[헬로티]

용이한 채택, 원활한 통합, 간단한 설치, 광폭의 범위, 귀중한 데이터로 연결한다는 의미가 담긴 이더넷-APL은 프로세스계장 분야가 기존의 아날로그 체계에서 디지털 체계로 전환됨을 의미하며, 공장의 프로세스계장 분야 종사자 또는 계측제어부, 공무부, 계전과, 계기과에 종사하는 엔지니어는 물론 프로세스계장 엔지니어링 회사의 계측제어 부서 요원들이라면 반드시 알아야 할 기술 내용이다. 이글에서는 2022년에 발표될 IEC 프로세스계장 단일 표준인 “IEC TS 60079-47” 이더넷 APL에 대해 구체적으로 설명한다. 서두에 국내 현황에 대해서는 필자의 의견도 제시했으며, 백서는 ODVA에서 자료를 직접 제공받았음을 밝힌다.

 

 

최근 산업의 세계적 추세는 클라우드와 디지털전환(Digital Transformation)이다. 프로세스계장 분야는 2차 대전 이후 아날로그 신호인 공기압식 신호와 전기식 신호로 프로세스플랜트를 최근까지 운영해 왔고, 필드버스를 추가하여 병용 사용해왔다. 그러나 이제는 프로세스플랜트의 기술 환경이 클라우드와 디지털화를 요구하고 있고 향후에도 다년간 이 기술이 전제되지 않고는 기술이 존재할 수 없는 환경으로 바뀌어 버렸다.

 

한때 프로세스계장 분야의 아날로그 신호가 주축이던 시기가 끝나고 이제는 클라우드와 디지털화의 시기가 도래하는데, 그 중심에는 디지털 통신의 기본인 이더넷(Ethernet)이 근간이 되기 시작한 것이다. 이 글에서 소개하는 Ethernet–APL(Advanced Physical Layer, 고급물리계층)이 그것이다.

 

프로세스계장 분야에 종사하는 사람들은 다년간 이 이름을 잊어서는 안 될 용어가 될 것이다. 그 이유는 프로세스계장 분야를 대표하는 용어이며, 프로세스계장 분야의 단일표준 용어로는 이 용어 외에 아직 다른 용어가 없기 때문이다. 이 용어의 공식 발표는 IEC가 2022년 이 표준을 프로세스계장 분야의 세계 단일표준 규격으로 발표한 뒤부터 그 효력이 나타날 것으로 본다.

 

IEEE 및 IEC규격에 의해 Ethernet-APL은 모든 이더넷 기반의 자동화 프로토콜을 지원하며 프로세스 오토메이션 업계를 위한 단일시스템이며 안정된 기술을 목표로 설계되고 있고, 세계가 공동으로 협동하면서 개발하고 있다. 이 공동백서에서는 사업 환경, 기술 사양, 서로 다른 다양한 사용자 유형에 대한 시사점 및 Ethernet-APL 개발 상황 등에 대하여 자세히 설명하고자 한다.

 

 

프로세스계장 응용 상황과 사업 환경

 

프로세스계장 설비를 갖는 공장은 최소 20년 이상 운영되어야 하며 사람, 제품 및 환경에 대해 절대적으로 안전설계를 필요로 한다. 위험지역과 열악한 환경에서 폭발적 잠재력을 내재하고 있다면 새로운 기술의 모든 배치를 철저히 테스트해야 하며 추가적인 비즈니스상의 이점을 제공해야 한다. 기술 취급이 복잡하거나 광범위한 교육이 요구되어서도 안 된다.

 

이더넷은 기업의 실질적인 통신 표준이지만, 수정 없이 프로세스 자동화 분야의 요구사항을 충족하지는 못한다. Ethernet-APL(Advanced Physical Layer)이 포함된 이더넷은 하나의 동 축 케이블 내에 들어있는 두 개의 와이어, 즉 통신선과 전원선으로 만들어 고유의 안전을 유지해야 하며 긴 케이블 길이(1000m)와 폭발방지 기능을 제공해야 한다.

 

IEEE 및 IEC 표준을 기반으로 하는 Ethernet-APL은 모든 이더넷 기반의 자동화 프로토콜을 지원하며, 전체 프로세스계장을 위한 장기적이며 안정적인 단일 표준기술로서 현재 개발이 순조롭게 진행되고 있다. 프로세스계장 자동화 공동체가 제공하는 이 백서에서는 주요 써플라이어와 산업용통신 프로토콜개발국제단체인 SDO(Standard Development Organization)의 주력 그룹이며, 위험지역 내에서의 설치, 장거리 접속 및 통신선에서 전원공급 방식의 선택이 가능한 프로세스 오토메이션용 이더넷 고급물리계층의 새로운 오픈 규격개발을 촉진하기 위해서 모두 하나로 뭉쳤다.

