프로피버스
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1. 개요
PROFIBUS는 1986년 독일에서 시작된 필드버스 통신 기술로, 생산 및 프로세스 자동화 분야에서 사용되는 산업용 통신 프로토콜이다. PROFIBUS는 PROFIBUS DP와 PROFIBUS PA의 두 가지 주요 변형이 있으며, DP는 공장 자동화에, PA는 프로세스 자동화에 주로 사용된다. PROFIBUS는 OSI 참조 모델을 기반으로 하며, 응용 계층, 데이터 링크 계층, 물리 계층으로 구성된다. 1989년 PROFIBUS 사용자 조직(PNO)이 설립되었으며, 현재는 PROFIBUS & PROFINET International (PI)을 통해 표준화 및 관리되고 있다.
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2. 역사
PROFIBUS는 1980년대 후반 독일에서 여러 기업과 연구소가 참여한 공동 프로젝트를 통해 시작되었다.[8][23] 초기 목표는 공장 자동화와 프로세스 자동화[22] 환경 모두에 적용 가능한 표준 필드버스 기술을 개발하고 보급하는 것이었다.[23]
초기에는 Profibus FMS(Field bus Message Specification) 프로토콜이 개발되었으나, 이후 1993년에 더 단순하고 빠른 통신을 지원하는 PROFIBUS DP(Decentralised Peripherals)가 개발되어[9][20] 생산 자동화 분야를 중심으로 널리 사용되고 있다.[16][11] 또한, 프로세스 자동화 환경의 특수한 요구사항을 만족시키기 위해 PROFIBUS PA(Process Automation) 버전도 개발되었다.[15] 이 두 가지 버전(DP, PA)은 오늘날 PROFIBUS 기술의 핵심을 이루고 있다.
PROFIBUS 기술은 성공적으로 확산되어 2009년 말 기준으로 전 세계적으로 3천만 개 이상의 장치가 PROFIBUS 네트워크에 연결되었으며, 이 중 5백만 개는 프로세스 산업 분야에서 사용되고 있다.[8]
2. 1. PROFIBUS의 탄생
PROFIBUS의 역사는 1986년 독일에서 시작되었다. 당시 18개의 기업과 연구소가 참여하여 정부의 지원을 받는[23] '필드버스(Fieldbus)' 공동 프로젝트 계획을 수립했다.[8] 이 프로젝트의 목표는 필드 장치 인터페이스의 기본적인 요구 사항을 충족하는 비트 직렬 방식의 필드 버스를 실제로 구현하고 널리 보급하는 것이었다. 이를 위해 참여 기관들은 공장 자동화와 프로세스 자동화[22] 양쪽에 모두 적용될 수 있는 공통된 기술 개념을 개발하고 지원하기로 합의했다.[23] 이 노력의 첫 결과물로, 비교적 복잡한 통신 작업에 맞춰 설계된 프로토콜인 Profibus FMS(Field bus Message Specification)가 먼저 제정되었다.2. 2. 초기 프로토콜 개발
프로피버스(PROFIBUS)의 역사는 독일에서 1987년, 21개의 기업과 연구소가 모여 필드버스 개발 계획을 수립하고 정부의 지원을 받으면서 시작되었다.[23] 이들의 목표는 필드 장치 인터페이스의 기본적인 요구 사항에 기반한 비트 직렬 필드버스를 구현하고 그 사용을 확대하는 것이었다. 이를 위해 참여 기업들은 공장 자동화와 프로세스 자동화[22] 양쪽에 공통적으로 적용될 수 있는 기술적 개념을 지원하기로 합의했다.[23]가장 먼저 제정된 프로토콜은 상대적으로 복잡한 통신 작업에 맞춰진 PROFIBUS FMS (Field bus Message Specification)였다. FMS는 주로 마스터 장치 간의 비결정적 데이터 통신에 사용되었다.[9][20]
