계장기술(PROCON)

기술정보 ODVA가 본 Ethernet-APL 〈2회〉

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작성자 최고관리자 댓글 0건 조회 12회 작성일 20-11-17 13:47

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Ethernet-APL에 대한 기본 정의(ISO OSI 모델)

이름처럼 이더넷 고급물리계층은 IEEE 802.3cg를 기반으로 하는 추가적인 물리계층이다. 따라서, EtherNet/IP와 같은 산업용 이더넷 프로토콜은 물리적 계층과 독립적으로 작동하므로 이러한 개선 사항과는 무관하다.

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토폴로지(Topologies)

Ethernet-APL을 통해 이미 확립된 토폴로지를 실현할 수가 있다. 여기에는 필드버스의 입증된 트렁크 및 스퍼(Spur) 토폴로지가 포함된다. 각각 최대 500mW로 최대 50개의 필드 장치에 전력을 공급할 수 있는 인프라, 본질안전(Intrinsic Safety)을 갖춘 위험지역(Hazardous Area)에 APL 필드 스위치와 APL 필드 장치를 모두 설치할 수 있다.

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고객에게 제공하는 이점(Advantages from a customer point of view)

Ethernet-APL은 고객 측면의 설계팀, 엔지니어 및 유지보수팀(계전팀)의 직원들에게 많은 이점을 제공한다. 시스템 설계 및 통합 시간 단축 필드 레벨과 제어 레벨 사이에 단일 표준의 보편적 통신 기술을 보유함으로써 Ethernet -APL 시스템 인프라에서 서로 다른 통신 프로토콜을 변환시켜주는 별도의 게이트웨이나 변환기 등이 필요하지가않다. 최대 60W의 전원공급장치 출력으로 인해 전원공급장치당 더 많은 장치를 추가할 수 있으므로 더 적은 세그먼트로 이어진다.

시스템 설계 및 통합 시간 단축(Reduction of system design and integration time)

필드 레벨과 제어 레벨 사이에 하나의 퍼베이시브 통신 기술(공기가 사람과 공존하듯 장비와 장비가 공존하는 개념. 유비쿼터스(Ubiquitous)처럼 언제 어디서나 통신 장치들이 상호작용하며, 각종 통신 장치가 다중적으로 다른 장비들을 서포트하는 기술)을 보유함으로써 Ethernet-APL 시스템 인프라에서 서로 다른 통신 프로토콜을 변환하는 게이트웨이와 변환기가 전혀 필요하지 않다. 최대 60W의 전원공급장치 출력으로 인해 전원공급장치당 더 많은 장치를 추가할 수 있으므로 세그먼트 수가 줄어든다. 잘 알려진 트렁크 및 스퍼 토폴로지는 Ethernet-APL 시스템으로 조정할 수 있다. 또한 필드버스 케이블을 재사용함으로써 기존의 설비들을 쉽게 교체할 수 있다. 전체적으로 시스템 설계의 복잡성이 줄어든다고 할 수 있다.
스타트 업 노력의 감소(Reduction of Startup Efforts)

Ethernet-APL 인프라를 설치하는 동안 극성의 독립성과 공통 트렁크 및 스퍼 토폴로지로 인해 설치 오류가 덜 발생할 수 있다. 설치 후 Ethernet-APL 인프라의 물리적 계층이 항상 동일하므로 인해 테스트 노력이 줄어든다. 최소한의 배선 마운트에서 발생하는 동일한 케이블의 전원 및 데이터 때문에 동일하게 모든 게 적용된다. 교육 목적의 경우에도 모든 네트워크 수준에는 단 하나의 통신(Ethernet -APL)만 있기 때문에 교육에 따른 노력이 줄어든다. 자동 인스턴스화가 지원하는 IP 기반 통신을 위한 표준 수단으로 IT에서 OT의 수직 통합을 쉽게 수행할 수 있다.

기존 시스템보다 최대 300배 빠른 대단히 높은 데이터 전송 속도로 빠른 장치 구성이 지원된다. 설치 후 Ethernet -APL 인프라의 물리적 계층이 1개이므로 테스트에 대한 수고가 줄어든다. 배선 문제는 전원 및 데이터가 하나의 동축 케이블에 들어 있어서 배선이 매우 간단하며, 네트워크 교육도 모든 네트워크가 단 1개의 통신(Ethernet-APL)선으로 배선이 되므로 인해 배선에 따른 어떤 교육적 노력도 필요가 없다. 자동 계측에 의해 지원되는 IP 기반 통신의 표준 수단에 의해서, IT에서 OT의 수직적 통합은 매우 쉽게 이루어질 수 있다. 기존 시스템보다 최대 300배나 빠른 매우 높은 데이터 전송 속도로 빠른 장치 구성이 지원된다.

