PROFIBUS 네트워크의 모든 것 & IIoT 서비스와 함께 활용하는 방법

PROFIBUS는 현장 센서와 제어 시스템 또는 컨트롤러 간의 통신을 담당하는 디지털 네트워크입니다. 개발 당시에는 공장 자동화 산업에 PROFIBUS 솔루션을 구현하는 것으로 출발했으며, 이후 프로세스 산업, 제조 산업 등으로 적용 범위가 확대되었습니다.

처음에 개발한 것은 PROFIBUS FMS(Fieldbus Message Specification)라는 복잡한 구조의 프로토콜로, 현재는 사용되고 있지 않습니다. 이후 PROFIBUS DP(Decentralised Peripherals) 프로토콜을 개발했고, 1998년에는 PROFIBUS PA(Process Automation)를 선보였습니다.

현재 PROFIBUS라고 하면 일반적으로 PROFIBUS DP와 PROFIBUS PA를 의미합니다. 이에 더해 이더넷 통신에 기반한 PROFINET도 개발되어 다양한 산업 분야와 애플리케이션에서 이미 폭넓게 사용되고 있습니다.

앞서 언급했듯이, 현재 시장에는 PROFIBUS DP와 PROFIBUS PA가 있습니다. 이제 PROFIBUS DP와 PA가 어떻게 동작하고 어떤 애플리케이션에서 주로 사용되는지 알아보겠습니다.

PROFIBUS DP 네트워크는 RS485 물리 계층과 유럽 표준 EN-50170을 기반으로 한 고속 솔루션으로 개발되었습니다. 물리 계층에서는 구리뿐만 아니라 무선이나 광섬유도 사용할 수 있습니다. PROFIBUS DP는 Decentralized Periphery의 약자로, 중앙 컨트롤러에 연결하기 위해 완전히 분산된 고속 직렬 통신을 사용하는 I/O 연결을 의미합니다.

또한 PROFIBUS DP 프로토콜은 ISO 7498 표준에 따른 OSI(Open Systems Interconnection) 모델을 기반으로 하며, 각 프로토콜 계층마다 역할이 정의되어 있습니다. PROFIBUS DP 네트워크는 멀티 마스터 토큰 네트워크로, 이는 시스템에 두 개 이상의 마스터가 있을 경우 현장 계기와 통신할 수 있는 권한을 부여하는 토큰이 마스터 간에 전달되며, 각 마스터가 통신 시간의 일부를 할당받는다는 것을 의미합니다.

마스터에는 두 가지 클래스가 있습니다. 마스터 클래스 01은 프로세스 제어를 위해 순환 정보를 통신합니다. 마스터 클래스 02(옵션)는 비순환 정보를 통신하며, 진단, 알람, 계기 설정에 사용됩니다. 네트워크 속도는 100~1000미터 시스템에서 9.6 kbp/s에서 최대 12 Mbp/s를 지원합니다. PROFIBUS DP 네트워크의 토폴로지는 선형 구조이며, 게이트웨이, 리피터, 터미네이터를 사용합니다. 마지막으로, PROFIBUS DP 네트워크는 ProfiSafe 프로파일을 지원해 SIL3 안전 애플리케이션에서 사용할 수 있습니다.

초기에 PROFIBUS PA 프로토콜은 HART 통신의 발전형으로 개발되었으며, 측정 계기와 제어 시스템 간의 통신이 필요한 현장 애플리케이션을 위해 설계되었습니다. PROFIBUS PA는 전원과 통신 모두에 차폐 연선 케이블을 사용합니다. 물리적 네트워크 구조는 IEC-61158-2를 준수하며, 네트워크의 데이터 전송 속도는 31.25 kbit/s입니다. 실제로 이는 FOUNDATION Fieldbus H1과 거의 동일하며, 두 프로토콜 모두 동일한 표준을 기반으로 합니다.

개발 당시 31.25 kbit/s의 전송 속도는 현장 계기에서 송수신되는 정보 유형에 충분한 수준이었습니다. PROFIBUS PA 계기는 컨트롤러에 직접 연결되지 않습니다. 컨트롤러는 더 빠른 PROFIBUS DP 네트워크에 위치하고 커플러 또는 링크를 통해 접근됩니다. 이 커플러/링크는 네트워크 인터페이스 역할을 하고 버스에 전원을 공급합니다. PA 네트워크의 큰 장점은 본질 안전 설계가 가능하다는 점으로, 이는 연결된 계기가 방폭 지역에서 작동할 수 있다는 것을 의미합니다.

일반적으로 본질 안전 버스에서는 기존 네트워크에 비해 계기 수가 더 적습니다. 그러나 이는 각 네트워크에서 최적의 계기 수를 결정하는 여러 요인에 따라 달라집니다. 이러한 요인으로는 계기의 소비 전류, 버스 길이, 케이블 유형 등이 있습니다.

이 장에서는 PROFINET에 대해 깊이 있게 다루지 않을 것입니다. PROFIBUS 협회에서 관리하기는 하지만 별도의 프로토콜이기 때문입니다.

