지금까지 프로세스 산업의 디지털화는 방폭을 고려해야 하는 시스템과
프로세스에서 항상 벽에 부딪혔다. Ethernet-APL을 통해 이러한 영역을
확실하게 디지털화 시대로 이끌 수 있는 기술이 최초로 마련되었다.

기다리는 자에게 복이 온다는 말이 있다. 이는 적어도 프로세스 산업의 이더넷 기술개발에는 맞는 말이다. R. STAHL은 1980년대 말 최초의 원격 I/O 프로젝트를 시작했으며, 2009년경부터 이더넷과 원격 I/O(폭발 위험 영역용 광섬유 케이블)로 폭발 위험 영역에 접근하기 위한 솔루션을 내놓았다. 그러나 이제 Ethernet-APL을 사용하여 최초로 (원격 I/O 없이) 필드 장치까지 그리고 최초로 국제적으로 표준화된 2선식 솔루션으로 액세스가 가능하다.
Ethernet-APL의 발전과 시장 성숙은 12개 제조사와 선도적인 기술 연합인 FCG(Fieldcomm Group), ODVA, OPC Foundation 및 PI(Profibus International) 간의 협력에 의해 가속화되고 있다. R. STAHL은 창립 멤버 중 하나로 특히 방폭과 관련하여 처음부터 프로세스에 참여해왔다. “우리는 기술 규격 작업에서 우리의 경험을 바탕으로 사용자 이점과 실용성에 개발 중점을 두려고 합니다.”라고 R. STAHL의 원격 I/O 및 필드버스 수석 제품 관리자인 앙드레 프리취는 설명한다.

표준 없이는 아무 것도 작동하지 않는다

그럼 이전 솔루션과의 차이점은 무엇일까? Ethernet-APL을 사용하면 필드 수준에서 제어시스템까지 통합 IP 통신과 전체 시스템의 수평, 수직 네트워킹이 가능하다. 이 기술은 IEEE 802.3cg 표준을 기반으로 하며, 10Mbit/s에서 최대 1000m의 거리를 연결할 수 있고, 동시에 필드 장치에 공급을 제공한다. 이는 프로세스 산업의 광범위한 시스템에서 반드시 필요한 특성이다. 또한 필드 장치는 업계에서 선호하는 본질안전 방폭 등급으로 작동할 수 있다.

APL 프로젝트에서는 무엇보다도 폭발 위험 지역에서 사용할 수 있는 본질안전 확장을 개발 중이다. 2-WISE (IEC TS 60079-47:2021 Equipment protection by 2 -wire intrinsically safe ethernet concept)는 필드버스용 Ex i 콘셉트인 FISCO(Fieldbus Intrinsically Safe Concept)를 기반으로 서로 다른 제조사의 이더넷 장치를 계산상의 본질안전 증명 없이도 쉽게 상호 연결할 수 있도록 설계되었다.

더 높은 대역폭과 더 많은 에너지가 필요한 장치의 경우 100BASE-TX-IS에 병렬로 작업한다. “Intrinsically Safe Ethernet Working Group” 실무단은 오늘날 사용 가능한 100BASE-TX Ethernet, 즉 데이터 속도가 최대 100Mbit/s인 4선식을 상호 운용 가능한 Ex i 버전에서 사용할 수 있도록 하는 것을 목표로 정했다.

하지만 규격으로 가는 길은 쉽지 않았다. “이런 콘셉트가 국제표준이 되어야만 작동할 수 있다는 사실은 모든 관계자들에게 분명했습니다.”라고 프리취는 말한다. 이를 위해서는 긴밀하고 집중적인 협업이 필요했다. IEC 레벨에서 R. STAHL은 예컨대 새로운 Ex i 규격인 IEC TS 60069-47, 즉 “2-WISE(Equipment protection by 2-wire intrinsically safe ethernet concept)”에서 활동했다. 또 R. STAHL은 방폭 주제에 대한 관한 콘텐츠를 Eng ineering Guide에도 기고했다. “Zone1에 적합한 Ethernet -APL 필드 스위치나 파워 스위치와 같은 필드 설비 기술을 위한 안전한 제품을 개발하는 것 또한 우리의 과제입니다.”라고 프리취는 덧붙인다.

