능한 필드버스로는 인터버스도 가능하다.

필드버스는 양방향에 의한 시리얼 전송방식에 의해 데이터 교환이 이루어진다. 데이터 교환처리의 실행을 위한 서비스는 사용자에 제공되는 데이터 교환 시스템은 케이블에 의해 동시에 연결돼 응용과 데이터 교환 시스템 사이의 로컬 데이터 교환은 메시지를 통해서 이루어진다. 응용과제에 독립적으로 기본 서비스로 요청(request), 지시(indication), 응답(response) 그리고 확인(confirmation) 이 주어진다.(그림. 3.참조)

응용분야와 주변환경, 전송특성 등의 차이로 산업현장에서는 여러 조건들을 고려해야 한다. 사용자의 입장에서는 적용분야에 따라 적합하고 되도록이면 간단한 필드버스 도입이 요구된다. 전체 구현화 비용과 필드기기들의 가격을 절감하기 위해 응용 지향적인 프로파일의 정의가 필요하다. 대부분 산업현장에서는 복잡한 응용보다는 적은 기능만이 필요할 경우가 자주 있다.

프로파일 안에서 기능을 확정할 경우 두 가지 장점이 있다. 정해진 애플리케이션에 대한 디바이스에서 프로토콜의 구현화와 같은 벤더에게 필요한 지식과, 동일한 프로파일을 갖는 필드디바이스들의 운용과 교환에 대한 유저 들에게 필요한 지식적인 측면이다. 이에 덧붙여 정합성(conformality)은 표준규격을 갖는 기술적인 기능의 일치 즉, 규격 안에서 확정된 기능이 디바이스에 포함되는 것을 의미하며 동시에 한 필드 디바이스의 프로파일 구현화를 보장하는 상호운용성(interoperability)이 중요한 의미를 갖는다. 가연성있는 영역에서는 고유안전성이 무조건적으로 요구되며 라인 분리시 및 단락시 가연성있는 불꽃이 발생하지 않도록 전기적인 조치가 이루어져야 한다.

설비분야에서 필드기기들의 입출력(I/O) 특성은 거의 이진코드의 값을 전송하는 데 사용된다. 필드버스가 설치, 운용되고 있는 산업현장의 사용자들을 대상으로 한 설문조사에 의하면 88%가 1㎳ 이하의 응답시간을 요구하며 정해진 애플리케이션에서는 55%는 10㎳정도도 충분한 것으로 받아들인다. 응답자 중 50%는 최대 1㎞ 길이의 라인 토플로기에서 운용하고 있다. 또 온도 범위의 제한으로 인해 최대 주변온도 300°C와 최소 -40°C 에서는 전기·전자 소자의 직접적인 투입은 가능하지 않으며 보호등급은 IP54와 IP65가 요구된다.

생산자동화분야에서는 PLC·NC·RC(Robot Control)가 주요 필드기기이고 지능성을 지닌 센서·액츄에이터 등은 거의 요구되지 않는다. 또 순환 서비스를 요청할 경우 5㎳와 1분 사이에 전송시간(1∼64바이트 데이터 길이)을 가지며 약간의 실시간 처리를 요하는 신호, 경보(2∼8바이트)는 수 초 범위 내에서 전송돼야만 한다. 대부분 제어룸은 프로세스와 근접한 곳에 위치하므로 라인의 길이는 50m 이하로 한다. 전원 공급은 상당히 유동적이며 주변 환경은 강한 EMC에 노출되어 있다. 이외에 버스시스템의 고유 안전성은 사용되는 장소에 의해 좌우되며 대부분의 애플리케이션에서는 필요성이 요구되지 않는다.

화공분야에서는 PLC, 센서 액츄에이터 시스템, 필드 멀티 플렉서등의 다양한 필드기기들을 선택할 수 있다. 4바이트보다 적은 데이터에 대해서 100㎳와 500㎳ 사이의 전송시간과 2바이트보다 적은 경보신호는 250kbit/s 이상되는 필드버스 전체의 전송률이 된다. 10m와 2㎞ 사이의 스테이션 거리에서 프로세스 크기가 변동될 수 있으며 전체 길이는 10㎞까지 확장 가능하다. 그리고 제어룸까지의 거리는 50m∼3㎞에 달하며 사용자에게는 고유안전성의 문제를 고려해 보호등급 IP65 기기가 있어야 한다.

빌딩분야에서는 500m 이상 되는 긴 거리, 한 케이블에 집중된 많은 양의 센서와 구동기의 수는 적은 실시간 처리가 많이 고려되지 않는다. 경보신호를 제외하고는 50㎳ 정도이고 버스시스템의 라인구조가 요구된다. 또한 기존의 설치된 전력선을 활용하여 새로운 필드기기에 적용할 수 있는 장점이 있다. 빌딩 안에서는 일반적으로 강력한 전자파 간섭이나 열악한 환경이 존재하지 않으므로 데이터 전송의 안전성, 고유안전성 및 주변 조건 등은 특별히 요구되지는 않는다.

자동차 내부에서는 디바이스의 소형화와 높은 전자파 장애로 인하여 안정된 메시지 전송이 요구된다. 특히 필드기기들의 기계적인 강인성이 요구된다. 적은 양의 메시지의 전송시에는 메시지 지연시간(1㎳ 이하)이 특별히 요구되며, 효율적인 메시지 전송을 위한 이벤트 구동(event driven) 방식을 사용하는 다중 마스터에 의한 운용방식이 요구되며 길이 10∼50m가 이 방식에 적합하다. 각각의 모든 필드기기는 정해진 빠른 시간에 스스로 메시지를 전송할 수 있어야 한다. 자동차 내부의 열악한 주변은 최소한의 보호등급 IP65를 필요로 하고 고유안전성을 필요로 하는 필드기기는 일반적으로 요구되지 않는다.