안전하고 완벽한 연결 (DeviceNet Safety)

[산업일보]
산업 현장에서는 안전이 그 무엇보다 중요하다. 그 중요도로 따지자면 생산성이나 작업 처리량에 견줄 수 있을 것이다. 이 때문에 기업은 직원을 보호하고 이를 통해 자사의 평판과 비즈니스를 보호하고자 한다. 제조 공정 중의 사고는 기업의 인적 자원 및 재무 자원에 상당히 부정적인 영향을 미친다.
지금까지의 안전 시스템은 기계 운전시 오퍼레이터를 보호하기 위해 배선에 의한 e-stop, 연동 장치 스위치, 이중 접속 구동 장치 등을 활용했다. 이러한 시스템은 신뢰성은 있으나 대체로 산업 기술의 발전을 따라가지 못했다. 복잡한 제어 시스템의 증가와 공장 전체를 통합하는 업계 경향에 따라 전통적인 구성 요소를 가지고 안전 시스템을 개발하는 것이 더욱 어렵게 되었다. 가변 광 커튼(Mutable Light Curtain)이나 로봇과 같은 복잡한 전자 장치는 이를 더욱 힘들게 하고 있다.
지난 10년간 엔지니어들은 위에 언급한 어플리케이션에 대하여 중복 컨트롤러, I/O 및 네트워크를 안전 장치로 활용하였다. 또한 이러한 시스템 역시 효과적이었다. 그러나 이를 구현하고 유지하는 것은 어렵고 비용 역시 만만치가 않았다.
오늘날 세계적으로 CENELC(European Committee for Electrotechnical Standardi zation: 유럽 전자기술 표준화 위원회), DIN (German Institute for Standardi zation: 독일 표준화 기구), IEC(International Electro technical Commission: 국제 전자기술 위원회)와 같은 표준화 기구들은 전자 시스템의 안전에 대해 정의하고 있다. 이러한 전세계적인 노력의 결과로 Open DeviceNet Vendor Association (ODVA)은 DeviceNet을 기준으로 하는 개방형 필드버스(Fieldbus) 시스템인 DeviceNet Safety을 개발하였다.
DeviceNet Safety는 기계 차단 및 프로세스 부분 가용성 어플리케이션을 요구하는 조건을 만족하도록 고안되었다. 또한 표준 DeviceNet 하드웨어 및 안전 장치를 동일 네트워크 상에서 운영토록 지원한다. 최종 사용자는 안전 및 표준 제어를 위한 별도의 네트워크가 없어도 안전 어플리케이션을 도입시 DeviceNet을 통해 비용 절감 및 유연성의 이점을 누릴 수 있다.

DeviceNet Safety의 설립
DeviceNet™은 산업 장치를 연결하고 비용이 많이 드는 배선 작업을 제거하기 위해 사용되는 개방형 저비용 컨트롤러 지역 네트워크(CAN: controller area network)를 기준으로 한다. 장치들이 네트워크에 직접 연결되기 때문에 Device Net을 통하여 배선으로 연결된 I/O에서는 불가능했던 진단이 가능함은 물론 커뮤니케이션을 향상 시킬 수 있다. 또한 CAN 기술과 칩(Chips)은 많은 산업에 응용되어 요소 비용을 절감할 수 있다. ODVA는 DeviceNet 규격을 운영하며, 모든 장치가 적절히 커뮤니케이션하고 있으며 기대 동작을 수행하고 있음을 확인하는 적합성 평가를 수행한다.<그림 1>



DeviceNet은 생산자/소비자 네트워크 모델을 기반으로 하고 있다. 생산자/소비자 모델에서는 모든 시스템 구성 요소에서 동시에 데이터에 접속할 수 있으며 네트워크 대역폭의 효율적인 사용을 가능하게 한다. 이를 통해 다양한 방법으로 실시간 제어 및 데이터 교환을 수행할 수 있다. 상태 변화 장치들은 사용자가 정의한 속도로 데이터를 전송한다. 하나의 메시지가 동시에 여러 장치에 전송되고 장치들은 전통적인 마스터/슬레이브 시스템과 커뮤니케이션 한다.
생산자/소비자 모델은 여러 가지 장점을 가지고 있다. 한 생산자로부터 동시에 같은 데이터를 다양한 노드에서 사용할 수 있다. 또한 시스템 성능을 보다 정확하게 하기 위해서 노드들을 통합하는 것도 용이하다. 생산자/소비자 기술을 통해 장치들은 자동적으로 커뮤니케이션하기 때문에 시스템 마스터가 필요하지 않다.
DeviceNet은 보다 이상적인 시스템을 위하여 생산자/소비자 아키텍처 외에도 다음과 같은 여러 속성을 적용하고 있다.
● 심한 소음 및 기타 악조건 하에서 테스트를 거친 견고한 매체
● 중복된 노드 어드레스에 대한 자동 체크
● 데이터 링크 레이어 내장 리트라이(Retries)
● 우선 순위 설정
● 스트레스 환경에서 10-7의 비트 에러율(즉, 시스템이 풀 가동되고 있을 때 150년에 한번 에러가 전송됨)
● 매 네트워크 접속시 에러 카운터
● 모든 메시지 인식