타임라인(Timeline)

앞에서 설명한 바와 같이 모든 관련 사양은 2020년 말까지 완성되고 출시될 예정이다. 목표는 2021년 6월 독일 프랑크푸르트에서 개최되는 아케마(ACHEMA) 박람회에서 전체 네트워크 인프라의 실제 제품으로써 Ethernet- APL을 시연할 예정이다. 시연된 제품은 박람회 직후 출시될 예정이다.

첫 번째 고객 경험

2019년에 Ethernet-APL 기술은 첫 번째 프로토 타입을 기반으로 독일의 한 화학공장(BASF)에서 평가되었다. 평가 프로젝트의 초점은 이미 설명된 프로세스 산업의 요구사항이었다.
• 모든 애플리케이션을 위한 하나의 단일 이더넷 프로토콜
• 모든 자동화 수준에서 강력한 이더넷 통신
• 동축 케이블에 통신 및 전원 2선 케이블을 통한 데이터 공급(필드버스 케이블 재사용 가능)
• 위험지역(Hazardous Area)에서의 사용 및 본질안전(Intrinsic Safety)의 중요성
• NAMUR(독일) Open Architecture에 따른 IIoT 사용 사례를 위한 병렬 데이터 액세스
• 친숙한 트렁크-평면 토폴로지(Trunk-and-spur-topology) 지원
• 언제 어디서나 장치에 액세스해야 한다.
• 자동화 및 기타 응용프로그램을 위한 빠르고 효율적인 통신망

평가 프로젝트는 관제실과 현장을 포함한 현실적인 설정에서 실행되었다. 경험의 첫 번째 결과는 2019년 11월 NAMUR 총회에서 발표되었다. 평가는 성공적이었으며, 기술은 예상했던 이점을 모두 제공했다.


전 망

1) 추가 고객 평가 프로젝트
기술에 대한 피드백을 받고 더 많은 인지도를 높이기 위해 프로토타입을 기반으로 한 평가 프로젝트는 다양한 업계의 적합한 고객과 함께 업계 파트너에 의해 계획되었다.

2) 안전 애플리케이션의 디지털화
Ethernet-APL을 사용하면 모든 자동화 수준에 있어서 네트워크의 비전이 현실이 된다. 하지만 안전 애플리케이션은 어떤가? 단일 네트워크 비전 측면에서 안전 애플리케이션도 디지털화할 준비가 되어 있어야 한다. EtherNet/IP를 위한 안전 프로토콜 CIP Safety를 고려함으로써 정확히 이 사용 사례가 충족되었다.

3) 프로세스 자동화 – 장치 정보 모델
이더넷 기술은 스마트 기기에서 데이터를 액세스할 수 있는 열쇠가 될 것이다. 개발 중인 PA-DIM과 결합하여 미래의 디지털 서비스의 새로운 가능성을 실현한다. PA -DIM은 제조업체, 프로토콜 및 플랫폼과 독립적으로 정의되므로 이러한 디지털 서비스의 실현을 제공할 수 있다. 이 장치의 정보 모델은 OPC-UA(Open Platform Com munications–Unified Architecture)를 기반으로 하며, 이더넷을 통해 TCP를 기반으로 전송된다. 사양은 Field Comm Group과 OPC Foundation 간의 협력, 기본적으로 PA -DIM은 데이터 해석을 피하기 위해 데이터의 의미를 정의하는 통합된 장치 정보 모델로 구성된다. 여기에 표현된 아이디어, 의견 및 권장 사항은 가능한 사용에 대한 저자의 개념을 설명하기 위한 것이고, ODVA의 아이디어, 의견 및 권장 사항을 반영하지는 않는다.

