네트워크와 버스: 디지털 시스템 배선의 명확한 가이드

개요

탱크와 모니터링 위치 사이의 전선은 버스 또는 네트워크라고 불립니다. 이 두 용어의 구별은 기술적이라기보다 의미론적이며, 모든 실용적 목적에서 상호 교환적으로 사용될 수 있습니다. 제 경험상 '버스'는 보통 컴퓨터 장치 인클로저 내부의 디지털 컴포넌트를 연결하는 전선 세트를 지칭하고, '네트워크'는 물리적으로 더 광범위한 것을 지칭합니다.

최근에는 '버스'라는 용어가 긴 거리의 개별 계측 센서를 상호 연결하는 네트워크를 설명하는 데 인기를 얻고 있습니다('Fieldbus', 'Profibus'가 두 예). 어느 경우든 우리는 두 개 이상의 디지털 장치가 데이터를 통신할 수 있도록 연결되는 수단을 지칭합니다.

'Fieldbus'나 'Profibus' 같은 이름은 버스나 네트워크의 물리적 배선뿐만 아니라, 통신을 위한 지정된 전압 레벨, 타이밍 시퀀스(특히 직렬 데이터 전송용), 커넥터 핀아웃 사양, 네트워크의 기타 구별되는 기술적 특징을 모두 포함합니다.

즉, 특정 유형의 버스나 네트워크를 이름으로 지칭할 때, 우리는 대략 문어의 규칙과 어휘에 비유할 수 있는 통신 표준을 말하는 것입니다. 예를 들어, 두 명 이상이 펜팔이 되려면 공통 형식으로 서로에게 쓸 수 있어야 합니다.

단순히 서로에게 편지를 배달할 수 있는 우편 시스템만으로는 충분하지 않습니다. 그들이 프랑스어로 쓰기로 합의하면, 프랑스어 표준으로 지정된 문자 집합, 어휘, 철자, 문법 관례를 준수하기로 합의하는 것입니다.

마찬가지로, 두 Profibus 장치를 연결하면 Profibus 표준이 전압 레벨, 타이밍 시퀀스 등 중요한 세부 사항을 지정했기 때문에 통신할 수 있습니다. 단순히 여러 장치 사이에 전선 세트를 연결하는 것만으로는 작동하는 시스템을 구축할 수 없습니다(특히 장치들이 다른 제조사에서 제작된 경우!).

자체 버스 표준 설계: BogusBus

5개 스위치로 다양한 수위를 감지하는 조잡한 물 탱크 측정 시스템을 예로 들어, 최소 5개 와이어로 신호를 목적지까지 전송하는 우리만의 버스 표준인 BogusBus의 기초를 마련해 보겠습니다:

BogusBus의 물리적 배선은 송신 장치(스위치)와 수신 장치(램프) 사이에 7개 와이어로 구성됩니다. 송신기는 왼쪽 커넥터('—>>—' 심볼) 왼쪽의 모든 구성 요소와 배선 연결로 구성됩니다. 각 커넥터 심볼은 상호 보완적인 수/암 요소를 나타냅니다. 버스 배선은 커넥터 쌍 사이의 7개 와이어입니다.

마지막으로, 수신기와 그 구성 배선은 오른쪽 커넥터 오른쪽에 있습니다. 5개 네트워크 와이어(1~5 레이블)가 데이터를 전송하고, 2개 와이어(+V, -V)가 DC 전원 공급 연결을 제공합니다. 7핀 커넥터 플러그에도 표준이 있습니다. 핀 레이아웃은 '역방향' 연결을 방지하기 위해 비대칭입니다.

제조사가 'BogusBus-준수' 인증을 받으려면 BogusBus 설계자가 설정한 사양을 준수해야 합니다(대개 특정 작업을 위해 버스를 설계하고 다양한 목적으로 마케팅하게 된 다른 회사). 예를 들어, 모든 장치는 BogusBus의 24V DC 공급 전원을 사용할 수 있어야 합니다: 송신기의 스위치 접점이 그 DC 전압을 스위칭할 수 있어야 하고, 램프는 확실히 그 전압으로 구동될 수 있어야 하며, 커넥터는 이 모든 것을 처리할 수 있어야 합니다.

배선도 당연히 같은 표준을 준수해야 합니다: 예를 들어 램프 1~5는 적절한 핀에 배선되어야 하여, XYZ 제조사의 송신기 LS4가 닫히면 ABC 제조사의 수신기 램프 4가 켜지는 식입니다. 송신기와 수신기 모두 24V 출력의 DC 전원 공급 장치를 포함하므로, 모든 송신기/수신기 조합(모든 인증 제조사로부터)은 병렬로 안전하게 배선될 수 있는 전원 공급 장치를 가져야 합니다.

