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FieldBus

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Foundation Fieldbus
By : 관리자
Date : 2008-09-19
Views : 781

무제 문서
개요

Foundation Fieldbus는 그림 1과 같이 OSI 표준 모델을 따른다.

그림 1. Foundation Fieldbus 계층 모델

■ 물리계층 접속 (Physical Interface)

물리계층 접속은 IEC 모델의 제 1계층에 해당된다. 제 1계층은 상위 계층으로부터 메시지를 받아서 인코딩하고, 전송 매체상에 물리적인 신호로 변환하는 작업과 그 역작업을 한다. 변환작업에는 프리앰블을 붙이거나 제거하는 작업과 오류검사 작업이 포함된다.

Foundation Fieldbus의 물리계층의 요구사항은 IEC 1158-2에 정의되어 있다. 전송속도는 31.25 kbps와 1.0Mbps, 그리고 2.5Mbps가 있다. 파운데이션 필드버스의 31.25kbps 사양은 이미 존재하는 4~20mA 선로상에서 동작하도록 되어 있어 적은 비용으로 공장을 업그레이드할 수 있다. 또한 이 사양은 버스를 통해 전원을 공급하는 장치들을 지원한다.

31.25kbps의 통신 속도로 데이터를 송수신할 경우 전형적인 차폐막이 있는(쉴드된) 꼬임 쌍선(STP) 케이블로 1900m 정도까지 확장가능하다. 높은 통신 속도로 송수신하는 경우에는 전송 가능 길이가 짧아지며, 케이블의 종류에 따라 송수신 가능한 케이블 길이가 달라진다. (표 1. 참조)

표 1. 통신 속도와 케이블 종류 및 길이

표 1.에서 주어진 길이는 적합성 시험을 위한 길이이므로, 보다 좋은 케이블을 사용하면 주어진 길이보다 길어질 수 있다. 여기서 주어지는 최대 길이는 간선과 지선을 모두 포함한 길이이다. 지선을 연결하기 위해 스프라이스(혹은 접속기)를 달게 되는데 이 스프라이스는 간선에서 1M 이하에 놓여 있어야 한다. 표 2에서는 스퍼상에 단 하나의 디바이스가 있다고 가정되며 스퍼상에 각각 추가적인 장치에 대해 30M 씩 감소된다.

표 2. 스퍼 길이

통신을 위한 신호는 멘체스터 방식을 사용한다.

필드버스 상에 32개의 장치가 연결될 수 있으며, 버스로 전원을 공급할 수 있는 장치는 12개까지 제한되며, 고유 안전성을 위한 구축에는 6개의 장치까지로 제한되지만 위험 지역에는 4개까지만 장착할 수 있다.

■ 통신 스택

통신스택은 IEC 모델의 제 2계층에서 제 7계층까지에 해당한다. 제 7계층에 해당하는 FMS( Field Message Specification )는 사용자 계층의 명령들을 인코딩하고 디코딩한다. FMS는 index뿐만 아니라 tag name으로도 필드버스 데이터에 접근할 수 있도록 하기 위해서 "Object Dictionary"를 포함한다. 제 2계층에 해당하는 데이터 링크 계층은 제 1계층을 통해서 필드버스상에 전송되는 메시지의 전송을 제어한다. 또한 데이터 링크 계층은 LAS(Link Active Scheduler)라고 불리는 버스 스케줄러를 통해서 필드버스에 접근하는 것을 관리한다. 데이터 링크 계층은 IEC의 데이터 링크 계층 표준의 부분집합이고 FMS는 PROFIBUS 표준으로부터 왔다.

파운데이션 필드버스의 데이터링크층은 IEC 필드버스의 제 3부의 부분 집합이다. 이 계층의 기능은 물리계층을 통하여 일어나는 메시지의 송수신을 제어하는 것이다. 이러한 제어는 중앙의 버스 스케줄러(Link Active Scheduler, LAS)에 의해 이루어진다. 데이터 링크층은 2종류의 장치, 기본 장치와 링크 마스터만을 인식한다. 기본장치는 LAS를 포함하지 않지만 링크 마스터는 LAS를 포함하며 통신에 주도적으로 참여한다. 필드버스의 Configuration 동안 LAS는 버스상의 모든 장치 리스트와 특정시간에 어떤 데이터가 필요한가에 대한 정보를 가지고 있어야 한다.

장치가 데이터를 줄 때, LAS는 그 장치에게 버스상의 모든 장치에게 데이터를 Broadcast(또는 Publish 라고 한다.)하라고 한다. 데이터를 수신하도록 구성된 모든 장치(subscriber라 함)에서 그 데이터를 동시에 수신한다. 예가 그림 2에 있다.

