개방형 이더넷 기반 필드버스 기술의 표준화 속도가 빨라진다

지난 2003년 4월 제주에서는 미국, 일본, 독일 등 15개국 30여명의 전문가가 참가하는 국제표준화기구(ISO) 구조, 통신 및 통합체계(TC184/SC5) 국제표준화회의가 개최된 바 있다. 이를 계기로 국내에서의 산업용 네트워크에 대한 저변이 급속히 확대되고, 국내 표준에 대한 국제적인 입지도 한층 강화되었다.

글 / 오승모 기자 (smoh@motioncontrol.co.kr)

지난 몇 년간 국내 자동화 및 프로세스 컨트롤 관련 산업 분야에서 필드버스 기술에 대한 중요성이 확산되면서 그 수요가 급증하는 추세이다.

현재 국내 시장에는 실사용자의 필요에 의해서, 또는 시스템 공급업자의 필요에 따른 선택에 의해서 여러가지 필드버스 프로토콜들이 개별적으로 수용되어 왔다. 이러한 공급업자 및 실사용자들의 산업용 네트워크에 대한 체계적인 학습이나 받아들이고자 하는 사전 준비없이 추진된 필드버스의 도입이 오히려 역기능으로 작용하기도 한다.

제조공장별로 또는 제조라인별로, 어떤 때는 프로젝트별로 각각 개별적으로 진행해 온 필드버스 네트워크 시스템이 필드버스 상호간 인터페이스가 원활하게 이루어지지 못한다는 심각한 문제에 봉착하는 경우도 발생하고 있는 것이다.

필드버스표준포럼의

단체표준 가시화 단계

이렇듯 다양한 필드버스 프로토콜들이 혼재하는 상황에서 국내의 관련 산업은 매우 혼란스러운 상황에 직면해 있다. 이러한 상황하에서 다행히도 국내 필드버스 관련 전문가들이 뜻을 같이하여 지난 2003년에 국제표준화회의를 제주에서 개최하는 저력을 과시함과 동시에  필드버스표준포럼(회장; 홍승호 한양대 교수)을 창설하여 필드버스 산업의 현황과 문제점을 종합적으로 분석하고 이를 극복하기 위한 표준 규격을 제정하기 위한 방안을 마련중이다.

이후 필드버스표준포럼에서는 국내에서 필드버스 기술이 가장 널리 보급된 분야인 프로세스 컨트롤, 시퀀스 컨트롤, 머신 컨트롤 및 반도체 공정, 철강, 원자력등의 6개 분야에 대해 각각의 분야에서 가장 적합한 필드버스 표준 규격들을 선정하고 있는 중이다.

이러한 다양한 응용분야에 대하여 사용자 계층에서 통합 환경을 제공할 수 있도록 하는 사용자 계층 통합 프로파일의 단체 규격 및 신국제규격(NP)을 제정하는 사업도 지속하고 있다. 이 사업은 2003년부터 시작하여 현재 5년 프로젝트 사업으로 추진되고 있으며, 특히 작년부터 추진한 철강공정 단체표준이 포스코 포항 및 광양공장을 중심으로 거의 마무리단계에 있는 것으로 나타났다.

철강 공정에서의 필드버스 단체표준이 국내 국가 표준으로 채택되고 포스코가 성공적인 가동에 들어간다면, 이 표준은 철강 공정 분야의 국제시장으로 확대될 가능성이 충분하며 향후 세계 표준으로 자리잡을 가능성도 배제할 수 없다는 것이 전문가들의 의견이다.

철강 공정에 이어 원자력, 반도체, 프로세스, 시퀀스 등으로 활발한 단체 표준의 마련과 현장에서의 채택이 지속적으로 이어질 전망이며, 이와 같이하여 국제 필드버스 표준화 단체들에서의 적극적인 활동과 협력을 통해 국내 표준을 국제 표준으로까지 성장시켜 나간다는 기조를 담고 있다.

“필드버스표준포럼의 궁극적인 활동목표는 산업 현장에 필드버스 표준기술을 널리 보급함으로써 국내 자동화 및 공정제어 산업을 활성화시키고 국내외 자동화 기술 수준을 기술 선진국의 수준으로 향상시키고자 하는 것입니다.”라고 필드버스표준포럼 홍승호 회장은 최근 개최된 ‘개방형 이더넷 기반 필드버스 네트워크’라는 기술 컨퍼런스에서 언급했다.

개방형 산업용 이더넷이

네트워크의 주류로 부상

현재 산업용 네트워크 관련 국제 표준은 ISO(국제표준화기구)와 IEC(국제전기표준회의) 두 단체에서 추진중이다. 양 기관은 상호 협력주의를 기반으로 IEC에서는 전기, 전자, 정보기술 분야를, ISO에서는 산업 자동화 시스템 등 기타 분야를 각각의 활동범위로 채택하고 있다.