DeviceNet Safety 프로토콜
안전 관련 장치간의 커뮤니케이션을 위해 ODVA는 기존 DeviceNet 규격에 안전 프로토콜을 첨가하였다. 그렇게 해서 DeviceNet Safety가 탄생하게 된다. DeviceNet Safety는 단일 네트워크 미디어 및 중복 인터페이스 칩에 대하여 EN 954-1, DIN 19250, IEC 61508 등에서 제안하는 요구사항을 권고한다. 일상적 네트워크 운영시 모든 안전 활동은 표준 DeviceNet 활동과 동시에 발생한다. 표준 DeviceNet 매체에는 변경 사항이 없으며 안전 구현시 망의 형태(topo logy)가 필요하고, 별도의 모니터 소프트웨어는 필요하지 않다. 즉, 현재 DeviceNet 사용자들이 안전 시스템을 구현할 때 기존 배선을 다시 사용할 수 있다는 뜻이다.<그림 2>
DeviceNet 안전 네트워크는 안전 관련 데이터를 전송하는 64개의 장치를 연결할 수 있다. 안전 장치 및 표준을 동일 네트워크 상에서 운용할 수 있다. 표준 장치는 안전 장치의 기능을 저해하지도, 다른 장치를 방해하지도 않는다. DeviceNet Safety 네크워크를 활용하는 시스템은 자극부터 출력까지의 응답시간이 20ms정도이다. 위의 도표는 정보의 흐름을 설명하고 있다.

커뮤니케이션 에러의 제거
결정성은 안전 메시지가 예상 간격으로 바르게 전송되고 있음을 확인한다. 안전 시스템에서는 결정적 응답 시간이 아주 중요하다. DeviceNet Safety은 응답이 다양한 기능을 어플리케이션 요구 사항에 맞도록 조정할 수 있다. DeviceNet Safety 시스템의 수행도는 선택된 사용자 파라미터를 기준으로 한다. 안전 접속 할당 뿐 아니라 안전 및 표준 장치의 로딩도 네트워크의 전반적인 수행도를 결정한다. DeviceNet Safety는 모든 장치에 각각의 주기적 응답 시간을 허용한다. 이는 단일 장치나 일련의 연동된 안전 장치에 맞게 조정할 수 있다.
DeviceNet Safety는 커뮤니케이션 에러 발생시 사전에 정의한 안전 상태로 돌입하도록 설계 되었다. 그러나 업무에 지장을 주는 불필요한 정지는 안전 시스템의 전반적인 가용성에 영향을 미친다. 그렇기 때문에 ODVA는 정지 상태를 줄이기 위한 여러 조치를 취하고 있다. 우선, 안전 접속은 DeviceNet의 개별적 생산자/소비자 접속 상에서 구축되어 있기 때문에 DeviceNet Safety은 여러 안전 체인을 지원할 수 있다. 결과적으로 한 안전 체인 상에서 접속이나 장치의 고장 때문에 관련되어 있지 않은 그룹까지 정지하게 하는 일은 발생하지 않는다. 동일 장치에서 다중 안전 체인을 지원할 수도 있다.
DeviceNet Safety이 기준 및 안전 관련 장치의 혼용을 허용하기 때문에 한 링크 상의 많은 장치들이 메시지의 규모를 결정할 수 있다. 그렇지만 안전 장치는 트래픽 규모와 상관없이 무엇보다 우선적으로 전송하도록 설정할 수 있다. Device Net Safety는 안전 장치의 결정적 접속 및 나머지 장치의 잔여 대역폭에 대한 통합 접속을 가능하게 한다.

네트워크 가용성
대역폭 요구가 지나치게 클 때 부하를 분산하고 가용성을 증대하기 위해 추가적인 DeviceNet Safety나 DeviceNet 네트워크의 도입을 고려할 수 있다. 또한 모든 장치의 생산 속도를 수정하여 장치를 제거하거나 추가적인 네트워크의 도입 없이도 접속 가능성을 개선할 수 있다. 생산자/소비자 커뮤니케이션 모델을 통해 모든 접속은 독특한 접속 파라미터 세트로 설정할 수 있다. 이를 통해 안전 시스템 통합자는 어플리케이션 요구 사항을 기준으로 모든 장치의 응답 시간을 설정할 수 있다.
시스템 가용성 역시 망의 형태(Topology)에 달려 있다. 안전 프로토콜은 모든 단계(장치에서 시스템까지)에서 중복을 허용하기 때문에 통합자는 어플리케이션 요구 사항에 맞게 가용성을 조정할 수 있다. 예를 들어 DeviceNet Safety는 <그림 2>에서 보는 것처럼 IEC 기준에 맞게 안전 정지를 수행하는데 사용되는 중복된 내부 콤포넌트를 가진 두 개 이상의 시스템을 보유한 아키텍처를 지원한다. 이러한 중복 시스템은 가용성이 있는 안전 시스템을 구성하기 위해 커뮤니케이션 네트워크를 통해 상호 연결된다.



DeviceNet Safety 차이점
DeviceNet Safety은 유일한 미디어 독립형 안전 프로토콜이다. 원래는 DeviceNet에 탑재 되었음에도 불구하고 모든 규격에 맞게 적용될 수 있다. ControlNet이나 EtherNet/IP와 같은 규격도 물론 포함된다. 또한 DeviceNet Safety는 스마트 I/O 및 표준 PLC, 안전 PLC와 함께 작동하는 유일한 안전 프로토콜이다. 독일 인증 기관인 BIA 권장 안전 프로세스 및 코딩을 만족한다. 이 때문에 DeviceNet Safety이 타사와 비교조차 될 수 없으리만치 월등한 것이다. 안전 공장을 위해서는 DeviceNet Safety이야 말로 가장 적절한 선택이 될 것이다.


문의: (02)2188-4400

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