PROFIBUS-DP(Distributed Peripherals) 필드버스 표준은 등장한 지 20여 년이 지났지만, 아직 물리적 계층의 요구사항이 명백하게 규정되지 않아 종종 트랜시버 정의에서 혼란을 초래하고 있다. 하지만, PROFIBUS는 전세계적으로 설치 대수가 5000만 개를 넘어서며, 어떤 모호성도 PROFIBUS가 성공적인(아마도 가장 성공적인) 필드버스 솔루션이 되는 것을 막지 못한다는 것을 분명히 보여주었다.

새로운 시스템을 배치하는 경우 정확하게 해석된 가장 최신 PROFIBUS-DP 표준으로 설계된 트랜시버를 사용하는 것이 중요하다. 기고를 통해 PROFIBU의 기본 원리부터 사용 방법까지 살펴보도록 한다. 

PROFIBUS-DP 기본 원리

더 빠르고 단순한 PROFIBUS-DP 표준은 1993년에 이전의 더 느리고 복잡한 PROFIBUS FMS(Fieldbus Message Specification) 표준으로부터 탄생했다. 이후에 PROFIBUS- DP 표준으로부터 자매 또는 파생 표준인 PROFIBUS-PA(Process Automation)가 나왔다. 이 표준은 MBP(Manchester Bus Powered) 전송을 사용하고 버스를 통한 전력 공급을 추가해 위험한 환경에서 본질적인 안전 애플리케이션에 매우 적합하다.

반면, PROFIBUS-DP는 플러그 앤 플러그 방식과 유연성, 저렴한 비용 특성으로 대부분의 필드버스 애플리케이션에서 많은 장점을 가지며 오늘날 PROFIBUS에서 가장 광범위하게 사용되는 버전으로 자리잡았다. 산업 플랜트의 센서와 액추에이터의 관리에서부터 철도 조차장의 유량계와의 통신에 이르기까지 PROFIBUS-DP는 I/O 카드(마스터)를 컨트롤러로부터 분산시켜 센서와 액추에이터(슬레이브)에 더 가깝게 배치할 수 있게 함으로써 매우 많은 설치와 운영 상의 이점을 제공한다. 

PROFIBUS-DP는 구리선, 광섬유를 비롯한 다양한 매체와 심지어 적외선 통신 장치를 통해 무선으로 통신할 수 있다. 지금까지 PROFIBUS-DP 마스터 및 슬레이브에서 비트 전송(ISO/OSI 모델의 1계층)을 위해 가장 많이 사용되고 있는 매체는 트위스티드 페어 선으로, TIA/EIA-485-A(RS485) 트랜시버를 사용해 통신하는 디바이스를 연결한다. 공장 애플리케이션과 같은 잡음이 많은 환경에서 장거리에 걸쳐 여러 장치들 간에 RS485가 구현하는 고속 차동 시그널링과 안정적인 통신을 생각하면 이는 놀랄 일이 아니다. RS485 트랜시버를사용하는 PLC(programmable logic controller)와 같은 다중 마스터는 선형 토폴로지에서 세그먼트당 30개 슬레이브에 연결할 수 있으며, 허브(병렬 세그먼트)나 리피터(직렬 세그먼트)를 사용하면 124개 슬레이브까지 네트워크를 확장할 수 있다. 각각의 세그먼트는 액티브 터미네이션을 사용해 양쪽 끝에서 종단해야 한다. 모든 슬레이브는 버스로 핫 스왑할 수 있으며, 각 슬레이브는 고유의 네트워크 어드레스를 할당받기 때문에 슬레이브의 위치는 문제가 되지 않는다.

95%의 RS485, 5% 혼란

PROFIBUS-DP는 TIA/EIA-485-A (RS485) 표준의 많은 부분을 채택했지만 일부가 변경됐으며, 큰 시스템 문제를 고려하느라 일부 변경된 부분은 간과할 수도 있다. 그 결과 일반적인 믿음과 달리, 모든 RS485 트랜시버와 케이블이 PROFIBUS-DP 네트워크에 적합한 것은 아니며, 반대도 마찬가지다. 케이블링, 터미네이션, 신호 이름, 드라이버 요구사항 등은 차이가 존재하며, 이러한 차이를 무시할 경우 마스터 또는 슬레이브 장치의 성능이나, 더 나쁘게는 인증 상태에서 나쁜 영향을 미칠 수 있다. 

