102 계장기술

기획특집

Foundation Fieldbus 기술개요

이이 범범 식식 // 한한국국요요꼬꼬가가와와전전기기㈜㈜

beomsik.lee@kr.yokogawa.com

필드버스는각종제어및자동화시스템에서필드에

설치된장비들간에실시간으로데이터를교환하도록

하는디지털직렬통신망이다. 공정제어를위한신호

전송체계로1950년대까지는3-50psi의공압계측신

호가표준으로사용되었고, 1960년대부터는4-20mA

의전류또는전압의아날로그신호가표준으로채택되

었다. 1980년대 중반부터디지털기술을이용하는통

신망신호전송체계의필요성이대두되기시작하면서

필드버스기술이개발되기시작하였다.

현재제어및자동화시스템의필드에서는다용한종

류의필드버스들이도입되고있다. 대표적인필드버스

들로는 Foundation Fieldbus를 비롯하여, Profibus,

WorldFIP, IEC/ISA 필드버스등이있으며, 필드버스에

비하여제한된기능을수행하는센서버스로는 CAN을

기반으로하는DeviceNet, SDS를비롯하여 Interbus,

ASi 등의다양한통신프로토콜이존재한다. 필드버스

의사용자는이러한다양한필드버스들의기술적특성

및장단점을분석하여, 사용자의응용시스템에가장적

합한필드버스를선택하여사용하여야할것이다. 필드

버스들가운데가장최근에규격이완성된Foundation

Fieldbus는공정제어(PA) 분야를비롯하여다양한분야

에서앞으로널리사용될것으로예상된다.

Foundation Fieldbus협회개요

Fieldbus Foundation 협회는 국제 Fieldbus 표준

을 목적으로 설립되었다. WorldFIP와 ISP가 함께

1994년 9월에설립한이협회는공정제어와제어설비

를생산, 공급, 사용하는세계유수의200여개사가가

입되어 있는 비영리 조직이다. 이 회사들은 공동으로

국제 Fieldbus Protocol 개발을 위해많은지원을해

왔으며, IEC/ISA Fieldbus 표준개발에많은중요한공

헌을하였다.

Foundation Fieldbus는 ISA가 공식적으로규정한

SP50 Standard Project와 IEC의사양에상응하게설

계되었다. 설립된 이후 협회는 ISA, IEC의 Fieldbus

표준을우선으로하여발전시켜왔다.

Foundation Fieldbus 기술개요

Foundation Fieldbus Protocol 구성아키텍쳐

Fieldbus Protocol 구성또한OSI 7 Layer에의거하여개발된Protocol이며, 간략한Stack 구성은아래그림과같다.

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IEC/(The council sterted

in 1984)

Activity was suspended(1994)

Other Layer

Director

Founder

Founder

IFC(Verification of IFC andstandards Promotional

organization)

Physical LayerIEC61158-2

(1993)

ISPFoundation

(1992)

FieldbusFoundation

(1994)

World FIPNorth America

(1993)

World FIPEurope(1993)

FIPUTE 46(1990/91)

Club FIPFIP promotional organization

Datalink Layer &Application LayerIEC 61158-3, 4, 5, 6

(2000)

ProfibusDIN 19245

(1989)

PNOProfibusorganization

Fieldbus Model

User Application

Communication“Stack”

FMS : Fieldbus Message SpecificationFAS : Fieldbus Access SubLayer

OSI Reference Model

Application LayerFMS Sub-Layer

FMS Sub-Layer

Data Link Layer

Physical Layer

Presentation Layer

Session Layer

Transport Layer

Network Layer

Data Link Layer

Physical Layer

104 계장기술

필드버스 기술동향 및 적용사례

<Fieldbus와 Analog 신호 System과의사양비교>

AAnnaalloogg 신신호호 SSyysstteemm- 일대일 연결- Analog Communication- 단 방향 신호전달- 제어기능은 Controller에서 수행- 계기별 개별 Maintenance

4-20mA

Analog PV

DigitalPV/MV+

Digital

계기상태

진단기능

PID

PVMV

FFiieellddbbuuss SSyysstteemm- Multi-Drop연결(Segment 단위)- 100% 디지털 통신- 양방향 신호전달 체계- Field Device에서도 제어기능 수행가능- 통합/실시간 Maintenance

