제어시스템과 필드버스

[산업일보]
공장이나 빌딩의 내부를 통신하는 회로에는 많은 전선을 정리해 효율적인 제어나 관리를 하기 위한 표준화가 진행되고 있다.
자동차를 비롯한 기기류나 철, 석유의 원재료 등, 공장에서 물건을 만드는 현장에서는 기계 가공이나 조립 등의 공장 자동화(FA)와 액체나 분체를 제어하는 프로세스 오토메이션(PA)이 전체의 효율과 조화를 실현하고 있다. 근래에는 오피스의 공기조절 관리 등 빌딩 오토메이션(BA)도 발달하고 있다. 그리고 FA나 PA, BA의 세계 전체를 지지하고 있는 것은 계측과 제어와 관리의 기술이다.



<그림 1>은 공장 생산 시스템의 전형을 나타낸 것으로 전체는 세 개의 계층으로 나눌 수 있다. 최상위의 정보 레벨에서는 상품의 수주나 재료 조달·공정관리 등의 기간 정보 시스템과 제휴가 유지되고 있다.
중간의 감시와 제어는 공장이나 플랜트로의 섹션마다 하나의 시스템 단위가 있고 담당 섹션의 기기를 제어하거나 감시하고 있다. 맨 밑의 층은 사람이 아니고 실제의 기기 및 사람과 기기와의 인터페이스이다.
온도나 유량 등의 센서, 컨트롤 밸브, 서보모터 등이 PLC(Programmable Logic Controller)나 DCS(Distributed Control System)등의 전용 콘트롤러에 의해서 제어되고 있으며 본고에서는 필드 기기와 시스템에 초점을 맞추도록 한다.



<그림 2>는 콘트롤러와 필드 기기의 배선의 모습을 나타낸 것으로 통상은 하나의 필드 기기에 대해서 한 개(1조)의 케이블이 필요하다. 결과적으로 공장 가운데는 엄청난 수의 케이블이 서로 연결되어 있다.
근데 여기서의 문제는 더 있다. 바로 기기간의 접속 사양이 메이커나 기종에 따라서 다르다고 하는 문제인데 기기의 자유로운 조합이나 재조합이 생기기 힘든 상황이다.
게다가 기본적인 일로서 필드 기기의 대부분이 아날로그 제어라고 하는 사실이다. 이것들은 4-20mA 전류 루프라고 하는 전통적인 방식으로 콘트롤러로부터 아날로그 제어되고 있다. 특히 PA의 분야에서는 유량이나 온도 등의 아날로그 신호가 왕래할 기회가 많다. 그러나 IT기술의 진보에 대해서 필드 기기의 제어만이 독립해 계속 존재할 수 없다.
점차 심플하고 한편 개방적인 디지털 네트워크를 전 세계에서 규격을 통일해 이용해 나가려는 모습이 높아져 기기 메이커나 사업자 단체로부터 여러 가지 방식의 규격이 제안되었다.



<그림 3>은 각 제안에 거의 공통되는 기본 이미지로 개개의 필드 기기에 병렬 배선하는 것을 없게 하고 기기간을 간단한 케이블(버스)로 자유롭게 묶었다. 콘트롤러에의 배선도 한 개이며 물론 다루어지는 신호는 디지털(데이터)이다.
이것들은 「필드 네트워크」라고「필드버스(Field bus)」 등으로 불리는데 다만 필드버스라고 하는 통칭은 후술하는 고유 명사로서의 의미를 가지는 경우가 있다. 여기에서는 일반 명사로서 광의의 필드버스를 말한다.
중요한 것은 규격의 내용과 그 이용이 오픈인 것이다. 오픈이 아니면 자유로운 기기 접속은 실현되지 않는다. 정보 분야에 있어서의 디지털 네트워크로서는 Ethernet를 사용한 LAN나 인터넷이 보급되어 있다. FA, PA의 세계에서도 <그림 1>의 정보 단계(컴퓨터 레벨)에서는 이러한 정보 네트워크 기술이 사용되고 있다. 필드 네트워크도 이러한 테크놀로지와 조화를 이루는 것은 필수가 되고 있지만 정보 네트워크로서의 LAN에 직접 짜 넣어지는 것은 조금 문제가 있다. 왜냐하면 필드 기기의 감시와 제어에는 하나에 기기가 액션을 일으켰을 경우에 즉시 응답을 얻을 수 있다고 하는 「리얼타임성」이 요구되기 때문이다.
예를 들면 유량을 밸브로 제어하는 경우에 유량이 증가했을 때는 즉시 밸브를 닫지 않으면 안 되는데, 이 때 「네트워크상의 데이터의 흐름이 혼잡하고 있었으므로 할 수 없었다」라고 할 수는 없다.
이 때문에 필드 네트워크에서는 리얼타임성이 엄중하게 규정되고 있다. 또 에러 수정 등 데이터의 신뢰도가 높은 일이나 공장 환경을 고려한 높은 내노이즈 성능 등도 구할 수 있다.
필드 네트워크는 종래의 병렬 배선에 의한 아날로그 제어를 새롭게 하는 기술이다. 그런데 현실에는 정보 네트워크와 같이 동일한 기술 규격으로 전 세계가 동조하고 세상이 일변한다고 할 곳까지는 보급되어 있지 않으며 특히 PA로 보급이 늦는다고도 한다.
신뢰성과 안전을 중요시하는 FA, PA의 분야에서는 급격한 변혁은 선호되지 않는다고 하는 토양도 배경에 있고 실행하는 경우는 공장 통째로 단번에 바꾸지 않으면 안 된다고 하는 현실적인 문제도 있다.
그러나 폭발적인 보급이 일어나지 않는 제일의 원인은 규격 그 자체에 있다. 전 세계의 메이커와 유저가 따르는 결정적인 스탠다드가 발견되지 않았다. 실제로는 여러 가지 규격이 각각의 메리트를 주장하는 모양으로 병립하고 있다.



<그림 4>는 현재 제안 혹은 실용화되고 있는 주된 규격을 나열 해 본 것이다. IEC61158는 공적인 국제 규격이지만 10년 이상의 세월을 들여 검토한 결과 8종 방식을 용인한다고 나타낸다.
결정되지 않는 이유로서는 나라나 기업의 기대가 보일 듯 말듯 하는 부분도 있다. 그러나 그 이상으로 각 규격이 네트워크의 계층과 어떠한 관계를 가지는지 어떠한 어플리케이션을 상정하고 있을까 등의 각각 목적의 차이가 있다.
또 각 규격이 서로 협조하는 관계에 있는 물건도 있어 통틀어 비교하거나 우열을 붙이는 것이 어렵다고 한다.
이와 같이 여러 가지 사정은 있지만 FA, PA, BA에 있어서 필드 네트워크화의 트랜드는 필연이며 향후 보급이 가속되겠다 할 것이다. Ether net나 TCP/IP 등, 정보 분야의 테크놀로지와의 융합도 한층 가속하는 것이 예상되고 있다.
문의: 010-9966-7035
길 주 형/ 기구설계사

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