양 기관에서 발표한 최근의 산업용 네트워크 표준으로는 지난 2000년에 IEC 61158로 발표되었으며, PROFIBUS, ControlNet, Foundation Fieldbus, Interbus, Swiftnet, WorldFIP, P-net, HSE 등으로 구성되었다. 이들 필드버스 표준들은 지속적인 논의를 통해 2003년 5월 공식적인 국제표준으로 발표되었다.

 ISO에서는 개방형 구조를 지향하는 오픈 프레임워크 표준을 ISO TC184(산업자동화통신망표준)/SC5(구조 및 통신)/WG5(Open Framework)에서 표준을 준비하여 2003년 10월 ISO-15745(Open Framework)로 공표하기에 이르렀다.

ISO-15745는 Part1에서 Part4까지가 발표되었으며, 총 11개의 개방형 필드버스 프로트콜들이 표준으로 채택되었다. 또한 올해에는 새롭게 Part5가 완료될 예정으로, 여기에는 PROFInet, MODBUS TCP, Ethernet Powerlink, EtherCAT, CC-Link 등 5항목이 추가될 예정이다.

이로써 개방형 구조의 산업용 네트워크는 총 16개의 프로토콜이 표준으로 채택될 전망이다. 여기서 주목되는 부분은 일본 미쓰비시가 주도하고 있는 CC-Link이다. 그 동안 CC-Lionk는 국제 필드버스 표준화 활동에 소극적인 모습을 보여 왔으나, 국내에서의 국제 표준화 추진 활동과 생산 현장에서의 표준 네트워크에 대한 관심이 높아지는 것에 고무되어 적극적인 방향으로 선회한 경우이다.

산업용 이더넷과

IT 기술의 지속적 교류

최근 들어서는 필드버스 표준이 개방형 산업용 이더넷을 수용하는 방향으로 분위기가 쏠리고 있으며, 산업 현장에서도 산업용 이더넷에 대한 관심과 함께 적극적으로 받아들이고 있는 중이다. 이러한 분위기 속에서 대다수의 필드버스들은 산업용 이더넷을 서둘러 채택하고 있으며, 적극적인 연구개발과 규격 제정에 나서고 있다.

이와 관련해 한국자동화표준시스템연구조합 조익영 전무는 “현재에는 필드버스 성분과 이더넷 기반 성분이 혼재되어 있는 상황이지만, 머지않아 필드버스 보다는 이더넷 분야가 주도권을 갖게 될 것”이라고 분석한다.
이처럼 산업용 이더넷이 주류로 떠오르는 것은 상위의 정보 레벨로부터 하위의 필드레벨에 이르기까지의 수직적 통합에 있다.

또한 일반화되고 지속적인 발전을 거듭하는 이더넷 기술을 활용함으로써 기술적인 혼란없이 쉽게 사용자에게 다가갈 수 있으며, 네트워크를 위한 배선 및 스위치 등에서의 비용절감을 기대할 수 있다는 장점이 있다.

국립한경대학교 박장환 교수는 산업용 이더넷이 미래 지향적인 산업 기술로 성장하고 있는 것과 관련, “산업용 이더넷의 근간을 이루는 이더넷과 TCP/IP가 오래전부터 많은 유저들을 확보하고 있으며, 향후에도 산업분야에 지속적인 영향력을 발휘할 IT기술과의 접목이 고려되기 때문”이라고 피력한 바 있다.

산업용 이더넷은 상위로부터 하위레벨까지의 수직적이고 수평적인 제한없는(끊김없는) 통합을 최대의 장점으로 실사용자층에 접근하고 있으며, 지속적인 IT 기술과의 교류와 접목을 통해 고성능 모션 컨트롤 분야까지 그 영역을 확장하고 있다. 이더넷이 확보하지 못하는 산업 현장에서의 실시간성을 점차적으로 확보해 나가고 있는 중이다.

그럼에도 산업용 이더넷도 기존의 필드버스와 마찬가지로 상호운용성에 대한 어려운 과제를 안고 있다. 이는 일부 조직이나 개별적인 산업용 이더넷 프로토콜의 활동으로 가능한 영역이 아니며, 국제적인 논의와 공동의 연구개발, 그리고 영향력있는 실사용자층의 적극적인 조율과 압력하에서 가능한 분야이다.

산업용 필드버스의 종류

가장 활발하게 활동하고 있는 대표적인 산업용 이더넷 기반 네트워크로는 PROFInet, Ethernet/IP, FF HSE, Ethernet Powerlink, IDA-Modbus 등이 있다. 또한 국제 연구포럼으로 Ethernet/IP, Ethernet Powerlink, IDA-Modbus가 소속되어 있는 IAONA(Industrial Automation Open Network Alliance)가 주목된다.

최근 개최된 ‘개방형 이더넷 기반 필드버스 네트워크’ 기술 컨퍼런스에서 발표된 필드버스 프로토콜을 중심으로 필드버스와 산업용 이더넷이라는 산업용 네트워크의 종류를 소개한다.