RS485 표준은 특정 케이블링 요구사항을 규정하고 있지 않지만, 120Ω 차폐 트위스티드 페어가 통상 권장되고 있다. 그러나 PROFIBUS-DP에서는 150Ω 차폐 트위스티드 페어를 권장한다. 유감스럽게도 120Ω을 150Ω 근사치로 이용할 수 없으며, 이러한 케이블 임피던스의 작은 차이는 실제로 다른 케이블을 사용하거나 대부분의 경우 새로운 케이블을 사용하도록 요구한다. PROFIBUS-DP는 10가지 보오 레이트 ‘단계’ 중 어느 단계를 사용하는가에 따라 9.6kbps 속도 시 1,200m부터 12Mbps 시 100m에 이르는 범위에서 최대 케이블 길이를 규정하고 있다. 

물론, 서로 다른 케이블 임피던스 요구사항은 서로 다른 터미네이션 요구사항으로 이어진다. 신호 반사를 최소화하기 위해 RS485 설치는 보통 버스의 양쪽 끝에 하나의 120Ω 터미네이션 저항을 사용하지만, PROFIBUS-DP는 버스의 양쪽 끝에 171Ω 터미네이션 네트워크를 권장한다. 잠깐, 잘못 표기된 게 아니냐고 묻고 싶을지도 모르겠다. PROFIBUS-DP에서 171Ω 터미네이션 네트워크를 권장한다는 설명은 앞서 권장된 케이블의 150Ω 특성 임피던스와 일치하지 않는다.

(그림 1)은 PROFIBUS-DP 에 사용되는 케이블과 터미네이션 네트워크가 RS485와 어떻게 다른지 보여준다. 

▲ 그림 1. RS485 및 PROFIBUS-DP 네트워크의 케이블, 터미네이션 및 핀 차이

PROFIBUS-DP에서는 2개의 390Ω 버스 바이어싱 저항과 220Ω 터미네이션 저항이 함께 사용됐지만, 이 터미네이션 네트워크의 유효 차동 저항은 171Ω(220Ω//(390+390Ω)) 이라는 것을 볼 수 있다. 이는 분명, 150Ω 케이블과 완전하게 일치하는 상태가 아니므로 약간 감쇄된 네트워크를 초래한다. 그러나 이것은 케이블의 수신 단에서 신호 전압의 작은 범프 또는 증가로만 나타나고 케이블 전파 지연 시에는 두 배가 되지만 걱정할 정도는 아니다. 

케이블/터미네이션 부정합이 아직 충분히 인상깊지 않다면 PROFIBUS 트랜시버에서 버스 핀의 이름은 일반적인 기대를 확실히 깨뜨려줄 것이다. (그림1)에 반대되는 핀 이름이 사용된 것을 알아차렸을 것이다. 대부분의 범용 RS485 트랜시버의 경우, 수신기 출력 및 드라이버 입력에 대해 핀A는 비반전 수신기 입력(및 비반전 드라이버 출력)이고, 핀B는 반전 수신기 입력(및 반전 드라이버 출력)이다.

그러나 PROFIBUS 표준에서는 핀B와 A가 정확히 이와 반대되는 방식으로 버스 극성을 설명한다. 왜 이러한 불일치가 존재할까? 원래의 TIA/EIA-485-A 표준은 로직 신호 기능과 관련해 버스 극성의 정의에 대해 명확히 규정하지 않고 있어 RS485 IC 설계자는 거의 언제나 경우에 따라 자의적으로 해석해 왔다. 이것이 설계자에게 의미하는 것은, 특히 RS485와 PROFIBUS-DP 프로젝트를 모두 구현할 경우 트랜시버 버스 핀을 커넥터와 매핑할 때 세심한 주의를 기울여야 한다는 것이다. 

