- Process 계장 시스템의 New 국제표준(2022년 IEC 발표 예정)

용이한 채택, 원활한 통합, 간단한 설치, 광폭의 범위, 귀중한 데이터로 연결한다는 의미가 담긴 Ethernet-APLTM은 프로세스 계장 분야가 기존의 Analog 체계에서 Digital 체계로 전환됨을 의미하며, 공장의 프로세스 계장 분야의 종사자 또는 계측제어부, 공무부, 계전과, 계기과에 종사하는 엔지니어는 물론 프로세스 계장 엔지니어링 회사의 계측제어 부서 요원들이라면 반드시 알아야 할 기술이며, 2022년에 발표될 IEC 프로세스 계장 단일 표준인 “IEC TS 60079-47” Ethernet-APL(Advanced Physical Layer = 이더넷 고급물리계층)에 대한 구체적으로 본고에서 설명하였다. 서두에 국내 현황에 대해서는 필자의 의견도 제시하였으며, 백서는 ODVA(www.odva.org)에서 자료를 직접 제공받았음을 밝힌다.
필요하다면, ODVA 웹사이트에서 영문판/일본판을 다운받아 볼 수 있다.

1. 개 요

최근 산업의 세계적 추세는 클라우드(Cloud)와 디지털 전환(Digital Transformation)이다. 프로세스 계장 분야는 2차 대전 이후 아날로그 신호인 공기압식 신호와 전기식 신호로 프로세스 플랜트를 최근까지 운영해왔고, 필드버스를 추가하여 병용 사용해왔다. 그러나 이제는 프로세스 플랜트의 기술 환경이 클라우드와 디지털화를 요구하고 있고, 향후에도 다년간 이 기술이 전제되지 않고는 기술이 존재할 수 없는 환경으로 바뀌어버렸다. 프로세스 계장 분야의 아날로그 신호가 주축이던 시기가 끝나고 클라우드와 디지털화의 시기가 도래하는데, 그 중심에는 디지털 통신의 기본인 이더넷(Ethernet)이 근간이 되었다. 본고에서 소개하는 이더넷-에이피엘[Ethernet–APL(Advanced Physical Layer)/일명 고급물리계층]이 그것이다.
 
프로세스 계장 분야에 종사하는 사람들은 다년간 이 이름을 잊어서는 안 될 용어가 될 것이다.  프로세스 계장 분야를 대표하고, 프로세스 계장 분야의 단일 표준 용어로 아직 다른 용어가 없기 때문이다. 용어의 공식 발표는 IEC가 20 22년 이 표준을 프로세스 계장 분야의 세계 단일 표준 규격으로 발표한 뒤부터 그 효력이 나타날 것으로 본다. 프로세스 플랜트의 라이프사이클은 매우 길어 20년 이상 가동하기도 한다. 그러므로 사람들과 제품, 환경에 있어서 가장 중요한 덕목은 안전이다. 석유화학 공장 등 장치산업에서는 폭발할 가능성이 있는 위험 지역에서의 사용을 상정할 때나 새로운 테크놀로지의 도입에는 신중을 기해야 하며, 철저한 검증과 비즈니스에 대한 영향평가를 하는 것이 필수적이다. 또한 사용 기술은 취급이 간단하고, 특별한 훈련을 필요로 하지 않아야 한다. 최근 이더넷은 기업이나 산업용에 있어서 사실상의 통신 표준이 되고 있으나, 원래의 기본 이더넷 상태로는 프로세스 오토메이션 분야에 적용시킬 수가 없는 구조다. 고급물리계층(Advanced Physical Layer)을 갖는 이더넷(Ethernet-APL™)이어야만 가능하고, 여기에는 1개의 동축 케이블 속에 통신선과 전원선 두 개가 삽입된 선으로 본질안전 방폭 기준이면서도 동시에 케이블의 장거리화를 실현할 수 있어야 한다. IEEE 및 IEC 규격에 의해서 Ethernet-APL은 모든 이더넷 기반의 자동화 프로토콜을 지원하며, 프로세스 오토메이션 업계를 위한 단일되고 장기적이며 안정된 기술을 목표로 설계하고 있고, 세계가 공동으로 협동하며 개발하고 있다. 본 공동 백서에서는 사업 환경, 기술 사양, 서로 다른 다양한 사용자 유형에 대한 시사점 및 Ethernet-APL 개발 상황 등에 대해 자세히 설명한다.

