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.

8. 설치 및 취급

Ethernet-APL을 위해 표준화된 모든 연결과 선택은 사실상 사용 중인 것으로 입증되었고, 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-Wire 케이블은 연결을 보장하기 위한 드라이버와 자동 설치의 나머지 부분에 물리적 연결을 위한 관련 와이어 준비 도구가 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 부설 중인 배선 미스를 막기 위해서 필드 디바이스단에서는 무극성 접속을 지정하고 있다.

이더넷에서 길러온 고유한 자기진단을 사용하여 간단히 네트워크 견고성 판정, 신호 강도 검출 및 부설 오류를 특정할 수가 있다. 제어실의 운전 직원(오퍼레이터)과 협력하여 유지보수 및 엔지니어링 팀은 재빠르게 기기를 설치, 교환, 재접속, 커미셔닝(Commissioning, 원자로에 최초로 핵연료를 장전하여 임계에 도달한 후 각종의 테스트 및 시운전을 해가면서 출력을 상승시켜가는 전 과정을 말하며, 상업운전에 들어가기까지의 모든 과정을 의미하는 용어로 다른 공장의 예도 동일하게 적용하는 시운전 용어)을 할 수 있는 장점이 돋보인다. 기존 아날로그신호 체계가 아닌 디지털신호 체계이므로 가능한 것이다. 각 SDO의 설치 지침에서는 일반 기사 및 계측제어 기사를 위한 상세 사항 및 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 본다.

Ethernet-APL은 필드버스 참조처로 앞에서 두 번 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 디바이스단에서는 무극성 접속을 지정하고 있다. 이더넷에서 경험한 고유 진단법을 사용하여 간단히 네트워크 견고성 판정, 신호 강도 검출 및 부설 오류를 특정할 수도 있다. 제어실 운전 직원(오퍼레이터)과 협력하여 유지보수 및 계측제어 엔지니어링 팀은 재빠르게 기기를 설치, 교환, 재접속 및 커미셔닝이 가능하다. 각 SDO의 설치 지침에서는 일반 기사 및 계전이나 계측제어 기사를 위한 상세한 안내서가 마련되어 있다. 기존 공장의 공무부 계전과 혹은 보전부 보전과나, 계측제어부 계기과 또는 건설을 위임받은 기술부나 신설 공장의 경우, 태스크포스로 지정되는 건설/기계/전기/계기/공무팀, 종합 건설사나 엔지니어링 회사의 계측제어 부서 엔지니어들의 설계에 도움이 되도록 Ethernet-APL의 기획을 맡은 워킹그룹의 담당자들은 세계 표준 전문가들로써 실무 경험이 많은, 실제 이 분야의 수많은 분야 실무자(HW, SW, Instrumentation & Control Specialist)들이 총망라되어 기존 공장의 건설에도 도움이 되도록 공동 사양을 만드는데 최선을 다하고 있다.

9. Ethernet-APL의 채택

이더넷은 상호운용성에 대한 강력한 요구사항이 있는 환경에서 신뢰할 수 있는 통신 기술임이 입증되었다. 이것은 산업 현장, 사무실 및 건물 그리고 많은 개인 주택단지에도 적용된바 있다. 이더넷 기술의 고도화는 제품개발 및 프토토콜 스택에 있어서 네트워크망의 계획, 설치 후 커미셔닝 및 여러 문제를 해결할 수 있는 다양한 도구들을 사용하여 널리 수용할 수 있도록 환경을 조성하는 것을 포함하는 개념이다.

