IIoT를 활용한 PROFINET 완벽 가이드

4–20 mA와 HART는 여전히 널리 사용되고 있지만, 산업 환경에서는 디지털화 이니셔티브에 더 잘 부합하는 디지털 네트워크의 사용이 점점 증가하고 있습니다. 아날로그 시스템은 견고하고 단순하여 현장 운영을 용이하게 한다는 점에서 여전히 효과적이라는 주장도 있습니다. 그러나 현장과 제어 시스템 간의 투명한 연결을 어떻게 구현할 것인지는 여전히 중요한 과제로 남아 있습니다.

최신 컨트롤러와 계기는 방대한 양의 데이터를 생성하고, 이를 처리하기 위해서는 Modbus RS485, OPC, PROFIBUS DP와 같은 고급 통신 프로토콜이 필요합니다. 또한 FOUNDATION Fieldbus H1, PROFIBUS PA, PROFINET과 같은 기술은 한층 더 높은 통합 역량을 제공합니다. 이러한 산업용 네트워크는 현장 계기를 컨트롤러와 연결하여 아날로그 방식으로는 구현할 수 없는 진단, 설정 및 고급 기능을 지원합니다.

이러한 발전에도 불구하고 업체의 구상과 사용자의 현실 간의 간극 그리고 디지털 네트워크의 복잡성으로 인해 4–20 mA는 여전히 현장에서 지배적인 위치를 차지하고 있습니다. 그러나 IIoT와 AI의 확산으로 디지털화가 가속되면서 이더넷 기반 프로토콜과 무선 통신이 신규 프로젝트에서 점점 더 보편화되고 있습니다. 디지털 솔루션의 확대는 분명한 트렌드이며, 이를 도입할 준비가 되어 있어야 합니다.

인터넷에 연결된 계기나 라우터를 설치해 본 경험이 있다면 이더넷 케이블을 접해 보았을 것입니다. 많은 사람들은 "이더넷"이 단순히 케이블을 가리키는 줄 알지만, 실제로 케이블은 이더넷 네트워크의 물리 계층에 불과합니다.

이더넷은 이러한 케이블을 통해 다양한 통신 프로토콜을 지원합니다. 대표적인 예로는 일상적인 애플리케이션에서 널리 사용되는 IP(Internet Protocol)와 TCP(Transmission Control Protocol)가 있습니다. 하지만 산업 환경에서는 훨씬 더 복잡한 요구사항을 충족하기 위해 추가적인 프로토콜이 필요합니다.

플랜트 현장에서 컨트롤러는 드라이브, I/O, 워크스테이션의 데이터에 매우 빠르게 접근해야 하며, 네트워크는 마찰, 습기, 온도 변화와 같은 혹독한 조건을 견뎌야 합니다. 이러한 요구를 충족하기 위해 자동화 전문가들은 산업용 이더넷을 개발했고, 그 기반 위에서 PROFINET은 산업 애플리케이션을 위한 견고한 이더넷 기반 프로토콜로 등장했습니다.

PROFINET은 센서나 액추에이터 같은 프로세스 계기를 제어 시스템에 연결하는 이더넷 기반 산업용 통신 프로토콜입니다. PROFINET는 PROFIBUS and PROFINET International(PI)이 여러 산업 파트너와 협력하여 개발했습니다.

이 프로토콜은 IEEE 802 이더넷 표준을 준수하고 IEC 61158 및 IEC 61784에 정의되어 있기 때문에 동일한 네트워크에서 다양한 계기를 원활하게 통합할 수 있습니다. 예를 들어, 프린터와 유량계가 하나의 인프라 내에서 공존할 수 있습니다. 일반적인 가정용 네트워크와 달리, PROFINET은 서브 밀리초 단위의 매우 빠른 사이클 시간을 제공하기 때문에 산업 자동화에 적합합니다.

PROFINET의 구조를 이해하기 위해 네트워크 통신의 7개 계층을 정의하는 ISO/OSI 모델을 참고할 수 있습니다. 이더넷은 일반적으로 다음의 4개 계층을 사용합니다.

• 이더넷: 물리 및 데이터 링크 계층
• IP: 네트워크 계층
• TCP 또는 UDP: 전송 계층
• 기타프로토콜: 특정 기능

PROFINET은 일반적으로 이 모델을 따르지만, 일부 애플리케이션에서는 특정 계층을 생략할 수 있습니다. 예를 들어, Real-Time(RT) PROFINET은 통신 속도를 높이기 위해 네트워크 계층과 전송 계층을 생략합니다.

