WirelessHART와 ISA100.11a - News

Technical Report

WirelessHART와 ISA100.11a

한국 에머슨 프로세스 매니지먼트

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WirelessHART Architecture

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ISA 100.11a Architecture

측정 계기 및 최종 제어 요소들은 기술적으로 진보하여 한층 심화된 공정 통찰력을 제공하고, 엔지니어링 비용을 절감시킬 뿐만 아니라, 시설의 전체 운영 성과를 향상시키고 있다. 이러한 계기를 우리는 스마트 디바이스(장치)라고 한다. 기술적 진보에도 불구하고, 현장에 이들 계기 기술을 도입하는 것은 고가의 설치비용 및 여러 가지 요소로 어려움이 따랐다.

하지만 산업 현장의 요구에 따라, 무선 기술을 사용하지만 기존과는 완전히 다른 새로운 디바이스 들이 나타나고 있다. 이들 디바이스의 일부는 유선 제품과 동일한 기술을 사용하지만, 상대적으로 혁신적인 저 전력 센서나 모바일 센서를 갖추고 있다.

가장 최신의 무선 기술은 IEEE 802.15.4 호환 DSSS(직접 시퀀스 확산 스펙트럼) 무선 시스템으로, 이는 2.4GHz ISM(산업, 과학, 의료용) 무선 대역(IEEE 802.15.4는 다중 대역을 지원)에서 작동한다.

IEEE 802.15.4 무선 기술을 사용하는 대표적인 두 개의 표준으로는, IEC62591-1(WirelessHART)와 ANSI/ISA100.11a-2011를 들 수 있다.

국제 표준인 WirelessHART 및 미국 표준인 ANSI/ISA100.11a-2011은 모두 통신 스택이 요구하는 모든 사양을 제공하고, 두 프로토콜은 유사한 그래프 라우팅, 소스 라우팅, 보안성, 중앙 네트워크 관리 기능을 사용한다. 이 두 프로토콜은 유사해 보이지만, 차이점 또한 상당하다.

HART통신 프로토콜을 기반으로 하는 WirelessHART

우선, WirelessHART는 HART 통신 프로토콜 및 사용자 계층을 기반으로 한다. HART 응용 계층은 1980년대 후반부터 존재해 왔는데, HART 프로토콜의 7.0 버전은 WirelessHART를 포함하며, 임의 데이터 전송, 이벤트 알림, Block Mode 전송, 고급 진단 기능이 강화됐다. 또한, WirelessHART 디자인은 통합 보안성(항시 활성화), 높은 가용성, 중앙 집중식 네트워크 관리를 포함하고 있어, HART 프로토콜의 기존 버전이나 향후 버전과의 상호 운용성을 가지고 있다.

WirelessHART는 킬른 건조기(kiln dryer)와 같은 회전 장비나 Safety Shower와 같은 환경 보건 및 안전 어플리케이션, 컨디셔닝 모니터링, 특정 제품을 위해 유연성 있게 시설이 재구성되는 제조 분야를 목표로 하고 있다.

더불어, HART 프로토콜의 최신 버전에는 Discrete/접점 신호 장치에 대한 신규 사양이 포함되어 있는데, Rosemount 702 Discrete 트랜스미터와 Fisher 4300 On/Off 밸브가 이 표준을 구현했다.

미국 비영리 단체 ISA를 통해 개발된 ISA100.11a

한편, ISA100.11a의 경우, ISA(국제 자동화 협회)를 통해 개발됐다. ISA는 약 2만 명의 자동화 전문가들로 구성된 미국 기반의 비영리 단체이다. ISA100.11a는, 산업 시설의 광범위한 무선 요구 사항을 지원하기 위한 표준으로 개발되었으며, 공정 자동화(Process Automation), 공장 자동화(Factory Automation), RFID등에 적용 가능하다.

ISA100.11a의 핵심 설계 기준은, 유연성, 복수의 애플리케이션 지원, 높은 신뢰성, 통합 보안성이라고 할 수 있는데 특히, 보안성을 위해 AES 128과 같은 동기식(synchronous) 프로토콜과 타원식 암호 체계와 같은 비동기식(asynchronous) 프로토콜 사양을 포함하고 있다.

Pv6 및 UDP와 같은 개방형 표준을 기반으로 하는 ISA100.11a는, 저 전력/저속 무선 네트워크(현재 IEEE 802.15.4) 사용을 위한 프로토콜 스택, 시스템 관리, 보안 기능을 갖추고 있다고 정의할 수 있다. 반면, ISA100.11a는 공정 자동화 프로토콜의 어플리케이션 계층이나 기존 프로토콜과의 인터페이스를 규정하고 있지 않다.

WirelessHART와 ISA100.11a 의 7가지 차이점

위의 두 표준은 구조적으로 다수의 차이점을 가지고 있다.

1. WirelessHART가 디바이스 타입을 고려하여 HART를 확장한다면, ISA100.11a는 역할 개념을 채용하여 다양한 조합으로 적용될 수 있도록 한다.

2. Access Point를 사용하는 WirelessHART와는 달리, ISA100.11a는 서브넷 브리징(bridging) 용도의 Backbone 라우터 기능을 가지고 있다. Backbone 라우터는 병렬로 상당히 큰 규모의 무선 네트워크까지 수용이 가능하며, 주소 지정(addressing)을 IPv6로 하기 때문에 실질적으로 주소 제한이 없다.

이와 대조적으로, WirelessHART의 Access Point경우, 병렬로 사용하면 수 천 대의 디바이스로 구성된 그물망(mesh)을 생성하며, 단일 WirelessHART 네트워크에는 대략 3만대의 디바이스로 어드레스 공간이 제한된다. 따라서 DCS 측면에서 보면 ISA100.11a 및 WirelessHART 모두 너무 많은 게이트웨이와 연결해야 할 가능성이 존재한다.

3. 분할 단편화(fragmentation) 및 재조립(reassembly)은, ISA100.11a에서는 네트워크 레이어에서, WirelessHART는 어플리케이션 레이어 단계에서 수행된다.

4. ISA100.11a는 타임 슬롯(time slot)의 구성이 가능한 반면, WirelessHART는 10ms의 타입 슬롯만을 지정할 수 있다.

5. ISA100.11a는 채널 호핑(channel hopping)을 Configuration할 수 있는 메커니즘인데 반해, WirelessHART는1개 채널 내에서만 호핑이 가능하다.

6. ISA100.11a 내에서의 보안 설정은 활성화/비활성화가 가능하지만, WirelessHART는 보안이 항상 활성화되도록 지정한다.

7. ISA100.11a 장치는 라우팅 지원이 필수적이지 않지만, WirelessHART 장치는 반드시 라우팅을 지원해야만 한다는 차이점이 있다.

WirelessHART(IEC 62591)가 산업 현장에 등장한 지 벌써 4 년 여가 지났다. 2010년 3월부터 국제 표준(IEC 62591-1)으로 자리매김한 WirelessHART는 현재, 10만대 이상의 장치와 8천 여 네트워크에 설치되어 있다. ISA100.11a의 경우, 2011년 ANSI/US 표준이 되었는데, 머지않아 국제 표준인 IEC 62734로 등극할 전망이다.