그림 2. Foundation Fieldbus상의 데이터 전송

그림 2에서 장치 A는 LAS이자 조작자 화면이며, 장치 B는 데이터 로깅장치이다. 장치 C는 압력을 센싱하여 그 값을 전송하는 압력 전송장치이다. 장치 D는 PID 제어 기능을 갖춘 모터 구동 장치이다. 동작은 다음과 같다. LAS는 장치 C에게 버스상으로 해당 압력 데이터를 전송(Publish)하라고 명령한다. 장치 C가 해당 데이터를 전송하면 그 데이터에 대하여 Subscriber들인 장치 A,B 그리고 D는 데이터를 받아들여 알맞은 동작을 한다. 즉, 장치 A는 데이터를 디스플레이하고 장치 B는 저장을 하고, 장치 D는 제어 알고리즘을 수행하여 제어 데이터를 플랜트에 보낸다.

LAS는 스켸쥴된 메시지, 즉 시스템에서 구성되어진 주기적인 데이터들을 잘 처리하지만 다른 형태의 메시지, 스켸쥴되지 않은 메시지(에를 들어 비주기적으로 생성되는 데이터)를 처리하기 위해서는 LAS의 Configuration을 구성할 때, 이러한 메시지들을 처리할 수 있도록 적당한 시간이 할당되도록 해야 한다. 예로서 그림 3을 살펴보자.

그림 3에서 압력 장치 A는 주기 250ms로, 온도 장치 B는 주기 250ms로, 분석 장치 C는 주기 1초로, 유속 장치 D는 주기 125ms로, 벨브 위치 조정 장치 E는 125ms로 데이터를 주기적으로 전송한다고 할 경우, LAS는 그림 3과 같은 순서대로 각 장치가 해당시간에 데이터를 전송하도록 한다. 전송한 후 남는 시간이 바로 스케쥴되지 않은 데이터를 처리하는 시간이다. 데이터링크층은 시간 마스터를 통하여 필드버스 내의 시간을 유지하여야 하며 모든 장치가 1ms 이내로 시간을 알아야 한다.

그림 3. 메시지 스케쥴링

■ 사용자 계층

사용자 계층의 소프트웨어는 분산 제어 개념을 구현한다. 사용자 계층은 아래와 같은 세 가지의 주요 기능을 가진다.

(1) 기능 블록 (Function Blocks)

기능블록은 아날로그 입력, 아날로그 출력, PID 제어와 같은 제어 기능들을 각각 표준화하여 집어 넣은 것이다. 이를 위하여 기능블록은 입출력 연결, 블록 내의 매개변수들, 이벤트에 대한 응답과 제어 모드 선택의 항으로 정의된다.

프로세스 제어를 위해 추가되는 표준 기능블록들은 다음과 같다.

- 이산 입력, 이산 출력, PD 제어기, 신호 선택기(signal selector), 수동 로더(manual loader), bias/gain station, ratio station등

(2) 시스템 관리 (System Management)

기능블록은 제어시스템의 정확한 동작을 위해 정확하게 지정된 간격과 적절한 순서로 수행되어야 한다. 시스템 관리는 기능블록의 예정된 수행을 위한 시간의 동기화 기능과 필드버스 상에서 기능블록의 매개변수들의 교환기능을 제공한다. 시스템 관리는 또한 자동 장치주소 설정기능이나 전역적인 시간을 전체 시스템에 뿌리는 것과 같은 여러 시스템 특성을 다룬다.

(3) 장치 설명 (Device Descriptions)

Foundation Fieldbus의 핵심적인 특성은 장치의 상호 운용성이다. 상호 운용성은 필드 버스의 사용자가 제어 시스템이나 호스트 시스템의 장치 기능성이나 장치 집적도를 떨어뜨리지 않고 어떤 생산자의 제품에서 다른 생산자의 제품으로 교환 가능하도록 하는 것을 말한다.

이것은 제어 시스템이나 호스트의 공급자와는 상관없이 사용자가 응용분야에 적합한 장치를 선택할 수 있도록 한다. 각각의 Foundation Fieldbus 장치들은 DDL(Device Description Language)이라고 불리는 특별한 프로그래밍 언어로 쓰여진 장치설명으로 기술된다.

장치 설명은 그 장치의 '드라이버'이다. 장치 설명은 제어 시스템이나 호스트가 구성(Configuration), 보정(Calibration), 진단(Diagnostics)을 위한 사용자 접속을 포함하는 장치와 통신하기 위해 필요한 모든 정보를 제공한다. 어떤 제어 시스템이나 호스트라도 어떤 장치의 장치 설명을 가지고 있으면 그 장치를 상호 운용할 수 있다.

호스트는 장치의 장치설명을 읽기 위해 DDS(Device Description Services)라는 해석기(Interpreter)를 사용한다. 단순히 필드버스 선로상에 장치를 연결하고 제어 시스템이나 호스트에 새로운 장치의 장치 설명을 제공하는 것으로 새로운 장치가 추가된다.

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