필드버스 개요, 기능과 동작방식의 이해

1. 필드버스 개요

Fieldbus는 이더넷 스위치 및 센서와 같은 입력 장치가 각 항목을 컨트롤러에 다시 연결할 필요 없이 밸브 및 드라이브와 같은 출력 장치와 통신할 수 있도록 하는 산업용 컴퓨터 네트워크 모음입니다.

 

• Fieldbus는 주로 IEC61158에 의해 정의되는 산업 환경에서 사용되는 표준화된 프로토콜의 모음입니다.
• 이는 산업 자동화 시스템의 다양한 장치 간에 원활한 데이터 전송을 가능하게 하는 통신 프로토콜 모음입니다.
• 이러한 프로토콜은 센서 및 액추에이터와 같은 현장 장비의 실시간 제어 및 모니터링을 허용하여 산업 프로세스의 효율성과 유연성을 향상시킵니다.
• Fieldbus는 통신을 위한 표준 언어를 제공하여 복잡한 산업 네트워크에서 상호 운용성을 향상시키고 데이터 전송을 단순화하여 자동화, 신뢰성 및 전반적인 시스템 성능 향상에 기여합니다.

 

 

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2. 필드버스 응용분야

• Fieldbus는 실시간  분산 제어가 필요한 산업 자동화 어플리케이션에서 널리 활용됩니다.
• 제조 시설, 공정 산업 및 기타 산업 환경에서 사용됩니다. 필드버스 기술은 주로 두 개의 장치에 국한된 RS232 직렬 통신과 같은 이전 통신 기술을 대체했습니다.
• Fieldbus는 다양한 장치를 네트워크에 연결하여 산업 공정의 통신 및 관리를 개선하고, 향상된 유연성, 효율성 및 광범위한 필드 장치를 단순화된 방식으로 모니터링 및 관리할 수 있는 용량을 제공합니다.

 

3. 필드버스 네트워크 토폴로지

산업용 필드버스의 요소는 다양한 방식으로 배치할 수 있습니다. 가장 일반적인 산업용 필드버스 구성은 다음과 같습니다.

 

 

1) 링 : 링 토폴로지에서 각 노드는 양쪽에 하나씩 있는 두 개의 다른 노드에 물리적으로 연결되어 연속적인 순환 데이터 흐름을 설정합니다.

 

2) 라인 : 데이지 체인(daisy chain) 또는 버스 토폴로지(bus topology)라고도 하는 라인 토폴로지는 호스트 컴퓨터에 라인으로 하나씩 연결된 노드로 구성됩니다.

 

3) 스타: 스타 아키텍처에서 각 장치는 데이터 전송을 위한 통로 역할을 하는 중앙 허브 또는 노드에 연결됩니다.

 

4) 트리: 트리 또는 브랜치 토폴로지는 라인 토폴로지로 연결된 스타 네트워크를 통합하고 나무의 가지와 유사한 하이브리드 토폴로지입니다.

 

 

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4. 필드버스 기능 

• Fieldbus는 측정 및 제어 장비를 연결하고 통합하기 위해 산업 환경에서 사용되는 완전 디지털, 직렬, 양방향 통신 시스템입니다.
• 이를 통해 센서, 액추에이터 및 컨트롤러와 같은 다양한 장치의 상호 작용을 촉진하여 산업 자동화 시스템 내에서 효과적인 데이터 교환 및 실시간 제어가 가능합니다.
• 일반적인 지점 간 연결과 마찬가지로 필드버스 시스템은 어떤 면에서는 이더넷과 유사하지만 통신 규칙 및 표준을 지정하는 일련의 프로토콜이 포함되어 있습니다.
• 이 기술을 사용하면 여러 현장 장비를 단일 지점에 연결할 수 있어 통신을 용이하게 하고 산업 프로세스의 유연성과 제어를 향상시키는 데 기여합니다.

 

5. 필드버스 종류

필드버스 네트워크에는 다양한 사례가 있으며, 각 네트워크는 특정 산업 용도와 요구에 맞게 맞춤화됩니다. 주목할만한 Common Fieldbus 프로토콜 중 일부는 다음과 같습니다.