하단의 물리층(Physical Layer)은 상위층으로부터

암호화된Message를받아이를Fieldbus 전송매체의

물리층에 변환해주는 역할을 하며, OSI model의 1번

층에해당한다. 통신 Stack은 OSI model의 2, 7층에

해당하는데, 7번층(Application layer)은 Message를

암호화하고이를해독하는역할을하며, 2번층(DDL :

Data Link Layer)은 1번층을통해Fieldbus로전송되

는 Message를 제어한다. DLL은 LAS(Link Active

Scheduler)라고하는중앙집중형Bus scheduler를통

해 Fieldbus로의 Access를 제어하며, LAS는 결정적

(Deterministic) 신호전송을Scheduling하고Device

간의 Data 교환을인가하는기능을한다. Fieldbus는

OSI model의3, 4, 5, 6번층을사용하지않는다.

Foundation Fieldbus H1 Level주요사양

● Field Instrument Bus : H1 Fieldbus는 Local에

설치된 Field 기기와 중앙 제어실에 위치한 H1

Card와의통신을정의하고있다.

● 2-32 Nodes/Segment : 한 개의 Field Network

단위를Segment라고명명하며, Segment당최대

32개의기기를연결하여구성할수있다

● Up to 1900m length : Segment당연결할수있

는최대 Cable 길이는 H1 전용 Cable 사용시비

방폭 지역의 경우 별도의 Repeator 장비없이

1.9km까지이며, 연결할수있다.

● 31.25kbps : Local Field 기기와의 통신 속도는

31.25Kbps로통일되어있다.

1052009. 12

● Intrinsic Safety : 본질안전방폭지역에대한설

치조건이기본적으로확립되어있다.

● Loop Powered : Digital 통신을 하고있는통신

Line에통신뿐만아니라 Field 기기의Power도통

신Line을통하여같이공급하도록설계되어있다.

●Standard Twisted Pair Cable(Even Existing)

: 통신Cable은+, -, Shield가하나의Twist Pair

로구성되어있다.

Foundation Fieldbus 적용함으로서얻을수

있는효과

<Hardware 측면>

● Field 계기수의감소효과 : 하나의계기에서감지

할수있는Process Data를Function block화하

여 다수의 Process Data를 하나의 계기에서 FF

통신을 통해 조작 감시가 가능하다.(Ex. Mass

Flowmeter : Flow, Temp, Density, Sum 등을하

나의계기에서처리하며별도의계기설치없이하

나의계기에서Data Monitoring(Multi Sensing)

● Wiring 감소(50~70% Saving) : 기존계기 1개당

1 line이 I/O Card에 연결되었으나, Digital 통신

의경우 1 Segment에 1개의 Line 밖에필요하지

않음으로인한Field 연결Cable의절감을가져올

수있다.

●Control Room 공간절약(No Marshalling)

: 1 Segment당 1개의Line이 I/O Card에연결되

므로별도의Marshalling Rack을필요로하지않

으며, 본질 안전방폭 지역의 Application의 경우

도 기존 1 I/O당 1개의 Barrier를 필요로 하였지

만, FF 적용시 1 Segment당 1~2개만의 Barrier

를 사용하게 되므로 Barrier 댓수를 상당히 줄이

는효과를가진다.

<Software 측면>

● 측정치에대한Accuracy는 Local Field 계기에서

측정된 값 그대로 전송됨으로 인해 100%의 정확

도를가지고있으며, 이측정치에대한품질Flag

도같이포함되어있어측정치에대한상당한신뢰

도를가지고있다.

● Resource Management System와의 Integra

tion : Local 계기의 측정치 및 모든 Mainten

ance Data가 Fieldbus Line을통하여실시간전

송되어 저장되므로 Control Room에 위치한

Resource Management System에서 계기 이력

관리및현재Status, Calibration이가능하다. 계

기자체적으로 Diagnostic Alarm 기능을지원하

여계기내부의어떠한이상상황도실시간으로감

시가가능하다.