• TCP/IP: 구성, 설정 및 주기적 읽기/쓰기 작업
• Real-Time(RT): 사이클 시간이 1~10밀리초인 자동화 작업
• Isochronous Real-Time(IRT): 스케줄링된 스위칭을 사용한 고정밀 동기 통신

이러한 계층적 접근 방식을 통해 유연성, 속도, 신뢰성을 높이는 PROFINET은 현대 산업 자동화와 IIoT 통합의 기반으로 자리잡았습니다.

PROFINET은 PROFIBUS에서 사용되던 기존의 마스터-슬레이브 모델을 대체한 공급자-소비자 모델을 데이터 교환에 사용합니다. PROFINET 시스템을 구성하는 계기는 일반적으로 다음 세 가지로 구분됩니다.

• 컨트롤러: 자동화 프로그램을 실행하는 PLC(Programmable Logic Controller)나 DCS(Distributed Control System)를 말합니다. 컨트롤러는 PROFIBUS의 Class 1 마스터와 유사하게 I/O 장치로 출력을 전송하고 입력을 수신합니다.
• 계기: 이더넷 연결을 통해 컨트롤러와 통신하는 센서, 액추에이터 등의 현장 구성요소로, PROFIBUS의 슬레이브와 유사한 역할을 수행합니다.
• 슈퍼바이저: PC, HMI, 진단 도구와 같은 시스템으로, 모니터링, 시운전, 문제 해결 등에 사용되고 PROFIBUS Class 2 마스터에 해당합니다.

PROFINET I/O 시스템에는 최소한 하나의 컨트롤러와 하나의 계기가 필요하지만, 구성은 매우 다양할 수 있습니다. 하나의 계기에 여러 대의 컨트롤러가 연결되거나, 여러 대의 계기에 하나의 컨트롤러가 연결될 수 있고, 심지어 여러 대의 컨트롤러가 여러 대의 계기를 제어할 수도 있습니다. 슈퍼바이저는 주로 시운전이나 진단 중에 일시적으로 사용됩니다.

또한 PROFINET 네트워크에는 스위치, 무선 액세스 포인트와 같은 구성요소도 포함되며, 이들 중 일부는 I/O 장치 역할을 수행해 향상된 진단 기능을 제공할 수 있습니다.

PROFINET I/O 계기를 구성하려면 두 가지 요소가 필요합니다. 하나는 슈퍼바이저 도구이고, 다른 하나는 GSD(General Station Description) 파일입니다. GSD 파일은 계기 제조업체가 제공하며, PROFIBUS에서 사용되는 파일과 유사하지만 XML 기반의 GSDML 형식을 사용합니다.

구성이 완료되면 GSDML 파일이 컨트롤러에 다운로드되고, 연결된 계기와 통신이 설정됩니다. 이후 입력과 출력 같은 주기적 데이터는 컨트롤러와 계기 간에 연속적으로 교환되고, 진단 정보를 포함한 비주기적 데이터는 필요한 경우에 교환됩니다.

PROFIBUS와 PROFINET 중 어떤 것을 선택할지는 애플리케이션의 요구사항에 따라 달라집니다. PROFIBUS는 직렬 통신 기반의 검증된 디지털 프로토콜인 반면, PROFINET는 산업용 이더넷 기반의 최신 프로토콜입니다. PROFINET은 훨씬 더 높은 대역폭과 빠른 통신 사이클을 제공하여 더 큰 데이터 패킷을 전송할 수 있습니다.

다음 표는 PROFIBUS와 PROFINET의 차이점을 정리해 놓은 것입니다.

또 다른 PROFINET의 장점은 무선 기술과의 호환성입니다. 이더넷 기반 표준이기 때문에 Wi-Fi나 블루투스와의 통합이 가능해 모바일 및 원격 연결을 지원합니다.

효율적인 IIoT 시스템을 구축하기 위해서는 연결성과 개방성이 필수적입니다. 실행 가능한 정보를 생성하기 위해서는 정확한 현장 데이터 수집이 중요하며, PROFINET은 현장 계기와 엔드레스하우저의 Netilion 같은 IIoT 생태계 간에 신뢰할 수 있고 투명한 연결을 제공합니다.

PROFINET의 강점 중 하나는 다른 프로토콜과 공존할 수 있다는 점으로, 기존 인프라를 유지하면서 디지털 시대로 전환할 수 있도록 지원합니다. 또한 PROFINET과 함께 OPC UA와 같은 개방형 표준을 사용하여 현장 데이터를 상위 시스템으로 전송함으로써 클라우드 데이터베이스와 원활한 통합이 가능합니다.

PROFINET은 이미 IIoT의 핵심 기술 중 하나이며, 그 역할은 앞으로도 계속 확대될 것입니다.