PROFINET (프로피넷)

PROFINET (프로피넷) 개요

PROFINET(프로피넷)은 자동화 기술을 위한 선도적인 개방형 산업용 이더넷(Industrial Ethernet) 표준입니다. 지멘스(Siemens)와 PROFIBUS 사용자 협회(PNO) 회원사들이 주도하여 개발했으며, 현재는 **국제 PROFIBUS & PROFINET 협회(PI - PROFIBUS & PROFINET International)**에서 표준을 관리하고 있습니다. 특히 유럽 지역에서 매우 강력한 시장 점유율을 가지고 있으며, 전 세계적으로 널리 사용되고 있습니다.

 

PROFINET은 표준 이더넷(IEEE 802.3) 기술을 기반으로 하면서, 자동화 환경에서 요구되는 다양한 수준의 실시간 성능을 제공하는 것이 특징입니다.

핵심 차별점: 실시간 성능 및 통신 방식

PROFINET은 애플리케이션의 요구사항에 맞춰 다양한 통신 방식을 동일한 네트워크 케이블 상에서 동시에 사용할 수 있습니다. 이는 실시간 성능 수준에 따라 구분됩니다.

1. PROFINET NRT (Non-Real-Time):
   • 표준 TCP/IP 및 UDP/IP 통신을 사용합니다.
   • 주로 장치 설정(Parameterization), 구성(Configuration), 진단(Diagnostics) 등 실시간성이 중요하지 않은 데이터 교환에 사용됩니다.
   • 통신 주기는 일반적으로 100ms 이상입니다.
   • 적합성 등급 (Conformance Class) CC-A에 해당합니다.
2. PROFINET RT (Real-Time):
   • 표준 TCP/IP 스택을 거치지 않고, 이더넷 프레임에 직접 실시간 데이터를 넣어 처리합니다. PROFINET 고유의 EtherType을 사용하고 IEEE 802.1p/Q의 우선순위(Priority) 태그를 활용하여 실시간 프레임을 우선 처리합니다.
   • 일반적인 분산 I/O 제어에 널리 사용됩니다.
   • **표준 이더넷 하드웨어(스위치, NIC)**에서도 구현 가능합니다.
   • 통신 주기는 일반적으로 수 ms (예: 1ms ~ 10ms) 수준입니다.
   • 적합성 등급 CC-B에 해당합니다.
3. PROFINET IRT (Isochronous Real-Time):
   • 하드웨어 기반의 시간 동기화 및 스케줄링(Time Division Multiplexing) 메커니즘을 사용하여 매우 정밀한 결정론적(Deterministic) 통신을 제공합니다.
   • 통신 시간 편차(Jitter)가 1µs 미만으로 매우 낮아, 고성능 서보 모터 제어 등 동기화된 모션 제어(Motion Control) 애플리케이션에 필수적입니다.
   • 구현을 위해서는 **IRT 기능이 내장된 특수 스위치 또는 장치 내 하드웨어(ASIC/FPGA)**가 필요합니다.
   • 통신 주기는 최단 31.25µs까지 가능합니다.
   • 적합성 등급 CC-C에 해당합니다. (향후 TSN 기술 통합 시 CC-D)

