PROFIBUS

작성자

익명

작성일

2026.07.31

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PROFIBUS (Process Field Bus)

1. 개요

PROFIBUS(Process Field Bus)는 산업 자동화 환경에서 센서, 액추에이터, [PLC] 및 기타 제어 장치 간의 데이터 교환을 위해 설계된 국제 표준 필드버스(Fieldbus) 통신 프로토콜이다.

필드버스란 기존의 1:1 개별 배선 방식(Point-to-Point)에서 벗어나, 하나의 통신 케이블을 통해 여러 장치가 데이터를 주고받는 네트워크 방식의 통신 체계를 의미한다. PROFIBUS는 1989년 독일의 DP-V0 표준을 시작으로 개발되었으며, 분산 제어 시스템(DCS)의 효율성을 극대화하고 하드웨어 배선을 획기적으로 줄여 산업 자동화 분야에서 전 세계적으로 가장 널리 사용되는 표준 중 하나로 자리 잡았다.

2. 동작 원리 및 아키텍처

PROFIBUS는 기본적으로 마스터-슬레이브(Master-Slave) 구조를 채택하고 있으며, 마스터 간의 통신을 위해 토큰 패싱(Token Passing) 메커니즘을 사용한다.

마스터-슬레이브 구조: 네트워크 내의 마스터(주로 [[PLC]])가 통신을 주도하며, 슬레이브(I/O 모듈, 인버터 등)는 마스터의 요청이 있을 때만 데이터를 송신하거나 수신한다.
토큰 패싱(Token Passing): 여러 대의 마스터가 존재하는 멀티-마스터 환경에서, '토큰'이라는 권한 증표를 가진 마스터만이 슬레이브와 통신할 수 있다. 통신을 마친 마스터는 다음 마스터에게 토큰을 넘겨주어 충돌 없이 순차적으로 데이터를 교환한다.

3. PROFIBUS의 종류 (DP vs PA)

PROFIBUS는 적용 목적에 따라 크게 DP(Decentralized Peripherals)와 PA(Process Automation) 두 가지 버전으로 나뉜다.

3.1 PROFIBUS DP (Decentralized Peripherals)

공장 자동화(Factory Automation)에 최적화된 고속 통신 프로토콜이다. 주로 [[PLC]]와 분산 I/O, 드라이브, 모터 제어기 간의 빠른 데이터 교환이 필요한 생산 라인에 사용된다.

[DP 버전별 상세 구분] * DP-V0 (Cyclic): 가장 기본적인 버전으로, 정해진 주기마다 데이터를 주고받는 사이클릭(Cyclic) 데이터 교환만 지원한다. (단순 I/O 데이터 전송) * DP-V1 (Acyclic/Alarm): 사이클릭 통신 외에 비주기적(Acyclic) 데이터 전송을 지원하여 장치의 파라미터 설정 및 진단이 가능하며, 슬레이브가 마스터에게 긴급 상황을 알리는 알람 기능을 제공한다. * DP-V2 (Isochronous): 정밀한 시간 동기화(Isochronous mode)를 지원하여, 여러 축의 모터 제어와 같이 매우 높은 정밀도가 필요한 동기 제어 애플리케이션에 사용된다.

3.2 PROFIBUS PA (Process Automation)

프로세스 자동화(Process Automation)에 최적화된 프로토콜이다. 화학 공장, 정유 시설 등 본질 안전(Intrinsic Safety) 방폭 구역에서 사용되며, 통신 케이블을 통해 데이터와 전원을 동시에 공급하는 것이 특징이다.

DP와 PA 상세 비교

비교 항목	PROFIBUS DP	PROFIBUS PA
주요 용도	고속 제어, 공장 자동화	프로세스 제어, 본질 안전 방폭 구역
물리 계층	[[RS-485]] (차동 신호 방식)	IEC 61158-2 (Manchester encoding)
전송 매체	쉴드 트위스티드 페어 (STP)	쉴드 트위스티드 페어 (전원 통합)
데이터 링크 계층	FDL (Fieldbus Data Link)	FDL (Fieldbus Data Link)
최대 전송 속도	최대 12 Mbps	31.25 kbps (고정)
최대 전송 거리	속도에 반비례 (예: 1.5Mbps $\rightarrow$ 200m, 93.75kbps $\rightarrow$ 1.2km)	최대 1,900m
전원 공급	장치별 개별 전원 필요	버스 케이블을 통한 전원 공급 (Bus Powered)
적용 장치	[[PLC]], 인버터, 서보 드라이브	압력/온도 전송기, 제어 밸브

