제조공장 및 플랜트에서의 최대 과제는 생산성 향상이다. 새로운 프로젝트에 대한 투자는 시장의 최신 요구에 보다 빠르게 대응하는 신상품으로 탈바꿈하고자 노력한다. 또한 경쟁사보다 더욱 빨리 시장으로의 도달시간을 더욱 앞당길 필요가 있다. 이를 위해 생산초기 단계의 공장제어 레벨을 비롯하여 회사의 업무레벨에 이르기까지를 하나의 유연한 정보망으로 구축할 필요가 있다. [편집자 주]
혁신적이고 개방화된 산업용 이더넷, PROFINET
수직적 통합의 중요성에 대한 증대는 현대적 의미의 자동화 전반에서 산업부문 통신이 얼마나 결정적 역할을 수행하는지 여실히 보여준다. 산업용 이더넷에 기반한 개방형이고 벤더간 호환이 가능한 국제 표준의 Profinet은 회사 업무관리 차원의 레벨에서 하위의 제반 현장 레벨에 이르는 적접적이고 투명한 접근을 제공한다.
Profinet은 필드레벨에서 관리차원의 레벨에 이르기까지의 장치들을 연동하도록 지속적인 발전을 거듭하고 있는 이더넷(Ethernet) 기반 기술을 사용한다. 따라서 사내 통신의 단일성과 지속성, 투명성을 고루 갖추고 산업적 수행능력을 연동시키고 있다.
Profibus International이 2000년 8월 보도 기관 회의에서 최초로 언급한 이래 4년 후 Profinet(PROcess FIeld NET)의 기본이 공개되었다. 여기에는 설치 기술, 실시간 통신, 네트워크 관리 및 웹 통합 기능이 포함된다.
상이한 유형의 어플리케이션에 대한 최적의 지원을 제공하기 위하여, Profinet은 두 가지 가능성들을 제공한다.
분산형 입출력 장치 통합을 위한 Profinet IO와 분산형 자동화에서 모듈 방식의 설비를 만들어내기 위한 Profinet CBA. 프록시 개념을 통하여, Profinet은 필드버스 시스템의 균일한 통합을 가능하게 한다. 이것은 설비확장의 단순화를 가능하게 하는 중요한 기능이다. 하지만, Profinet은 산업용 이더넷 기반 자동화 설비를 위한 최적의 통신 시스템 이상의 것이다.
Profinet은 산업용 자동화 설비에서 이더넷을 사용하는 데 있어서 요구되는 모든 것을 충족하는 포괄적인 표준이며, 컨트롤서 레벨에서의 통신, 입/출력 시스템을 갖춘 표준 자동화 제어 기계, 그리고 강력한 모션 컨트롤 어플리케이션 까지도 포함한다. 따라서, Profinet은 모든 자동화 제어 어플리케이션에 적합하다.
Profinet의 발전은 여전히 계속되고 있다. 모션 컨트롤 어플리케이션을 가능하게 하기 위하여 Profidrive 프로파일을 Profinet으로 전환하는 것뿐만 아니라 보안과 안전과 같은 토픽들을 정의하기 위한 연구가 계속되고 있다. MES 레벨 인터페이스로 향하는 초기 단계인 유지 관리 운영에 관한 토픽 또한 시작되었다.
공정 자동화와 관련하여, Profinet 사용에 대한 요구사항은 현재도 정의되고 있다. 워킹 그룹(WG)인“Train Application”설립을 통하여, 최초의“순수”Profinet 프로파일에 대한 연구가 시작되었다.
Profinet IO
Profinet IO는 이더넷상에서 분산 필드 장치의 직접적 인터페이스를 가능하게 한다. 사용되는 모든 장치들은 일관적인 네트워크 구조에 연결되어 있으며, 따라서 전체 생산 설비에 걸친 일관적인 통신을 제공한다. Profibus DP 사용자 뷰는 구성, 프로그래밍, 진단에 주로 적용되어왔다.
Profinet IO는 데이터 매개변수화와 진단뿐만 아니라 IO-Controller와 IO-Device간의 완벽한 데이터 교환을 명확하게 한다. 그것은 수 밀리세컨드의 버스 사이클 타임을 가진 빠른 데이터 교환에 적합하게 설계되어 있으며, Provider/Consumer 모델에 기반을 두고 있다. 종속 Profibus 세그먼트상의 필드 장치들은 프록시를 사용하여 Profinet IO 시스템으로 통합될 수 있다.
