|
[산업용 통신망 시대 열리다] 산업용 무선 제어망, 유선 필드버스 한계를 넘다 |
산업 공장 분야로 적용할 수 있는 무선 재어망 기술에는 IEEE 802.11 그룹과 IEEE 802.14.1의 블루투스, 그리고 IEEE 802.14.5의 센서 네트워크가 있다. 이 글에서는 첫 번째로 무선 기술이 공장 환경에서 실시간 처리되기 위해 해결해야 할 문제점을 분석하고, 공장 환경에서 도움이 될 수 있는 성숙한 무선 기술에 대하여 살펴본다. 마지막으로 적용할 수 있는 무선 기술과 기존에 사용되던 유선 기술을 접목하여 효율적으로 사용할 수 있는 방안과 문제점의 해결 방안을 살펴봄으 로써, 무선 기술을 산업 공장 기기에 효과적으로 적용할 수 있는 가능성을 제시한다.
김동성 금오공과대학교 전자공학부 교수 (dskim@kumoh.ac.kr)
산업 환경에서 사용되는 무선 제어망 기술은 기기의 이상과 오작동 알람 등 의 비주기적 긴급 데이터, 기기의 상태 및 제어를 위한 주기적 I/O 데이터의 전송을 위해 신뢰성과 실시간성을 만족 해야한다[1][2].
이러한 제약들로 인해 현장에서는 대 부분 유선기반의 제어망과 필드버스 기 술들이 사용되어 왔다. 하지만 최근 들 어 무선통신 기술의 성능과 신뢰성이 향상되고 노드 당 가격이 저렴해지면서 무선통신 기술을 이용한 무선 제어망에 대한 연구들이 진행되고 있다.
무선 기술의 적용은 장비들의 연결 성, 케이블링과 같은 유선 필드버스의 한계를 극복할 수 있고, 산업용 시스템 의 유연성(flexibility)을 높일 수 있는 장점들이 있다. 이로 인해 그림 1과 같 이 기존 무선 기술의 장점들과 필드버 스의 요구 사항들을 바탕으로 IEEE 802.15.4 기반의 Wirless HART, ISA100.11a 무선 제어 기술들이 연구 되고 있다[1][2][3].
이 글에서는 산업 환경에서 무선 필 드버스 기술의 문제점들을 분석하고 WirelessHART 및ISA100.11a 기술들 을 통해 무선 필드버스 기술과 그 연구 사례들을 살펴본다.
산업용 무선 제어 통신망의 설계 방법
무선 채널과 무선 송수신기를 이용 한 무선 필드버스 기술을 산업용 환경 에 적용하기 위해서는 극복해야 할 여 러 가지 문제가 있다.
무선 채널과 무선 송수신기를 이용 한 무선 필드버스 기술을 산업용 환경 에 적용하기 위해서는 극복해야 할 여 러 가지 문제가 있다. 그중에 대표적인 것들로 이중화, 경 로손실, 송수신기의 반이중방식으로 인한 제한, 물리 계층의 오버헤드, 그 리고 예측이 어려운 채널 에러 등이 있 다[1].
또한 유선 필드버스에 무선통신 기술을 적용하기 위해서는 다음과 같은 문제들을 예로 들 수 있다.
WorldFIP[4]에서와 같이 공급자-분 배자-수요자(Producer-Distributor- Consumer) 전달 모델을 사용한다고 할 때, 해결할 수 없는 일관성 문제가 제기될 수 있다.
Profibus[4]와 같은 필드버스 시스템 에서 토큰 패킷의 반복되는 손실은 논 리 고리 (Logical Ring)의 안정성에 심 각한 영향을 미친다.
궁극적으로는 이동성에 대한 대처방 안이 없기 때문에 이에 적절한 방안이 필요한 토큰-패싱(Token-Passing) 프 로토콜이 필요하다. 이런 이유로 토큰 패싱 기반의 무선 제어망 기술들이 연구됐다.
CAN[4]과 같은 필드버스 시스템을 사용하는 방식에서는, 미디어 접근 제 어(MAC) 기법으로 패킷 충돌을 회피할 수 있는 결정론적 방식(Deterministic Mechanism)을 사용해야 한다. 이로 인 해 반이중(Half-duplex) 방식을 사용해 야 한다는 제약조건이 존재한다. 그래 서 CSMA(Carrier-Sense Multiple Access) 방식에 의존하는 프로토콜은 무선 방식에 부적합하다.
현재까지는 그림 2와 같은 게이트웨 이를 이용한 유무선 하이브리드 네트워 크에 대한 연구 사례들이 많이 연구됐 다[5][6].
이 유무선 하이브리드 네트워크는 무선통신 네트워크를 통합하기 위해 유무선 중계 장치들을 이용하고 사용 했다. 이를 위해서는 각 이종 유무선 망간의 시각 동기화와 중계 장치로 인 한 전송 지연 등이 설계 시에 고려되어 야 한다.
산업용 무선 제어망의 2가지 설계 방식
무선 필드버스의 물리 계층은 그림 3 과 같은 WLAN(Wireless Local Area Network) 또는 WPAN(Wireless Personal Area Network) 표준들을 사 용할 수 있다. 전송 속도나 서비스 영역 등이 무선 필드버스의 요구 사항들에 부합할 경우 하위층 표준으로 사용될 수 있다.
물리 계층보다 상위 계층에 대해서는 데이터 링크 계층이나 이미 존재하고 있는 필 드버스 표준 규격들로부터도 해법을 도 출할 수 있다.
