산업용 이더넷은 공정 자동화의 미래를 준비하는 디지털화 과정에 매우 중요한 역할을 수행한다. 오늘날에도 프로세스 공업 분야에서 통제실에서 현장까지, 심지어는 위험장소까지 적용할 수 있는 포괄적 IP 통신 솔루션이 존재한다. 일관되어 상호 운용이 가능한 표준의 측면에서 선두주자로 자리잡은 제조업체와 조직들은 계속해서 본질안전 이더넷 개념을 개발하기 위해 노력하고 있으며, 이 과정에 디지털 산업 자동화를 위한 새로운 플랫폼 솔루션을 구체화하는 데 핵심 역할을 수행하고 있다.

공정 자동화 중 처리해야 하는 데이터의 양이 늘어남에 따라 공정을 가능한 실시간으로 모니터링 및 제어하기 위해 더 넓은 대역폭과 더 빠른 전송 속도가 필요해졌다. 진단 데이터와 장치 정보 수요가 빠르게 늘어나는 것 또한 새로운 요구조건으로 자리잡았다. 결과적으로, 전체 산업 플랜트에 걸친 지속적인 이더넷 네트워크 구축의 중요성이 그 어느 때보다도 커지게 되었다. EtherNet/IP, HART-IP, PROFINET을 기반으로 공정 기술 분야에서 다양한 IP 통신 표준이 수립되었다. 산업용 이더넷은 결정적 데이터 송수신 기능과 온도 저항성과 IP 보호 능력이 크게 증대된 신뢰성 높은 구성요소 설계 등 여러 이유로 다른 솔루션을 훨씬 앞서는 모습을 보여준다. 프로세스 공업 내에서 이더넷을 사용하려면 몇 가지 조건이 갖춰져야 한다. 분산형 제어 시스템과 현장 설비, 기존에 설치된 인프라의 운영 주기가 길어야 한다는 점 외에도 모든 형태의 위험장소를 포함한 현장 수준까지 네트워크를 구축하기 위해 실용적인 수준의 방폭 기능을 갖춰야 하는 것이다.

1종 장소까지 적용되는 다양한 설치 옵션

현재 실용화된 여러 보호 조치를 적용할 경우 위험장소에도 CAT 규격 구리선을 설치할 수 있다. 필요한 방폭 특성은 “e” 안전증 방폭 구조 표준에 따른 전자기 보호 조치를 취하는 것으로 갖출 수 있다. 일반적으로 널리 쓰이는 RJ45 플러그는 1종 장소에서 사용하기에 부적절하며, 방염 처리된 Ex d 외함에 케이블을 인입시키기 위해서는 상당한 사전 작업이 필요한 관계로, 특별히 1종 장소용으로 인가된 스프링 클램프 기술이 적용된 Ex e 터미널이 사용되고 있다. 이를 통해 최대 8조 선으로 이루어져 최대 송수신 속도가 1Gbit/s에 달하는 이더넷 케이블과 함께 이더넷 전원 장치(Power over Ethernet)을 별도로 분리되어 쉽게 접근할 수 있는 Ex e 연결 챔버에 손쉽게 설치할 수 있게 되었다.

가장 멀리 떨어진 위험장소까지 이더넷을 이용해 네트워크에 편입시키려면 광섬유를 사용하는 방안을 고려할 수도 있다. 간섭에서 자유로운 FO 케이블을 설치할 경우, 오랜 시간과 노력이 필요한 접지 또는 차폐 작업을 할 필요가 없어지고, 센서와 구동기, 원격 I/O 시스템, 모니터링 카메라 등이 수 킬로미터에 달하는 먼 거리를 두고도 데이터를 주고받을 수가 있다. 잠재적 발화원은 IEC 60079-28 표준에 따른 “op is”형 보호 조치를 취하여 광선의 광학적 에너지가 발화를 일으키지 않을 수준으로 제한하는 방식으로 없앨 수 있다. 이러한 방식으로 보호 처리된 설비는 또한 위험장소에서도 편리한 진단 및 알림 기능이 내장된 광 링 구조를 적용할 수 있게 된다. 이러한 기능을 활용할 수 있도록 이에 알맞은 1종 및 2종 장소용 광전변환기와 스위치 제품도 생산되고 있다.