 

이 새로운 Ethernet Advanced Physical Layer(약칭 Ethernet-APL)를, 필드기기가 발신하는 정보의 의미나 구조가 정의된 산업용통신 프로토콜과 병용해야 하며, 프로세스계장 오토메이션을 위한 산업사물인터넷(IIoT) 도입을 가속화하고 있다. 이는 최종적으로 클라우드 처리가 되게 하려는 것이다. 이러한 점을 고려한다면 디지털화의 세계를 프로세스 오토메토메이션 및 계장으로 확장하기 위한 공동의 필요조건을 100% 만족할 것이라고 개발팀은 인식하고 있다.

 

이 글에서는 Ethernet-APL(내구성이 향상된 고급 신뢰성 물리계층으로 프로세스 플랜트 분야의 요건에 적합한 속성을 갖추고 있는 프로토콜)의 개발과 IEC 표준 규격화(2022년)에 대하여 설명하고자 한다. Ethernet-APL은 엔터프라이즈급 네트워크에서 필드계장 기기급 통신까지 이더넷 기반 통신의 논리적 확장을 가능케 한다. 이더넷 접속의 마지막 도달점에서 이 새로운 시스템이, 예컨대 임원 회의실에서 경영자가 다양한 네트워크 영역의 데이터를 Ethernet-APL을 통해 얻을 수 있게 시도하려는 것이다.

 

 

협력조직

 

“APL 프로젝트”에 따른 Ethernet-APL 기술개발 협정은 2018년에 체결되었으며 국제적으로 업계의 선도적인 표준개발 조직과 관련 기업들이 적극 후원하고 있다. 표준개발기구(SDO)로는 Field Comm그룹, ODVA, OPC Foundation 및 PI(PROFIUS & PROINET International) 등으로 구성하고 있고 ABB, Emerson을 비롯한 주요 산업 프로세스계장 및 자동화 공급업체인 Endress+Hauser, Krohne, Pepperl+Fuchs, Phoenix Contact, R. Stahl, Rockwell Automation, Samson, Siemens, Vega, Yokogawa 등 12개 메이커가 이 사업에 적극 동참하고 있다.

 

SDO와 주요 공급업체가 협력하는 주된 목적은 프로세스계장 오토메이션 요건에 적합한 전 세계가 프로세스계장 단일표준으로써 Ethernet 고급물리계층을 채택하여 공동기술사양을 개발하는 데 두었다.

 

이 목적을 달성하기 위해 프로젝트 멤버의 대표는 그간 테크놀로지의 기반이 되는 IEEE 및 IEC 규격의 강화에 힘써 왔다. 또한, 프로세스계장 산업 특유의 사양에 적합화하기 위한 전원의 종류나 접속 규약 등을 기록한 사양서인 포트-프로파일 개발에 대한 협력과 각 SDO의 관련 통신규격 및 가이드라인 문서를 작성하는 실질적인 워킹 그룹에 대한 회의 참가도 그간 수시로 계속 진행했다. 이와 관련된 모든 규격과 공동사양을 이 백서로 최종화함으로써 사용자 및 벤더가 이 기술에 접근을 실질적으로 쉽게 할 수 있게 된 것이다.

프로세스 오토메이션에 속하는 주요 공급업체와 주요 SDO의 협력과 더불어 폭넓게 사용되고 있는 기존 규격을 그 기반으로 하고 있으므로 프로세스 오토메이션용 고급물리계층, 즉 “Ethernet-APL” 프로세스계장 단일표준은 프로세스계장 시장에서 전 세계 관련 업계에 강력한 영향을 미칠 것이다.

 

 

프로세스계장산업의 발전을 위해 아날로그계장 시스템을 디지털계장 시스템으로 비즈니스 환경 변경

 

이더넷은 이미 IEEE 802.3으로 규격화된 유선 디지털 통신의 표준으로서 폭넓게 벤더들에게 받아들여지고 있다.

 

산업 분야와 가정 등의 용도를 불문하고 폭넓게 채용되어 설치와 트러블 슈팅, 진단 등에 사용하는 에코 시스템(생태계 시스템)으로써 표준적인 도구로 이용이 가능하다. 이더넷 이용으로 다음과 같은 효율화가 기대 된다.