차동 드라이버 출력 전압(VOD)은 상용 트랜시버의 잘못 정의된 수치에 기초해 아마도 PROFIBUS-DP의 물리적 계층에서 가장 잘못 해석되고 있는(또는 가장 고의적으로 무시되는) 규격일 것이다. RS485는 A와 B 간 저항이 54Ω이고 드라이버 단자에서 측정되는 차동 피크 전압으로, A와 B 라인 간 VOD가 1.5V ~ 5V이어야 한다고 규정하고 있다. 그러나 PROFIBUS-DP에서는 각 끝에서 종단되고 케이블의 원단에서 측정되는 피크-투-피크 차동 전압으로, VOD가 4V ~ 7V이어야 한다고 규정하고 있다. 이들 요구 사항이 매우 다르다는 것은 분명하다.

일반적인 오해는 RS485 드라이버가 54Ω 부하에서 단순히 2.1V 이상을 나타낸다면 PROFIBUS-DP 터미네이션 네트워크와 함께 사용할 경우 RS485 드라이버가 PROFIBUS-DP 요구 사항을 만족한다고 생각하는 것이다. 그러나 이는 항상 들어맞는 것은 아니다. RS485 드라이버의 강도는 너무 높아 7VPPPROFIBUS-DP 제한을 초과할 수 있다는 점이다. 즉, 최대 값 없이 VOD 최소 값만(즉 2.1V) 규정한 너무 일반적인 ‘PROFIBUS’ 호환 RS485 트랜시버를 조심해야 한다. PROFIBUS-DP VOD 적합성을 보장하는 가장 좋은 방법은 PROFIBUS 부하로 트랜시버를 테스트하는 것이다.

(그림 2)는 PROFIBUS-DP 부하로 LTC2877 고내구성 PROFIBUS RS485 트랜시버를 테스트해 케이블 손실을 시뮬레이트하는 것을 보여준다.

▲ 그림 2. PROFIBUS-DP 부하를 이용한 LTC2877 차동 출력 전압 (VOD)테스트

여기서 VOD(파란색 선)는 PROFIBUS-DP 규격을 완벽하게 만족하는 것을 보장하기 위해 ‘케이블의 끝’(A’와 B’)에서 수행한 측정으로부터 생성됐다.  또 두 표준과 VOD 호환성을 보장하기 위해 LTC2877은 RS485 부하를 이용해 완전히 테스트됐다.

TIA/EIA-485-A 표준은 잡음, 오류, ESD(electrostatic discharge), EFT(electrical fast transient), 서지의 억제와 관련해 거의 아무런 규정도 없으며 트랜시버 제조 업체와 시스템 설계자에게 자체적인 보호 수단을 구현하도록 하고 있다. 이는 유연하기는 하지만, 사람들은 케이블이 복잡하게 설치된 열악한 환경에 의해 초래되는 위험에 너무 익숙해서 종종 PROFIBUS-DP 트랜시버에 특정한 최소 수준의 내장된 보호 기능을 기대한다. 보호 요구 사항은 애플리케이션마다 다르지만 (그림 3)에서 보듯이 LTC2877은 단일 칩으로 광범위한 시장의 요구를 충족하고 있으며, 매우 높은 수준의 전기적 보호를 제공한다. 

▲ 그림 3. 다양한 수준의 보호를 제공하는 ‘LTC2877’

TIE/EIA-485-A 표준은 두 장치 간 접지 편이가 동작 시 최대-7V ~ 12V까지 가능하다고 규정하고 있다. 그러나 많은 PROFIBUS-DP가 설치되는 환경은 이보다 훨씬 높은 전압을 쉽게 만날 수 있으며, 그러한 경우 버스 전압이 몇 볼트만 초과해도 일반적인 PROFIBUS-DP 트랜시버에 심각한 손상을 초래할 수 있다. PROFIBUS는 종종 24V 시스템에 사용되는데, 이 때 ‘표준’ RS485 디바이스를 24V로 단락할 경우 치명적일 수 있다.