본질안전 이더넷의 새로운 기준

오랜 기간 위험장소에서 “op is”형 보호 처리된 광섬유 케이블을 해결책으로 사용해왔지만, 각종 설비나 최종사용자는 그러한 위험장소에서 구리 케이블을 사용할 것을 요구하는 경우가 흔했다. NAMUR 권장 NE 168 “현장 수준 이더넷 통신 시스템 요건(Requirements for a field level Ethernet communication system)”에서 현장 설비 연결 시 2선 케이블을 사용하도록 구체적으로 정한 것을 대표적인 예로 들 수 있다. 이를 위해 “본질안전”형 보호 조치의 요건이 확립되었고, 프로세스 공업 부문의 세계 표준으로 사용되며 효과도 입증되었다. 상호 운용 표준 측면에서, 현장 설비 및 시스템 간 본질안전 방폭 이더넷 네트워크를 구축하면 디지털 공정 자동화와 관련된 새로운 가능성을 열 수 있다. 설비에 IEC 60079-11에 따른 본질안전 방폭 조치를 실시하여 보호할 경우, 회로를 통해 오가는 에너지의 양이 발화를 일으키지 않는 수준으로 제한되어 전기 스파크나 열 효과로 불이 붙지 않는다. RS485 -IS를 기반으로 하는 PROFIBUS DP 등 본질안전 방폭형 필드버스 시스템이 오랜 시간 원격 I/O 시스템의 네트워크화와 단말 및 분석 설비의 운영 목적으로 사용되었다. 오늘날에는 PROFIBUS PA와 FOUNDATION Fieldbus H1으로 구성된 본질안전 방폭 처리된 2선식 필드버스 설비가 현장 설비까지 연결되는 디지털 통신 설비로 사용되고 있다.

본질안전 방폭형 보호의 결정적인 장점은 바로 이러한 장치가 취급하기 편리하고 쉽다는 것이다. 이러한 보호 조치가 적용된 회로나 장치는 위험장소에서도 개장하거나 정비할 수 있기 때문이다. 외함으로 감쌀 필요가 없어지기 때문에 d나 p형 외함을 사용하는 등 시간과 비용이 소요되는 보호 조치를 취하지 않아도 된다. 연장이나 수리 작업은 설비가 작동 중일 때에도 진행할 수 있으며(핫 워크), 시스템 전체나 일부를 정지시키지 않고도 설비를 추가하거나 분리할 수 있다. (핫 스왑) 본질안전형 방폭 보호는 이렇게 유연성이 대단히 뛰어나기 때문에 위험장소에서 이더넷 네트워크를 구축하는 데에도 매우 매력적인 솔루션이다. 알스탈은 미래에도 적용할 수 있는 상호 운용 가능한 본질안전 방폭 이더넷 시스템 솔루션을 개발하기 위해 두 개의 실무단에 속한 여러 제조사들과 협력하고 있다. APL(Advanced Physical Layer) 프로젝트 그룹과 본질안전 방폭 이더넷 실무단(Intrinsically Safe Ethernet Working Group)의 두 실무단은 10BASE-T1L과 100BASE-TX 기술을 기반으로 본질안전 방폭 이더넷에 관한 국제 표준을 개발하고 있다.

0종 장소까지 연결하는 필드 네트워킹

ACHEMA 2021에 따르면 Ethernet-APL이 공정 자동화 분야에 사용되는 본질안전 방폭 2선 현장 설비에 사용하는 전용 솔루션으로 적용될 것이다. 이 기술은 IE EE 표준 802.3cg-2019에 따른 싱글 페어 이더넷(SPE, Single Pair Ethernet) 물리계층 10BASE-T1L을 기반으로 한다. SPE는 2선 전도체를 이용해 최대 1000미터 이내의 거리에서 10 Mbit/s의 송수신 속도로 연결하는 기술로, 선택적으로 PoDL(데이터선 전원공급, Power over Data Line)을 적용해 연결된 장치에 전원을 공급할 수도 있다. Ethernet-APL은 SPE와 호환되지만 현장 설비의 전원 공급 측면에서 PoDL과 다른 접근법을 사용하여 본질안전 방폭 보호를 적용할 수 있도록 하는 점에서 차이가 있다. 다른 플러그 커넥터나 클램프식 연결을 적용해 공정 자동화 요건 충족이 예상된다. 여러 제조사와 선도적 지위의 SDO(표준개발기관)가 협력하여 HART-IP   [필드컴 그룹(Fieldcomm Group), FCG], Enternet/IP (ODVA), PROFINET(PROFIBUS 및 PRO FINET Inter national, PI) 통신 프로토콜과 호환성을 갖춘 Ethernet-APL을 개발하고 있다.

