Wireless HART 무선 제어망 기술

김동성 금오공과대학교 전자공학부 교수 (dskim@kumoh.ac.kr)

 

산업용 무선 제어망에 대한 관심과 국제 표준을 위한 작업들이 경쟁적으로 진행되고 있다. 특히 프로세스 산업분야에서 산업용 무선 해법에 대한 수요가 급격하게 증가함에 따라 이에 따른 업체와 단체 간의 연구 및 개발이 치열하게 진행되고 있다.

무선 제어망 기술은 기기 이상과 오작동 알람 등의 비주기적 긴급 데이터 그리고 기기의 상태와 제어를 위한 주기적 I/O 데이터의 전송을 위해 신뢰성과 실시간성을 만족해야 한다[1][2].

 

 

이러한 제약들로 인해 현장에서는 대부분 유선 기반의 제어망과 필드버스 기술들이 사용돼 왔다. 하지만 최근 들어 무선통신 기술의 성능과 신뢰성이 향상되고 노드당 가격이 저렴해지면서 그림 1과 필드 버스 영역에서 Wireless HART, ISA 100.11a(SP100)와 같은 무선 제어 통신 기술들을 활용하기 위한 제품들 및 관련 응용 제품들이 소개되고 있다.

이번 글에서는 지난번에 소개된 ISA 100.11A에 이어서 Wireless HART 표준에 관해 살펴보고자 한다. Wireless HART(IEC62591)는 2004년부터 표준작업이 시작되었고 국제적으로 승인된 표준 프로토콜로 HART 계열 유/무선 장치와 상호호환성을 제공하면서 산업현장에 적용되고 있다.

 

 

Wireless HART는 그림 2의 망 구조에서 볼 수 있듯이 개방형 구조의 표준이며 OSI 스택의 하부 및 아주 제한된 전력소모 조건을 지원하는 고정형, 휴대형, 이동형 장치와 연결되는 저속의 무선연결에 대한 호스트 응용장치(Host Application), 네트워크 관리(Network Manager), 프로세스 제어기(Process Automation Controller)등의 구조를 표준에서 정의하고 있다. 그 사용 목적은 시간 제약이 존재하는 산업용 공정 장치와 그 응용 시스템 설계에 부합된다.

그림 2에서 볼 수 있듯이 3가지 종류의 관리 및 제어 장치들과 백본 자동화 제어망을 통해 연결되도록 구성되어 있으며 이를 위해 Wireless HART 장치들은 무선 게이트웨이를 사용하고 있다. 그리고 기존에 설치된 유선 HART 필드버스 응용 장치들과는 어댑터를 통해 Wireless HART와의 연결 기능을 제공한다.

장치별 종류와 기능들을 살펴보면 표 1과 같다.

 

 

일반적으로 Wireless HART 필드 디바이스들은 WFD라 칭하며 가장 기본이 되는 단위 요소이다. Wireless HART 게이트웨이는 백본망과 연결된 응용 관리 및 제어기와 연결을 제공한다. Wireless HART 네트워크 매니저는 전체 망의 관리와 장애관리, 복구 기능들을 제공하도록 설계되어야 한다. 그밖에 장비에 관해서는 표1을 참조하기 바란다.

 

Wireless HART 프로토콜 스택 구조

 

 

OSI 7 계층 구조를 참조 모델로 Wireless HART 프로토콜을 살펴보면 그림 3과 같다. 물리층은 IEEE 802.15.4 표준을 그대로 사용하며 데이터 계층은 실시간성을 보장하기 위해 IEEE 802.15.4 표준의GTS(Guaranteed time Slot)와 유사한 개념의 TDMA와 CSMA를 혼용해서 사용한다. 특히 신뢰성과 안정성을 보장하기 위한 ARQ 기법 및 전송 기법을 사용한다.

트랜스포트와 네트워크 계층은 무선메시망을 지원하기 위해 설계되었으며 전송 전격 최적화, 자기치유 기능, 이중화 경로 설정을 통해 디바이스 또는 경로 설정에 장애가 발생해도 주어진 시간 내에 데이터가 안전하게 전송하도 록 다양한 기능들을 제공한다.

Wireless HART 네트워크는 메시네트워크 구조로 되어 있으며 각 센서는 라우터와 리피터로 작동한다.

이런 방식을 채용함으로써 네트워크의 범위가 하나의 중앙 게이트웨이에 의존하지 않으며 대규모 분산 네트워크 구조를 설치할 수 있다.

통신 경로가 중단되는 경우 시스템은 중단 없는 통신을 유지하기 위해 자동으로 신호 경로를 재지정해 무선 통신에서 가용성 수준이 높아지게 한다.

따라서 Wireless HART 네트워크는 필드 장치에서 안정적인 무선 통신이 가능하도록 동시에 여러 통신 경로를 사용할 수 있다.

프레젠테이션과 세션 계층을 포함하고 있지 않으면 응용 계층은 HART 장치들과 연동할 수 있도록 HART 응용계층을 사용한다.

특히 Wireless HART 프로토콜은 시분할 다중 접근(Time Division Multiple Access: TDMA) 방식 기반의 스케줄링을 기반으로 통신이 이루어지므로 ISA 100.11a에 비해 실시간성이 강조된 영역에 사용될 수 있다. 이때, 스케줄링은 중앙제어 방식의 네트워크 관리기에 의해서 수행되며 이를 위해 각 장치의 통신 요구사항이 고려된 전체적인 네트워크 라우팅 정보를 이용하게 된다.

또한 최근 들어 Wireless HART 표준을 따른 기기들의 수가 증가하고 있고 상호 운용성에서도 많은 개선이 이루어진 것으로 보고되고 있다. 이에 따라 정유업체나 대규모 플랜트 공정을 기반으로 한 산업 시설에 적용되고 있다.

그러나 실시간성 측면의 장점에도 불구하고 Wirless HART 프로토콜은 사용자 입장에서는 6LowPAN이 지원되는 ISA 100.11a 프로토콜에 비해 확장성이 떨어진다는 측면을 추측해 볼수 있다. 향후 지금까지 정확한 응용 표준이 없는 ISA 100.11a 프로토콜과 Wireless HART가 장단점을 서로 보완해 새로운 표준으로 통합될 수 있는 가능성도 적지 않다고 연구자들은 예측한다.

 

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]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.

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

[6] http://iom.invensys.com/KR/Pages/Foxboro_MandI_WirelessHART.aspx