계장기술(PROCON)

특별기고 (연재)급부상하는 태풍의 눈 ‘APL’ <1회>

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작성자 최고관리자 댓글 0건 조회 46회 작성일 20-07-15 16:00

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아직 큰 변화는 오지 않았고, 이제 시작일 뿐이다. APL(Process 계장안전/고급물리계층)은 세계 Process 계장 분야의 틀을 완전히 바꾸어 놓을 것이다. Process 계장 분야에 APL이 바짝 다가오고 있다.
본고에서는 1940/1960년대 이후 60~80년 만에 바뀌는 세계 Process 계장 산업 표준과 2022년부터 활짝 열리는 거대한 세계 Process 계장 시장의 면모와, 급부상하는 태풍의 눈 ‘APL’을 3회에 걸쳐 소개한다.


1. 세계 Process 계장 산업 분야의 약사와 국내외 시장의 크기

좀 독특한 산업 분야를 꼽는다면, Process 계장 분야가 아닐까 싶다. 우선 Process 계장 분야의 국내외 역사를 단편적으로 살펴보기로 하자.

Process 계장 분야라는 용어는 필자가 편의상 쓴 것임을 밝혀둔다. 원래는 국제적 단어가 Process인데, 계장(Instrumentation)을 추가한 것이다. 그 이유는 우리나라는 산업의 초창기 일본에서 기술이 도입되었기 때문이다. 즉, 계장은 일본의 산업 용어이다. 추측이긴 하나, 계장(Instrumentation)은 악기 또는 오케스트라의 뜻도 담겨있다. 한문으로는 계장(計裝)이다. 자의적으로 해설하면 계(計)는 계량을 의미하고, 장(裝)은 힘센 장사(壯士)가 멋진 의상(衣裳)이나 의관(衣冠)을 입고 있는 한문 형태의 글자 두 개가 상하로 합성된 장(裝)이라고 본다면, 프로세스 현장의 다양한 탱크(Tank), 타워(Tower) 베셀(Vessel) 등의 프로세스를 힘차게 돌리는 계장 신호는 막강한 물리량이다. 장사 정도의 힘으로는 작은 밸브 하나도 못 돌린다. 계측 제어 분야는 자동제어 이론을 토대로 실천하는 독특한 산업 분야이며, 한국에 본격 상륙한 것은 5·16 이후 박정희 대통령이 제1차 경제개발 개혁을 시작한 1970년대 초부터, 중화학공업 육성 정책에 따라 충주비료, 울산석유화학공단, 온산국가산업(비철금속)단지 등을 유치한 것이 효시가 되었다. 
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예를 들면, 장치산업을 구성하는 석유/석유화학/케미컬/파인케미컬/전력/상하수도처리/환경/제철/비철금속 /식/약품/반도체/LCD 분야에 이르기까지 광범위한 산업 분야에서 플랜트가 보유하고 있는 각종 물리량, 즉 온도(Temp)/압력(Press)/유량(flow)/레벨(Level)/중량(Weighing) 등의 측정에 자동제어 이론이 작용하며, 외란에 대한 제어 기능상 P(비례/Proportional) I(적분/Integral), D(미분/Derivative) 복합 또는 단위 동작이 작용하는 독특한 기술 분야에서, IEC가 1940년대에 규격화된 공기압신호(0.2~1.0kg/cm2, 3~15psi), 1960년 제정한 전기신호(4-20mA)가 2020년 현재까지도 국내 장치산업이 있는 플랜트에 온도(Temp)/압력(Press)/ 유량(Flow)/레벨(Level)/중량(Weighing) 등의 아날로그 트랜스미터나 컨트롤 밸브가 현장에 그대로 사용되고 있고, 수년간 조사 결과에 따르면, 현재 배치(Bach) Process가 돌아가는 공장의 Feedback Loop 숫자는 작은 화학공장에서부터 대규모 석유화학공장에 이르기까지 약 300만개의 Feedback Loop(폐회로)가 국내에 산재한 것으로 집계되었다. 가령 제어기(Controller), 전송기(Transmitter), 컨트롤 밸브(Control Valve)로 구성되는 피드백 회로를 들여다 보자. 제어기(Controller)로 중형 PLC 1EA, 전송기(Transmitter)는 전자식 전송기 1EA, 컨트롤 밸브(Control Valve)는 SUS 316 재질의 4인치 구경 Glove 밸브를 1EA 등, 3요소로 1개의 피드백 루프를 구성했다고 가정했을 때, 국내 공장의 Feedback Loop를 300만 회로로 추산하고(10년간 조사 결과), 여기에 CVVSB 2sq 2C 신호 케이블을 압력, 유량, 레벨 등은 2선을 연결하고, 온도는 3선식~4선식을 연결하여 덕트, 콘듀잇(Conduit) 배관 등이 포함된 계장공사를 추가한 비용 계산의 합계는 대략 1조원 정도가 산출되며, 이것을 국내 Process 계장 시장의 크기로 보는 근거다.

