산업용무선제어망기술
산업 환경에서 사용되는 무선 제어 망 기술은 기기 이상, 오작동 알람 등의 비주기적 긴급 데이터와 기기의 상태 와 제어를 위한 주기적 I/O 데이터 전 송을 위해 신뢰성과 실시간성을 만족 해야 한다[1][2].
ISA100.11a 무선제어망
김동성 금오공과대학교 전자공학부 교수(dskim@kumoh.ac.kr)
이러한 제약들로 말미암아 현장에서 는 대부분 유선 기반의 제어망과 필드 버스 기술들이 사용됐다. 하지만 최근 들어 무선통신 기술의 성능과 신뢰성 이 향상되고 노드 당 가격이 저렴해지 면서 Wirless HART, ISA 100.11a와 같은 무선 제어 통신 기술들이 활용되 고 있다.
이번 글에서는 그중 먼저 ISA 100.11a 표준에 관해 살펴보고자 한다. ISA 100.11a는 ISA 100.11a 장치 간의 상호 호환성을 제공하면서 산업현장에 서 있을 수 있는 다른 무선 장치들과의 공존, 예를 들어 휴대폰, IEEE 802.11 기반의 장치들, IEEE 802.16 기반의 장치들 및 다른 무선규격 등과의 공존 성을 언급하고 있다.
ISA 100.11a는 ISA 100 무선 워킹그룹에서 정의한 표준 중에서 첫 번째 작품이며, 시스템 모니터링 분야, 제어 분야에서 신뢰성이 있고 안전한 동작을제공하는 것을 목표로 설계됐다.
ISA 100.11a는 그림 1의 망 구조에 서 볼 수 있듯이 OSI 스택의 하부와 아주 제한된 전력소모 조건을 지원하는
고정형, 휴대형, 이동형 장치와 연결되는 저속의 무선 연결에 대한 네트워크,시스템 관리, 게이트웨이, 보안관리
(Security manager) 등의 구조를 표준에서 정의하고 있다.
ISA 100.11a를 이용해 산업 응용 시스템 구현을 위한 대상 시스템은 지연시간이 100ms 단위인 실시간 모니터
링과 제어 분야에 대한 성능의 조건들을 언급한다. 표 1에서 Class 2까지 지원하는 것을 목표로 하고 있다. ISA
100.11a는 누구든지 구현하고 사용할수 있는 공개 규격이며 최종 사용자가 복잡하지 않게 사용할 수 있도록
6LowPAN을 이용한 인터넷 연동도 지원하고 있다.
다음은 ISA 100.11a 네트워크의 특성을 나타낸다.
• Mesh, Star-Mesh, Star 토폴러지와 같은 네트워크 토폴로지를 지원
• 제한된 에너지 자원을 가지면서 라우팅 능력이 없는 필드 장치
• 기존 네트워크와의 게이트웨이를 통한 접속
• 산업용, 발전소용 네트워크에서 선택적인 이중화(Redundancy)
• 장치 간 상호 호환성
• 데이터 무결성, 암호화, 인증, 전송지연 예방을 포함하는 보안성
• 산업현장에서 다른 무선 장치와의 공존성
• 간섭이 있는 경우의 강인성
ISA 100.11a는 다른 무선 장치와 다중경로에 따르는 간섭을 없애기 위해 지능적인 채널 호핑 알고리즘을 사용
한다. 이것은 낮은 성능의 주파수를 계속하여 사용하는 것을 방지함으로 신뢰성을 높인다. ISA 100.11a 장치는 그림 2의 참조 모델을 바탕으로 설계될수 있다.
ISA 100.11a 프레임 구조
ISA 100.11a는 IEEE 802.15.4:2006과 완전히 호환되나 IEEE 보안은 사용하지 않고 보안 요소로 공유된 데이터 링크 계층 서브네트 시간을 사용하는 더 간단한 메시지를 통해 비슷한 결과를 얻고 있다.
그림 3은 ISA 100.11a의 데이터 링크 계층에서 프레임 구조이다. 데이터 링크 헤더(DHR)와 데이터 링크 페이로
드(DLL Payload)로 구성되어 있으며,DHR에는 DHDR (DHR Header),DMXHR (DHR MAX Extension Sub-header), DAUX (DHR Auxiliary Sub-header), DROUT(DHR Routing Sub-header)로 구성되어 있다.
DHDR은 데이터 링크 계층의 옵션 설정 부분과 Dispatch 필드를 포함한다. DMXHR은 IEEE에서는 규정되어
있지 않은 패킷 전송과 ACK 수신을 위해 필요한 부가적인 필드를 포함한다.
DAUX는 이웃 발견, 시간 전송, 정보 교환, 명령 교환을 쉽게 하기 위한 정보를 포함한다. 일반적으로 이 필드는 사용하지 않는다. DROUT는 메시지 경로 설정에 필요한 정보를 포함한다.
그림 4와 같이 ISA 100.11a 기반 개발 장치와 소스 코드들이 제공되고 있으며 이를 이용해 대형 공장이나 정유
시설 등에 적용할 수 있는 무선 제어 장치를 개발할 수 있다. 현장에 적용된 무선 장비들의 인터넷 연동이 필요한 구조에서는 ISA 100.11a 기반의 장치들이 효율적으로 사용될 수 있다.
[참고문헌]
[1] 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
[2] 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
[3] P.T.A.Quang and Dong-Sung Kim“, Enhancing Realtime delivery of Gradient Routing for Industrial Wireless Sensor Networks”, IEEE Transactions on Industrial Informatics, vol.8, no.1, pp.61-68, Feb. 2012
[4] ISA100.11a 표준문건 및 기술문건, http://www.isa100wci.org/, 2012