 

· 네트워크 설정의 공수절감

· 트러블 슈팅, 에러 검출 등의 IT·OT 기술의 공통화

· 설치 공정수의 절감

 

그러나 오늘날 이더넷 물리계층은 프로세스 플랜트의 가혹한 환경조건에서 발생하는 특유의 요구에 발 빠른 대응을 못하고 있다. 다만 이더넷 물리계층은 프로세스 플랜트에 적합한 것으로 판명되었기에 다음 조건을 만족해야 한다.

 

· 2선의 단일 케이블로만 구성해야 한다.

· 장거리 전송이 가능해야 한다(1,000m거리).

· 전원선과 통신선의 동축 케이블화가 이루어져야 한다.

· 본질 안전 방폭을 포함한 모든 방폭 기술이 기본적으로 지원되어야 한다.

· 단순화된 설치기술이어야만 한다.

· 기존 필드버스 케이블(유형 “A”)의 재사용으로 인한 비용절감 및 간편한 Ethernet-APL로의 이행(Migration) 비용을 절감하고 필드버스에서 Ethernet-APL로 쉽게 이행이 가능토록 기존필드버스 케이블 유형 ‘A’의 잠재적인 재사용이 가능해야 한다.

· 전자기 간섭에 대한 복원력이 있어야 한다.

· 서지 보호-서포트 기능이 있어야 할 것 등이다.

 

Ethernet-APL은 그림 3과 같이 10BASET1L 기반의 단일 쌍 이더넷(SPE, Single Pair Ethernet)을 위한 향상된 물리계층이다. 10MBit/s에서 최대 1000m 길이의 장거리 케이블로 통신을 하는데, 이는 HART나 필드버스 같은 기존 기술보다 300배 이상 속도가 빠른 풀-듀플렉스(full-duplex )방식이다. Ethernet-APL은 이더넷에 대한 논리적인 확장이며 프로세스 플랜트 분야에서 신뢰할 수 있는 작동에 필요한 속성을 제공한다. Ethernet-APL은 EtherNet/IP, HART-IP, OPC-UA, PROFIINET 또는 기타 상위 수준의 프로토콜을 지원할 수 있는 물리계층이다.

 

 

장기적 안정화를 위한 표준화

 

Ethernet-APL 통신망은 IEEE 규격 802.3cg-2019에 정의된 10BASE-T1L의 단일 쌍 이더넷(SPE)을 기반으로 하며, 이는 빌딩 및 산업 자동화 분야의 많은 시장 부문에서 서비스를 제공하는 공급업체들에 의해 채택이 되고 있다.

 

Ethernet-APL의 중요한 시장 규모는 반도체 제조업체가 칩을 대량으로 공급하여 기존 장치나 계측기기에 원활하게 통합될 수 있도록 장기적이고도 안정적인 기술 및 플랫폼에 기여할 수 있도록 지원하고 있다.

 

Ethernet-APL에는 프로세스 응용 프로그램에 필요한 추가 속성이 포함되어있다. 이 요건은 옥외 설치와 장거리 케이블 길이를 초과하는 폭발위험 영역의 보호에서 비롯된다. 추가 전기 기능은 각각 IEC 표준을 따르고 있다. Ethernet-APL은 애플리케이션의 상호운용성과 단순성도 제공을 한다.

 

(1) 2-WISE는 2-Wire Intelligently Safe Ethernet을 나타내는 약어이다. 이 IEC 기술규격, IEC TS 60079-47(2-WISE)은 모든 위험구역 및 중분류에서 고유한 안전보호를 정의한다. 사용자의 경우, 여기에는 고유의 안전성을 검증하기 위한 간단한 단계가 포함된다.

(2) “APL 프로젝트”는 폭발 위험 영역 보호를 포함하거나 포함하지 않는 여러 전원 레벨에 대한 포트 프로파일을 정의하여 이더넷-APL의 개념을 만든다. 장치 및 계측기기의 표시는 전원 레벨 및 소싱 또는 싱킹(sourcing or sinking) 기능을 나타낸다. 이를 통해 엔지니어링에서 운영 및 유지보수에 이르는 상호운용성을 위한 간단한 프레임워크를 제공할 수가 있다.

(3) 이더넷-APL은 와이어가 나사형 또는 스프링 클램프(screw-type or spring-clamp) 단자에 연결되도록 해주므로, 와이어를 통한 케이블을 기본적으로 지원한다. 또한, 잘 정의된 커넥터 기술은 설치작업 중에 단순성을 보장해 준다.

