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Profinet을 사용한 무선 네트워크 (1)

21 Jan

Profinet을 사용하여 산업용 요구사항에 부합하는 무선 네트워크를 구성할 수도 있다 (산업용 WLAN). 산업용 WLAN으로는 전이중 방식이 아니더라도 1Mbit/s 또는 54Mbit/s 속도의 전송이 가능하다.

구리 케이블이나 광 케이블로 된 선 기반 네트워크와는 대조적으로, 무선 LAN은 전송 매체를 필요로 하지 않는다. 이러한 방식의 정보 전송은 전자기파를 사용하여 이루어진다.

일반적으로 무선 네트워크는 이동성과 유연성이 필요할 때 사용된다. 통신 네트워크 설치 요건이 줄어들기 때문에, 복잡한 설비의 시운전이 더 빠르게 진행될 수 있다. 또한, 무선 네트워크는 이동 스테이션을 케이블을 사용하여 네트워크에 통합시키기 어려운 경우에 이상적인 해결방법이 될 수 있다.

이러한 예들에는 제조 및 물류 어플리케이션을 위한 데이터에 대한 이동식 기록, 이동식 터미널을 통한 데이터 서비스 전송, 또는 이동식 프로그래밍 장치를 사용한 복잡한 장치들의 작동이 포함된다.

이러한 방법으로, 무선 연결장치를 통해서 연결된 엔지니어는 최적의 설비 위치에 자리잡을 수 있으며, 현장에서 직접 변화를 관할함으로써 어떠한 변화도 좀 더 잘 추적할 수 있으며, 서비스와 유지보수 계획에 접근할 수 있다.

또한, 무선 네트워크는 비용-효율적이며 트레일링 케이블과 같이 복잡하고 기계적 경향이 강한 시스템, 그리고 이동 스테이션 (예를 들어, 이동식 컨트롤러 및 장치들), 저장 및 복구 기계, 수송 시스템, 생산 벨트, 슬라이딩 테이블과의 통신에 대한 신뢰할만한 대안이다. 회전하거나 움직이는 기계 또는 설비 컴퍼넌트 상에 마모가 없다는 점도 장점 중 하나이다.

또한, 매우 흥미로운 것은 멀리 떨어져 있고, 도달하기 어렵거나 힘든 환경에서 통신 부분들을 무선으로 결합할 수 있어서, 케이블 포설에 많은 비용이 소요될 수 있는 곳 (예를 들어, 거리, 기차 선로 등) 에서 빠르게 작동하거나 비용-효율적인 네트워크를 가능하게 한다는 점이다.

7.4.1 SCALANCE W

SCALANCE W 제품 범위는 IWLAN (Industrial Wireless Local Area Network) 어플리케이션에 맞게 설계되었다.

IWLAN은 특히 신뢰성이 높은 무선 통신이 필수적인 복잡한 산업 어플리케이션에 적합하다. 기계 작동 중지 시간 또는 충분히 모니터링 되지 않은 공정으로 인하여 생산 손실이 발생하는 경우에, SCLANCE 장치들은 다방면의 다중 메커니즘을 가진 신뢰할만한 무선 연결을 제공한다.

따라서 무선 전송은 생산 및 프로세스 자동화에 적용될 수 있다. 접근 보호와 신뢰성 높은 데이터 전송을 위한 메커니즘은 안테나 다이버시티(antenna diversity)와 결합되어 안정적인 무선 연결을 제공한다.

데이터가 프로세스의 안전한 작동(예를 들어, 데이터 전송 속도 예약을 통하여)에 맞게 전송될 수 있고“중요도가 낮은(noncritical)”통신 (IEEE 802.11) 또한 가능하다는 점 때문에 IWLAN 무선 네트워크는 높은 부가적 가치를 가진다.

보안 메커니즘은 스파이 활동, 도청, 데이터 오류화로부터 네트워크를 보호한다. 무선 인프라는 높은 신뢰성이 요구되는 넓은 회사 구내(옥외 지역)에 제공될 수 있다.

