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[PlantTech] 무선 제어망 기술 통한 효율적인 산업공장 적용 가능성 2012년
By : 관리자
Date : 2012-06-25
Views : 1924

- 서문 -

산업 공장 분야에로 적용될 수 있는 무선 재어망 기술에는 IEEE 802.11 그룹과 IEEE 802.14.1의 블루투스, 그리고 IEEE 802.14.5의 센서 네트워크가 있다.
본 원고에서는 첫 번째로 무선 기술이 공장 환경에서 실시간 처리되기 위해 해결해야 할 문제점을 분석하고, 공장 환경에서 도움이 될 수 있는 성숙한 무선 기술에 대하여 살펴보고, 마지막으로 적용할 수 있는 무선 기술과 기존에 사용되던 유선 기술을 접목하여 효율적으로 사용할 수 있는 방안과 문제점의 해결 방안을 토의함으로써, 무선 기술을 산업 공장 기기에 효과적으로 적용할 수 있는 가능성을 제시한다.
산업 환경에서 사용되어지는 무선 제어망 기술은 기기의 이상 및 오작동 알람 등의 비주기적 긴급 데이터와 기기의 상태 및 제어를 위한 주기적 I/O 데이터의 전송을 위해 신뢰성과 실시간성을 만족해야한다.
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 무선 제어망에 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  Wirless HART, ISA100.11a 무선 제어 기술 들이 연구되어지고 있다.
본 연재에서는 산업 환경에서의 무선 필드 버스 기술들의 문제점 들을 분석하고 WirelessHART 및 ISA100.11a 기술들을 통해 무선 필드버스기술 및 그 연구 사례들을 살펴본다.

- 산업용 무선 제어 통신망의 설계 방법 -
무선 채널과 무선 송수신기를 이용한 무선 필드버스 기술을 산업용 환경에 적용하기 위해서는 극복해야 할여러 가지 문제 들이 있다. 그 중에 대표적인 것들로 이중화, 경로손실, 송수신기의 반이중방식으로 인한 제한, 물리 계층의 오버헤드, 그리고 예측이 어려운 채널 에러 등이 있다. 또한 유선 필드버스에 무선 통신 기술을 적용하기 위해서는 다음과 같은 문제들을 예로 들 수 있다. WorldFIP[4] 에서와 같이 공급자-분배자-수요자(Producer-Distributor-Consumer) 전달 모델을 사용한다고 할 때 해결할 수 없는 일관성 문제가 제기될 수 있다. Profibus[4]와 같은 필드버스 시스템에서 토큰 패킷의 반복되는 손실은 논리 고리(Logical Ring)의 안정성에 심각한
영향을 미친다. 궁극적으로는 이동성에 대한 대처방안이 없기 때문에 이에 적절한 방안이 필요한 토큰-패싱 (Token-Passing) 프로토콜이 필요하다. 이런 이유로 토큰 패실 기반의 무선 제
어망 기술들이 연구되어졌다. CAN[4]와 같은 필드버스 시스템을 사용하는 방식에서는 미디어 접근 제어(MAC) 기법으로 패킷 충돌을 회피할 수 있는 결정론적 방식 (Deterministic Mechanism)을 사용해야 한다. 이로 인해 반이중 (Half-duplex) 방식을 사용해야한다는 제약조건이 존재한다. 그래서 CSMA(Carrier-Sense Multiple Access) 방식에 의존하는 프로토콜은 무선 방식에 부적합하다. 현재까지는 <그림 2>와 같은 게이트웨이를 이용한 유무선 하이브리드 네트워크에 대한 연구 사례들이 많이 연구되어져 왔다. 이 유무선 하이브리드 네트워크는 무선 통신 네트워크를 통합하기 위해 유무선 중계 장치들을 이용하고 사용하였다. 이를 위해서는 각 이종 유무선 망간의 시각 동기화 및 중계 장치로 인한 전송 지연 등이 설계 시에 고려되어져야 한다.

