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[월간자동화기술(Automation Technology Magazine), 무선 필드버스 기술의 설계 방법 및 현황(Design Scheme of Wireless Fieldbus), 김동성, May, 2011
By : 관리자
Date : 2011-04-18
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머리말

산업 환경에서 사용되어지는 필드버스는 기기의 이상 및 오작동 알람 등의 비주기적 긴급 데이터와 기기의 상태 및 제어를 위한 주기적 I/O 데이터의 전송을 위해 신뢰성과 실시간성을 만족해야한다[1][2]. 이러한 제약들로 인해 현장에서는 대부분의 유선기반의 제어망 및 필드버스 기술들이 사용되어져 왔다. 하지만 최근 들어 무선통신 기술의 성능과 신뢰성이 향상되고 노드 당 가격이 저렴해지면서 무선 통신 기술을 이용한 필드버스에 대한 연구들이 진행되고 있다.    
  무선 기술의 적용은 장비들의 연결성, 케이블링과 같은 유선 필드버스의 한계를 극복할 수 있고, 산업용 시스템의 유연성(flexibility)을 높일 수 있는 장점들이 있다. 이로 인해 그림 1과 같이 기존 무선기술의 장점들과 필드버스의 요구 사항들을 바탕으로 IEEE 802.15.4 기반의 무선 제어 기술 들이 연구되어지고 있다[1][2][3].
본 원고에서는 산업 환경에서의 무선 필드 버스 기술들의 문제점 들을 분석하고 WirelessHART 및 ISA100.11a 기술들을 통해 무선 필드버스기술 및 그 연구 사례들을 살펴 본다.

무선 필드버스 기술의 설계 방법 및 현황




무선 필드버스의 설계 방법

무선 채널과 무선 송수신기를 이용한 무선 필드버스 기술을 산업용 환경에 적용하기 위해서는 극복해야 할 여러 가지 문제들이 있다. 그중에 대표적인 것들로 이중화, 경로 손실, 송수신기의 반이중 방식으로 인한 제한, 물리 계층 의 오버헤드, 그리고 예측이 어려운 채 널 에러 등이 있다[1].
또한 유선 필드버스에 무선통신 기술 을 적용하기 위해서는 다음과 같은 문제들을 예로 들 수 있다. WorldFIP[4]에서 와 같이 공급자-분배자-수요자 (Producer-Distributor-Consumer) 전달 모델을 사용한다고 할 때 해결할 수 없는일관성문제가제기될수있다.
프로피버스[4]와 같은 필드버스 시스템에서 토큰 패킷의 반복되는 손실은 논리 고리 (Logical Ring)의 안정성에 심각한 영향을 미친다. 궁극적으로는 이동성의 대처 방안이 없으므로 이에 적절한 방안이 필요한 토큰-패싱 (Token-Passing) 프로토콜이 필요하다. 이런 이유로 토큰 패실 기반의 무선 제어망 기술들이 연구됐다.
CAN[4]과 같은 필드버스 시스템을 사용하는 방식에서는, 미디어 접근 제어(MAC) 기법으로 패킷 충돌을 회피할 수 있는 결정론적 방식(Deterministic Mechanism)을 사용해야 한다. 이로 인 해 반이중 (Half-duplex) 방식을 사용 해야 한다는 제약 조건이 존재한다. 그래서 CSMA (Carrier-Sense Multiple Access) 방식에 의존하는 프로토콜은 무선 방식에 부적합하다.
현재까지는 그림 2와 같은 게이트웨 이를 이용한 유무선 하이브리드 네트워 크에 대한 연구 사례들이 많이 연구되 어 왔다[5][6]. 이 유무선 하이브리드 네 트워크는 무선통신 네트워크를 통합하 기 위해 유무선 중계 장치들을 이용하 고 사용했다. 이를 위해서는 각 이종 유 무선 망간의 시각 동기화 및 중계 장치 로 인한 전송 지연 등이 설계 시에 고려 돼야 한다.




무선 프로토콜 기반 설계 방식

무선 필드버스의 물리 계층은 그림 3 과 같은 WLAN(Wireless Local Area Network) 또는 WPAN(Wireless Personal Area Network) 표준들을 사 용할 수 있다. 전송 속도나 서비스 영역 등이 무선 필드버스의 요구 사항들에 부합할 경우 하위층 표준으로 사용될 수 있다. 물리 계층보다 상위 계층에 대 해서는 데이터 링크 계층이나 이미 존 재하고 있는 필드버스 표준 규격들로부 터도 해법을 도출할 수 있다.
애플리케이션 계층의 경우도 기존의 방법을 응용하는 것이 유리하다. WirelessHART의 경우는 유선 필드버 스인 HART의 애플리케이션 계층 프로 토콜을 사용했다[8]. 또는 MMS[4] 같 은 응용 계층을 바탕으로 설계하는 방 법도 대안이 될 수 있으며 프로피버스 와 FIP 경우 애플리케이션 계층 프로토 콜들이 MMS를 응용한 대표적인 것들 이다[2].
그림 3과 같이 무선 필드버스의 데이 터 링크 계층은 WLAN/WPAN 표준들 이 디바이스 레벨 통신 요구 사항들과 일치점들이 있으면 이 표준들을 응용하 는 것이 가장 편리하다. 애플리케이션 계층의 경우에는, 이미 존재하는 유선 필드버스의 프로토콜 또는 이를 응용한 기술들을 사용하는 것이 가장 바람직하 며 무선의 장단점을 고려해 설계돼야 한다.
그림 3과 같은 구조를 고려할 때 많 이 고려되는 제어용 프로토콜이 IEEE 802.15.4 프로토콜이다 . IEEE 802.15.4는 많은 입출력 노드 수를 요 구하는 필드버스 환경에 적합한 장점들 이있다.