 

 

구성 요소 및 토폴로지

 

Ethernet-APL은 다양한 설치 토폴로지(Topology)를 지원하도록 설계되었으며 이중화 또는 복원력(redundancyor resiliency)개념과 트렁크 앤 스퍼(trunkand-pur)옵션을 선택할 수 있다. 이더넷-APL은 “세그먼트(segment)”를 구성하는 통신 파트너 간의 각 연결에만 지점 간 연결을 명시적으로 지정한다. 따라서 Ethernet-APL 스위치는 세그먼트 간의 통신을 격리하고 있다. 이를 통해 크로스-토크(cross talk)와 같은 장애를 제거하고 다른 세그먼트의 장치 장애로부터 통신을 기본적으로 보호하고 있다. Ethernet-APL은 두 가지 일반적인 세그먼트 유형을 정의한다.

 

(1) “트렁크(Trunk)”는 최대 1000m 길이의 장거리 케이블로 높은 전력 및 신호레벨을 제공한다.

(2) “스퍼(Spur)”는 최대 200m 길이에서 선택적인 고유 안전성과 함께 저전력 전기를 운반한다.

 

포트 프로파일(Port profiles)은 전력 및 통신 신호의 레벨을 지정하며 상호운용성을 보장한다. 포트는 이하와 같이 분류할 수 있다.

 

· P = 전원, 전원(Powered, power source)

· L = 로드, 전원 드레인(Load, power drain)

· C = 캐스케이드, 데이지 체인 구성용(Cascade, for daisy chain configurations)

· U = 전원이 공급되지 않음(Unpowered)

 

그림 4와 그림 5는 소형 레이아웃과 긴 케이블 실행이 필요한 발전소에 대한 토폴로지 선택의 유연성을 보여준다.

 

 

이하의 2가지 일반적인 유형의 스위치를 통해 토폴로지를 완벽하고 유연하게 사용할 수 있다.

 

(1) 전원 스위치는 하나 이상의 트렁크 포트에 전원 및 통신을 공급한다. 이것은 일반적으로 외부로부터 전원이 공급됨을 뜻한다.

(2) 필드 스위치는 스퍼에 연결할 수 있는 포트를 하나 이상 제공한다. 이것은 Ethernet-APL 트렁크를 통해 저전력전원을 공급하거나 외부에서 전원을 공급할 수 있음을 말한다.

 

확장성과 이중화

 

관리 형 스위칭 네트워크 아키텍처(architecture), 최대 60W의 전력예산 및 10Mbit/s의 데이터 트래픽은 Ethernet-APL 수와 관련하여 탁월한 확장성을 제공한다. 연결할 수 있는 스위치 및 계측기기로 구성한다. 또한, Ethernet-APL은 상위 레벨의 ISO-OSI 모델에서 기능을 전송하고 활성화한다. 이러한 상위 수준 함수 사용자가 일반적으로 이더넷 기반 통신에서 기대하는 네트워크 자체의 단순성, 편리성 및 자동화에 대한 일반적인 요구사항을 충족시킨다. 여기에는 다음사항이 포함된다.

 

(1) 스위치에서 간단한 장치 교환을 위한 수단을 제공하는 자동인접 탐지.

(2) 병렬로 실행할 수 있는 여러 통신경로. 사용자는 프로세스 자동화 통신을 방해하지 않고 동시에 자산관리 및 대시보드(dashboards, 운전석과 조수석 정면의 각종 계기들이 달린 부분 또는 웹의 정보 관리 인터페이스로 자동차 용어이지만 현재는 제어 모니터상 사용자 인터페이스인 UI를 지칭)를 위한 현장 계측기에 완벽하게 액세스할 수 있다.

(3) Ethernet-APL 트렁크 세그먼트(어떤 프로그램이 너무 커서 한 번에 주기억 장치에 올릴 수 없어, 갈아 넣기 기법을 사용하여 쪼개었을 때, 나뉜 각 부분을 가리키는 용어)가 탁월한 발전소의 가용성으로 인해 실패할 경우 네트워크 계층에서 통신을 재 라우팅(re-routing)하는 링 중복성 또는 복원력을 가지고 있다.

 

Ethernet-APL은 프로세스 공장에 적합한 이더넷을 위한 매우 견고한 단일 버전을 제공한다. 현장에서 디지털통신을 통해 모든 측면을 처리하는 데 최상의 단순성을 제공할 수 있다.