2. Process 계장 응용 상황과 사업 환경

Process 계장 설비를 갖는 공장은 최소 20년 이상 운영되어야 한다. 다시 한번 강조하지만 사람, 제품 및 환경에 대해 절대적으로 안전설계를 필요로 한다. 위험 영역과 열악한 환경에서 폭발적 잠재력을 내재하고 있다면 새로운 기술의 모든 배치를 철저히 테스트해야 하며, 추가적인 비즈니스 상의 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 동축 케이블 내에 들어 있는 두 개의 와이어, 즉 통신선 및 전원선으로 만들어 고유의 안전을 유지해야 하며, 긴 케이블 길이(1000m)와 폭발 방지 기능을 제공해야 한다. IEEE 및 IEC 표준을 기반으로 하는 Ethernet-APL은 모든 이더넷 기반의 자동화 프로토콜을 지원하며, 전체 프로세스 계장을 위한 장기적이며 안정적인 단일 표준 기술로 개발이 순조롭게 진행되고 있다. Process 계장 자동화 공동체가 제공하는 이 백서에서는 비즈니스의 환경, 기술 사양, 다양한 사용자 유형에 대한 시사점 및 Ethernet-APL의 개발 현황을 광범위하게 다루었다.

주요 서플라이어와 산업용 통신 프로토콜 개발 국제 단체인 SDO(Standard Development Organization)의 주력 그룹에서는, 위험지역 내에서의 설치, 장거리 접속, 및 통신선에서 전원공급 방식의 선택이 가능한 프로세스 오토메이션용 이더넷 고급물리계층의 새로운 오픈 규격의 개발을 촉진하기 위해서 모두 하나로 뭉치고 있다. 이 새로운 Ethernet Advanced Physical Layer(약칭/Ethernet-APL)를, 필드 기기가 발신하는 정보의 의미나 구조가 정의된 산업용 통신 프로토콜과 병용하는 것으로, 프로세스 계장 오토메이션으로의 산업용 사물인터넷(IIoT) 도입을 가속화하고 있다. 이는 최종적으로는 클라우드(Cloud) 처리가 되게 하려는 것이다. 이러한 점을 고려한다면 디지털화의 세계를 프로세스 오토메이션 및 계장으로 확장하기 위한 공동의 필요 조건을 100% 만족할 것으로 개발팀은 인식하고 있다. 본고에서는 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 필드 계장기기급 통신까지 이더넷 기반 통신의 논리적 확장을 가능케 한다. 이더넷 접속의 마지막의 도달점에서 이 새로운 시스템이 임원 회의실에서 경영자가 다양한 네트워크 영역의 데이터를 Ethernet-APL을 통해 얻을 수 있게 하려는 것이다.

3. 협력 조직

“APL 프로젝트”에 따른 Ethernet-APL 기술 개발 협정은 2018년에 체결되었으며, 국제적으로 업계의 선도적인 표준 개발 조직과 관련된 기업들이 적극 후원하고 있다. 표준개발기구(SDO)로는 Field Comm 그룹, ODVA, OPC Foundation 및 PI(PROFIBUS & PROINET International)로 구성하고 ABB, Emerson을 비롯한 주요 산업 프로세스 계장 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. SDO 및 주요 공급업체가 협력하는 주된 목적은 프로세스 계장 오토메이션 요건에 적합한 전 세계가 프로세스 계장 단일 표준으로써 Ethernet 고급물리계층을 채택하여 공동 기술 사양을 개발하는 데 두었다.

목적을 달성하기 위해 프로젝트 멤버의 대표는 그간 테크놀로지의 기반이 되는 IEEE 및 IEC 규격의 강화에 힘써왔다. 또한 프로세스 계장 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 워킹그룹에 대한 회의 참가도 그간 수시로 계속 진행해왔다. 이와 관련된 모든 규격 및 공동 사양을 이 백서로 최종화함으로써 사용자 및 벤더가 이 기술에 접근을 실질적으로 쉽게 할 수가 있게 되었다.

프로세스 오토메이션에 속하는 주요 공급업체와 주요 SDO의 협력과 더불어 폭넓게 사용되고 있는 기존 규격을 기반으로 하고 있으므로 프로세스 오토메이션용 고급물리계층, 즉 “Ethernet-APL” 프로세스 계장 단일 표준은 프로세스 계장 시장에서 전 세계 관련 업계에 강력한 영향을 미칠 것으로 본다.