EtherCAT

기존의 이더넷 환경에서 사용하던 소프트웨어나 하드웨어에 대해 아무런 변경 없이도 리얼타임(Real Time)성을 보장해 주는 산업용 이더넷 솔루션이다. 매우 효율적이고 데이터의 처리가 빠른 것으로 알려진 독일의 Bechhoff가 제공하는 ISO-15745-5 국제표준이다. 국내에서는 트라이텍이 기술을 제공한다.

Foundation Fieldbus

H1과 HSE(High Speed Ethernet)의 상호 보완적으로 구성 되어 있으며, H1은 프로세스 계측제어에 강하고 HSE는 저비용 이더넷 설비와 고성능 제어의 응용 및 정보통합 시스템을 위해 만들어 졌다. 따라서 현재 이 프로토콜을 사용하는 계장 및 계측제어 업체가 세계적으로 큰 그룹을 형성하고 있는 추세이다.

HSE는 공정 자동화 분야에 특화된 구조를 가지고 있으며, HSE의 컴포넌트들은 어디서나 구입이 용이한 COTS(Commercially Off The Shelf)가 가능하다는 특징이 있다. 주요참여업체로는 요꼬가와전기, 에머슨, 폭스보로, 로크웰오토메이션 등이다.

EtherNet/IP

로크웰오토메이션이 주도하고 있는 ODVA에 의해 개발된 프로토콜로 현장의 디바이스용 DeviceNet과 프로세스 제어용 ControlNet을 CIP(Common Industrial Protocol) 라우팅 기술을 사용, 전체 프로토콜 스텍을 구성하여 최상위의 정보를 관장하는 Ethernet 레벨로 끊김없이(Seamless) 라우팅해 주는 강력한 산업용 이더넷 프로토콜이다.

이때 DeviceNet과 ControlNet, EtherNet/IP 모두가 동일한 응용계층을 갖고 있고 장치 프로필과 오브젝트 라이브러리를 공유하므로 타 업체의 장치들을 상호 동작 및 Play & Plug를 가능하게 하여 전용 소프트웨어 없이도 이음새(Seamless)없이 연결 가능한 산업용 네트워크 프로토콜이다. 현재 다수의 제품이 출시되어 있으며, 산업 현장에 활발하게 설치되고 있는 중이다.
 

CC-Link

일본의 미쓰비시전기오토메이션에 의해 개발된 ISO-15745-5 국제 표준으로 산업에서 매우 효율적으로 만들어 졌으며, 통합된 공장 및 프로세스 자동화 구현을 위해 고속(10Mbps)으로 제어 및 데이터를 처리하는 개방형 필드버스 네트워크 시스템이다.

현재 CC-Link V2가 발표되었으며, V2는 종래의 자동차, 반도체, 반송, 식품 등 각종 산업 자동화 분야에서의 성배선을 목적으로 한 용도에 반도체 제조 공정에 있어서의 ‘In-Situ 모니터’나 ‘APC(Advanced Process Control)’용, 계장제어의 ‘다채널의 아날로그/디지털 변환 데이터의 송수신’용 등 대용량이면서 실시간성을 확보한 데이터 송수신이 필요한 분야의 요구에 대응한 버전이다.

현재 CC-Link는 CC-Link 관리협회인 CLPA(CC-Link Partner Association)에 의해 완전 개방화된 지원체제를 확립하고 있다. 또한 최근에는 안전한 성배선 네트워크로써 CC-Link Safety를 개발중이다. 이는 EN954-1의 안전규격 카테고리 4의 확보를 목표로 한다.

Interbus

인터버스는  Phoenix Contact사에서 개발한 필드버스이다.  이 프로토콜의 특징은 최대 4,096개의 I/O 가 가능한 프로토콜로 최대 13km의 거리까지 처리가 가능한 공정제어용 링 구조의 고성능 분산통신망에 개방형 시스템으로 만들어졌다.  PLC가 다양한 링 형태로 연결되어 씨리얼 통신을 하므로 버스의 중재(Arbitration)가 불필요한 것이 특징이며 입출력데이터와 메시지들을 동시에 전달하는 ISO-15745-3 국제표준이다.

PROFInet

프로피넷 프로토콜은 SIEMENS가 개발한 산업용 이더넷 표준으로 현재까지 세계적으로 약 2,000만개 이상의 노드가 설치된 두개의 큰 필드버스가 지원하며, 최대 1msec의 응답속도를 가진다.  실시간 통신 추가에 대한 투자없이 기존 시스템 연결, 통합 뿐만 아니라 안전(Safety) 및 다양한 산업의 응용에 준용되는 프로피버스 기술의 수직 확장형 산업통신망으로 ISO-15745-5 표준이다.

프로피버스유저그룹인 PNO에서 주도하고 있으며, 실시간 모션 컨트롤까지를 지원하는 V3의 규격까지 발표되었다.  ■