또 FISCO[필드버스 본질안전 방폭 개념(Fieldbus Intrinsically Safe Concept), IEC 60079-11 및 -25 참조]개념을 기반으로 DERKA EXAM과 함께 2-WISE(2선식 본질안전 방폭 이더넷) 방폭 보호 기준이 설계되었다. 2-WISE는 본질안전 방폭 2선 필드버스 시스템의 방폭 보호 처리에 사용될 것으로, AEX와 IECEx에 따라 지정된 0종 장소 현장과 NEC 적용 범위에 들어가는 DIV 1 설비에 사용하기에 적절한 것이다. 다양한 제조사들이 생산하는 Ethernet-APL 장치 및 설비에 표준화된 Ex i 파라미터를 적용하는 것으로 본질안전 방폭 회로 인증을 별도로 진행하지 않아도 상호 연결할 수 있으며, Ether net-APL이나 2-WISE로 정의된 조건을 따를 경우 케이블의 조건 또한 따지지 않을 수 있다. 사용 중인 필드버스 설비를 더 쉽게 통합할 수 있도록 하기 위하여 2- WISE에 FISCO를 기반으로 호환 가능한 본질안전 방폭 규격이 정해져 있다. 더 나아가 A형 필드버스 케이블은 계속 그대로 사용할 수 있다. 2-WISE 개념은 IEC에서 준비 중인 것으로, 주된 작업은 PT 60079-47 표준화 프로젝트팀에서 진행 중이다. IEC TS 60079-47 “2선 본질안전 방폭 이더넷 개념(2-WISE)에 따른 설비 보호[Equipment protection by 2-Wire Intrinsically Safe Ethernet concept(2-WISE)]”에 따른 기술 사양은 2021년부터 적용될 것으로 예상되고 있으므로, Ethernet-APL 장비 인증도 곧 가능해질 것이다.

Ethernet-APL은 설비를 다양한 형태로 배치하여 사용할 수 있게 해준다. 대표적인 예는 다음과 같다. APL 전원 스위치를 통해 네트워크(트렁크)에 최대 약 60와트의 전원을 송신한다. 현장에 설치되어 트렁크를 통해 전원이 공급되는 APL 필드 스위치는 공급된 에너지를 본질안전 방폭 에너지로 변환하여 여러 출력단(지선)으로 분배한다. Ethernet-APL 현장 설비가 이들 Ex i 지선을 이용해 가동된다. 이들 지선은 최대 200미터까지 연장할 수 있다. 현장 설비는 설계 형태에 따라 각각의 설치 장소, 즉 0종, 1종, 2종 장소 각각에서 적용할 수 있는 전기 회로가 ia, ib, ic로 나뉜다. APL 필드 스위치의 연속화(Cascading)를 통해 APL 네트워크 하나에 최대 50대의 Ex i 현장 설비를 연결하여 작동시킬 수 있다. 외부 전원장치를 사용하여 전원을 공급받는 Ethernet-APL 스위치 또한 100BASE-TX와 같은 다른 형태의 이더넷 네트워크에 연결할 수 있다. 만약 본질안전 방폭 특성에 “핫 스왑”이나 “핫 워크” 기능이 불필요하다면 Ethernet-APL로 “d”형 방염 외함 혹은 “m”형 방염 밀봉 처리 등 다른 보호 조치가 적용된 현장 설비도 지원 및 사용할 수 있다.