IWLAN은 추가적으로 다음과 같은 특징을 가지고 있다:

특정 스테이션의 무선 매체 접근의 예측(결정론적, deterministic)과 최대 전송 시간의 정의를 위한 데이터 전송 속도(IEEE 802.11b/g와 IEEE 802.11a/ 표준의 확장) 예약. IWLAN은 공유 매체(shared-medium) WLAN 기반의 결정론적 데이터 통신을 제공한다.

오류 상태를 빠르게 감지하기 위하여 엑세스 포인트(access point)와 스테이션간의 무선 연결을 주기적으로 모니터링하고, 연결이 간섭을 받고 있거나 무선 셀이 방치되어 있는 경우에는 즉각적으로 대응조치를 취함

신뢰할 수 있는 무선 인프라 구축을 위한 이중화 메커니즘

연결 품질이 축소되는 경우 데이터 전송 속도를 낮추기 위한 자동 스위치 다운 기능. 오류에 대한 변조 허용은 802.11b,g,a에 정의되어 있다. 매우 먼 거리 또는 금속 물질에 의해서 반사되더라도 무선 연결을 유지하기 위해서 단계적으로 설정된 범위 내에서 데이터 전송 속도를 자동으로 감소시킨다.

복잡한 무선 환경에서 뛰어난 수신을 위한 안테나 다이버시티(antenna diversity)

주문형 요건에 맞게 원격 안테나를 선택적으로 사용할 수 있음

산업용 이더넷과의 연결이 간섭을 받는 경우에 자동으로 로밍 (rapid roaming)

주기적인 연결 모니터링 (linkcheck)

IP 연결 모니터링 (IP alive)

무선 LAN을 통한 중요도가 낮은 통신(예, 서비스 및 진단) 뿐만 아니라 신뢰할 수 있는 공정 조작 (IWLAN) 및 공정에 중요한 데이터 (예, 알람)를 위한 하나의 단일 무선 네트워크를 통한 비용 절감

모든 제품들이 세계적으로 인증된 IEEE 802.11 산업용 표준에 부합하고 2.4 GHz와 5GHz에 적합하기 때문에 투자된 설비를 신뢰성 있게 보호할 수 있다.

통합 진단 기능성: 표준 브라우저를 사용한 구성 및 진단을 위한 웹 기반 관리 도구 (HTTP 서버), 작동 및 오류 상태의 신호를 알려주기 위한 LED, SNMP 트랩이나 이메일을 사용하여 오류를 네트워크 관리 도구로 신호 전송

UL, FM, EMC, 폭발 방지 Zone 2 과 같은 산업용 승인

제어 캐비닛 외부와 설비에서 직접 사용되는 경우, 팬이 없는 디바이스는 IP65 보호 수준을 가진 견고한 외함을 장착하고, 섭씨 – 20에서 + 60도 사이에서 조작될 수 있도록 설계되어 있다.

두 개의 컴퍼넌트들 사이의 전형적 범위는 실내에서는 30 미터, 실외에서는 100미터이며, 금속에 의한 반사로 인해서 초래되는 환경에서의 간섭원에 따라 좌우된다.

높은 데이터 보안은 현대식 Wi-Fi 보호 접속 메커니즘을 사용하여 이루어진다.

WPA를 사용하는 경우, 사용자들은 규칙적인 간격으로 자동으로 변경되는 보안 키를 사용하여 인증 및 확인할 수 있다. WPA는 매 10,000 패킷(데이터 전송 단위) 단위로 임시 키를 변경하기 위하여 이에 맞는 TKIP (Temporal Key Integrity Protocol)을 사용한다. 이것은 키를 수동으로 변경해야 하는 표준 WEP보다 더 높은 보안 수준을 보장한다.

외부로부터 네트워크에 침투하는 것을 방지하기 위한 보안은 인증을 통하여 이루어진다. 서버는 네트워크에 접속을 허가하기 전에 클라이언트의 신원을 확인한다. 알려지지 않은 클라이언트에게는 접근이 거부된다. WPA에 따른 보안 기능을 사용하기 위해서는, 관련된 모든 클라이언트 (운영 시스템 포함)는 이러한 기능들을 지원하여야 한다.