Profinet CBA
Profinet CBA (CBA: Component Based Automation)는 자동화 설비에 관한 추가적 관점을 분명하게 한다. CBA에 대한 기본적 개념은 자동화 설비가 많은 경우에 있어서 독자적 구성 장치, 즉 소위 말하는 기술 모듈로 구분될 수 있다는 점이다. 또한 설계와 기능성은 일부 구성 장치에서 동일하거나 약간 변형된 형태로 되어 있을 수 있다.
그러한 기술적 모듈은 일반적으로 관리 가능한 입력 신호들로 제어된다. 그러한 모듈들은 사용자가 작성한 제어 프로그램에 의해서 정의되는 기능성을 가지고 있으며, 이러한 방식으로 만들어진 신호들을 다른 컨트롤러에게 출력한다.
Profinet 컴포넌트들은 기계 시스템에서 입력장치와 출력장치를 가지는 모듈을 대표하는 것들이다. 이러한 것들은 벤더와는 독립적으로 만들어지고, 컴포넌트 기반 시스템의 통신은 프로그램화되어 있다. Profinet CBA는 특이 사항 및 결정적(deterministic) 통신을 지원하며, 10ms까지 이르는 전송 주기를 가지기 때문에 컨트롤러간 통신에 매우 적합하다.
실시간 통신
Profinet 통신은 3단계로 측정된다. Profinet CBA는 TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol)와 실시간 통신 (RT) 모두를 사용하며 100ms (TCP/IP)에서 10ms (RT)의 크기 순서로 된 사이클 타임을 가능하게 한다. 이것은 PLC 간의 통신을 위해서 자주 사용된다.
Profinet IO는 프로세스 데이터 교환을 위하여 독점적으로 실시간 통신을 사용한다. 10ms 크기 순서로 달성될 수 있는 주기를 가지고 있기 때문에, Profinet IO는 분산 입/출력 부분(공장 자동화 설비)에서 사용하기에 매우 적합하다.
등시성 실시간 통신 (IRT)은 1ms 크기 순서의 사이클 타임을 가능하게 하고, 따라서 모션 컨트롤부분에서 사용하기에 매우 적합하다.
Profinet CBA는 기본적으로 TCP/IP를 사용하는 컴포넌트 기반 통신과 컴포넌트들과의 실시간 통신으로 구성된다. Profinet IO는 분산 입/출력 기능을 가진 실시간(RT) 통신과 등시성 실시간 통신(IRT)을 사용한다.
필드버스 통합
Profibus는 이미 1천만 개 이상의 노드들이 설치되어있다. 또한 필드버스의 리더인 Profibus는 기존의 Profibus 시스템을 Profinet과 인터페이스를 통해 연결하기 위한 간단하고 빈틈없는 이행 전략을 제공할 의무를 수행하기 위하여 연합하고 있다. 이러한 목적을 위하여, Profinet은 이미 설치된 필드 장치들을 추가적인 변경 없이 Profinet으로 통합할 수 있게 해주는 프록시 개념을 지원하고 있다.
프록시는 대부분 2개의 주요 컴포넌트들, 즉 이더넷 기반 장치와 필드버스 장치, 예를 들면 Profibus DP Master로 구성되어 있다. 이는 구성되어진 Slave들의 모든 I/O와 진단 데이터의 교환이 보장됨을 의미한다. 그 결과값은 공통 메모리에서 DP 마스터에 의해서 저장된다. 예를 들어, Profinet CBA를 사용하는 경우, 프록시의 Profinet 장치는 이 메모리에 접근하여 거기에 존재하는 데이터를 구성된 링크를 통하여 각각의 컨슈머(데이터 소비자)에게 전송한다. 만약 컨슈머가 Profibus 장치에 존재한다면, Profibus DP 마스터는 도달 연결 데이터를 다음 Profibus 주기에 각각의 다음 Profibus 종속장치에 전송한다.
보안
자동화 부문에서는 다음과 같은 트랜드가 오랫동안 인식되어왔다.
상대적으로 절연된 셀 또는 아일랜드 솔루션(island solution)이 네트워크화되고 점차 동종화되는 자동화 구조에 의해서 대체되고 있다. 오늘날 기본적으로 어떠한 장소에서도 원격의 PLC와 통신을 하는 것이 가능하다.
이것은 기계 작동 중 그리고 장치 호출 시에 오류가 일어날 가능성이 증가한다는 것을 의미할 수 있으며, 또한 스파이 활동과 방해 활동의 가능성이 증가한다.
자동화 부문의 이더넷 사용 증가, 인터넷을 통한 원격 유지 보수가 가능하게 된 점, 사무실 네트워크 또는 회사의 사내 망과 공장 네트워크의 상호 연결은 예외적인 사항이 아니다.