 

 

1. 파운데이션 필드버스: 프로세스 자동화에 사용되는 FOUNDATION Fieldbus는 센서 및 액추에이터와 같은 필드 장치 간의 통신을 가능하게 합니다.
2. 디바이스넷: ODVA 제품군의 일부인 DeviceNet은 일반적으로 공장 현장에서 산업용 장치를 연결하는 데 사용됩니다.
3. 컨트롤넷: 또한 Allen-Bradley 제품군의 일부인 ControlNet은 산업 자동화의 고속 및 고신뢰성 어플리케이션을 위해 설계되었습니다.
4. 모드버스: 장치 간의 직렬  통신에 널리 사용되는 Modbus는 간단하고 강력한 프로토콜입니다.
5. 프로피버스: 프로세스 자동화와 공장 자동화 모두에 사용되는 PROFIBUS는 다양한 애플리케이션에 대한 다양한 통신 프로필을 지원합니다.
6. 이더캣: 고속 통신 기능으로 잘 알려진 EtherCAT은 신속한 데이터 교환이 중요한 응용 분야에서 자주 사용됩니다.
7. CANopen: 임베디드 시스템 및 자동화에 일반적으로 사용되는 CANopen은 CAN(Controller Area Network) 프로토콜을 기반으로 합니다.
8. 이더넷/IP: 이것은 제조 및 공정 제어에 널리 사용되는 산업용 이더넷 프로토콜입니다.
9. 프로피넷: 산업 자동화에 사용되는 실시간 이더넷 표준인 Profinet은 TCP/IP 및 실시간 통신을 모두 지원합니다.
10. IO-링크: 센서/액추에이터와 컨트롤러 간의 지점 간 통신을 위해 설계된 IO-Link는 산업용 센서 및 장치를 연결하는 데 사용됩니다.
11. HART(Highway Addressable Remote Transducer): 전통적인 의미의 필드버스는 아니지만 HART는 프로세스 자동화에 사용되는 디지털 통신 프로토콜입니다.

이 예는 서로 다른 산업 응용 분야에 맞게 조정된 다양한 필드버스 네트워크를 강조하고 산업 자동화 분야에서 액세스할 수 있는 다양한 통신 옵션을 보여줍니다.

 

 

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6. 필드버스 동작방식

Fieldbus는 센서, 액추에이터 및 컨트롤러와 같은 산업 환경에서 수많은 필드 장치의 상호 작용을 지원하는 완전 디지털 직렬 통신 시스템을 제공하여 작동합니다. 다음은 Fieldbus 작동 방식의 주요 측면입니다.

 

 

1) 단일 접속점

Fieldbus를 사용하면 여러 필드 장치를 통신 허브 역할을 하는 단일 중앙 지점에 연결할 수 있습니다. 그런 다음 중심점을 컨트롤러에 연결하여 네트워크 통신 시스템을 생성합니다.

 

2) 패킷화된 통신

Fieldbus 시스템에서 정보는 작은 데이터 패킷의 형태로 교환됩니다. 이러한 패킷은 순차적으로 전송되고 시간이 지남에 따라 멀티플렉싱되어 장치와 컨트롤러 간에 데이터를 효율적으로 전송합니다.

 

3) 순차 및 다중화 전송

Fieldbus는 병렬 전송이 아닌 순차 시스템을 사용하여 데이터 패킷을 전송합니다. 이러한 순차적 전송은 다중화와 함께 통신 채널 활용도를 향상시키고 효과적인 데이터 교환을 보장합니다.

 

4) Point-to-Point 링크 제거:

Fieldbus는 각 장치가 컨트롤러에 직접 연결되는 일반적인 지점 간 통신 기술과 비교하여 각 필드 장치와 컨트롤러 간의 개별 링크의 필요성을 줄여줍니다. 이 설계는 배선 복잡성과 필요한 연결 라인의 수를 줄입니다.

 

5) 장치 연결성 향상:

Fieldbus를 사용하면 모든 정보가 교환되는 단일 연결 지점을 설정하여 많은 수의 장치를 단일 컨트롤러에 연결할 수 있

습니다. 이러한 확장성을 통해 자동화 시스템은 수백 개의 장치를 통합할 수 있습니다.

 

 

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7. 필드버스 시스템 구조

필드버스 시스템은 4개 레벨로 나뉘며 각 레벨은 복잡성이 증가합니다.

 

1) 센서 버스 네트워크:

이 기본 레벨에는 단일 네트워크 케이블에 연결된 리미트 스위치와 같은 기본 필드 장치가 포함됩니다. 컨트롤러에서 출력 신호를 알람 또는 표시등과 같은 액추에이터 장치로 전송합니다.

 

2) 장치 버스 네트워크

더 큰 규모로 작동하는 이 레벨은 수많은 센서, 액추에이터, 가변 속도 드라이브 및 모터 제어 센터를 연결합니다. 이를 통해 네트워크 내의 개별 요소를 제어할 수 있습니다.