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APL을 공동개발 추진키로 한 오디브이에이(ODVA), 필드컴그룹(FeildComm Group), 피아이인터내셔널(PI International) 3대 기관이 2022년 말 전 세계에 APL 개발 완료 소식을 발표하는 순간, 한국을 비롯한 전 세계 Process 계장 시장은 이 뉴스로 디지털 전환(Digital trans formation)의 대약진이 시작될 것이며, Process 계장 시장은 요동칠 것이다. 또 Process 계장 시장은 긴 아날로그(Analog)의 터널에서 깨어나 4차 산업혁명과 스마트공장(Smart Factory)에 본격 진입하게 된 것을 관계자들이 모두 환영하게 될 것이며, 5G~6G나 Edge computing, AI 기술들이 대거 채택될 것이다. Process 계장 분야는 보수적인 과거의 기술에서 탈피하여 일대 변혁을 추진하게 될 것이다. 특히, DCS의 모습에 많은 변화가 예상된다. 지난 3월 5일, 미국 플로리다주 팜 하버에서 20차 ODVA 연례 회의 시 세계 50개 이상의 회사에서 온 120여 명의 이 분야 기술 전문가들과 함께 연례 회의가 열렸고, 이 회의의 하이라이트인 Amazon Web Services의 기조연설에서 “5G 및 WiFi 6를 공장 현장에서 전송할 수 있나요?”라는 제목의 패널 토론과 “Edge and Beyond의 산업 자동화 제품 생태계에 대한 디지털 혁신의 영향”이라는 타이틀로 시작된 ODVA 리더십 연차 총회에서 P PT로 발표된 자료 중 2022년 전 세계가 APL을 국제표준으로 사용할 경우 전 세계 Process 계장 분야에 미치는 파장과 시장의 크기는 미화 약 1,000억 달러 정도라고 표기되어 있었다. 그렇다면, 필자가 위에서 언급한 원화 1조원이란 수치는 1,000억 달러의 세계시장에서 바라본 한국 시장의 크기일 것이다. 단, APL이 개발되어도 기존의 설비 자재 중 필드버스 Cable은 그대로 사용하도록 개발팀은 배려하였다. 

1976년 박정희 대통령이 중화학공업을 밀어붙일 때, 울산석유화학공단 계장 분야에서 일한 경험으로 미루어 Analog 온도/압력/유량/레벨 전송기(Transmitter)는 아직까지도 상당 부분 국내 현장에 남아 있고, CV(Control Valve)는 전/공 변환기가 포지셔너(Positioner)에 붙어 있거나, 변환기만 별도 설치되어 공기식 아날로그 신호(0.2~1.0kg/Cm2, 3~15psi)가 아직 사용되고 있는 곳이 많다. 아날로그 센서들을 만드는 벤더들이 향후 디지털 센서 내지 인터넷 센서를 개발하는 날 완벽한 디지털 전환(Digital transformation)이 될 것이지만, 당분간은 더 기다려야 될 사항이다. 국내 Process 계장 도입 약사와 A PL의 국내외 시장의 크기를 잠시 분석해 보았다.
      