높은 대역폭과 우수한 호환성

알스탈 사는 IP 네트워크가 적용된 운영 터미널, 분석 설비, 원격 I/O 시스템은 높은 대역폭과 더 높은 출력을 요구하는 관계로 본질안전 방폭 이더넷 실무단 내에서 활동하며, 널리 사용되는 100BASE-TX 이더넷, 흔히 말하는 “고속 이더넷”의 본질안전 방폭 버전을 개발하고 있다. 새로운 100BASE-TX-IS 표준은 공정 제어, 데이터 수집, 데이터 분석 시 100 Mbit/s의 높은 데이터 전송량을 확보할 수 있다. 방폭형 4선 이더넷은 산업 표준인 IEEE 802.3과 완전 호환된다. 본질안전 방폭 프론트엔드 기술과 함께, 적용할 수 있을 때 갈바닉 차폐까지 함께 적용할 경우, 기존 산업용 전자 장비를 그대로 연결할 수 있고, 또 매체 접근 제어(MAC, Media Access Contro)과 PHY를 계속 사용할 수 있다. 100BASE-TX-IS는 Ether net-APL과는 대조적으로 네트워크를 통해 전원을 공급하지 않는다. 더하여, CAT 규격 케이블을 통과하는 전송 경로 거리는 100미터 이내의 표준 이더넷 거리로 제한된다. 30킬로미터를 넘어가는 긴 거리에 사용할 1 00-BASE-TX-IS 스위치와 광전변환기로 추가된 FO 인터페이스, 예를 들어 “op is”형 방폭 규격이 적용된 인터페이스가 추가된 것이 개발되고 있다. Ethernet-APL과 비슷하게 100BASE-TX-IS 또한 본질안전 방폭 성능을 입증하기 위해 오랜 시간에 걸쳐 인증 과정을 거칠 필요가 없다. 네트워크 참여자들이 근본이 되는 표준을 충족하는지 비교하는 것으로 충분하다. 100BASE-TX-IS 설비의 보조 규격[정확히 두 개의 참여자와 그에 따른 두 개의 에너지원과 CAT 5/6/7 규격 케이블로 최대 100m 이내의 거리에서 점대점(Point-to-Point)으로 연결]이 알려져 있는 관계로, 보편적으로 허용되는 본질안전 방폭 규격의 인증은 IEC 60079-25 “본질안전 방폭 전기 시스템”을 기반으로 획득할 수 있다. 이미 PTB에서 입증 목적으로 Ispark 툴을 이용해 시행하고 명문화하였다. 이는 곧 설계자가 별도의 계산을 할 필요가 없다는 뜻이다. 본질안전 방폭 성능의 인증은 기록과 설치 시 필요한 방폭 성능 관련 문서를 제출하는 것으로 충분해진다.

100BASE-TX-IS는 현재 위험장소에서 PROFIBUS DP 네트워크 설치 시 흔히 사용되는 본질안전 방폭 필드버스 RS485-IS 규격과 비슷한 방식으로 표준 규격 IEC 61158-2 “Industrial communication networks-Fieldbus specifications-Part 2 : Physical layer specification and service definition(산업용 통신 네트워크 - 필드버스 사양 - 제2부 : 물리계층 사양 및 서비스 정의)”와 IEC 6 1784 “Industrial communication networks(산업용 통신 네트워크)”에 통합할 수 있다. 최초의 100BASE-TX-IS 장치도 2020년 현재 시장에서 찾아볼 수 있다. 100BASE -TX 인터페이스의 “Ex i 변형” 전환과 인증 과정에 EC 형식 시험 증명(EC Type Examination Certificate)과 관련하여 설계를 변경해야 하는 범위가 작았기 때문이다.

간략하게

디지털화는 산업계 전체의 지형을 바꾸고 있으며, 미래경쟁력을 결정하는 핵심 요인으로 자리잡게 될 것이다. 지금도 프로세스 공업 분야에서 위험장소 내 고대역폭 IP 네트워크 구축에 매우 효과적인 솔루션이 존재한다. 알스탈은 Ethernet-APL과 100BASE-TX-IS를 기반으로 다른 회사와 산업 기관과 협력하여 본질안전 방폭 이더넷에 적용할 새로운 표준을 개발하는 과정을 이끌고 있다. 두 가지 솔루션 모두 통신 프로토콜을 투명하게 공개하고 있고, EtherNet/IP, PROFINET, HART-IP를 지원하며, 다양한 방식으로 조합할 수 있다. 예를 들어, 본질안전 방폭형 2선 네트워크 현장 설비는 필드 스위치를 이용해 연결 가능하며, 본질안전 방폭 100BASE-TX-IS 백본망을 통해 원격 I/O 시스템과 제어시스템에 연결할 수가 있다. 알스탈은 여기에서 한걸음 더 나아가 ATEX와 IECEx 분야에서 표준을 수립하기 위해 적극적으로 활동하고 있으며, NAMUR 개방형 아키텍처(NAM UR Open Architecture)와 OPAF(개방형 공정 자동화 포럼, Open Process Automation Forum)와 같은 미래 주제와 관련된 활동 또한 수행하고 있다.

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