LTC2877의 수신기는 -25V ~ +25V의 넓은 공통 모드 범위를 가지므로, LTC2877은 큰 공통 모드 전압을 견딜 수 있어 중단없이 데이터를 주고 받을 수 있다. 제한된 과전압 허용 오차를 갖는 트랜시버는 적절한 데이터 네트워크 성능과 간섭없이 까다로운 외부 보호 네트워크를 효과적으로 구현한다. 일반적인 PROFIBUS-DP 트랜시버를 ±60V 보호 LTC2877로 대체하면 고가의 외부 보호 장치를 사용하지 않아도 과전압 오류로 인한 필드 고장을 쉽게 제거할 수 있다

PROFIBUS-DP 트랜시버는 문자 그대로 시스템의 최전선 방어 라인이므로 스스로를 다양한 수준의 전기적 과응력은 물론 특히 가장 빈번한 ESD 스트라이크로부터 보호할 수 있어야 한다. 일부 PROFIBUS 트랜시버는 전력 공급이 중단될 때 버스 핀에 15kV ESD 보호가 제공되지만, LTC2877의 버스 핀은 전원 공급이 중단되거나 전원 공급 시 모든 동작 모드에서 래치업 또는 손상없이 접지나 어느 전원에 대해서도 ±26kV HBM 보호를 제공한다. 뿐만 아니라 버스 핀은 전원 공급이 중단될 때 ±52kV가 접지로 떨어지지 않도록 보호된다. 이와 같은 강력한 수준의 ESD 보호는 LTC2877이 얼마나 견고한지 단적으로 보여준다. 

전기적 과응력의 또 다른 형태로는, IEC 61000-4-4 EFT 표준에 따르면 60초 간 지속되는 고전압 스파이크 버스트인 EFT가 있다. 이러한 유형의 과응력은 통상 스위치와 릴레이에 존재하는 아킹 접점으로 인해 발생하며, 전자기계 스위치를 사용하여 유도성 부하를 연결하고 해제하는 산업용 환경에서 흔히 볼 수 있다. LTC2877은 최고 수준의 IEC 61000-4-4 엄밀성인 레벨 4를 만족한다. 이는 버스 핀에서 2kV의 개방 회로 전압에 해당한다.

아마도 가장 심각한 형태의 전기적 과응력은 자연에서 번개의 형태로 나타나 발생하는 서지일 것이다. 단 한 번의 낙뢰는 최대 50억 주울 에너지를 실을 수 있다. 따라서 LTC2877과 같은 초소형 트랜시버 IC들이 내부에 이러한 엄청난 크기의 전기적 서지에 대한 보호 기능을 포함하지 않는 것은 놀랄 일이 아니다. 대신 일반적으로 금속 산화물 배리스터(MOV, metal oxide varistor), 과도 전압 억제(TVS, transient voltage suppression) 다이오드, 사이리스터 서지 보호 장치(TSPD, thyristor surge protection device), 가스 방전 튜브(GDT, gas discharge tube)와 같은 외부 서지 보호 부품이 이러한 요소에 노출되는 PROFIBUS-DP 시스템에 사용된다. LTC2877은 높은 ±60V 핀 정격으로 이러한 수준의 보호를 제공할 수 있는 외부 보호 부품을 쉽게 찾을 수 있게 한다.

결론

PROFIBUS-DP는 뛰어난 많은 특성으로 필드버스 통신 분야에서 독보적인 위치를 전망해도 좋을 것이다. 리니어 테크놀로지의 LTC2877을 이용해 설계하면 최신 규격에 부합할 수 있으므로 항상 안심할 수 있다. 규격에 대한 깊은 이해를 갖는다면 단순히 PROFIBUS를 지원한다는 트랜시버들로는 부족하다는 것을 알 수 있다.

LTC2877은 드라이버 강도를 포함해 RS485와 PROFIBUS-DP 간의 모든 미묘하고 중요한 차이를 정확히 파악해 제품에 구현했다.

뿐만 아니라 LTC2877은 지극히 견고한 ESD 셀을 비롯해 다양한 보호 메커니즘을 구현함으로써 모든 종류의 위협으로부터 안전하게 보호한다. PROFIBUS-DP 프로토타입 제작이 그 어느 때보다 쉬워졌다.

크리스토퍼 고복(Christopher Gobok) 리니어 테크놀로지