산업용 통신 프로토콜

WirelessHART란

조이컨 2025. 4. 15. 11:59

WirelessHART (와이어리스하트) 개요

WirelessHART는 산업 공정(Process Industry) 환경에서의 측정 및 제어를 위해 특별히 설계된 개방형 무선 통신 프로토콜 표준입니다. 기존에 널리 사용되던 유선 통신 프로토콜인 **HART(Highway Addressable Remote Transducer)**의 기능을 무선 환경으로 확장한 것입니다.

 

이 표준은 HART 통신 재단(HART Communication Foundation, HCF) – 현재는 FieldComm Group의 일부 – 에 의해 개발되었으며, 국제 표준 IEC 62591로 제정되어 있습니다.

핵심 기술 및 작동 원리

WirelessHART는 열악한 산업 환경에서도 안정적이고 안전한 무선 통신을 제공하기 위해 다음과 같은 핵심 기술들을 사용합니다.

  1. 무선 메시 네트워크 (Wireless Mesh Network):
    • 네트워크 내의 장치들이 서로 통신하며 그물망(Mesh) 형태의 네트워크를 **자동으로 구성(Self-organizing)**하고, 특정 통신 경로에 문제가 생기면 다른 경로로 데이터를 **자동 우회(Self-healing)**시키는 기능을 갖추고 있습니다. 이는 통신 경로의 다중화를 통해 네트워크의 신뢰성을 크게 향상시킵니다.
    • 주요 구성 요소:
      • 필드 디바이스 (Field Device): 무선 통신 기능이 내장된 센서, 액추에이터 등. 배터리로 작동하는 경우가 많으며, 다른 장치를 위한 라우터(Router) 역할도 수행할 수 있습니다.
      • 게이트웨이 (Gateway): 무선 네트워크와 상위 제어 시스템(DCS, PLC, 자산 관리 시스템 등)을 연결하는 장치입니다. 유선 네트워크(예: 이더넷, Modbus, RS-485)를 통해 상위 시스템과 통신합니다.
      • 네트워크 매니저 (Network Manager): 네트워크 구성, 통신 스케줄링, 경로 설정, 네트워크 상태 모니터링 등의 역할을 수행합니다. 일반적으로 게이트웨이에 통합되어 있습니다.
      • 보안 매니저 (Security Manager): 네트워크 보안 키 생성 및 관리, 장치 인증 등 보안 관련 기능을 담당합니다. 이 역시 게이트웨이에 통합되는 경우가 많습니다.
      • 액세스 포인트 (Access Point): 선택적으로 사용되며, 게이트웨이와 멀리 떨어진 무선 장치 그룹(메시 네트워크)을 유선 또는 무선으로 게이트웨이에 연결하여 네트워크 커버리지를 확장하는 데 사용될 수 있습니다.
  2. TDMA (Time Division Multiple Access - 시분할 다중 접속):
    • 네트워크 내의 모든 장치들은 정밀하게 동기화된 **10ms 길이의 시간 슬롯(Time Slot)**을 기준으로 통신합니다. 네트워크 매니저가 각 장치에게 특정 시간 슬롯을 할당하여 데이터를 전송하도록 스케줄링합니다. 이를 통해 장치 간의 데이터 충돌을 원천적으로 방지하고, 예측 가능한(결정론적인) 통신을 가능하게 합니다. (단, 통신 주기는 유선보다 깁니다.)
  3. FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum - 주파수 도약 확산 스펙트럼):
    • 허가 없이 사용할 수 있는 2.4 GHz ISM (Industrial, Scientific, Medical) 대역을 사용합니다. 이 대역은 Wi-Fi, Bluetooth 등 다른 무선 기술도 많이 사용하므로 간섭 가능성이 있습니다. 이를 극복하기 위해, WirelessHART는 IEEE 802.15.4 무선 표준을 기반으로 하여 해당 대역 내 15개의 채널 사이를 미리 정해진 패턴에 따라 **빠르게 이동(Hopping)**하며 통신합니다. 특정 채널에 간섭이 있더라도 다른 채널을 통해 통신을 지속할 수 있어 간섭에 대한 내성을 높이고 통신 보안성도 강화합니다.
  4. HART 호환성:
    • 기존 유선 HART 프로토콜의 명령어, 데이터 구조, 장치 기술 파일(DD - Device Description) 등을 완벽하게 지원합니다. 따라서 기존의 HART 기반 제어 시스템이나 자산 관리 도구를 사용하여 WirelessHART 장치의 데이터를 읽고 설정하며 진단 정보를 활용하는 것이 용이합니다.
    • 기존에 설치된 유선 HART 장치에 WirelessHART 어댑터를 추가하여, 배선 문제로 접근하지 못했던 장치의 풍부한 진단 정보(Stranded Diagnostics)를 무선으로 수집하는 것도 가능합니다.