하지만, 산업 환경에서 데이터의 대 부분은 4바이트 이하의 주기적인 입출 력 데이터 및 이벤트성 알람 데이터이 므로 입출력 데이터를 지원하면서 산발 적 알람 데이터를 동시에 지원해야 한 다. 또한 하위 영역 장치들의 제어를 위 해서는 실시간성 및 신뢰성의 보장이 필수적 요소들이다.
이러한 부분들을 고려해 IEEE 802.15.4 기반의 물리층을 사용하되 신 뢰성이 고려된 상위 계층들을 이용한 다 양한 연구들이 시도되었으며 그 중 대표 적인 예들이 표 1의 WirelessHART와 국 제 표 준 으 로 최 근 에 제 안 된 ISA100.11a이다.





필드버스의 활용 예:무선 CAN

무선 CAN은 RFMAC 프로토콜과 WMAC 프로토콜에 대한 방법들에 대 해 연구되어 졌다. RFMAC 프로토콜은 마스터 노드 영역 내에서 하나의 마스 터 노드와 슬레이브 노드들로 이루어진 중앙 집중식 WCAN 네트워크에서 동작 한다.
중앙 집중적인 무선 네트워크에선 ALOHA, PRMA (Packet Reservation Multiple Access), ISMA (Idle Signal Multiple Access) 등으로 만들어진 경쟁 기반 채널 액세스 프로토콜들로 평 가된다. ISMA 액세스 프로토콜은 중앙 집중식 WCAN에서 부분적으로 적용된 방법의 하나이며 공유 채널에 전송하려 면 중앙 노드와 단말기에 트래픽이 발 생할 수 있다.
WMAC 프로토콜은 분산 WCAN 네 트워크에서, 일부 노드는 중앙 노드의 도움 없이 서로 통신을 수행할 수가 있다. WMAC 프로토콜은 산발적 그리고 주기적 메시지를 지원하기 위해 설계 되었다. 그러므로 어떤 노드는 언제 어느때나 메시지를 브로드캐스트 할 수 있다.
경쟁 상황은 각각의 메시지에서 서로 다른 PIFS(Priority Interframe Space) 지연 시간을 이용하여 해결하 였다. 또한 CSMA/CA 프로토콜의 우 선순위는 내부프레임 타이밍에 의해 해 결된다고 제안하고 있다. 그러나 WCAN 기술처럼 유선 필드버스 기법 을 적용하려는 시도는 많은 구현상의 문제로 인해 학술적 연구의 사례로만 발표되었다.

맺음말

무선 기반의 산업용 필드버스를 실용화하기 위해서는 무선 채널의 영향 및 산업 환경의 외적인 요소를 먼저 고 려하여야 한다. 유선 채널보다 무선 채 널에서 결함 현상이 다양할 것이고, 유선 채널에서보다 무선 채널에서 에러가 더 자주 발생할 것이다. 하지만, 무선 채널에서의 전송 에러는 일시적인 반면(딥 페이드 상태로 갔다가 다시 채널 상태가 원활히 복귀되는 경우), 유선 채널에서의 전송 에러는 치명적인 경우가 많다(전선 결손, 하드웨어 부분 훼손).
이를 위해서 WirelessHART 및 ISA100. 11a처럼 새로운 프로토콜 메 커니즘이나 응용계층 메커니즘의 재구 성이 필요하다고 할 수 있겠다. 또한 무 선 필드버스 설계의 어려움을 줄일 수 있도록 패킷 손실이나 패킷 전송 한계를 고려한 유연한 상위 계층을 설계하는 것이 바람직하다.

참 고 문 헌



[1] F. De Pellegrini, D. Miorandi, S. Vitturi and A. Zanella,“ On the Use of Wireless Networks at Low Level of Factory Automation Systems”, IEEE Trans. on Ind. Inf., vol. 2, n.2, pag. 129-143, 2006.


[2] A. Willig, K. Matheus. "Wireless technology in industrial network" Proceedings of the IEEE, Vol. 93, Issue 6, June 2005.


[3] D-H.Choi and D-S.Kim,“ Wireless Fieldbus for Networked Control System using LR-WPAN”, International Journal of Control, Automation, and Systems, vol. 6, no. 1, pp. 1-7, February 2008.



[4] 권욱현, 김형석, 김동성“산업용 필드 버스 통신망”, 성안당, 2004



[5] D-S.Kim, S.K. LEE "Feasibility Analysis of Hybrid Control Network based on Common Industrial Protocol" Vol.33, Issue 4, pp.357-366, Computer Standards and Interfaces, 2011



[6] 김동성, 정지원,“ 공장자동화용혼합 형 네트워크를 위한 실시간 동기화 알고리즘의 성능 분석: CAN과 센서 네트워크”, 제어로봇시스템학회 논문 지, Vol. 16, No. 2, pp. 194-201, February 2010



[7] Nguyen Quoc Dinh and Dong- Sung Kim, "Performance Evaluation of Priority CSMA-CA Mechanism on ISA100.11a Wireless Network“, in press, Computer Standards and Interfaces, 2011



[8] Dong-Sung Kim, Joseph Jeon and Prasant Mohapatra, "Scheduling of Wireless Control Networks based on IEEE 802.15.4: Mixed Traffic Environment", in press, Control Engineering Practice, 2011 



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