XYZ 제조사가 24VDC 전원 공급의 음(-) 측을 어스 그라운드에 연결하고 ABC 제조사가 양(+) 측을 어스 그라운드에 연결한 수신기를 만들었다고 가정해 보세요. 두 어스 그라운드가 상대적으로 '견고하다면'(즉, 낮은 저항, 산업용 건물의 금속 구조에 그라운드가 된 경우 등), 두 전원 공급 장치가 서로 단락될 것입니다!

BogusBus는 완전히 가설적이고 매우 비실용적인 디지털 네트워크 예시입니다. 데이터 해상도가 매우 낮고, 장치 연결에 상당한 배선이 필요하며, 단방향(송신기에서 수신기로만)으로만 통신합니다. 그러나 네트워크가 무엇인지와 네트워크 선택 및 운영과 관련된 고려사항들에 대한 튜토리얼 예시로는 충분합니다.

다양한 버스 및 네트워크 유형

직업에서 접할 수 있는 많은 유형의 버스와 네트워크가 있습니다. 각각 고유한 응용 분야, 장단점이 있습니다. 다양한 설계를 레이블하는 데 사용되는 '알파벳 수프' 중 일부와 친숙해지는 것은 가치 있습니다:

단거리 버스

• PC/AT
  초기 IBM 호환 컴퓨터에서 디스크 드라이브, 사운드 카드 등 주변 장치를 마더보드에 연결하는 데 사용된 버스.
• PCI
  개인용 컴퓨터용 또 다른 버스, IBM 호환기종에 국한되지 않음. PC/AT보다 훨씬 빠름. 일반적인 데이터 전송률 100MB/s(32비트), 200MB/s(64비트).
• PCMCIA
  노트북 크기 개인용 컴퓨터에 주변 장치를 연결하기 위해 설계된 버스. 매우 작은 물리적 '풋프린트'지만 다른 인기 PC 버스보다 상당히 느림.
• VME
  다용도 산업용 및 군사용 컴퓨터 구축을 위한 고성능 버스(모토로라와 공동 설계, 모토로라의 이전 버사버스 표준 기반). 여러 메모리, 주변 장치, 심지어 마이크로프로세서 카드를 수동 '랙' 또는 '카드 케이지'에 꽂아 맞춤형 시스템 설계를 용이하게 함. 일반적인 데이터 전송률 50MB/s(64비트 폭).
• VXI
  실제로는 VME 버스의 확장. VXI(VME eXtension for Instrumentation)는 랙의 카드 간 아날로그 신호용 커넥터와 함께 표준 VME 버스를 포함.
• S-100
  때때로 알테어 버스라고 불림. 1976년 회의의 산물로 인텔 8080 마이크로프로세서 칩과의 인터페이스로 의도됨. VME와 유사한 철학으로 여러 기능 카드를 수동 '랙'에 꽂아 맞춤형 시스템 구축을 용이하게 함.
• MC6800
  인텔 중심의 S-100 버스에 대한 모토로라의 대응. 인기 있는 모토로라 6800 마이크로프로세서 칩에 주변 장치를 인터페이스하기 위해 설계됨.
• STD
  Simple-To-Design의 약자. PC/AT 버스와 유사한 또 다른 수동 '랙'으로, IBM 호환 하드웨어 기반 설계에 적합. 8비트 폭(병렬), 비교적 작은(4.5x6.5인치) 회로 카드 수용.
• Multibus I 및 II
  맞춤형 컴퓨터 시스템의 유연한 설계를 위한 또 다른 버스, 인텔 설계. 16비트 폭(병렬).
• CompactPCI
  개인용 컴퓨터 PCI 표준의 산업용 적응. 구형 VME 버스의 고성능 대안으로 설계됨. 버스 클럭 속도 66MHz에서 데이터 전송률 200MB/s(32비트) 또는 400MB/s(64비트).
• Microchannel
  IBM이 불운한 PS/2 컴퓨터 시리즈를 위해 설계한 또 다른 버스. PC 마더보드를 주변 장치에 인터페이스하기 위해 의도됨.
• IDE
  주로 개인용 컴퓨터 하드 디스크 드라이브를 적절한 주변 카드에 연결하는 데 사용되는 버스. 오늘날 개인용 컴퓨터에서 하드 드라이브 및 CD-ROM 드라이브 인터페이스로 널리 사용됨.
• SCSI
  개인용 컴퓨터 디스크 드라이브용 대안(기술적으로 IDE보다 우수) 버스. SCSI는 Small Computer System Interface의 약자. 일부 IBM 호환 PC, 매킨토시(애플), 많은 미니 및 메인프레임 비즈니스 컴퓨터에서 사용. 하드 드라이브, CD-ROM 드라이브, 플로피 디스크 드라이브, 프린터, 스캐너, 모뎀 및 기타 다양한 주변 장치 인터페이스용. 원래 표준으로 최대 1.5MB/s 속도.
• GPIB (IEEE 488)
  범용 인터페이스 버스, HPIB 또는 IEEE 488로도 알려짐. 오실로스코프, 멀티미터 등 전자 테스트 장비를 개인용 컴퓨터에 인터페이스하기 위해 의도됨. 8비트 폭 주소/데이터 '경로'에 통신 제어용 8개 추가 라인.
• Centronics 병렬
  개인용 컴퓨터에서 프린터 및 플로터 장치 인터페이스에 널리 사용됨. 때때로 외부 ZIP(100MB 플로피) 디스크 드라이브 및 테이프 드라이브 등 다른 주변 장치와 인터페이스하는 데 사용됨.
• USB
  범용 직렬 버스. 키보드, 모뎀, 마우스 등 많은 외부 주변 장치를 개인용 컴퓨터에 상호 연결하기 위해 의도됨. 맥킨토시 PC에서 오래전부터 사용, 이제 IBM 호환 기기에도 신규 장비로 설치됨.
• FireWire (IEEE 1394)
  100, 200, 또는 400Mbps로 동작 가능한 고속 직렬 네트워크. '핫 스왑'(전원 켠 상태에서 장치 추가/제거) 및 유연한 토폴로지 같은 다재다능한 기능. 고성능 개인용 컴퓨터 인터페이스용으로 설계됨.
• Bluetooth
  컴퓨터 장치 사무실 연결을 위해 설계된 무선 기반 통신 네트워크. 이 네트워크 표준에 데이터 보안 조항 설계됨.