 

3) 제어 버스 네트워크

공장 현장에서 가장 복잡한 네트워크 중 하나인 제어 버스 네트워크는 높은 수준의 데이터 통신을 용이하게 합니다. PLC(Programmable Logic Controller)와 스마트 기기는 상호 연결되어 있으며 포괄적인 구성 및 제어를 위해 HIP(Human Interface Panel)에 연결됩니다.

 

4) 엔터프라이즈 버스 네트워크

필드버스 시스템에서 가장 높고 복잡한 수준인 엔터프라이즈 버스 네트워크(정보 수준 네트워크라고도 함)는 모든  컴퓨터와 부서를 상호 연결합니다. 광범위한 데이터 수집, 파일 전송 및 컴퓨터 모니터링을 포함하는 컴퓨터 기반입니다.

 

 

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8. 필드버스의 장점

1) 케이블 요구 사항 감소

필드버스를 사용하면 수백 개의 장치를 단일 지점에 연결할 수 있으므로 병렬 배선 구성에 비해 필요한 케이블 수를 크게 줄일 수 있습니다. 이를 통해 네트워크 인프라가 간소화되고 케이블 길이가 최소화됩니다.

 

2) 비용 절감

케이블 요구 사항이 줄어들면 시스템이 단순화될 뿐만 아니라 비용도 절감됩니다. Fieldbus는 광범위한 개별 장치 연결의 필요성을 제거함으로써 네트워크 설정 및 유지 관리와 관련된 비용을 크게 절감합니다.

 

3) 설치의 용이성

필드버스 시스템은 유선형 케이블링 구조로 인해 병렬 배선에 비해 설치가 더 쉽습니다. 관리해야 할 케이블 수가 적기 때문에 Fieldbus 시스템의 계획, 설치 및 구성에 시간과 노력이 덜 필요합니다.

 

4) 신뢰성 향상

필드버스 시스템은 병렬 배선보다 더 높은 신뢰성을 나타내는 경우가 많습니다. 짧은 신호 경로는 시스템 가용성을 향상시키며, 이 기술은 특히 아날로그 값의 경우 간섭에 대한 더 나은 보호를 제공합니다. 이는 보다 안정적이고 신뢰할 수 있는 산업 네트워크에 기여합니다.

 

 

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9. 필드버스 사양

필드버스 표준의 구조는 IEC(International Electrotechnical Commission) 프레임워크, 특히 산업용 통신 네트워크의 사양 및 프로필을 정의하는 IEC 61158 및 IEC 61784에 따라 구성됩니다. 

 

 

1) IEC 61158: 산업용 통신 네트워크용 필드버스 사양

1. IEC 61158-1 Part 1: IEC 61158 및 IEC 61784 시리즈 개요 및 지침.
2. IEC 61158-2 PhL: 파트 2: 물리적 계층을 설명하고 서비스를 정의합니다.
3. IEC 61158-3-x DLL: 파트 3-x: 데이터 링크 계층 서비스의 정의 – 유형 x 요소.
4. IEC 61158-4-x DLL: 파트 4-x: 데이터 링크 계층 프로토콜에 대한 세부 정보 – 유형 x 부품.
5. IEC 61158-5-x AL: 파트 5-x: 애플리케이션 계층 서비스 정의 – 유형 x 요소.
6. IEC 61158-6-x AL: 파트 6-x: 애플리케이션 계층에 대한 프로토콜 정의 - 유형 x 요소.

IEC 61158 표준은 여러 계층으로 나뉘며 각 계층은 서비스 및 프로토콜로 더 분류됩니다. 필드버스는 서로 다른 유형으로 통합되며 각 부분은 하위 부분으로 세분화되며 각 프로토콜 유형에는 고유한 하위 부분이 있습니다.

 

 

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2) IEC 61784: 산업용 통신 네트워크 – 프로파일

1. IEC 61784-1: 이산 및 연속 제조를 위한 산업 제어 시스템의 필드버스 애플리케이션을 위한 프로파일.
2. IEC 61784-2: 실시간 애플리케이션의 ISO/IEC 8802 3 기반 통신 네트워크에 대한 추가 프로필.
3. IEC 61784-3: 기능 안전 필드버스 – 프로파일 및 일반 지침의 정의.
4. IEC 61784-3-n: 기능 안전 필드버스 – CPF n에 대한 추가 사양.
5. IEC 61784-5-n: 필드버스 설치 중 CPF n에 대한 설치 프로필.

