필드버스(Field Bus)에 대한 설명

1. 개요

필드버스(Field Bus)는 산업 자동화 환경에서 사용되는 디지털 통신 네트워크 프로토콜로, 현장(Field) 장치들과 제어 시스템 간의 양방향 통신을 가능하게 하는 산업용 네트워크 기술입니다. 기존의 아날로그 방식 점대점(Point-to-Point) 연결을 디지털 방식의 다중 통신으로 대체하여 배선을 단순화하고 설치 및 유지보수 비용을 절감하면서 동시에 다양한 공정 데이터의 활용이 가능하게 합니다.

2. 필드버스의 특징 및 구조

2.1 주요 특징

• 디지털 통신: 4-20mA와 같은 아날로그 신호 대신 디지털 데이터 패킷을 사용하여 통신합니다.
• 양방향 통신: 제어기와 현장 장치 간 명령 전송 및 상태 정보의 양방향 전달이 가능합니다.
• 다중 접속: 하나의 통신선에 여러 장치를 연결하여 버스 토폴로지 구성이 가능합니다.
• 분산 제어: 지능형 현장 장치들이 일부 제어 기능을 담당하여 시스템의 유연성과 신뢰성이 향상됩니다.
• 자기 진단: 현장 장치들이 자체 상태를 모니터링하고 문제 발생 시 알림이 가능합니다.

2.2 계층 구조

필드버스는 일반적으로 OSI(Open Systems Interconnection) 7계층 모델을 기반으로 하지만, 산업 환경의 특성을 고려하여 단순화된 형태로 구현됩니다.
1. 물리 계층: 전기적 신호, 커넥터, 케이블 사양 등을 정의
2. 데이터 링크 계층: 프레임 형식, 오류 검출, 접근 제어 방식을 정의
3. 응용 계층: 사용자 데이터 형식, 명령어 세트, 서비스 정의

3. 주요 필드버스 프로토콜

3.1 PROFIBUS(Process Field Bus)

독일에서 개발된 개방형 표준으로, 제조 자동화(PROFIBUS-DP)와 공정 자동화(PROFIBUS-PA)를 위한 변형이 있습니다. 마스터-슬레이브 방식으로 동작하며 최대 12Mbps까지 통신 속도를 지원합니다.

3.2 FOUNDATION Fieldbus

주로 공정 산업에 사용되며, H1(31.25kbps)과 HSE(High Speed Ethernet, 100Mbps) 두 가지 버전이 있습니다. 분산 제어에 중점을 두고 있으며, 제어 기능이 현장 장치에 내장되어 있습니다.

3.3 DeviceNet

CAN(Controller Area Network) 기술을 기반으로 하는 필드버스로, 주로 이산 제어에 사용됩니다. 최대 500kbps의 통신 속도를 지원하며, 간단한 설치와 구성이 특징입니다.

3.4 HART(Highway Addressable Remote Transducer)

기존 4-20mA 아날로그 신호에 디지털 신호를 중첩시켜 통신하는 하이브리드 방식으로, 기존 설비와의 호환성이 뛰어납니다.

3.5 Modbus

1979년 개발된 가장 오래된 산업용 통신 프로토콜 중 하나로, 간단한 구조와 개방성으로 인해 널리 사용됩니다. RS-232/485 시리얼 통신과 TCP/IP를 모두 지원합니다.

3.6 EtherNet/IP

이더넷 기술을 산업 환경에 적용한 프로토콜로, 표준 이더넷 인프라를 활용하면서도 산업 환경에 필요한 실시간성과 신뢰성을 제공합니다.

4. 필드버스의 적용 분야

4.1 제조 자동화

자동차, 전자제품 등의 제조 라인에서 PLC(Programmable Logic Controller), 로봇, 모션 제어기, 센서 등을 연결하여 생산 공정을 자동화합니다.

4.2 공정 자동화

석유화학, 제약, 식품 등의 연속 공정 산업에서 온도, 압력, 유량, 레벨 등을 측정하고 제어하는 시스템에 적용됩니다.

4.3 빌딩 자동화

HVAC(Heating, Ventilation, and Air Conditioning), 조명, 보안 시스템 등을 통합 관리하는 빌딩 자동화 시스템에 활용됩니다.