끊김 없는(Seamless)는 원활한 설치는 빠른 도입, 높은 참여도를 보장하므로 모든 사용자에게 장기적인 비즈니스 환경을 제공한다. 따라서 여기에는 프로세스 자동화 시스템의 수명주기 업무의 당사자들, 예컨대 벤더, 종합 건설사 및 엔지니어링 회사, 건설 현장의 태스크포스 부서 해당 책임자, 시설을 관리하는 공무 및 보전설비 관리자, 계측제어부, 전기과, 계전과, 계기과 동력 및 운전 관리부서 운영 담당자, 석유, 석유화학, 종합화학공장 공정 부서 책임자, 운영자 등은 Ethernet-APL에 대한 상세 내용을 알아야만 한다. 이 기술은 유연성 향상 및 위험 감소에 있어서 다음의 재사용을 통해 기술을 알게 된다. 명확한 마이그레이션(이행) 전략을 위한 경로를 제공하던 기 설치된 필드버스 케이블을 이용하면 방화벽이 그대로 유지되므로 케이블링 비용이 크게 절감된다. Ethernet-APL은 현재와 미래의 모든 상위 수준의 통신 프로토콜과 서비스를 지원하며, 네트워크 인프라를 평탄화시킨다. Ethernet-APL은 프로토콜 변환 및 게이트웨이의 필요성을 제거함으로써 장벽이 없는 병렬 접근성을 제공하고, 데이터 중심 경제에서 요구되는 추가 속도를 제공한다. 표 2에 사용 중인 통신 기술의 주요 특성을 비교했다.

Ethernet-APL은 이더넷 통신의 최상의 고도화된 특성과 2-Wire 설치 기술을 결합하여 기술을 제공한다. 따라서 Ethernet-APL은 석유화학공장을 예로 들면 위험 영역, 즉(Zero 0, division에서 1)까지의 영역이 존재하는 프로세스 플랜트부터 개별 및 프로세스 자동화 기술을 채택하는 식음료 회사 등, 하이브리드 플랜트에 이르기까지 현장 애플리케이션의 표준으로 쉽게 배포가 가능하다.

Ethernet-APL은 현재와 다가올 미래의 물리적 계층이기 때문에 기능안전 및 보안 애플리케이션에 대한 개념은 최종 사용자의 요구를 반영하는 것으로 기획을 하고 있다. 새로운 개발은 물리적 계층과 무관하게 적용되어 기술의 장기적인 안정성을 제공하고, 설비투자를 보호할 수 있도록 개발이 순조롭게 진행되고 있다.

10. 디바이스의 개발과 구현(실장)

필드 디바이스에는 자가진단 기능 등 많은 양의 스마트 데이터를 보유하고 있는 경우가 있다. Ethernet-APL은 프로세스 제어와 병행하여 이 데이터에 액세스할 최적의 수단을 제공한다. 본 테크놀로지에서는, 계장에 개별의 액세스가 가능하다.

스마트 계장의 포텐셜(Potential)을 산업용 사물인터넷(IIoT) 애플리케이션과 조합할 수 있는 것이다. 이에 따라 제품 매니저는 추가적인 서비스, 비즈니스 모델, 유니크한 판매 전략을 구축하여 필드 디바이스 서플라이어로서 차별화를 꾀할 수 있다. Ethernet-APL은 종래의 테크놀로지보다 현격히 낮은 비용으로 유익한 데이터의 액세스가 가능하다. Ethernet-APL에서는 통상적으로 필요한 프로토콜 컨버터나 추가 시스템 컴포넌트 등 올드한 솔루션은 필요하지가 않다. 현장 장치 실장에 있어서 Ethernet-APL이 고려되는 경우는 시장 볼륨의 크기에 따라 크게 강화되고 있다.

• Ethernet-APL은 프로세스 오토메이션의 요건을 충족한다.(예 : 해저드 구역, 장거리 케이블, 심플한 유지보수 등)
• 단일 네트워크 기술을 이용할 수 있게 됨으로써 디바이스 제조업자와 플랜트 매니저 양자에게 스마트 계장으로부터의 데이터 액세스에 기초한
새로운 비즈니스 기회를 제공한다.
• 프로세스 오토메이션의 주요 기업과 각 SDO가 APL 프로젝트에 관여하며, 워킹그룹에서 협력하고 있다. APL의 테크놀로지는 널리 시장에 받아들여질
것으로 기대된다.
• 시장에서의 기술적 리더십을 획득하기 위하여 Ethernet-APL을 가까운 장래에 반드시 제품 포트폴리오로 고려해야 한다.