 

IEC 61784 시리즈는 IEC 61158의 다른 부분을 사용하여 작동하는 시스템을 조립하기 위한 지침을 제공함으로써 IEC 61158을 보완합니다. 여기에는 연속 및 개별 제조를 위한 프로필, 실시간 애플리케이션을 위한 추가 프로필, 기능 안전을 위한 프로필이 포함됩니다.

 

3) IEC 62026: 컨트롤러-장치 인터페이스(CDI)

프로세스 자동화 및 개별 제조에서 필드버스 네트워크의 다양한 요구 사항을 해결하기 위해 IEC 62026은 컨트롤러-장치 인터페이스(CDI)를 지정합니다. 

1. IEC 62026-1: 일반 규칙.
2. IEC 62026-2: 액추에이터 센서 인터페이스(AS-i).
3. IEC 62026-3: 디바이스넷.
4. IEC 62026-7: 컴포넷.

이러한 표준은 장치 네트워크의 다양한 측면을 다루며 다양한 유형의 필드버스 시스템에 특정한 규칙과 인터페이스를 제공합니다.

 

 

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10. 산업용 필드버스 프로토콜 개요

아래 표는 다양한 필드버스 프로토콜에 대한 포괄적인 개요를 제공하며 속도, 최대 거리, 최대 노드, 토폴로지 및 사용 사례와 같은 주요 매개변수를 강조합니다. 이러한 프로토콜의 특성을 이해하는 것은 산업 자동화 솔루션의 설계 및 구현에 관여하는 엔지니어와 전문가에게 필수적입니다.

 

필드버스 프로토콜	속도	최대 거리	최대 노드 수	토폴로지	응용분야
모드버스	31.25kbit/s - 1Mbit/s	1.2km(RS485), 가변(TCP/IP)	247 (RS485), 253 (TCP/IP)	100m - 9.6km(속도에 따라 다름)	광범위한  산업 제어 시스템
프로피버스	9.6 kbit/s - 12 Mbit/s	100m - 9.6km (속도에 따라 다름)	127	트리, 스타	공장 및 공정 자동화에 적용
디바이스넷	125 kbit/s - 500 kbit/s	500 m (125 kbit/s의 경우)	64	트렁크/드롭	자동차 산업 및 산업 자동화에 활용
이더캣	100Mbit/s	100m(장치 간)	65535	라인	실시간 산업 제어 시스템 지원
이더넷/IP	10Mbit/s - 1Gbit/s	100m(구리 이더넷), 최대 40km (광섬유 유형)	무제한	스타, 트리, 라인	자동화 및 공정 제어의 다양한 응용 분야
CAN (제어 영역 네트워크)	50 kbit/s - 1 Mbit/s	40m(1Mbit/s의 속도)에서 1km(50kbit/s의 속도)까지	127	버스, 스타	자동차 및 산업 제어 시스템에 널리 채택
프로피넷	100Mbit/s - 1Gbit/s	100 m (구리 이더넷), 최대 40 km (광섬유 타입)	무제한	라인, 스타, 링	산업 자동화 및 공정 제어의 핵심 역할
AS-인터페이스 (AS-i)	167kbit/s	100 m (리피터로 확장 가능)	62	라인, 트리, 스타	단순 또는 바이너리 장치 통합(예: 스위치 및 센서)
CC-링크	10Mbit/s	100 m (리피터 사용 시 1.2 km까지 연장 가능)	64	라인, 스타, 링	주로 Mitsubishi PLC 및 아시아 시장에서 사용
파운데이션 필드버스 H1	31.25kbit/s	1900 미터	32	버스, 스타, 트리	프로세스 자동화 및 지능형 장치에 적용
세르코스 III	100Mbit/s	100m(구리 이더넷), 최대 80km (광섬유 유형)	511	링	주로 서보 드라이브 및 공작 기계에 사용
파워링크	100Mbit/s	100 m (Copper Ethernet), 최대 40 km (Fiber Optic type)	240	라인, 링	실시간 I/O 및 드라이브 통합
모드버스-플러스	1Mbit/s	1.6km	64	피어 투 피어 (Peer to Peer)	Modicon PLC에 맞춤 제작

 

이 포괄적인 비교는 특정 산업 자동화 요구 사항에 따라 가장 적합한 필드버스 프로토콜을 선택하는 데 도움이 되며, 다양한 응용 분야에서 최적의 성능과 신뢰성을 보장합니다.