- 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.

4. 프로세스 계장 산업의 발전을 위해 아날로그 계장 시스템을 디지털 계장 시스템으로 비즈니스 환경 변경

이더넷은 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 에코시스템(생태계 시스템)으로써 표준적인 도구로 이용이 가능하다.

1) 이더넷 이용으로 다음과 같은 효율화 기대
• 네트워크 설정의 공수 절감
• 트러블 슈팅, 에러 검출 들의 IT, OT 기술의 공통화
• 설치 공정수의 절감

그러나 오늘날 이더넷 물리계층은 프로세스 플랜트의 가혹한 환경 조건에서 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. (1,000m 거리)
• 전원선과 통신선의 동축 케이블화가 이루어져야 한다.
• 본질안전 방폭을 포함한 모든 방폭 기술이 기본적으로 지원되어야 한다.
• 단순화된 설치 기술이어야만 한다.
• 기존 필드버스 케이블(유형 ‘A’)의 재사용으로 인한 비용 절감 및 간편한 Ethernet-APL로의 이행 (Migration) 비용을 절감하고, 필드버스에서 Ethernet-APL로 쉽게 이행이 가능토록 기존 필드버스 케이블 유형 ‘A’의 잠재적인 재사용이 가능해야 한다.
• 전자기 간섭에 대한 복원력이 있어야 한다.
• 서지 보호와 서포트 기능이 있어야 할 것

이더넷-APL은 그림 2와 같이 10BASET1L 기반의 단일쌍 이더넷(SPE/Single Pair Ethernet)을 위한 향상된 물리계층이다. 10MBit/s에서 최대 1000m 길이의 장거리 케이블로 통신하는데, 이는 HART나 필드버스와 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 제공하고 있다. Ethernet-APL은 EtherNet/IP, HART-IP, OPC-UA, Profinet 또는 기타 상위 수준의 프로토콜을 지원할 수 있는 물리계층이다.

5. 장기적 안정화를 위한 표준화

Ethernet-APL 통신망은 IEEE 규격 802.3cg-2019에 정의된 10BASE-T1L의 단일쌍 이더넷(SPE)을 기반으로 하고 있으며, 빌딩 및 산업 자동화 분야의 많은 시장 부문에서 서비스를 제공하는 공급업체들에 의해 채택되고 있다. Ethernet-APL의 중요한 시장규모는 반도체 제조업체가 칩을 대량으로 공급하여 기존 장치나 계측기기에 원활하게 통합이 되고, 장기적이고도 안정적인 기술 및 플랫폼에 기여할 수 있도록 지원하고 있다.

Ethernet-APL에는 프로세스 응용프로그램에 필요한 추가 속성이 포함된다. 이 요건은 옥외 설치 및 장거리 케이블 길이를 초과하는 폭발 위험 영역의 보호에서 비롯된다. 추가 전기 기능은 각각 IEC 표준을 따르고 있다. Ether net-APL은 애플리케이션의 상호운용성과 단순성도 제공한다.

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

2. “APL 프로젝트”는 폭발 위험 영역 보호를 포함하거나, 포함하지 않는 여러 전원레벨에 대한 포트 프로파일을 정의하여 Ethernet-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 상호운용성(interoperability)을 위한 간단한 프레임워크를 제공할 수 있다.

3. Ethernet-APL은 와이어가 나사형 또는 스프링 클램프(Screw-type or spring-clamp) 단자에 연결해주므로, 와이어를 통한 케이블을 기본적으로 지원한다. 또한 잘 정의된 커넥터 기술은 설치 작업 중에 단순성을 보장해준다.

6. 구성요소 및 토폴로지

Ethernet-APL은 다양한 설치 토폴로지(Topology)를 지원하도록 설계되었으며, 이중화 또는 복원력(Redun dancy or resiliency) 개념과 트렁크 앤 스퍼(Trunk-and-pur) 옵션을 선택할 수 있다. Ethernet-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.

1) 이더넷-APL은 두 가지 일반적인 세그먼트 유형 정의
• “트렁크(Trunk)”는 최대 1000m 길이의 장거리 케이블로 높은 전력 및 신호 레벨을 제공한다.
• “스퍼(Spur)”는 최대 200m 길이에서 선택적인 고유 안전성과 함께 저전력 전기를 운반한다
• “포트 프로파일(Port profiles)”은 전력 및 통신 신호의 레벨을 지정하며, 상호운용성(Interoperability)을 보장한다.
2) 포트는 다음과 같이 분류한다.
• 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 3~그림 4는 소형 레이아웃과 긴 케이블 실행이 필요한 발전소에 대한 토폴로지 선택의 유연성을 보여준다.

3) 두 가지 일반적인 유형의 스위치를 통해 토폴로지를 완벽하고 유연하게 사용
1. 전원 스위치는 하나 이상의 트렁크포트에 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 저전력 전원을 공급하거나 외부에서 전원을
공급할 수 있음을 말한다.

7. 확장성 및 이중화

관리형 스위칭 네트워크 아키텍처(Architecture), 최대 60W의 전력 예산 및 10Mbit/s의 데이터 트래픽은 Ether net-APL 수와 관련하여 탁월한 확장성을 제공한다. 연결할 수 있는 스위치 및 계측기기로 구성한다. 또한 Ether net-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 다음 사항이 포함된다.

1. 스위치에서 간단한 장치 교환을 위한 수단을 제공하는 자동 인접 탐지한다.

2. 병렬로 실행할 수 있는 여러 통신 경로. 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 모니터 사용자 인터페이스인 UI를 지칭)를 위한 현장 계측기에 완벽하게 액세스할 수 있다.

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

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

odva@odva.or.kr