- 산업용 무선 제어 망의 2가지 설계 방법 -
무선 필드버스의 물리 계층은 <그림 3>과 같은 WLAN (Wireless Local Area Network) 또는 WPAN(Wireless Personal Area Network) 표준들을 사용할 수 있다.
전송속도나 서비스 영역 등이 무선 필드버스의 요구 사항들에 부합할 경우 하위층 표준으로 사용될 수 있다. 물리 계층보다 상위 계층에 대해서는 데이터 링크 계층이나  이미 존재하고 있는 필드버스 표준 규격 들로부터도 해법을 도출할 수 있다.
애플리케이션 계층의 경우도 기존의 방법을 응용하는 것이 유리하다. WirelessHART의 경우는 유선 필드버스인 HART의 애플리케이션 계층 프로토콜을 사용했다.
또는 MMS 같은 응용 계층을 바탕으로 설계하는 방법도 대안이 될 수 있으며 Profibus와 FIP 경우 애플레이션 계층 프로토콜들이 MMS를 응용한 대표적인 것들이다.
<그림 3 (a)>과 같이  무선 필드 버스의 데이터 링크 계층은 WLAN/WPAN 표준들이 디바이스 레벨 통신 요구사항 들과 일치점들이 있으면 이 표준들을 응용하는 것이 가장 편리하다.
애플리케이션 계층의 경우에는 이미 존재하는 유선 필드버스의 프로토콜 또는 이를 응용한 기술들을 사용하는 것이 가장 바람직하며 무선의 장단점을 고려해 설계 되어져야 한다.
<그림 3>과 같은 구조를 고려할 때 많이 고려되어지는 제어용 프로토콜이 IEEE 802.15.4 프로토콜이다. IEEE 802.15.4는 많은 입출력 노드 수를 요구하는 필드버스 환경에 적합한 장점 들을 가진다.
하지만 산업 환경에서의 대부분의 데이터는 4바이트 이하의 주기적인 입출력 데이터 및 이벤트성 알람 데이터 이므로 입출력 데이터를 지원하면서 산발적 알람 데이터를 동시에 지원해야한다.
또한, 하위 영역 장치들의 제어를 위해서는 실시간성 및 신뢰성의 보장이 필수적 요소들이다. 이러한 부분들을 고려해 IEEE 802.15.4 기반의 물리층을 사용하되 신뢰성이 고려된 상위 계층들을 이용한 다양한 연구들이 시도되었으며 그 중 대표적인 예들이 <표 1>의 WirelessHART와 국제표준으로 최근에 제안되어진ISA100.11a이다. <표 2>는 무선 제어망 기술에 후보들이 될 수 있는 프로토콜들의 비교 분석표이다.

- 산업용 무선 제어 통신망의 설계 방향 -
무선기반의 산업용 무선 제어통신망을 설계 및 구현하기 위해서는 무선 채널의 영향 및 산업 환경의 외적인 요소를 먼저 고려하여야 한다. 유선 채널보다 무선 채널에서 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 메커니즘이나 응용계층 메커니즘의 재구성이 필요하다고 할 수 있겠다. 또한, 무선 필드버스 설계의 어려움을 줄일 수 있도록 패킷 손실이나 패킷 전송 한계를 고려한 유연한 상위 계층을 설계하는 것이 바람직하다.

2012.07

참고문헌
[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 필드버스 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, “공장 자동화용 혼합형 네트워크를 위한 실시간 동기화 알고리즘의 성능 분석: CAN과 센서 네트워크”, 제어·로봇·시스템학회 논문지, 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“, Vol. 34, Issue 1, Jan. 2012 , pp. 117-123, Computer Standards and Interfaces, 2012
[8] Dong-Sung Kim, Joseph Jeon and Prasant Mohapatra, "Scheduling of Wireless Control Networks based on IEEE 802.15.4:Mixed Traffic Environment", Control Engineering Practice, 2012
[9]RUNES Project, 2006, http://wireless.industrial-networking.com/articles
[10] P.T.A.Quang and Dong-Sung Kim, "Enhancing Real-time delivery of Gradient Routing for Industrial Wireless Sensor Networks", IEEE Transactions on Industrial Informatics, vol.8, no.1, pp.61-68, Feb. 2012
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