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Monthly Magazine of Automatic Control Instrumentation

연재 <연재> 매스플로우 천일야화(71)

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작성자 댓글 0건 조회 4,932회 작성일 22-01-05 12:31

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사진 1. 필드버스/산업용 이더넷 지원 코리올리식 매스플로우 



서론

이번 회에는 매스플로우 컨트롤러(MFC)와 매스플로우 미터(MFM: MFC와 MFM를 총칭하여 매스플로우라고 함)의 디지털 통신에 관해 이야기하도록 한다. 연재 24회 및 49회에서 각각 디지털 매스플로우 통신에 관해 설명한 적이 있다. 50회의 결론에서 “어찌 되었든 앞으로의 매스플로우는 다양한 필드버스 및 산업용 이더넷을 지원할 수 있는 기반을 갖춘 제품이어야 한다는 점은 확실하다. 필자만의 생각일 뿐 책임을 질 수 있는 내용은 아니라는 점이 유감스럽긴 하지만 75회 정도가 되면 다시 한번 답을 할 수 있었으면 한다.”라고 언급한 적이 있다. 그 사이 휴재 기간도 있긴 했지만 거의 2년 반이 지났고 좋은 시점이라 생각되어 다시 한 번 이야기를 해볼까 한다.


필자는 일관되게 ‘디지털 매스플로우는 디지털 통신에서 사용되어야만 그 진가를 발휘할 수 있다’고 주장했었다. 그런 의미에서 산업용 이더넷이나 필드버스 매스플로우의 지원은 반가운 일이라 할 수 있다. 현시점에서도 기존의 아날로그(0~5V DC 전압 신호나 4~20mA 전류 신호) 제어 시스템과 호환성을 가진 아날로그 I/O(Input/Output의 약칭) 지원 디지털 매스플로우는 각 회사의 주요 자리를 차지하고 있다. 특히 일본은 아날로그 매스플로우를 고수하는 유일한 국가이며, 이러한 분위기에 변화는 보이지 않는다. EU에서는 이미 아날로그 매스플로우가 생산 설비에 채용되는 일이 전무하며, 각종 산업용 이더넷 혹은 기존 필드버스 지원 매스플로우가 자리를 차지하게 되었다. 일본에서는 이러한 EU에서 제조된 장치가 일본 국내에 들어오면서 처음으로 장치에 탑재된 산업용 이더넷이나 필드버스 지원 매스플로우에 놀라움을 표하고 있다.


디지털 매스플로우와 네트워크 지원

처음 읽는 독자들을 위해 우리는 디지털 매스플로우에 대해 복습부터 시작하도록 한다. 원래 매스플로우가 처음 세상에 선보인 1970년대의 I/O는 아날로그 신호였으며, 내부 PID 제어 회로도 아날로그였다.(매스플로우가 생겨났을 무렵에는 사실상 아날로그 신호에서의 제어 시스템밖에 존재하지 않았음) I/O에서 사용되는 아날로그 신호에 관해서도 전압 신호의 0~5VDC가 주류였다. 계장 업계에서는 노이즈 내성을 고려하여 전류 신호 4~20mA가 주류였지만 왜 0~5VDC가 되었는지는 필자도 확실한 증거가 없다. 처음부터 MFC의 주요 시장은 반도체 제조 장치를 대상으로 했다는 점에서 케이블 부설도 거의 10m 이하이며 전류 신호가 필요없다는 생각이 강했던 것 같다.(노이즈 방지라는 관점에서 보면 절대 전류신호였다고 생각되긴 한다)


디지털 제어화된 매스플로우는 일본에서 90년대에 판매되기 시작했다. 그 획기적인 제1세대 디지털 매스플로우에서 제창된 것이 디지털 PID 제어를 실행하고 디지털 통신 I/O를 갖춘 매스플로우였다. 디지털 매스플로우는 디지털 PID 제어를 통해 응답성과 정밀도 성능의 개선을 목표로 하며 특히 멀티 PID 상수를 가지도록 하면서 저설정 시의 응답 성능 향상이 주목을 받았다. 이와 함께 지금까지의 아날로그 신호로 주고받은 매스플로우와의 신호는 PC와 직접 RS232C 통신을 통해 실행할 수 있게 되는 기술 혁신도 담겼다. 지금까지도 제조장치 측에서 신호를 D/A, A/D 변환하여 제어를 실행했으며, 다이렉트로 MFC와 디지털 통신이 가능한 이점이 생겨난 것이다.