4. 네트워크 구성 및 하드웨어

4.1 네트워크 토폴로지 및 물리적 구성

PROFIBUS는 기본적으로 버스(Bus) 토폴로지를 사용한다. 모든 장치가 하나의 주 간선(Trunk line)에 연결되는 구조이다.

종단 저항(Termination Resistor): 버스 양 끝단에는 반드시 종단 저항을 설치해야 한다. 이는 신호가 케이블 끝에서 반사되어 돌아오는 '신호 반사 현상'을 방지하여 데이터 왜곡을 막기 위함이다.
커넥터: 표준 DB9 커넥터를 사용하며, 설정 스위치를 통해 종단 저항의 On/Off를 결정한다.

4.2 네트워크 구성 예시도 (Conceptual)

[ PLC (Master) ] <---> [ DP-Slave 1 ] <---> [ DP-Slave 2 ] <---> [ DP/PA Coupler ]
       |                                                               |
  (Terminator ON)                                               (Terminator ON)
                                                                       |
                                                     -----------------------------------
                                                     |                |               |
                                               [ PA-Device 1 ]  [ PA-Device 2 ]  [ PA-Device 3 ]
                                               (Intrinsic Safety / Bus Powered)

4.3 GSD (General Station Description) 파일

GSD 파일은 슬레이브 장치의 특성을 정의한 표준 텍스트 파일이다. 마스터([[PLC]])는 이 파일을 읽어 해당 장치가 어떤 데이터를 주고받는지, 어떤 파라미터를 설정할 수 있는지 인식한다.

[GSD 파일 설정 단계별 가이드] 1. 파일 확보: 장치 제조사로부터 해당 모델의 .GSD 또는 .GSDM 파일을 다운로드한다. 2. 카탈로그 등록: [[PLC]] 엔지니어링 소프트웨어(예: TIA Portal, Step7)의 'Hardware Catalog'에 GSD 파일을 임포트(Import)한다. 3. 장치 배치: 하드웨어 구성 화면에서 등록된 장치를 드래그하여 네트워크 버스에 배치한다. 4. 주소 할당: 각 슬레이브 장치에 고유한 PROFIBUS 주소(Address)를 할당한다. 5. I/O 매핑: GSD 파일에 정의된 데이터 모듈(Input/Output)을 선택하여 [[PLC]] 메모리 주소와 매핑한다.

4.4 DP-PA 커플러의 동작 원리

DP-PA 커플러(Coupler)는 고속의 PROFIBUS DP 네트워크와 저속의 PROFIBUS PA 네트워크를 연결하는 게이트웨이 역할을 수행한다.

프로토콜 변환: DP의 고속 데이터 전송 방식([[RS-485]])을 PA의 저속 전송 방식(Manchester encoding)으로 변환한다.
전원 공급 및 절연: PA 세그먼트에 필요한 전원을 공급하며, 전기적 절연을 통해 DP 네트워크를 보호한다.
데이터 버퍼링: DP 마스터가 요청한 데이터를 커플러가 임시 저장(Buffering)하고, PA 슬레이브의 속도에 맞춰 데이터를 전달함으로써 속도 차이로 인한 통신 오류를 방지한다.

5. 장점 및 한계점

5.1 장점

배선 절감: 수백 가닥의 하드와이어링(Hard-wiring) 배선을 단 한 쌍의 통신 케이블로 대체하여 설치 비용과 시간을 획기적으로 줄인다.
유지보수 용이: 소프트웨어적으로 장치의 상태를 진단할 수 있어 고장 부위를 빠르게 파악할 수 있다.
표준화: GSD 파일을 통해 서로 다른 제조사의 장비 간 상호 운용성이 보장된다.