스마트 계기에 Ethernet-APL 실장에 필요한 사항은 한정되어 있으며, PHY와 프로토콜 스택만을 고려해야 한다. Ethernet-APL의 디바이스 실장에 있어서 무엇을 고려할 필요가 있을까? 답은 간단하다.

• Ethernet-APL은 이더넷 물리계층을 확장한다.
해당하는 10BASE-T1L PHY를 필드 디바이스 하드웨어에 실장함으로써 필요한 접속이 확보된다. 정평이 나있는 칩 제조업체에서 표준 PHY 칩을
얻을 수 있다
• ISO OSI 모델에 따라 각각의 층이 독립되어 있기 때문에 이더넷 프로토콜 구현(실장)에 제약은 전혀 없다. 따라서 3-7층의 구현을 Ethernet-APL에 대해 맞출 필요는 없다. 특히 팩토리 오토메이션에서 예전부터 사용되어 온 애플리케이션 계층 프로토콜은 기존의 사양, 가이드라인, 인증에 따라 간단히 구현할 수 있다
•  Ethernet-APL 물리계층 확장 사양의 일부로서 해당 시험 사양 및 인증을 적용할 수도 있다. 이를 통해 실장이 규격을 준수하고 있음을 보증한다.

11. 운 용

프로세스 오토메이션에서 플랜트의 효율성은 더욱더 중요한 토픽이 되고 있다. 그러므로 프로세스 플랜트에서는 신뢰성 높은 운영의 실현, 유지보수(Maintenance) 시기에 대한 정보 제공, 간단한 고장 진단 및 다른 디바이스 제조업자의 디바이스와의 호환성을 확보해야 한다. 설치 기반으로부터의 계속적인 데이터 수집 및 해석이 관건이다.

Ethernet-APL은 고효율 프로세스 플랜트에 필요한
다음과 같은 요건을 모두 지원하고 있다.

• 신뢰성 : 실적이 있는 이더넷 규격을 베이스로 하여 신뢰성 높은 플랜트의 오퍼레이션이 보증된다. 이더넷은 지난 수십 년간 IT 업계의 표준으로 수년 동안 팩토리 오토메이션 및 하이브리드 오토메이션에서 성공 실적을 거두어왔다.
• 고가용성 : 이더넷 프로토콜 기능은 가용성 개념(예 : 컨트롤러 장애에 대한 시스템 이중화 또는 케이블 파손에 대한 미디어 이중화)으로 프로세스의 고가용성을 보장한다.
• 예측 유지보수 : 스마트 필드 장치에는 예측 유지보수를 위한 데이터가 내부에 있다. 이더넷 기술을 사용하면 데이터에 액세스할 수 있도록 하고, 장치
상태를 중앙에서 모니터링하는 데 사용할 수 있다.
• 진단 : 이더넷 기술의 경우, 손쉬운 네트워크 진단 도구를 사용하여 장애의 근본 원인 및 처방법을 쉽게 파악할 수 있다.
• 상호운용성 : Ethernet-APL의 경우, 다양한 장치 공급업체의 구성요소 상호운용성을 보장하기 위해 시험 규격과 인증을 이용할 수 있을 것이며, 기기
교환도 지원할 것이다.

이를 요약하면, Ethernet-APL은 자동화 피라미드 내부 및 전체 기술 일관성에 의해 이러한 새로운 데이터 패러다임을 지원한다. 프로세스 플랜트 분야의 이더넷 기술을 통해 운영기술(OT)이 정보기술(IT)과 통합되고, 단일 네트워크 기술의 비전이 달성된다. 현장의 데이터에 대한 액세스는 프로세스 공장의 비즈니스 요구에 따라 새로운 디지털 서비스가 가능하다. 이더넷 기술을 통해 실시간으로 이 정보에 액세스할 수 있다. 산업용 사물인터넷(IIoT) 애플리케이션의 프레임워크 내 데이터 추가 처리에 제한이 없으며, NAMUR Open Architecture(NOA)에서 요구하는 것들이다. 대시보드 또는 프로세스 값의 추세 모니터링은 특정 프로세스의 최적화를 지원한다.

odva@odva.or.kr