모두를 위한 혜택

사용자와 운영자, 제어시스템과 필드 장치 제조사, 계획자 등 모두가 Ethernet-APL의 이점을 누릴 수 있다. 이를 통해서 사용자와 운영자는 NOA(NAMUR Open Architecture)나 O-PASTM(Open Process Automation Standard)와 같은 새로운 콘셉트를 도입할 수 있다. 이제 진단 및 자산관리 데이터를 원거리로 실시간 전송할 수 있다.

제어시스템 공급업체의 경우 Ethernet-APL을 사용하면 현대적인 자동화 구조 설계가 훨씬 쉬워진다. 이를 통해 프로세스 제어, 시스템 진단 및 플랜트 자산관리를 위한 고효율의 새로운 콘셉트를 설계할 수 있다. 그리고 장치 제조사는 10Mbit/s의 대역폭으로 다른 고객에게 이점이 되는 추가 기능과 애플리케이션을 구성할 수 있다. 많은 도구와 서비스에서 IEEE 호환 이더넷을 기본 사양으로 제공하고 있다.

결국 통합 이더넷 인프라로 EPC와 시스템 통합자를 위한 계획, 시운전 및 문제 해결도 간단해진다. 변경과 개조는 오늘날 대부분의 이질적인 필드 설비에서보다 훨씬 빠르고 유연하게 수행할 수 있다.

두 가지 핵심 기술

프로세스 산업에서 사용하기 위해 Ethernet-APL은 이더넷 기술에서 알려진 스타 토폴로지와 같은 다양한 토폴로지뿐만 아니라 필드버스 설치에서 일반적으로 사용되는 트렁크 스퍼 기술도 지원한다. 협력 파트너사인 R. STAHL과 Softing은 Zone 0용 본질안전 2-WISE 필드 장치 연결과 함께 Zone 1과 2에서 사용할 수 있는 Ethernet-APL 파워 스위치와 필드 스위치 형태의 제품과 솔루션을 선보일 예정이다.

4선식 필드 스위치는 일반 이더넷을 APL로 변환하기 위해 개발되었다. 2-WISE 콘셉트를 기반으로 하는 이 필드 스위치는 순조롭게 진행 중이며, 2022년 2분기에 성능 및 적합성 테스트를 완료할 예정이다. “우리는 프로피넷이나 방폭 등과 관련해서 첫 번째 장치가 3분기에 인증을 받을 수 있도록 광범위한 상호운용성 테스트를 진행하고 있습니다. 또 최종 사용자는 이미 Zone 1과 2용 Ethernet-APL을 사용한 첫 번째 프로젝트를 내년에 계획하고 있습니다.”라고 프리취는 설명한다.

트렁크 스퍼 기술을 둘러싼 개발은 난관이 더 많다. 트렁크 스퍼 토폴로지를 통해 Ethernet-APL을 설치할 때 파워 스위치는 네트워크에 약 90W를 공급하고, 4선식 이더넷을 2선식 기술로 변환한다. 거기에 트렁크를 통해 전원을 공급받고, 나머지 가용 에너지를 갈바닉 절연 본질안전 방폭 등급으로 필드 장치에 제공하는 필드 스위치가 연결된다. 각 트렁크, 필드 스위치에 파워 스위치 또는 상호 필드 스위치는 최대 1000m 길이가 될 수 있고, 스퍼는 최대 200m일 수 있다. 프리취의 설명대로 문제는 세부 사항에 있다. “파워 스위치는 굉장히 복잡하기 때문에 아직 완성하지 못했습니다. 방폭과는 관련이 적지만 많은 네트워크 관련 기능이 포함되어야 하기 때문입니다. 예를 들면, 프로피넷 진단이나 토폴로지 감지 등이 포함되죠.”