5.2 한계점

대역폭 제한: 이더넷 기반 프로토콜에 비해 전송 속도가 느려 대용량 데이터 전송에 부적합하다.
물리적 제약: 종단 저항 설정이나 케이블 품질, 노이즈 환경에 매우 민감하여 설치 시 정밀한 시공이 요구된다.
확장성: 장치 수가 증가할수록 토큰 패싱 시간이 길어져 사이클 타임(Cycle Time)이 증가한다.

6. 타 프로토콜과의 비교 및 발전 방향

6.1 타 필드버스와의 비교

Modbus: 단순하고 범용적이지만, PROFIBUS에 비해 진단 기능이 부족하고 표준화된 장치 설명 파일(GSD 같은 개념)이 없다.
CANopen: 소규모 장치 제어 및 차량용 네트워크에 강점이 있으나, 대규모 공장 자동화의 거리 및 속도 면에서 PROFIBUS DP가 우위에 있다.

6.2 [[PROFINET]]으로의 전환

현재 산업계는 PROFIBUS의 한계를 극복하기 위해 이더넷(Ethernet) 기반의 [[PROFINET]]으로 전환하는 추세이다. [[PROFINET]]은 [[TCP/IP]] 기반으로 훨씬 빠른 속도와 유연한 토폴로지(Star, Tree 등)를 제공한다.

PROFIBUS vs [[PROFINET]] 성능 비교

항목	PROFIBUS	[[PROFINET]]
물리 계층	[[RS-485]] / IEC 61158-2	Industrial Ethernet (IEEE 802.3)
전송 속도	최대 12 Mbps	100 Mbps ~ 1 Gbps
토폴로지	버스(Bus) 전용	버스, 스타, 트리, 링(Ring)
통신 방식	마스터-슬레이브 / 토큰 패싱	Provider-Consumer / 스위칭 방식
통합성	필드 레벨 전용	IT 네트워크(ERP, MES)와 직접 통합 가능

📝 마크다운 원본

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# PROFIBUS (Process Field Bus)

## 1. 개요
**PROFIBUS(Process Field Bus)**는 산업 자동화 환경에서 센서, 액추에이터, [[PLC]](Programmable Logic Controller) 및 기타 제어 장치 간의 데이터 교환을 위해 설계된 국제 표준 필드버스(Fieldbus) 통신 프로토콜이다.

필드버스란 기존의 1:1 개별 배선 방식(Point-to-Point)에서 벗어나, 하나의 통신 케이블을 통해 여러 장치가 데이터를 주고받는 네트워크 방식의 통신 체계를 의미한다. PROFIBUS는 1989년 독일의 DP-V0 표준을 시작으로 개발되었으며, 분산 제어 시스템(DCS)의 효율성을 극대화하고 하드웨어 배선을 획기적으로 줄여 산업 자동화 분야에서 전 세계적으로 가장 널리 사용되는 표준 중 하나로 자리 잡았다.

## 2. 동작 원리 및 아키텍처
PROFIBUS는 기본적으로 **마스터-슬레이브(Master-Slave)** 구조를 채택하고 있으며, 마스터 간의 통신을 위해 **토큰 패싱(Token Passing)** 메커니즘을 사용한다.

*   **마스터-슬레이브 구조:** 네트워크 내의 마스터(주로 [[PLC]])가 통신을 주도하며, 슬레이브(I/O 모듈, 인버터 등)는 마스터의 요청이 있을 때만 데이터를 송신하거나 수신한다.
*   **토큰 패싱(Token Passing):** 여러 대의 마스터가 존재하는 멀티-마스터 환경에서, '토큰'이라는 권한 증표를 가진 마스터만이 슬레이브와 통신할 수 있다. 통신을 마친 마스터는 다음 마스터에게 토큰을 넘겨주어 충돌 없이 순차적으로 데이터를 교환한다.

## 3. PROFIBUS의 종류 (DP vs PA)
PROFIBUS는 적용 목적에 따라 크게 **DP(Decentralized Peripherals)**와 **PA(Process Automation)** 두 가지 버전으로 나뉜다.

### 3.1 PROFIBUS DP (Decentralized Peripherals)
공장 자동화(Factory Automation)에 최적화된 고속 통신 프로토콜이다. 주로 [[PLC]]와 분산 I/O, 드라이브, 모터 제어기 간의 빠른 데이터 교환이 필요한 생산 라인에 사용된다.