하지만 사용자 입장에서 보면 당시에는 퍼스널 컴퓨터도 아직 보편화되지 않았기 때문에 그것을 활용하여 디지털 매스플로우를 활용하기에는 진입장벽이 매우 높았다. 연구기관의 실험용이나 매스플로우를 잘 아는 설비 담당자가 디지털 통신을 활용한 독자적인 매스플로우 관리 시스템을 구축하여 운용했었는데, 매스플로우 미터의 주력 판매 대상인 반도체 장치 제조사 등에서는 기본적으로 여전히 아날로그 매스플로우가 사용되고 있었다. 그 원인은 각 회사의 통일되지 않은 프로토콜에 있다. 장치 제조사에서 본격적으로 디지털 매스플로우가 채용되려면 차세대 디지털 매스플로우(Device Net) 등의 필드버스(Fieldbus)에 의해 규격화된 프로토콜로 사용할 수 있는 모델이 등장할 때까지 기다릴 필요가 있었다. 


매스플로우 업계의 대표적인 필드버스인 Device Net은 독일 보쉬(Bosh)의 CAN(Controller Area Network) 기술을 기반으로 개발되어 1944년에 US의 알렌 브래들리(Allen Bradley)에서 발표한 RS485 기반의 FA용 제어 네트워크이다. 이러한 네트워크를 필드버스라고 부른다. ‘통신 규격화’가 이루어진 후에 오픈 네트워크로 공개된 것이 특징이며 예를 들면 같은 Device Net을 사용하는 경우에 매스플로우나 압력센서, 버블이라는 배관 기기 간의 통신에는 상호성이 확보된다. 알렌 브래들리(Allen Bradley)에서는 ODVA라는 조직을 만들었으며 현재는 ODVA가 Device Net을 소유하고 관리하고 있다. 벤더(매스플로우 제조사)는 ODVA에 참여함으로써 Device Net 사양이 개시되고 여기에 맞는 매스플로우를 개발할 수 있다. 디지털 매스플로우의 여명기처럼 ‘RS232C나 RS485와 같은 규격은 공통이지만 프로토콜은 제조사마다 개별적으로 구축된 결과 각각의 상호성은 부족하다’는 문제를 해결하면서 벤더나 사용자 모두 ‘뛰어난’ 사양을 가지게 된다. 필드버스의 서로 비슷한 규격으로 유럽의 Profibus, 일본의 CC-Link 등이 있으며, 동일한 장치 제어에 이용하는 PLC 제조사가 주도를 하기 때문에 지역 별, PLC 별로 네트워크 규격이 존재해버린다. 어떤 필드버스 네트워크를 선택하면 좋을지 고민하게 만드는 문제이다.


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그림 1. 


산업용 이더넷(Industrial Ethernet)은 2018년에 이미 그 점유율에서 필드버스를 앞질렀다. 이더넷은 LAN에서 사용되기도 해서 친숙한 네트워크 규격일 것이다. 1983년에 IEEE802.3으로 규격화되었던 초반에는 그 통신 속도가 2.94Mbps였지만 1995년에는 100Mbps, 1999년에는 1Gbps, 2002년에는 10Gbps로 빨라졌으며 사무실이나 가정에서 이용되고 있다. 다만 산업용 이더넷은 사무실이나 가정에서 사용되는 것을 공장 현장에서 그대로 사용하지는 않는다. 산업 용도에서는 통신 실행의 확실성, 즉 어떤 시간 간격 이내에 조작 대상 기기에 확실하게 통신을 실행할 것이 요구된다. 따라서 산업용 이더넷에서는 ‘실시간성’이 요구된다. 이것이 산업용 이더넷이 RTE(Real Time Ethernet)라고도 불리는 이유이다. 또한 생산 현장 환경은 그리 좋지 않다. 분진 방수는 당연한 일이며 그뿐만 아니라 기름으로 가득하고 고온 환경에 노출되며, 높은 소음의 환경하에서 사용된다. 신뢰성에 관한 검증은 까다로운 조건이 요구된다. 산업용 이더넷은 ‘표준 이더넷형’과 ‘전용 이더넷형 또는 비표준 이더넷형’으로 크게 나뉜다. 