PROFINET은 PROFIBUS 프로토콜의 발전형으로 볼 수 있습니다. 오늘날 산업계에서는 이더넷(IEEE 802.3)과 OSI 모델을 기반으로 한 프로토콜을 선호합니다. PROFINET은 제어 시스템부터 현장 통신에 이르기까지 적용이 가능하며, 기업의 생산 영역에서 통합된 수직 네트워크뿐만 아니라 IT의 모든 이점을 제공합니다.

이미 많은 제조업체들이 이더넷 기반 프로토콜을 사용하는 현장 계기를 제공하고 있습니다. 구현 측면에서 또 다른 장점은 이 프로토콜 유형이 잘 알려진 모델을 사용하고 인프라 비용이 낮아 구현이 용이하다는 점입니다. PROFINET은 PROFIBUS의 이더넷 버전으로 간주되어서는 안 됩니다! PROFINET은 이더넷을 기반으로 한 개방형 표준이며 PROFIBUS 프로토콜의 발전형입니다.

PROFINET의 중요한 장점 중 하나는 TCP/IP와의 잠재적 공존으로, 이는 상당한 이점을 제공합니다. 모든 계기는 제어, 진단 등의 기능이 수행되는 하나의 네트워크에 연결됩니다. 일반적으로 게이트웨이는 필요하지 않습니다. 이 표준은 링, 라인, 트리, 스타 등 다양한 토폴로지의 네트워크 구성을 허용합니다. PROFINET은 최대 1000 Mbit/s의 속도로 동작하고, 케이블 길이는 최대 100미터까지 가능합니다. 고속 동작 덕분에 응답 시간은 1 ms 미만입니다.

PROFIBUS는 다양한 산업과 애플리케이션에 구현되어 온 전통적이고 널리 알려진 디지털 통신 프로토콜입니다. 이 프로토콜은 직렬 통신을 기반으로 하며 여러 산업에 많은 이점을 제공해 왔습니다.

PROFINET은 산업용 이더넷을 기반으로 한 프로토콜입니다. PROFINET은 더욱 빠른 통신을 지원하고 더 넓은 대역폭을 제공합니다. 이는 PROFINET 네트워크에서 교환되는 메시지가 PROFIBUS의 메시지보다 훨씬 더 많은 정보를 포함할 수 있다는 의미입니다.

아래는 PROFIBUS International에서 제공한 두 프로토콜의 비교 표입니다.

결국 이는 사용 가능한 최상의 솔루션 중 하나를 선택하는 문제입니다. 그러나 플랜트에 가장 적합한 통신 프로토콜을 구현하기 위해서는 애플리케이션의 요건을 검토하는 것이 여전히 중요합니다.

PROFIBUS and PROFINET International은 전 세계 여러 지역에서 활동하는 대규모 자동화 커뮤니티로, 시장에서 가장 중요한 통신 프로토콜 중 하나인 PROFIBUS와 PROFINET을 관리합니다. 이 조직은 다양한 산업 분야에서 현장 프로토콜에 대한 지식 격차를 줄이는 것을 목표로 하고 있습니다. 이를 위해 이 기술에 대해 논의하는 이벤트를 조직하고 최종 사용자에게 지식을 전달하고 있습니다.

일부 PROFIBUS 사용자는 4-20 mA 시스템처럼 네트워크를 구현합니다. 그러나 네트워크에서 얻은 데이터를 활용하면 현재 상황을 파악하고 문제가 발생하기 전에 대응하는 것이 가능합니다.

기존의 상태 모니터링은 일부 경우에 상당히 복잡해질 수 있습니다. 하지만 현재는 IIoT 서비스를 통해 계기 상태를 손쉽게 모니터링할 수 있으며, 데이터베이스 정보와 문서에 원격으로도 빠르게 접근할 수 있습니다.

현장에서 진단 및 상태 정보를 수집하려면 이른바 필드게이트가 필요합니다. 대표적인 예가 Fieldgate SFG500입니다. 이 계기는 클래스 02 DP 마스터로 동작하며, 현장 계기로부터 모든 데이터를 수집합니다. 이후 필드게이트는 FieldEdge SGC500과 같은 엣지 계기에 연결됩니다.

계기에서 수집된 모든 정보는 보안 환경을 통해 클라우드로 전송됩니다. 여기에서 Netilion Health와 같은 다양한 IIoT 서비스를 사용해 현장 계기의 상태를 모니터링할 수 있습니다.

동시에 Netilion Library를 사용하면 기술 매뉴얼, 교정 보고서 등 현장 계기와 관련된 모든 문서를 체계적으로 정리할 수 있습니다.

마지막으로, 설비 기반을 더 효율적으로 관리할 수 있습니다. Netilion Analytics는 엣지 계기와 함께 계기의 디지털 트윈을 생성하여 계기 유형, 제조업체, 중요도, 노후화 여부 등 설비 기반과 관련된 모든 정보를 제공합니다.