고급 암호 표준 (AES, Advanced Encryption Standard)가 데이터 암호화를 위해서 제공된다. 모든 암호화 메커니즘들은 이미 제품에 포함되어 있다.

그럼에도 불구하고 보안 컨셉, 예를 들어 가상 사설망(VPN)이 바람직하다면, 제품은 문제없이 여기에 통합될 수 있다. SCALANCE W는 IEEE 802.11h 표준으로 업그레이드될 수 있다.

7.4.2 SCALANCE W 컴퍼넌트들

산업용 무선 LAN은 802.11b/g와 a를 기반으로 스테이션에 의한 사용을 가능하게 하며, 예를 들어 PLC와 같이 특별한 신뢰성 요건을 가지고 있는 특수 스테이션을 지원하기도 하는 Simatic Net에 의해서 제공되는 무선 네트워크이다. IWLAN은 다음과 같은 컴퍼넌트를 가지고 설계될 수 있다.

SCALANCE W788-1PRO (AP)

SCALANCE W788-2PRO (듀얼 AP)

SCALANCE W788-1RR (AP iPCF)

SCALANCE W788-2RR (듀얼 AP iPCF)

SCALANCE W744-1PRO (이더넷 클라이언트 모듈)

SCALANCE W746-1PRO (이더넷 클라이언트 모듈)

SCALANCE W747-1RR (이더넷 클라이언트 모듈 iPCF)

필드 PG나 노트북 인터페이스를 위한 CP 7515 PC-Card

IWLAN/PB Link PN IO

전력 공급장치, IWLAN RCoax 케이블, 원격 안테나와 같은 부속 장치

그림 7.12 사용 중인 SCALANCE W 컴퍼넌트들: 자동 운송 시스템에서 ET200S를 갖춘 IWLAN (SCALANCE W788-1 PRO 와 SCALANCE W744-1 PRO), S7-300을 장착한 SCALANCE788-2 PRO, 그리고 두 개의 SCALANCE W788-2 PRO를 통한 무선 S7-200 PLC뿐만 아니라 ET200S와 S7-300을 장착한 Profibus 네트워크를 가지고 있는 IWLAN/PB-Link PN IO를 통한 중앙 통신상에 CP7515를 갖춘 필드 PG

7.4.3 SCALANCE W788-1PRO

SCALANCE W788은 이더넷 인터페이스와 무선 LAN 인터페이스를 장착하고 있다. 따라서 이 장치는 다음 어플리케이션에 적합하다.

연결이 유선 기반 이더넷에 존재할 필요 없이 하나의 스테이션에서 다른 스테이션으로의 데이터 전달

유선 기반 네트워크에서 무선 네트워크로의 변환

두 개의 네트워크 사이의 무선 브릿지

두 개의 다른 주파수 간의 브릿지

SCALANCE W788-2PRO: 2차 WLAN 인터페이스 덕분에, 두 개의 SCALANCE W788-2PRO 간에 이중 무선 연결을 수행할 수도 있다.

SCALANCE W788은 다음과 같은 특징들을 가진다 (그림7.13):

이더넷 인터페이스는 케이블 자동 감지 기능과 자동 극성 감지 기능 뿐만 아니라 전이중 및 반이중 방식의 각경우에, 10Mbit/s와 100Mbit/s를 지원한다.

무선 인터페이스는 IEEE 802.11a, IEEE 802.11b 그리고 IEEE 802.11g 표준과 호환된다. 802.1a와 802.1g 모드에서는, 최대 전송 속도는 54Mbit/s이며, 터보 모드에서는 108Mbit/s이다(모든 국가와 작동 모드에서 허용되는것은 아님). 신뢰성이 강화된 요구 조건을 갖춘 장치들(IWAN)은 표준 무선 LAN 제품 (IEEE 802.11)과 동일한 무선 네트워크에서 작동될 수 있다. 2.4 GHz와 5 GHz 주파수 대역에서 작동된다.