 

설치와 취급

 

Ethernet-APL을 위해 표준화된 모든 연결과 선택은 사실상 사용 중인 것으로 입증되었고, 이미 잘 알려져 왔다.

 

· 스프링식-클램프 단자대(Spring-clamp terminals)

· 나사형 단자대(Screw-type terminals)

· M8 및 M12 접속(M8 and M12 connector)

 

차폐(shielding)가 있는 간단한 2-와이어 케이블은 연결을 보장하기 위한 드라이버와 자동설치의 나머지 부분에 물리적 연결을 위한 관련 와이어 준비도구가 필요하다.

 

Ethernet-APL은 필드버스 케이블 유형 A(100Ω 저항, +/- 20Ω 공차), IEC 61158-2를 AWG 클래스 26–14, 배선 단면 0,324 … 2.5mm2로 지정한다. 이를 통해 본질안전 방폭의 서포트를 포함한 기존의 필드버스로부터의 이행이 간단해진다. Ethernet-APL은 부설중인 배선 미스를 막기 위해서 필드디바이스 단에서는 무극성 접속을 지정하고 있다.

 

이더넷에서 길러온 고유한 자기진단을 사용하여 간단히 네트워크 견고성 판정, 신호강도 검출 및 부설 오류를 특정할 수 있다. 제어실의 운전직원(오퍼레이터)과 협력하여 유지보수 및 엔지니어링 팀은 재빠르게 기기를 설치, 교환, 재접속, 커미셔닝(commissioning, 원자로의 예 : 원자로에 최초로 핵연료를 장전하여 임계에 도달한 후 각종 테스트 및 시운전을 해가면서 출력을 상승시켜가는 전 과정을 말하며, 상업 운전에 들어가기까지의 모든 과정을 의미하는 용어로 다른 공장의 예도 동일하게 적용하는 시운전 용어이다)을 할 수 있는 장점이 돋보인다. 기존 아날로그신호 체계가 아닌 디지털 신호체계이므로 가능한 것이다.

 

각 SDO의 설치지침에서는 일반기사 및 계측제어기사를 위한 상세사항과 안내가 제공되고 있다. 설치 가이드에서는 케이블 타입, 케이블 길이 및 고려해야 할 파라미터의 계획과 선택 등이 망라되어 있다. 모든 이더넷 기반 테크놀로지와 마찬가지로 설치 후 거동을 감시하고 검증하며 시험하기 위한 소프트웨어 및 하드웨어 도구가 차폐되어 있는 2선 케이블의 심플한 접속성에 필요한 것은 드라이버와 지금까지 기존에 시행하던 케이블의 준비와 거의 동일하다고 보면 된다.

 

Ethernet-APL은 필드버스 참조 처로서 앞에서 이미 두번 언급한 Type A(100Ω±20Ω)케이블, IEC 61158-2에서 AWG26-14 단면적 0.324...2.5mm2를 지정했다. 이를 통해 본질안전 방폭의 서포트를 포함한 기존의 필드버스로부터의 이행이 간단해진다. Ethernet-APL은 부설 중인 배선 미스를 막기 위해 필드 디바이스 단에서는 무극성 접속을 지정하고 있다. 이더넷 에서 경험한 고유 진단법을 사용하여 간단히 네트워크 견고성판정, 신호강도 검출 및 부설 오류를 특정할 수도 있다. 제어실 운전직원(오퍼레이터)과 협력하여 유지보수 및 계측제어 엔지니어링 팀은 재빠르게 기기를 설치, 교환, 재접속 및 커미셔닝이 가능하다.

 

각 SDO의 설치지침에서는 일반기사 및 계전이나 계측제어기사를 위한 상세한 안내서가 마련되어 있다. 기존 공장의 공무부 계전과 혹은 보전부 보전과나, 계측제어부계기과 또는 건설을 위임받은 기술부나 신설 공장의 경우, 태스크 포스로 지정되는 건설/기계/전기/계기/공무팀, 종합 건설사나 엔지니어링 회사의 계측제어부서 엔지니어들의 설계에 도움이 되도록 Ethernet-APL의 기획을 맡은 워킹 그룹의 담당자들은 세계 표준 전문가들로써 실무경험이 많은, 실제 이 분야의 수많은 각 분야 실무자(HW, SW, Instrumentation & Control Specialist)들이 총망라되어 기존 공장의 건설에도 도움이 되도록 공동사양을 만드는데 최선을 다하고 있는 것으로 알고 있다.

 

조익영 전무, ODVA KOREA