**[DP 버전별 상세 구분]**
*   **DP-V0 (Cyclic):** 가장 기본적인 버전으로, 정해진 주기마다 데이터를 주고받는 사이클릭(Cyclic) 데이터 교환만 지원한다. (단순 I/O 데이터 전송)
*   **DP-V1 (Acyclic/Alarm):** 사이클릭 통신 외에 비주기적(Acyclic) 데이터 전송을 지원하여 장치의 파라미터 설정 및 진단이 가능하며, 슬레이브가 마스터에게 긴급 상황을 알리는 알람 기능을 제공한다.
*   **DP-V2 (Isochronous):** 정밀한 시간 동기화(Isochronous mode)를 지원하여, 여러 축의 모터 제어와 같이 매우 높은 정밀도가 필요한 동기 제어 애플리케이션에 사용된다.

### 3.2 PROFIBUS PA (Process Automation)
프로세스 자동화(Process Automation)에 최적화된 프로토콜이다. 화학 공장, 정유 시설 등 **본질 안전(Intrinsic Safety) 방폭 구역**에서 사용되며, 통신 케이블을 통해 데이터와 전원을 동시에 공급하는 것이 특징이다.

### DP와 PA 상세 비교
| 비교 항목 | PROFIBUS DP | PROFIBUS PA |
| :--- | :--- | :--- |
| **주요 용도** | 고속 제어, 공장 자동화 | 프로세스 제어, 본질 안전 방폭 구역 |
| **물리 계층** | [[RS-485]] (차동 신호 방식) | IEC 61158-2 (Manchester encoding) |
| **전송 매체** | 쉴드 트위스티드 페어 (STP) | 쉴드 트위스티드 페어 (전원 통합) |
| **데이터 링크 계층** | FDL (Fieldbus Data Link) | FDL (Fieldbus Data Link) |
| **최대 전송 속도** | 최대 12 Mbps | 31.25 kbps (고정) |
| **최대 전송 거리** | 속도에 반비례 (예: 1.5Mbps $\rightarrow$ 200m, 93.75kbps $\rightarrow$ 1.2km) | 최대 1,900m |
| **전원 공급** | 장치별 개별 전원 필요 | 버스 케이블을 통한 전원 공급 (Bus Powered) |
| **적용 장치** | [[PLC]], 인버터, 서보 드라이브 | 압력/온도 전송기, 제어 밸브 |

## 4. 네트워크 구성 및 하드웨어

### 4.1 네트워크 토폴로지 및 물리적 구성
PROFIBUS는 기본적으로 **버스(Bus) 토폴로지**를 사용한다. 모든 장치가 하나의 주 간선(Trunk line)에 연결되는 구조이다.

*   **종단 저항(Termination Resistor):** 버스 양 끝단에는 반드시 종단 저항을 설치해야 한다. 이는 신호가 케이블 끝에서 반사되어 돌아오는 '신호 반사 현상'을 방지하여 데이터 왜곡을 막기 위함이다.
*   **커넥터:** 표준 DB9 커넥터를 사용하며, 설정 스위치를 통해 종단 저항의 On/Off를 결정한다.

### 4.2 네트워크 구성 예시도 (Conceptual)
```text
[ PLC (Master) ] <---> [ DP-Slave 1 ] <---> [ DP-Slave 2 ] <---> [ DP/PA Coupler ]
       |                                                               |
  (Terminator ON)                                               (Terminator ON)
                                                                       |
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                                               [ PA-Device 1 ]  [ PA-Device 2 ]  [ PA-Device 3 ]
                                               (Intrinsic Safety / Bus Powered)
```

### 4.3 GSD (General Station Description) 파일
GSD 파일은 슬레이브 장치의 특성을 정의한 표준 텍스트 파일이다. 마스터([[PLC]])는 이 파일을 읽어 해당 장치가 어떤 데이터를 주고받는지, 어떤 파라미터를 설정할 수 있는지 인식한다.