WEP, AES, TKIP 암호화 프로시저뿐만 아니라 WPA, WPA-PSK, IEEE 802.1x인증 표준 지원

인증용 RADIUS 서버 연결에 적합함

장치 기반 및 어플리케이션 기반으로 무선 연결을 모니터링

SCANLANCE W788 장치와 다른 벤더들의 Wi-Fi 장치와의 상호조작가능성이 상세히 테스트되었다.

AP는 무선 매체로의 접속을 예측(결정적 예측)하고 전송 속도를 결정하기 위하여 특정 스테이션의 데이터 전송 속도를 (IEEE 802.11b/g와 IEEE 802.11a 표준 확장) 예약한다. 자동 스위치는 연결 품질이 감소될 경우 데이터 속도를 낮추기 위하여 실행된다.

또한, 오류 상태를 빠르게 감지하기 위하여 AP와 스테이션 간의 무선 연결이 모니터링 된다. 안테나 다이버시티 복잡한 무선 환경에서 뛰어난 수신이 가능하도록 도움을 준다.

무선 카드(IEEE 802.11b/g와 IEEE 802.11a 호환)는 장치내부에 견고한 금속 외함에 결합되어 있으며 충격과 진동에 저항력이 있으며 높은 기계적 요구 조건에 맞도록 최적화되어 있다. 두 개의 ANT795-4MR 무지향성 안테나는 나사 연결 (R-SMA)을 통하여 외함에 연결된다.

이 두 개의 안테나는 안테나 다이버시티를 보유한 SCALANCE W700 범위의 안테나로 대체될 수 있다.“ Power over Ethernet”(PoE)의 하이브리드 케이블 사용하여, 데이터 전송 및 AP 전력 공급이 하나의 케이블에서 이루어 진다. 공급 전압은 24V DC (이중화)이며, 220V 용 또한 사용 가능하다.

산업용 이더넷 연결은 동일한 케이블을 사용하여 연결되며, 전원 삽입구를 갖춘 IE FC Modular Outlet을 장착한 IE FC 스탠다드 케이블 4×2를 통하여 전원이 공급된다. 웹 기반 관리 도구를 사용하여, 전체 SCALANCE W 제품군에 대한 구성 및 진단이 표준 웹 브라우저를 이용하여 이루어 진다.

AP는 다음 두 가지 작동 모드를 제공한다:

인프라스트럭쳐 모드: 무선 네트워크는 건물 내에 지역 네트워크가 구축될 수 있도록 하나의 AP 또는 여러 개의 AP를 가지고 존재할 수 있다. 방대한 영역을 포괄하는 이러한 네트워크 내에서, 스테이션은 인터럽트 없이 하나의 AP에서 다른 AP로 자동으로 이동(로밍)된다.

이는 어플리케이션에 투명하게 수행된다. AP는 유선 기반 네트워크 연결을 위한 산업용 이더넷 인터페이스를 제공한다. 이동식 PLC, MOBIC 인터넷 패드 또는 필드 PG와 같은 스테이션들은 무선 셀들 내에서 자유롭게 이동하고 다른 스테이션들과 데이터를 교환할 수 있다. Wi-Fi 규정은 다른 벤더들의 제품과의 상호 작용을 승인한다.

지점간 모드: 이 모드에서는, 두 개의 이더넷 세그먼트들은 케이블을 설치하기 어려운 경우에(예를 들어, 거리에서) 무선으로 연결된다. SCALANCE W788-1 PRO는 최대 8개의 지점간 연결로 동작될 수 있다. 높은 신뢰성을 가지는 이중 무선 네트워크는, 스패닝 트리 기능을 사용하여 제공될 수 있다.

이 기능은 특히 스위치드 환경에서 LAN의 이중 네트워크 경로 (루프)를 방지한다. 네트워크는 가능한 목적지에 대하여 하나의 경로만을 가져야 한다. 데이터 패킷 중복은 오작동을 초래하고 네트워크 수행성을 감소시키기 때문에, 이러한 하나의 경로는 목적지로의 반복적 도달로 인한 데이터 패킷 중복을 방지한다.