주요 특징 및 서비스

• 표준 이더넷 기반: 100 Mbps, 1 Gbps 등 표준 이더넷 속도를 지원하며, IT 네트워크와의 통합이 용이합니다.
• 유연한 토폴로지: 라인(Line), 스타(Star), 트리(Tree), 링(Ring) 등 다양한 네트워크 구성을 지원합니다.
• 하드웨어: PROFINET RT는 표준 이더넷 부품을 사용할 수 있지만, IRT는 특수 하드웨어가 필요합니다.
• 장치 모델 (PROFINET IO): PROFIBUS DP와 유사한 컨트롤러(Controller, 마스터 역할)와 디바이스(Device, 슬레이브 역할) 모델을 사용합니다. 장치의 특성(I/O 데이터, 파라미터, 진단 정보 등)은 GSD (General Station Description) 파일 (XML 기반의 GSDML 형식)을 통해 정의됩니다.
• 포괄적인 진단: 장치 및 네트워크 상태에 대한 상세한 진단 기능을 제공하여 문제 해결 및 유지보수를 용이하게 합니다.
• 부가 프로파일:
  • PROFIsafe: PROFINET(및 PROFIBUS) 네트워크 상에서 기능 안전(Functional Safety) 데이터를 전송하는 프로파일입니다 (SIL 3 등급 가능). 제어 로직과 안전 로직을 동일 네트워크에서 처리할 수 있습니다.
  • PROFIenergy: 자동화 시스템의 에너지 효율을 높이기 위한 프로파일입니다. 생산 중단 또는 유휴 시간 동안 장치의 에너지 소비를 지능적으로 관리(예: 절전 모드로 전환)할 수 있습니다.
  • MRP (Media Redundancy Protocol): IEC 62439-2 표준 기반의 링 토폴로지 이중화 프로토콜입니다. 네트워크 케이블 단선 등 단일 장애 발생 시, 일반적으로 200ms 이내(종종 더 빠르게)에 통신 경로를 자동으로 전환하여 시스템 가용성을 높입니다.

장점

• 확장 가능한 실시간 성능: 애플리케이션 요구에 맞춰 NRT, RT, IRT 중 최적의 성능 수준을 선택할 수 있습니다.
• 표준 이더넷 활용: 비용 효율적이며, 기업 IT 인프라와의 통합이 쉽습니다.
• 유연한 네트워크 구성: 다양한 토폴로지를 지원하여 설비 환경에 맞게 구성할 수 있습니다.
• 강력한 진단 기능: 시스템 문제 해결 및 예방 보전에 유리합니다.
• 통합 솔루션: 제어, 안전, 에너지 관리, 모션 제어 등을 단일 네트워크에서 구현 가능합니다.
• 폭넓은 지원: PI 협회를 중심으로 수많은 제조사에서 다양한 PROFINET 호환 제품을 제공합니다.

단점

• IRT 구현의 복잡성/비용: 최고 수준의 실시간 성능(IRT)을 위해서는 특수 하드웨어가 필요하여 초기 투자 비용 및 설정 복잡성이 증가할 수 있습니다.
• 설정 복잡성: 다양한 기능과 옵션으로 인해 설정이 다소 복잡하게 느껴질 수 있습니다.

PROFIBUS와의 관계

PROFINET은 널리 사용되던 필드버스인 PROFIBUS DP의 이더넷 기반 후속 기술입니다. 단순히 PROFIBUS를 이더넷에 터널링하는 것이 아니라, 이더넷의 장점을 최대한 활용하도록 설계된 별개의 프로토콜입니다. 하지만 기존 PROFIBUS 사용자들이 쉽게 마이그레이션하거나 시스템을 통합할 수 있도록 프록시(Proxy)나 게이트웨이(Gateway)를 통한 연동을 원활하게 지원합니다.

현재 상태 (2025년 4월 기준)

PROFINET은 EtherNet/IP와 함께 전 세계 산업용 이더넷 시장을 양분하는 핵심 프로토콜입니다. 특히 유럽 지역에서 압도적인 점유율을 보이며, 전 산업 분야에 걸쳐 광범위하게 적용되고 있습니다. PI 협회는 지속적으로 PROFINET 표준을 발전시키고 있으며, 특히 TSN(Time-Sensitive Networking) 기술 통합(CC-D 등급), OPC UA와의 연동 강화, 사이버 보안 기능 향상 등에 주력하고 있습니다. 이는 미래의 스마트 팩토리 및 IIoT 환경에 대비하기 위한 노력의 일환입니다.

 

요약하자면, PROFINET은 표준 이더넷 기술을 기반으로, NRT, RT, IRT라는 확장 가능한 실시간 성능을 제공하며, 다양한 부가 기능(안전, 에너지, 이중화 등)을 통합한 강력하고 유연한 개방형 산업용 이더넷 표준입니다.