**[GSD 파일 설정 단계별 가이드]**
1.  **파일 확보:** 장치 제조사로부터 해당 모델의 `.GSD` 또는 `.GSDM` 파일을 다운로드한다.
2.  **카탈로그 등록:** [[PLC]] 엔지니어링 소프트웨어(예: TIA Portal, Step7)의 'Hardware Catalog'에 GSD 파일을 임포트(Import)한다.
3.  **장치 배치:** 하드웨어 구성 화면에서 등록된 장치를 드래그하여 네트워크 버스에 배치한다.
4.  **주소 할당:** 각 슬레이브 장치에 고유한 PROFIBUS 주소(Address)를 할당한다.
5.  **I/O 매핑:** GSD 파일에 정의된 데이터 모듈(Input/Output)을 선택하여 [[PLC]] 메모리 주소와 매핑한다.

### 4.4 DP-PA 커플러의 동작 원리
**DP-PA 커플러(Coupler)**는 고속의 PROFIBUS DP 네트워크와 저속의 PROFIBUS PA 네트워크를 연결하는 게이트웨이 역할을 수행한다.

*   **프로토콜 변환:** DP의 고속 데이터 전송 방식([[RS-485]])을 PA의 저속 전송 방식(Manchester encoding)으로 변환한다.
*   **전원 공급 및 절연:** PA 세그먼트에 필요한 전원을 공급하며, 전기적 절연을 통해 DP 네트워크를 보호한다.
*   **데이터 버퍼링:** DP 마스터가 요청한 데이터를 커플러가 임시 저장(Buffering)하고, PA 슬레이브의 속도에 맞춰 데이터를 전달함으로써 속도 차이로 인한 통신 오류를 방지한다.

## 5. 장점 및 한계점

### 5.1 장점
*   **배선 절감:** 수백 가닥의 하드와이어링(Hard-wiring) 배선을 단 한 쌍의 통신 케이블로 대체하여 설치 비용과 시간을 획기적으로 줄인다.
*   **유지보수 용이:** 소프트웨어적으로 장치의 상태를 진단할 수 있어 고장 부위를 빠르게 파악할 수 있다.
*   **표준화:** GSD 파일을 통해 서로 다른 제조사의 장비 간 상호 운용성이 보장된다.

### 5.2 한계점
*   **대역폭 제한:** 이더넷 기반 프로토콜에 비해 전송 속도가 느려 대용량 데이터 전송에 부적합하다.
*   **물리적 제약:** 종단 저항 설정이나 케이블 품질, 노이즈 환경에 매우 민감하여 설치 시 정밀한 시공이 요구된다.
*   **확장성:** 장치 수가 증가할수록 토큰 패싱 시간이 길어져 사이클 타임(Cycle Time)이 증가한다.

## 6. 타 프로토콜과의 비교 및 발전 방향

### 6.1 타 필드버스와의 비교
*   **Modbus:** 단순하고 범용적이지만, PROFIBUS에 비해 진단 기능이 부족하고 표준화된 장치 설명 파일(GSD 같은 개념)이 없다.
*   **CANopen:** 소규모 장치 제어 및 차량용 네트워크에 강점이 있으나, 대규모 공장 자동화의 거리 및 속도 면에서 PROFIBUS DP가 우위에 있다.

### 6.2 [[PROFINET]]으로의 전환
현재 산업계는 PROFIBUS의 한계를 극복하기 위해 이더넷(Ethernet) 기반의 **[[PROFINET]]**으로 전환하는 추세이다. [[PROFINET]]은 [[TCP/IP]] 기반으로 훨씬 빠른 속도와 유연한 토폴로지(Star, Tree 등)를 제공한다.

### PROFIBUS vs [[PROFINET]] 성능 비교
| 항목 | PROFIBUS | [[PROFINET]] |
| :--- | :--- | :--- |
| **물리 계층** | [[RS-485]] / IEC 61158-2 | Industrial Ethernet (IEEE 802.3) |
| **전송 속도** | 최대 12 Mbps | 100 Mbps ~ 1 Gbps |
| **토폴로지** | 버스(Bus) 전용 | 버스, 스타, 트리, 링(Ring) |
| **통신 방식** | 마스터-슬레이브 / 토큰 패싱 | Provider-Consumer / 스위칭 방식 |
| **통합성** | 필드 레벨 전용 | IT 네트워크(ERP, MES)와 직접 통합 가능 |

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