반면에, 이중 네트워크 경로는 오류가 발생하는 경우에는 바람직한 구조이다. 스패닝 트리 알고리즘은 이러한 요건들을 잘 처리할 수 있다. 두 개의 안테나를 선택적으로 사용 가능한 지향성 안테나로 교체함으로써, 야외에서 수 100m 범위에 도달할 수 있다.

7.4.4 SCALANCE W788-2PRO

SCALANCE W788-2PRO 이중 AP는 산업용 무선 LAN을 위한 두 개의 무선 인터페이스를 가지고 있다. 이것은 많은 어플리케이션들이 실행될 수 있다는 것을 의미한다: 예를 들어서, 하나의 무선 카드를 가진 이중 지점간 연결 또는 무선 백본, 그리고 이중 AP 위치에서 다른 무선 카드를 사용하여 인프라스트럭쳐 구축.

SCALANCE W788-2PRO 이중 AP는 SCALANCE W788-1PRO와 동일하면서 다음과 같은 추가 특성들을 가지고 있다:

WLAN 802.11b,g와 802.11a를 위한 부가적 무선 카드

원격 안테나를 위한 2x R-SMA 연결

두 개의 별도의 무선 카드를 사용한 매우 신뢰성 높은 지점간 연결 이중 모드

지점간 모드: 이 경우에는, 두 개의 무선 인터페이스는 각각의 SCALANCE W788-2PRO의 지점간 모드에서 작동되며, 이중 무선 네트워크 (스패닝 트리를 사용한 이중 경로 설정)가 형성된다. 연결에 오류가 발생하면, 무선 네트워크는 자동으로 나머지 경로를 탐색한다. 이것은 높은 작동 신뢰성을 보장한다.

“이중화 모드”: 이 경우에는, 두 개의 산업용 이더넷 세그먼트들이 결합되어 있으며, 데이터 흐름은 양쪽의 무선 카드로부터 병렬적으로 전송된다. 하나의 무선 카드의 주파수 대역이 2.4GHz로 선택되고 나머지 하나는 5GHz로 선택되는 경우에는, 최대 신뢰성을 갖는 무선 연결이 실행된다.

7.4.5 SCALANCE W744-1PRO

SCALANCE W744-1PRO 이더넷 클라이언트 모듈은 무선 네트워크 이더넷 인터페이스를 사용하여 하나의 이동 장치로부터 무선 연결을 설정한다. 장치는 일반적으로 유선 기반 이더넷 장치 (예를 들어, Simatic S7 PLC)를 무선 네트워크에 통합하기 위하여 사용된다.

SCALANCE W744-1PRO와 SCALANCE W788-1PRO은 동일한 설계와 동일한 연결방식을 가지고 있지만 그 기능면에서는 차이가 난다: SCALANCE W788-1PRO은 SCALANCE W744-1PRO가 자유롭게 이동할 수 있는 영역 내에서 무선 네트워크를 구현한다. 이더넷 클라이언트 모듈은 어플리케이션에게 명백한 방법으로 하나의 AP에서 다음 AP로 자동으로 이동한다 (로밍).

SCALANCE W744-1PRO은 이더넷 인터페이스와 무선 LAN 인터페이스를 장착하고 있다. 따라서 이 장치는 다음과 같은 어플리케이션에 적합하다:

이더넷 인터페이스를 가진 장치 (예를 들어, 산업용 이더넷 통신 프로세서를 가지고 있는 Simatic PLC)를 WLAN에 연결

유선 기반 네트워크를 무선 네트워크로 변환. 유선 기반 네트워크에서는 하나의 스테이션이 지원된다,

간단한 특별 모드 또한 사용 가능하다. 이것이 정확하게 두 개의 이동 장치들간에 가장 간단한 무선 연결이다.

SCALANCE W744-1PRO는 또 다른 SCALANCE W744-1PRO 나 무선 카드 (예. CP 7515)와 통신할 수 있다.

지멘스 http://www.siemens.co.kr/industry

아이씨엔 매거진 2012년 10월호

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Posted by on January 21, 2016 in Automation

 

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