진단은 더 쉬워져야 한다

진단이란 것은 맨 처음에 생각했던 것보다 더 복잡한 형태로 발전하게 되었다. “예전에는 멀티미터로 충분했지만, 이제는 자체 진단 루틴이 필요합니다.”라고 프리취는 말한다. “기존의 4에서 20mA 설비에서는 ‘전부 제대로 작동하느냐,  작동하지 않느냐’라는 최대 두 개의 진단 메시지를 받게 됩니다. Ethernet-APL을 통해 무엇이 잘못되었고 왜 작동하지 않는지 정확히 알 수 있을 뿐만 아니라, 문제 해결을 위한 권장 사항까지 알 수 있습니다.” 개선된 평가 옵션 외에도 원격 진단을 위한 새로운 가능성이 열렸다. 사용자를 위한 큰 혜택이 아닐 수 없다.

미래의 과제

아직 해결해야 할 몇 가지 문제가 있다. 예를 들어 중국과 미국의 경우 지역(국가) 인증기관의 실행과 인증은 방폭에서 약간 다른 접근 방식을 따르고 있다. 프리취가 이전 예시로 지적했듯이 이로 인해 지연이 발생할 수 있다. “광학 본질안전 기술은 시장에 나온 지 20년이 넘었지만, 한국에는 오랫동안 해당 인증을 수행할 수 있는 기관이 없었습니다. 결과적으로 이 기술은 늦게까지 한국에 도입되지 않았죠.” 프리취는 또한 비Ethernet-APL 장치의 통합 시 케이블 길이나 온도 제한과 관련하여 해결되지 않은 문제가 남아 있다고 보고 있다. 여기에서는 비선형 관계를 계산하는 도구가 필요하다.

기술은 다양성을 바탕으로 성장한다. 이더넷 인프라만으로는 디지털 시스템을 구축할 수 없다. 이를 위해서는 무엇보다도 적절한 필드 장치와 적절한 통신 프로토콜이 필요하다. “Ethernet-APL 프로젝트를 통해 최초로 제조업체뿐만 아니라 표준화 기구도 연결시킬 수 있게 되었습니다. 이제 더 많은 제조업체들이 개발에 참여해야 하고, 12개의 제조업체로는 시스템을 구축할 수 없습니다.”라고 프리취는 경고한다.
어쨌든 사용자는 기술을 다루어야 한다. 결국 두 가지 새로운 기술, 말하자면 디지털 통신 프로토콜과 이더넷 기술을 사용하는 방법을 배워야 한다. “예를 들어 Profibus PA로 시작하는 사람은 몇 년 안에 Ethernet-APL로 쉽게 전환할 수 있습니다. 기술은 유연성을 제공합니다. 동일한 네트워크를 사용하기 때문에 모드버스 TCP 애플리케이션도 Ethernet-APL로 전환할 수 있습니다.”라고 프리취는 가능한 방법을 설명한다. 프리취는 스타 토폴로지나 트렁크 스퍼 기술 등 구조를 미리 결정하는 것이 중요하다고 한다.

전 망

Ethernet-APL은 일부 원거리로 전송해야 하는 프로세스 데이터 양의 증가로 인해 미래형 프로세스 자동화에 필수적이다. 초기 기술 접근 방식과의 결정적인 차이점은 이 기술에 동참하고자 하는 기업들이 많아졌다는 것이다. “제조업체와 운영자 모두 실제로 이 문제를 연구하고 있습니다.”라고 프리취는 말한다. “그러나 새로운 기술은 언제나 스냅샷입니다. 새롭고 우수한 솔루션을 개발하려면 연구해야 합니다.”라고 프리취는 사용자와 제조업체를 독려했고, 결론적으로 구형이지만 4~20mA 기술을 대안으로 계속 사용하도록 권장한다.

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