표준 이더넷형은 표준의 이더넷 기술을 이용하며 산업용 이더넷의 프로토콜을 구현한 것이다. 이것은 더 나아가 TCP/IP와 UDP/IP를 이용하는 것과 고속화를 위해 TCP/IP 처리를 생략한 것으로 나눌 수 있다. 전자에서 대표적인 예로 PROFINET, EtherNet/IP(Ethernet Idustrial Protocol), Modbus TCP 등이 있다. 후자로는 ETHERNET Powerlink, EtherCAT(Ethernet for Control Automation Technology Master), PROFINET IO 등이 있다. 전용 이더넷형은 고속 및 고정밀도 동기 제어를 실현하거나 고유의 중복화 시스템을 제공하거나 하기 위해 전용 ASIC(Application Specific Integrated Circuit) 혹은 FPGA(Field Programmable Gate Array)를 채용하였다. 전용형에서는 TCP/IP 통신에는 게이트웨이가 필요하다. 대표적으로는 PROFINET IRT, MECHATROLINKⅢ, CC-link IE, EtherCAT(슬레이브), SERCOSⅢ 등이 있다. 산업용 이더넷의 통신 규격은 국제표준인 IEC 규격에서 IEC 61784-1/2에 정리되어 있으므로 참고하기 바란다.


시장에서의 산업용 이더넷과 필드버스

공장 현장에서의 통신과 관련하여 필드버스의 차세대 통신 규격으로 산업용 이더넷의 채용을 생각하는 사람들이 늘고 있다. 그 이유로 들 수 있는 것이 데이터(정보량)의 증가이다. 디지털화에 의해 매스플로우만 기기 능력이 향상되는 것은 아니다. 온도, 압력 신호는 포인트 별로 센서가 배치된다. 이들 기기에서의 정보를 실시간으로 받아들이고 확실하게 처리하는 일을 모두 필드버스에서 지원할 수는 없을 것이라고 예상된다. 이 때문에 기존 필드버스의 교체뿐만 아니라 자주 연속적으로 이용할 수 있는 사양이라는 점도 산업용 이더넷에서 요구된다.


그럼에도 불구하고 2020년 현재 지역에 따라 산업용 이더넷과 필드버스의 시장 점유율은 산업 및 지역에 따라 엇갈리고 있다. 잘 알고 있는 HMS 인더스트리얼 네트웍스(HMS Industrial Networks)의 산업용 네트워크 시장 점유율 그래프를 보면 <그림 2>의 2018년 단계에는 52:42였던 산업용 이더넷과 필드버스의 비율이 <그림 3>의 2020년에서는 64:30까지 차이가 생겼다. 무선 통신은 6%로 변화가 없으며 차이인 12%가 필드버스에서 산업용 이더넷에 그대로 이동한 수치가 되었다. 그리고 이 내역을 살펴보면 EtherNet/IP와 PROFINET이 17%씩 시장 점유율 선두를 달리고 있으며, PROFINET이 2년만에 5%를 앞선 형태이다. 3위로 EthernetCAT이 7%, Modbus-TCP는 5%를 차지한다. 이것은 어디선가 본 광경으로, 필드버스 여명기의 Profibus나 DeviceNet의 싸움과 똑같다.


또한 지역별 점유율을 보면 EU 중동에서는 EtherNet/IP와 PROFINET이 선두를 달리고 있으며 PROFIBUS와 EtherCAT가 그 뒤를 잇고 있다. 미국 시장에서는 EtherNet/IP가 우세이지만 EtherCAT이 일정 시장 점유율을 차지하고 있다. 한편, 아시아 시장은 PROFINET과 EtherNet/IP가 선두에 있으나 PROFIBUS, EtherCAT, Modbus (RTU/TCP), CC-Link/ CC-Link IE Field가 그 뒤를 잇고 있다. (출처: HMS Industry Network)


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그림 2. 



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그림 3.
 



..(후략)




黒田 誠 / EZ-Japan

본 기사는 2022년 1월호에 게재되었습니다.  

  

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본 기사는 월간지[計側技術] (일본일본공업출판주식회사 발행)로부터 번역·전재한 것입니다.

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