4) 기타 Ethernet-APL에 대한 의견 및 평가
“오늘날 이더넷에서 실행되는 모든 프로토콜은 Ethernet -APL을 통해 사용할 수 있다.”고 Emerson의 Kravitz 씨는 말했다. 여기에는 HART-IP 및 Profinet, EtherNet/IP 및 기타 산업용 이더넷 변형이 포함된다. 이와 같은 이더넷 기반 프로토콜에는 아날로그 HART, PROFIBUS PA 및 FOUNDATION Fieldbus와 같이 레거시 디지털 프로토콜을 사용하여 장치와 통신할 수 있는 I/O를 위한 규정이 있다. 처음에는 Ethernet-APL과 같은 새로운 기술의 출시로 인해 기존 장치를 즉시 변경하지는 않을 것이다. 하지만 시간이 지남에 따라 계측 및 시스템 공급업체가 Ethernet-APL에 대해 더 많은 지원을 제공함에 따라 고객은 향상된 기능, 보안 및 유연성에 대한 잠재력을 본 뒤, Ethernet-APL 장치를 선택하게 될 것이다.      
또 APL 워킹 그룹의 YOKOGAWA 대표인 Taro Endoh 씨는 “FOUNDATION Fieldbus와 PROFIBUS PA는 APL의 등장으로 인해서 패배를 할 것이다. 산업용 이더넷 프로토콜을 갖는 APL은 머지않아 4-20mA+HART를 대체할 것이다. 그러나 Pepperl+Fuchs의 Michael Kessler에 따르면, APL 대 현재 필드버스 프로토콜에 대해 Ether net-APL 스위치는 이중 기능이 있는 Ethernet-APL 스퍼 인터페이스를 제공하는 것으로 입증(예 : PROFINET -APL 및 PROFIBUS PA)되었다.”고 말했다. 이론적으로 이것은 데이터를 이더넷 기반의 실시간 프로토콜에 매핑할 수 있는 FOUNDATION Fieldbus 기기에서도 가능하다. 바로 이 이중 기능은 기존 플랜트를 Ethernet-APL기반 인프라로 마이그레이션하는 데 있어서 중요하다. Ethernet-APL이 출시된 첫 해 동안에는 기존 FOUNDA TION Fieldbus 또는 PROFIBUS PA 장비는 Ethernet -APL 인터페이스로 누락된 장비의 기능 차이를 채울 수 있을 것이라고 했다. 실제로 APL로의 대폭적인 전환 이유는 DCS 공급업체가 지난 10년 동안 많은 돈과 노력을 투자한 기존 I/O 시스템에서 벗어나 시스템 & 엔지니어링 관행을 개선해야만 한다는 것이다.                                    
APL 프로젝트에 참여하고 있는 3대 SDO조직 중 ODVA의 EtherNet/IP 프로토콜은 APL 표준을 최대한으로 활용할 수 있다. “오늘날 EtherNet/IP는 DCS의 게이트웨이 역할도 하는 PLC가 방향 제어밸브 뱅크를 제어하는 밸브 파일럿과 같은 애플리케이션의 자동화 아일랜드 내에서 프로세스 자동화에 일반적으로 사용된다.”라고 ODVA의 Steve Fales 씨는 설명했다. ODVA의 APL을 통해 Fales 씨는 EtherNet/IP가 제어, 진단 및 시운전을 위해 게이트웨이 없이 프로세스 네트워크 전반에 걸쳐 더 광범위하게 사용될 것으로 예측했다. “EtherNet/IP는 현장 수준과 상위 시스템 수준 간의 이더넷 통신 시스템에 대한 NAMUR의 최소 바인딩 요구사항 중 하나로 명명되었고, HART 장치 번역 서비스의 통합 및 NAMUR NE 107 진단, 즉 ABB 측정 및 분석 플랫폼 관리자인 ABB의 Tilo Merlin 씨는 다음과 같이 덧붙였다.
오늘날 대부분의 DCS 시스템은 이미 PROFINET 및 EtherNet/IP를 지원하기 때문에 이러한 프로토콜을 기반으로 한 Ethernet-APL의 채택은 아주 간단하다. 이들을 사용하면 게이트웨이 또는 기타 프로토콜 변환기의 사용이 필요 없어 기존 필드버스 솔루션에 비해 복잡성과 유지 및 소유 비용이 크게 절감되고, 유용성과 견고성이 향상된다. Merlin 씨는 “확립된 이더넷 기반 프로토콜을 적용하는 것 외에도 OPC UA와 같은 새로운 프로토콜을 사용하여 새로운 수준의 보안과 의미를 제공함으로써 IT와 OT 사이의 경계를 허물어 버렸다.”고 말했다.