장거리 네트워크

• 20mA 전류 루프
  일반적인 계측 4-20mA 아날로그 표준과 혼동하지 말 것. 이는 20mA(때때로 60mA) 전류 루프를 차단하여 이진 데이터를 표현하는 디지털 통신 네트워크. 낮은 임피던스로 좋은 노이즈 내성을 제공하지만, 전체 네트워크를 실패하게 할 수 있는 배선 결함(단선 등)에 취약함.
• RS-232C
  컴퓨터 시스템에서 가장 일반적인 직렬 네트워크. 프린터, 마우스 등 주변 장치를 개인용 컴퓨터에 연결하는 데 자주 사용됨. 속도와 거리 제한(일반적으로 45피트, 20kbps, 더 짧은 거리로 더 높은 속도 가능). 6피트 케이블로 100kbps 이상에서 RS-232를 안정적으로 실행해 본 적 있음! RS-232C는 종종 단순히 RS-232('C' 없음)로 불림.
• RS-422A/RS-485
  RS-232C의 거리 및 다용도 한계 일부를 극복하기 위해 설계된 두 직렬 네트워크. 전기적으로 '노이즈가 많은' 플랜트 환경에서 직렬 장치를 연결하는 데 산업계에서 널리 사용됨. RS-232C보다 훨씬 더 큰 거리와 속도 제한, 일반적으로 0.5마일 이상, 10Mbps에 근접하는 속도.
• 이더넷 (IEEE 802.3)
  컴퓨터와 일부 주변 장치 유형을 연결하는 고속 네트워크. '일반' 이더넷은 10Mbps, '빠른' 이더넷은 100Mbps. 느린(10Mbps) 이더넷은 구리선에서 다양한 방식으로 구현됨(두꺼운 동축 = '10BASE5', 얇은 동축 = '10BASE2', 트위스트 페어 = '10BASE-T'), 무선, 광섬유('10BASE-F'). 빠른 이더넷도 몇 가지 다른 방식으로 구현됨(트위스트 페어 2쌍 = 100BASE-TX; 트위스트 페어 4쌍 = 100BASE-T4; 광섬유 = 100BASE-FX).
• 토큰 링
  컴퓨터 장치를 연결하는 또 다른 고속 네트워크. 이더넷과 매우 다른 통신 철학 사용으로 개별 네트워크 장치에서 더 정확한 응답 시간과 네트워크 배선 손상에 대한 더 큰 면역성 제공.
• FDDI
  광섬유 케이블에서 독점적으로 구현되는 매우 고속 네트워크.
• Modbus/Modbus Plus
  대형 PLC(프로그래머블 로직 컨트롤러) 제조사인 Modicon 사가 원래 구현. 원격 I/O(입/출력) 랙을 PLC 프로세서와 연결하기 위해. 여전히 꽤 인기 있음.
• Profibus
  또 다른 대형 PLC 장비 제조사인 지멘스 사가 원래 구현.
• Foundation Fieldbus
  다중 공정 계기(트랜스미터, 컨트롤러, 밸브 포지셔너)가 호스트 컴퓨터 및 서로 통신할 수 있게 명시적으로 설계된 고성능 버스. 미래에 4-20mA 아날로그 신호를 공정 제어 계측기 상호 연결의 표준 수단으로 대체할 수 있음.