Foundation Fieldbus 기술개요

106 계장기술

필드버스 기술동향 및 적용사례

Maintenance 비용절감 : 선행 보전 통보 기능, 설비 가용성 증가

4-20mA

Analog PV

진단 상태전송Device Alarm 전송

현장에서의 보전활동- Parameter 변경- 정기적인 Patrol 필요- 현장 실시 확인 작업

원격 Maintenance- Parameter 변경- Device Alarm Event- Device Detail Display- Advanced Diagnosis

etc

Intelligent Device

Digital CommunicationPAM(PRM)

Plant Operation

PID

Diagnosis

AI AIAO

PV MV

FFiieellddbbuuss SSyysstteemm

현장에서 측정된 수치 그대로 운전에 적용

4-20mA

Analog PV Digital 측정치+

측정신호 품질 상태진단정보 송신계기이상 신호 송신

- 고정밀도의 신호수신(AD/DA 불필요)- Data 품질도- 계기 이상 Alarm 수신

현장계기

Digital 통신

Plant Operation

PID

Diagnosis

AI AIAO

PVMV

FFiieellddbbuuss SSyysstteemm

<Fieldbus의향상된기능(운전)>

<Fieldbus의향상된기능(Maintenance)>

1072009. 12

상기에열거한Fieldbus 관련개략적인설명에보충하여실제구성예및현장설치사진을아래와같이열거하였

으니적용시참조바란다.

Foundation Fieldbus 기술개요

<Foundation Fieldbus System 구성예>

<Total Foundation Fieldbus System Integration 구성>

Ethernet

OperatorStation

ControlStation

Power Supply

Analyzer D/PTransmitter

Pasitioner

Paperless Recorder

MagneticFlow Meter

VoltexFlow Meter

Temp-Transmitter

Conventional Equipment Fieldbus Equipment

H1 Fieldbus

H1 FF Card(Master)

•User Interface(View for Plant/Network/Class)•Equipment Management(Parameter set/Monitor/Compare, Alarm Monitor, Audit Trail)•Maintenance Management(Inspection Memo/Schedule, Parts List, Document Link)

•Process 조작 & 감시•Process and Device Alarm Display•Fieldbus Module(ALF111)Status Display•Configuration and Engineering(In case of ENG platform)

•Virtual Fieldbus Block•Control Execution through Fieldbus Block•Device Monitoring and Alarm Generation

Integrated FF Function Block•FF Shadow Block•FF Faceplate Block

Integrated Fieldbus Operation andEngineering Function

Integrated AssetManagement System

Multi FieldbusSupport•FF •HART•Profibus

FF-H1 Interface Module : ALF111- 4 Segment support - Redundancy

PID BlockMulti-Sensing Diagnosis

FF Devices

HART Devices

Profibus Devices

4-20mA

Console Model HIS

LCD ScreenHIS

HIS ENG PRM

FCU FCUFCU

FIOFIO

FIO

FIO

Exaopc server

V net(Control Bus)

Ethernet

Ethernet

Profibus-DP

Profibus-PAFoundation Fieldbus

Foundation Fieldbus

Repeater

CENTUM CS3000

•Link Master(LAS)•Redundaney•4 ports Supported

H1 FF Card(Slave)

4-20mA

J/B

J/B

ResourceManagementStation

V net

108 계장기술

필드버스 기술동향 및 적용사례

<Fieldbus Controller & I/O Card 구성응용사례>

<Fieldbus I.S Barrier / Power Supply 구성응용사례>

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Foundation Fieldbus 기술개요

<현장설치응용사례>

<FF Segment Typical Drawing>

110 계장기술

필드버스 기술동향 및 적용사례

상기그림은향후 Fieldbus를 적용하여 Plant 구성

시 어떤 종류의 Fieldbus 등이 적용될 것인가에 대한

개념도이다.

Analog I/O의경우Foundation Fieldbus 및HART

관련된신호가주류를이룰것이며Discrite I/O, MCC,

PLC의 경우 PROFIBUS-DP를 적용하는 것이 TCO

절감및설비관리측면에서향후주류를이루게될것

으로 보인다. 앞에 설명하였던 바와 같이 Fieldbus는

설치비용절감, 보전비용감소, 운전정확성등많은부

분에서경쟁력을가지고있어향후 PA 시장의주류를

이룰것으로예상되며, 이에대한기술력확보에힘써

야될것으로보인다.

<향후 Fieldbus를적용한 PA(Process Automation) System 전망>

HMIStation

PAMStation

Controller

FF-H1

4-20mA

4-20mA

4-20mA4-20mA

HART HART

HART

FF-H1 FF-H1

FF-H1

RS485

Profibus-DP(MCC, PLC)

Controller

Redundant System Bus

Recommended Filed Network Solution Analog I/O : FF-H1, HARTDiscrete I/O, MCC, PLC etc. : Profibus-DP

Vendor Remote Bus

Profibus-DP

Ex-d Remote I/O

Ex-d Remote IO

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Foundation Fieldbus 기술개요