5) Ethernet-APL 디지털 트윈 보안을 위한 진입로
APL 프로젝트가 IIoT 크기의 정보고속도로를 현장 기기로 확장하기 위해 노력하고 있지만, 새로운 대역폭을 최대한 활용할 준비가 된 세계의 소프트웨어 및 시스템 측면에서 보완 표준에 대한 작업이 진행된 것이다. 주목할 만한 것은 FDI, PA-DIM 및 OPC-UA이며, 이들 모두는 디지털 분야에 새로운 질서와 가치를 제공할 것이라고 약속했다.
FieldComm Group의 Sereiko 씨는 “FDI와 PA-DIM은 기업 전체의 소프트웨어 시스템이 계측기기에서 제공하는 정보를 보다 쉽게 사용할 수 있도록 해준다.
Ethernet-APL은 게이트웨이와 원격 I/O를 이더넷 스위치로 대체하여 장치에서 기업 시스템으로 정보를 쉽게 라우팅(Routing)하는 것이 요체이다. 궁극적으로 빠른 속도가 가능해지면, FDI 및 PA-DIM에 대한 기능 향상으로 장치 통합을 더욱 단순화할 수 있다.”고 했다.
또 Emerson의 Kravitz 씨는 “기술로서 FDI와 PA-DI M은 현장 장치에서 정보를 가져오는 기준을 낮추는데 도움이 되도록 설계하였다. Ethernet-APL이 개별 장치에 대한 대역폭을 증가시킨다는 점은 이를 통해 현장 장치는 제어시스템에서 클라우드에 이르기까지 모든 수준의 프로세스 데이터 에코시스템과 쉽게 통합될 수가 있다.”고 했다.
또 Endress+Hauser의 Lukas Klausmann 씨는 “Ether net-APL과 PA-DIM을 함께 사용하면 병렬 통신 경로에서 제어 통합에 이르는 현장의 데이터를 액세스할 수 있다. 이 두 번째 채널 접근 방식은 핵심 자동화 프로세스에는 아무런 영향을 주지 않고 NAMUR 개방형 아키텍처(NOA) 개념을 지원한다.”고 말했다.                                                                     
또 Ethernet-APL은 필드 장치 자체에 OPC UA 및 PA -DIM을 배포하는 핵심 기술이라고 Pepperl+Fuchs의 Kessler 씨는 덧붙였다. “장치에 정보 모델이 내장되어 있기 때문에 실제로 플러그 앤 플레이가 가능하다. FDI와 같은 모델 및 표준은 고객과 공급업체에게는 중요한 도구이지만 속도, 인프라 및 상위 시스템에 대한 연결 시 새로운 케이블 또는 게이트웨이가 필요할 때 채택률은 항상 느려질 수밖에 없다.”고도 했다.                                      
또 Moore Industries의 사장 겸 CEO인 Scott Saunders 씨는 “Ethernet-APL은 이러한 모든 문제를 한 큐에 제거함으로써 문제를 해결할 수 있다. 10Mbps의 속도로 대부분의 기존 설치된 트위스트 페어 케이블을 지원하고, 대부분의 다른 TCP/IP 기반 산업 프로토콜을 동시에 지원하면 새로운 표준을 방해하는 문제를 간단히 해결할 수가 있다.
또 PI North America의 Bowne은 “APL을 사용하면 새로운 사용 사례의 전 세계적 가능성이 있다. 산업 전반에 걸쳐 일어나는 IT/OT 네트워크 컨버전스(Convergence)에 직접적으로 작용한다. 공통 이더넷 기반의 물리계층을 통해 공급업체는 공장 자동화에서 오랫동안 확립된 기능인 여러 프로토콜을 기기에 자유롭게 구현할 수 있다. 또한 NAMUR Open Architecture와 같은 개념을 사용하여 전통적인 자동화 피라미드 외부의 상위 시스템에 대한 단방향 통신을 가능하게 한다.”고 말했다.
또 Merlin 씨는 “Ethernet-APL이 전체 이더넷 스택(Stack)을 지원한다는 사실은 사용성을 높이기 위해 IEEE 세계의 모든 추가 기능을 사용할 수 있다는 것을 의미한다.”고 설명했고, “이더넷 에코시스템의 일부가 되면, 이더넷의 일반적인 다중 프로토콜 기능은 광범위하다.”고 덧붙였다. 아울러 Merlin 씨는 “OT와 IT 세계 간의 안전한 브리징(Bridging)을 훨씬 쉽게 만들 수 있을 뿐만 아니라, 아날로그(Analog)의 현장 수준에서부터 디지털(Digital)의 클라우드(Cloud) 수준까지 OPC UA를 보편적으로 적용할 수 있기 때문에 APL은 물리적 자산으로써 프로세스 계장 플랜트 현장의 온도·압력·유량·레벨·중량값을 디지털 트윈(Digital Twin)까지 연결하는 초석이 된다.”고 설명했다.

ODVA 기술은 여러 공급업체의 제품 및 시스템과 함께 다양한 상황에 적용될 수 있다. ODVA 네트워크를 지정하는 책임자는 아이디어, 의견의 적합성과 적합성을 스스로 결정해야 한다.