이후 1993년에는 FMS를 개선하여 더 단순하고 훨씬 빠른 PROFIBUS DP (Decentralised Peripherals, 분산 주변 장치) 프로토콜의 사양이 완료되었다. PROFIBUS DP는 중앙 컨트롤러(마스터)와 센서, 액추에이터 같은 분산된 주변 장치(슬레이브) 간의 빠르고 결정적인 통신을 위해 개발되었다.[9][20]
2. 3. PROFIBUS PA의 개발
'''PROFIBUS PA''' (Process Automation, 프로세스 자동화)[15]는 프로세스 자동화 응용 분야에서 프로세스 제어 시스템을 통해 측정 장비를 모니터링하기 위해 개발되었다. 이 변형은 특히 폭발이나 화재 위험이 있는 Ex-zone 0 및 1과 같은 위험 지역에서 사용하도록 설계되었다.PROFIBUS PA의 물리 계층은 IEC 61158-2[2] 표준을 따르는데, 이는 통신 케이블을 통해 현장의 계측 장비에 전력을 공급하면서도, 고장이 발생했을 때 폭발 조건을 만들 수 있는 수준의 전류가 흐르지 않도록 제한하는 기능을 포함한다. 이러한 전력 공급 및 안전 기능 때문에 하나의 PA 세그먼트에 연결할 수 있는 장치의 수는 제한된다. PA는 31.25 kbit/s의 데이터 전송 속도를 가진다.
PA는 프로토콜 자체는 PROFIBUS DP와 동일한 것을 사용하며, 커플러(Coupler)라는 장치를 통해 DP 네트워크에 연결될 수 있다. 상대적으로 훨씬 빠른 속도의 DP 네트워크는 PA로부터 받은 프로세스 신호를 상위 제어 시스템으로 전송하는 백본 네트워크 역할을 수행한다. 따라서 DP와 PA는 프로세스 자동화와 공장 자동화가 함께 필요한 하이브리드 시스템 환경에서 긴밀하게 연동하여 사용될 수 있다.
3. 기술
PROFIBUS는 통신 기술로서 OSI 참조 모델을 기반으로 설계되었으나, 모델의 모든 계층을 사용하지는 않는다. 주로 OSI 모델의 물리 계층(1계층), 데이터 링크 계층(2계층), 응용 계층(7계층)에 해당하는 프로토콜 스택을 정의하고 활용한다.
물리 계층에서는 데이터 전송 방식으로 EIA-485(RS-485) 기반의 전기 전송, 광섬유를 이용한 광학 전송, 그리고 데이터와 전원을 함께 전송하는 MBP(Manchester Bus Powered) 기술 등을 사용한다. 데이터 링크 계층에서는 FDL(Field bus Data Link) 프로토콜을 통해 토큰 패싱 방식과 마스터/슬레이브 방식을 결합하여 매체 접근을 제어하고 데이터 프레임을 관리한다. 응용 계층에서는 다양한 버전(DP-V0, DP-V1, DP-V2)을 통해 주기적/비주기적 데이터 교환, 진단, 알람 처리 등 필드 장치와의 통신에 필요한 기능들을 제공한다.
OSI 모델의 네트워크 계층(3계층), 전송 계층(4계층), 세션 계층(5계층), 표현 계층(6계층)은 PROFIBUS 표준에서 별도로 정의하지 않는다. 각 계층의 세부적인 기술 내용과 작동 방식은 하위 섹션에서 더 자세히 설명한다.
3. 1. OSI 참조 모델과 PROFIBUS 프로토콜
PROFIBUS 프로토콜은 OSI 참조 모델을 기반으로 설계되었지만, 모든 계층을 사용하지는 않는다. 주로 응용 계층(OSI 7계층), 데이터 링크 계층(OSI 2계층), 물리 계층(OSI 1계층)을 정의하여 사용한다.
- 응용 계층: 사용자 프로그램과 PROFIBUS 기능 간의 인터페이스를 제공하며, PROFIBUS에서는 DPV0, DPV1, DPV2 버전으로 나누어진다.