주요 특징

  • 높은 신뢰성: 메시 네트워킹, TDMA, FHSS 기술을 통해 산업 환경의 간섭과 장애 요인 속에서도 안정적인 통신을 제공합니다.
  • 강력한 보안: 통신 시작부터 보안을 고려하여 설계되었습니다. 128비트 AES 암호화, 메시지 무결성 검증, 장치 인증, 세션 키 관리 등 다계층 보안 메커니즘을 적용하여 데이터의 기밀성과 무결성을 보장합니다.
  • 저전력 설계: TDMA 스케줄링을 통해 장치가 통신하지 않을 때는 슬립 모드로 전환하고, 저전력 무선 칩을 사용하여 배터리로 작동하는 필드 디바이스가 수년간 작동할 수 있도록 최적화되었습니다.
  • 상호 운용성: 국제 표준(IEC 62591)이므로, 서로 다른 제조사의 WirelessHART 인증 장비들이 동일한 네트워크 내에서 원활하게 함께 작동합니다.
  • 확장성: 필요에 따라 장치를 쉽게 추가하여 네트워크 규모를 유연하게 확장할 수 있습니다.

주요 응용 분야

WirelessHART는 주로 공정 산업(Process Industries) 분야에서 활용됩니다.

  • 중요도가 비교적 낮은 공정 변수(온도, 압력, 레벨, 유량 등)의 모니터링
  • 환경 규제 준수를 위한 배출 가스, 누출 감지 등 환경 모니터링
  • 회전 기계 등 주요 설비의 상태 모니터링 (진동, 온도)
  • 탱크 레벨, 재고 관리
  • 케이블 배선이 물리적으로 어렵거나, 비용이 많이 들거나, 위험한 지역의 계측
  • 기존 플랜트에 추가적인 공정 정보를 얻기 위한 개조(Retrofit)
  • 임시적인 측정 또는 파일럿 플랜트 운영

장점

  • 설치 비용 대폭 절감: 케이블 및 관련 부대 공사(트레이, 전선관 등) 비용 불필요.
  • 설치 유연성 및 신속성: 배선 제약 없이 원하는 위치에 신속하게 장치 설치 가능.
  • 측정 포인트 확대: 기존에 접근/배선이 어려워 모니터링하지 못했던 지점의 데이터 확보 가능.
  • 자산 관리 개선: 'Stranded Diagnostics' 정보 활용으로 설비 예지 보전 및 관리 효율 증대.
  • 안전 및 환경 관리 강화: 위험 지역 접근 최소화, 환경 모니터링 강화.

단점

  • 통신 속도 및 지연: 유선 필드버스나 다른 고속 무선 기술에 비해 데이터 업데이트 속도가 느리고(보통 수 초 ~ 수 분 단위), 지연 시간이 깁니다. 따라서 빠른 응답 속도가 필요한 폐쇄 루프 제어(Closed-loop control)에는 적합하지 않습니다.
  • 배터리 수명 관리: 배터리 교체 주기 예측 및 관리가 필요합니다.
  • RF 환경: 매우 복잡하고 간섭이 심한 RF 환경에서는 통신 품질에 영향을 받을 수 있습니다 (단, FHSS/메시 기술로 상당 부분 완화됨).
  • 초기 인프라 비용: 게이트웨이 등 초기 네트워크 인프라 구축 비용이 발생할 수 있습니다.

현재 상태 (2025년 4월 기준)

WirelessHART는 **공정 자동화 분야에서 무선 센서 네트워크를 위한 사실상의 표준(De facto standard)**으로 확고하게 자리 잡았습니다. 전 세계 주요 계측기 및 제어 시스템 제조사들이 WirelessHART를 지원하는 다양한 제품과 솔루션을 제공하고 있습니다. FieldComm Group을 통해 표준이 지속적으로 유지 관리되고 있으며, 관련 기술 및 적용 사례가 꾸준히 발표되고 있습니다.

 

요약하자면, WirelessHART는 HART 프로토콜을 무선 환경으로 확장하여, 공정 산업 환경에 최적화된 높은 신뢰성, 강력한 보안, 상호 운용성을 제공하는 선도적인 무선 통신 표준입니다.