사무실 부문에서 도출된 보안 개념은 자동화 부문의 특별한 요구사항에 거의 적합하지 않기 때문에, 자동화 기술에 적합한 새로운 보안 개념에 대한 발전이 필요하다. 단기간의 네트워크 고장조차도 사람들과 기계들에게 생산측면의 손해 또는 엄청난 위험을 초래할 수 있으므로, 이러한 개념들은 사용하기에 간편하고, 자동화 기술의 특수 필요요건, 프로토콜, 네트워크 위치에 맞아야 한다.
Profinet 보안 개념은 이더넷 기반 자동화 시스템의 고도의 네트워크 보안 요건들을 고려하고 있다. 이러한 개념은 접근 통제, 데이터 암호화, 인증 및 보안 관련 사안들의 기록을 망라한다.
보안 개념의 핵심은 자동화 네트워크의 보안지향적 분할이다. 이로써, 보호된 자동화 셀들이 생성된다. 셀 안에 있는 네트워크 노드들은 스위치 또는 보안 설비와 같은 특수 보안 네트워크 컴포넌트들에 의해서 보호된다.
이러한 네트워크 컴포넌트들은 그러한 셀을 오가는 데이터 전송을 제어하고, 접근 권한에 의해서 사전에 인증을 받은 경우에만 전송을 허용한다.
특수 보안 클라이언트 소프트웨어는 클라이언트 PC 가 보호된 PLC 에 접근하기 위하여 사용된다. 데이터 터미널은 고유의 보안 기능성을 필요로 하지 않는다. 보호된 셀 간의 데이터 전송 또는 클라이언트와 셀 노드 간의 데이터 전송이 추가적으로 암호화될 수 있으며, 따라서 데이터에 대한 스파이 행위나 데이터 복제로부터 신뢰할 정도로 보호될 수 있다. 이것은 특히 예를 들어 목적에 맞는 서비스를 제공하기 위하여 인터넷을 통한 원격 접근이 필요한 경우와 같이 무보안 네트워크(non-secured network)를 통한 통신의 경우에 관심을 끌만한 것이다.
Profinet을 사용한 모션 컨트롤
Profinet을 사용함으로써 더 많은 숫자의 축, 더 많은 데이터 양, 단축된 주기를 가지는 모션 컨트롤 어플리케이션의 구현이 가능하다. Profinet의 실행에 필요한 대응 활동들은 2004년 여름에 Profibus 인터내셔널의 Profidrive 워킹 그룹에 의해서 시작되었다. 이러한 활동들의 목표는 간편한 전환이 가능하도록 Profibus에 맞게 정립되어 있는 Profidrive 프로파일을 Profinet에 매핑하는 것이다.
기능성과 인터페이스 모델링은 변함이 없다. Profidrive@Profinet은 알려진 어플리케이션 시나리오와 변하지 않는 사용자 관점에 적용되며, 이것은 장치를 변환시킬 때 사용자 프로그램을 바꿀 필요가 없다는 것을 의미한다.
Profidrive@Profinet은 통신에 있어서는 실시간 (RT) 통신과 등시성 실시간(IRT) 통신에 적용된다.
Profinet상의 안전
안전 공학은 많은 자동화 시스템의 핵심 구성 요소이다. 이러한 문제가 과거에는 전통적인 중계 기술을 사용하여 해결되었던 반면에, 현재의 트랜드는 개방형 표준화 통신 시스템상의 통합으로 기울고 있다. 특수한 목적의 버스들은 점차 줄고 있다. 예를 들어서, 자동차 산업은 좀 더 안전한 Profinet 통신을 이용한 신속한 구현을 요구하고 있다.
결과적으로, Profinet IO에서 사용자와 친숙하고 안전한 데이터 전송을 달성하기 위한 활동들이 2004년 중반에 Profibus 인터내셔널에 의해서 시작되었다. 회원사들이 검토를 하기 위한 초안 사양은2005년 하노버 무역 박람회에서 완성되었다. TUV와 직업 안전을 위한 연방 협력 기관 (Federal Cooperative Institute for Occupational Safety, BIA)과의 필요한 협력이 이미 시작되었다.
Profinet IO에 기초하여, 검증된 Profisafe의 프로토콜이 적용될 것이며, 그에 따라서 “블랙 채널” 원칙을 이용하게 될 것이다. Category 4와 SIL3(Safety Integrity Level 3) 에 이르는 안전 어플리케이션에 적합한 안전 솔루션을 사용하는 것이 가능해질 것이다.
[이상]
김철민 기자 (min@icnweb.co.kr)
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