- 데이터 링크 계층: FDL(Field bus Data Link, 필드 버스 데이터 링크) 프로토콜을 사용한다.[3][4] FDL은 토큰 패싱 방식과 마스터/슬레이브 방식을 결합한 하이브리드 매체 접근 제어 방식을 채택한다. PROFIBUS DP 네트워크 환경에서는 컨트롤러나 프로세스 제어 시스템이 마스터 역할을 수행하고, 연결된 센서와 액추에이터는 슬레이브 역할을 한다.[10][17] 데이터는 각 바이트마다 짝수 패리티 비트, 시작 비트, 정지 비트를 추가하여 비동기 방식으로 전송된다. 텔레그램(데이터 패킷)의 각 바이트 전송 사이에는 정지 비트와 다음 시작 비트 사이에 별도의 일시 중지 시간이 없을 수도 있다. 마스터 장치는 최소 33비트 동안 논리 "1" 상태(버스 유휴 상태)를 유지하는 SYN 동기화 신호로 새로운 텔레그램의 시작을 알린다. 다양한 종류의 텔레그램이 사용되며, 이는 각 텔레그램의 시작을 알리는 구분 기호(Start Delimiter, SD)를 통해 구분할 수 있다.
- 물리 계층: 데이터 전송 매체에 따라 EIA-485(RS-485), 광섬유, MBP(Manchester Bus Powered) 기술을 사용한다.
표현 계층(6계층), 세션 계층(5계층), 전송 계층(4계층), 네트워크 계층(3계층)은 PROFIBUS 규격에서 별도로 정의하지 않는다. 또한, 모든 계층에 걸쳐 네트워크 관리 기능이 포함된다.
3. 2. 응용 계층 (Application Layer)
프로피버스 DP 프로토콜[6]은 다양한 기능을 지원하기 위해 여러 서비스 레벨[5]로 정의되어 있다.[10][21] 이 서비스 레벨들은 OSI 참조 모델의 응용 계층에 해당하며, 각각 다음과 같은 기능을 제공한다.- DP-V0: 기본적인 서비스 레벨로, 데이터와 진단 정보의 주기적인 교환을 수행한다.
- DP-V1: DP-V0의 기능을 확장한 서비스 레벨이다. 주기적 데이터 교환뿐만 아니라 비주기적 데이터 교환과 경보(알람) 처리를 추가로 지원한다.[19] 이를 통해 더 유연한 데이터 관리와 빠른 이벤트 대응이 가능하다.
- DP-V2: DP-V1의 기능을 더욱 확장하여, 등시성 모드와 데이터 교환 브로드캐스트 기능을 제공한다. 데이터 교환 브로드캐스트는 슬레이브 장치 간의 직접 통신을 가능하게 한다.
3. 3. 데이터 링크 계층 (Data Link Layer)
데이터 링크 계층인 '''FDL'''(Field bus Data Link, 필드 버스 데이터 링크)은 토큰 패싱 방식과 마스터-슬레이브 방식을 결합한 하이브리드 접근 방식을 사용한다.[3][4] PROFIBUS DP 네트워크에서는 컨트롤러나 프로세스 제어 시스템이 마스터 역할을 하고, 센서와 액추에이터 그룹이 슬레이브 역할을 수행한다.[10][17]데이터는 각 바이트마다 짝수 패리티가 추가되어 시작 비트와 정지 비트와 함께 비동기적으로 전송된다. 텔레그램 내의 바이트를 전송할 때, 한 바이트의 정지 비트와 다음 바이트의 시작 비트 사이에 별도의 일시 중지 시간이 없을 수도 있다. 마스터는 새로운 텔레그램의 시작을 알리기 위해 최소 33비트 동안 논리 "1" 상태(버스 유휴 상태)를 유지하는 SYN 일시 중지 신호를 보낸다.
FDL에서는 다양한 종류의 텔레그램(메시지)이 사용되며, 이는 시작 구분 기호(Start Delimiter, SD)를 통해 구분된다.
- 데이터 없음 (No Data): SD1 = 0x10