4.4 전력 관리

발전소, 변전소 등의 전력 시설에서 전력 품질, 보호 릴레이, 스위치기어 등을 모니터링하고 제어하는데 사용됩니다.

5. 필드버스의 장점과 한계

5.1 장점

• 배선 비용 절감: 다중 접속 방식으로 케이블 수와 단자함 크기가 감소합니다.
• 설치 및 유지보수 용이성: 모듈화된 시스템 구성으로 설치와 유지보수가 간편해집니다.
• 데이터 접근성 향상: 현장 장치로부터 다양한 진단 정보와 상태 정보를 실시간으로 확인할 수 있습니다.
• 시스템 확장성: 새로운 장치의 추가가 용이하며, 소프트웨어 업데이트로 기능 확장이 가능합니다.
• 분산 제어 아키텍처: 제어 기능이 현장 장치로 분산되어 시스템 신뢰성이 향상됩니다.

5.2 한계 및 과제

• 표준화 문제: 다양한 필드버스 표준이 공존하여 상호 호환성 문제가 발생할 수 있습니다.
• 보안 취약성: 초기 필드버스 프로토콜들은 사이버 보안 기능이 미흡하여 외부 공격에 취약할 수 있습니다.
• 기존 시스템 통합: 레거시 시스템과의 통합 시 게이트웨이나 변환기가 필요할 수 있습니다.
• 실시간 성능: 일부 고속 제어 애플리케이션에서는 필드버스의 응답 시간이 충분히 빠르지 않을 수 있습니다.

6. 필드버스의 미래 동향

6.1 이더넷 기반 필드버스

TSN(Time-Sensitive Networking), EtherCAT(Ethernet for Control Automation Technology), PROFINET과 같은 이더넷 기반 필드버스가 확산되고 있으며, 실시간성과 대역폭이 향상되고 있습니다.

6.2 무선 필드버스

WirelessHART, ISA100.11a와 같은 무선 필드버스 기술이 발전하여 배선이 어려운 환경에서의 적용이 확대되고 있습니다.

6.3 IIoT(Industrial Internet of Things)와의 통합

필드버스 시스템이 클라우드 기반 IIoT 플랫폼과 연계되어 빅데이터 분석, 예측 유지보수 등 고급 애플리케이션이 가능해지고 있습니다.

6.4 OPC UA(Open Platform Communications Unified Architecture)

다양한 필드버스 프로토콜을 통합하고 IT 시스템과 연계할 수 있는 중간 계층으로 OPC UA의 활용이 증가하고 있습니다.

7. 결론

필드버스는 산업 자동화 시스템의 근간이 되는 통신 기술로, 아날로그 기반 제어 시스템의 한계를 극복하고 디지털화, 지능화를 촉진하는 핵심 요소입니다. 다양한 표준과 프로토콜이 개발되어 산업별, 용도별 최적화된 솔루션을 제공하고 있으며, 이더넷 기술과의 융합, 무선화, IIoT와의 통합을 통해 지속적으로 발전하고 있습니다. 앞으로도 산업 자동화의 디지털 전환을 이끄는 핵심 기술로서 중요성이 더욱 커질 것으로 예상됩니다.

어린이 버전 요약

필드버스는 공장이나 건물에서 사용하는 특별한 '말하기 방식'이에요. 예전에는 온도계나 센서같은 장치들이 컴퓨터와 대화할 때, 각각의 장치마다 하나씩 전선을 연결해야 했어요. 마치 여러 친구들과 대화할 때 각 친구에게 하나씩 전화선을 연결하는 것처럼 복잡했죠.

하지만 필드버스는 마치 단체 채팅방 같아요! 하나의 전선으로 여러 장치들이 함께 대화할 수 있게 해주죠. 온도계, 압력 측정기, 모터 등이 모두 같은 '버스'(통신선)를 타고 정보를 주고받아요. 이렇게 하면 전선이 훨씬 적게 필요하고, 모든 장치가 서로의 정보를 공유할 수 있어서 공장이나 건물을 더 똑똑하게 관리할 수 있답니다!

요즘에는 인터넷처럼 더 빠르고 편리한 방식의 필드버스도 많이 사용하고, 심지어 와이파이처럼 선 없이 무선으로 통신하는 방식도 있어요. 이런 기술 덕분에 우리 주변의 모든 것들이 점점 더 똑똑해지고 있답니다!