애플리케이션 계층의 경우도 기존의 방법을 응용하는 것이 유리하다. WirelessHART의 경우는 유선 필드버 스인 HART의 애플리케이션 계층 프로 토콜을 사용했다[8].
또는 MMS[4] 같은 응용 계층을 바탕 으로 설계하는 방법도 대안이 될 수 있 으며 프로피버스와 FIP 경우 애플리케 이션 계층 프로토콜들이 MMS를 응용 한 대표적인 것들이다[2].
그림 3(a)과 같이 무선 필드버스의 데 이터 링크 계층은 WLAN/WPAN 표준 들이 디바이스 레벨 통신 요구사항들과 일치점들이 있으면 이 표준들을 응용하 는 것이 가장 편리하다.
애플리케이션 계층의 경우에는, 이미 존재하는 유선 필드버스의 프로토콜 또 는 이를 응용한 기술들을 사용하는 것 이 가장 바람직하며 무선의 장단점을 고려해 설계되어야 한다.
그림 3과 같은 구조를 고려할 때 많 이 고려되는 제어용 프로토콜이 IEEE 802.15.4 프 로 토 콜 이 다 . IEEE 802.15.4는 많은 입출력 노드 수를 요 구하는 필드버스 환경에 적합한 장점들 을 가진다.
하지만 산업 환경에서 대부분의 데이 터는 4바이트 이하의 주기적인 입출력 데이터와 이벤트성 알람 데이터이므로 입출력 데이터를 지원하면서 산발적 알 람 데이터를 동시에 지원해야한다. 또 한 하위 영역 장치들의 제어를 위해서 는 실시간성과 신뢰성 보장이 필수적 요소들이다.
이러한 부분들을 고려해 IEEE 802.15.4 기반의 물리층을 사용하되 신 뢰성이 고려된 상위 계층들을 이용한 다양한 연구들이 시도되었으며 그중 대 표적인 예들이 표 1의 WirelessHART 와 국제표준으로 최근에 제안된 ISA100.11a이다. 표 2는 무선 제어망 기술에 후보가 될 수 있는 프로토콜들의 비교 분석표이다.
산업용 무선 제어 통신망 설계 방향
무선 기반의 산업용 무선 제어 통신 망을 설계 및 구현하기 위해서는 무선 채널의 영향과 산업 환경의 외적인 요 소를 먼저 고려해야 한다.
유선 채널보다 무선 채널에서 결함 현상이 다양할 것이고, 유선 채널에서 보다 무선 채널에서 에러가 더 자주 발 생할 것이다.
하지만, 무선 채널에서의 전송 에러 는 일시적인 반면(딥 페이드 상태로 갔 다가 다시 채널 상태가 원활히 복귀되 는 경우), 유선 채널에서의 전송 에러는 치명적인 경우가 많다(전선 결손, 하드 웨어 부분 훼손).
이를 위해서 WirelessHART 및 ISA100.11a처럼 새로운 프로토콜 메커 니즘이나 응용계층 메커니즘의 재구성 이 필요하다고 할 수 있겠다. 또한 무선 필드버스 설계의 어려움을 줄일 수 있 도록 패킷 손실이나 패킷 전송 한계를 고려한 유연한 상위 계층을 설계하는 것이 바람직하다.
참고문헌
[1] F. De Pellegrini, D. Miorandi, S. Vitturi and A. Zanella, “On the Use of Wireless Networks at Low Level of Factory Automation Systems”, IEEE Trans. on Ind. Inf., vol. 2, n.2,pag. 129-143, 2006.
[2] A. Willig, K. Matheus. “Wireless technology in industrial network”, Proceedings of the IEEE, Vol. 93, Issue 6, June 2005.
[3] D-H.Choi and D-S.Kim, “Wireless Fieldbus for Networked Control System using LR-WPAN”, International Journal of Control, Automation, and Systems, vol. 6, no. 1,pp. 1-7, February 2008.
[4] 권욱현, 김형석, 김동성“산업용 필드버스 통신망”, 성안당, 2004
[5] D-S.Kim, S.K. LEE “Feasibility Analysis of Hybrid Control Network based on Common Industrial Protocol”, Vol.33, Issue 4, pp.357-366, Computer Standards and Interfaces, 2011
[6] 김동성, 정지원, “공장 자동화용 혼합형 네트워크를 위한 실시간 동기화 알고리즘의 성능 분석: CAN과 센서 네트워크”, 제어로봇 시스템학회 논문지, Vol. 16, No. 2, pp. 194-201,February 2010
[7] Nguyen Quoc Dinh and Dong-Sung Kim, “Performance Evaluation of Priority CSMA-CA Mechanism on ISA100.11a Wireless Network”, Vol. 34, Issue 1, Jan. 2012 , pp. 117-123, Computer Standards and Interfaces, 2012
[8] Dong-Sung Kim, Joseph Jeon and Prasant Mohapatra, “Scheduling of Wireless Control Networks based on IEEE 802.15.4: Mixed Traffic Environment”, Control Engineering Practice, 2012
[9] RUNES Project, 2006, http://wireless. industrial-networking. com/articles
[10] P.T.A.Quang and Dong-Sung Kim, “Enhancing Realtime delivery of Gradient Routing for Industrial Wireless Sensor Networks”, IEEE Transactions on Industrial Informatics, vol.8, no.1, pp.61-68, Feb. 2012