2. 산업용 이더넷 네트워크인 필드버스의 태동 약사

1) 국내에서 필드버스 용어가 출현된 시기 및 사용하기 시작한 시기
필드버스라는 용어가 국내에서 본격적으로 사용된 것은 노무현 정부의 필드버스 포럼(산업자원부의 포럼 모집 사업 중)에 사용된 것이 최초다(2004년부터 2006년까지 활동). 국제적으로는 2003년도 4월 IEC TC65 SC65C 전문위원회에서 국제표준으로 IEC 61158 규격을 처음 제안(First edition)하면서 표준명(영문 이름) “Digital data communications for measurement and control-Fieldbus for use in industrial control systems”, 즉 “계측 제어 - 디지털 데이터 통신 - 산업(공업) 제어 시스템을 위한 (필드버스)”라는 공식 문서에서 필드버스 용어가 유래되었다. “필드(Field)라는 영어사전에 “들(판)”이라고 되어 있고, 보통 공장의 의미로 사용된다. 버스(Bus)는 사람의 운반 수단인데, 정보통신 용어인 데이터 버스(Data bus)와 뜻이 같다고 보면 된다. 두 단어가 합성된 복합어를 공업용어로 사용한 것이 “필드+버스 = Fieldbus”이다. 이 용어의 공식적인 국내 사용은 IEC가 2003년 이후 IEC T C65 SC65C 전문위원회에서 IEC 61158 표준을 제안하면서 시작되었으며, 지금은 산업용 이더넷을 포함한 필드버스의 종류가 20여 종이 있다. 필드버스가 나오기 전 Process 계장 분야 최초의 국제표준은 다음 표와 같다.

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2) 국제적으로 필드버스가 탄생한 시기
1980년대에 스마트 센서(Smart Sensor)가 먼저 나왔고, 스마트 개념이 미국 하니웰의 필드 계기에 도입되어 컴퓨터와 인터페이스가 가능한 핸드헬드(Hand-Held) 조작기로써 계기의 제로 스팬의 교정(Calibration)기가 나왔다. 피셔로즈마운트에서 1986년에 개발한 하트 프로토콜(Hart-Protocol) 방식이 Process 계장 분야에서 최초의 프로토콜을 사용 표준이 되었고, 1983~1990년 필드버스의 발전 추이를 도표로 보면 다음과 같다.

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3) 개방형 프로토콜 표준기구 및 국제무역기구인 ODVA와 FF(파운데이션필드버스)협회가 1994년에 미국에서 탄생
먼저 1994년 3월 CAN 칩을 기반으로 한 디바이스넷(Device Net)을, 현 로크웰 오토메이션(Rockwell Auto mation)의 자회사 알렌브래들리(Allen-Braddley)가 설립되었다. 디바이스넷(DeviceNet)을 기반으로 1995년에 미국에서 ODVA(Open DeviceNet Vendor Association)가 탄생하였다. 1995년 4월, 미국의 Allen-Braddley는 디바이스넷의 모든 기술과 권리를 현 ODVA Inc.[사단법인 개방 디바이스넷 제조업체 협회(Open DeviceNet Vendor Associ ation)]로 전격 이전하였다. 이어 미국의 계측학회-ISA가 필드버스 파운데이션(Fieldbus Foundation) 협회를 만들었다. 미국의 로크웰 오토메이션은 필드버스 H1 및 H2의 백본(Backbone)으로 사용하는 컨트롤넷(ControlNet) 규격을 제안했고, 2000년 7월 ODVA의 ControlNet 통신망이 IEC61158-3/4/5/6 규격으로 확정이 됨과 동시에 디바이스넷 규격인 IEC 62026-3 (DeviceNet) 역시 IEC 국제규격이 되었다. 아울러 2000년 7월 아지(AS-i), 에스디에스(SDS)가 IEC 규격으로 확정되었고, 미국의 MIL 표준(MIL STD 1553), IEC/ISA 버스, CNC용으로 독일에서 처음 개발한 서코스(Sercos) 규격도 이때 발표되었다.

4) 필드버스의 종류(IEC 61158)

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2003년 4월 처음 IEC TC65 SC 65C에서 IEC 61158 표준으로 제시한 것은 다음과 같다.

5) 필드버스의 파트(Part)별 분류 체계 5종
또 TC/184/SC5에서 2002년 4월 제시한 표준은 ISO 15745 표준(Industrial automation systems and integra tion-Open systems application integration frameworks)으로, 이는 산업 자동화 시스템 및 통합-개방형 시스템 응용 통합 프레임워크이며, 여기서 표준을 Part별로 다음과 같이 나누어 발표했다.

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6) 기타 SEMI, Sensor&Actuator 규격으로 분류된 필드버스
•반도체 통신 표준 : SEMI(Semiconductor Equip ment and Materials International) 표준
•센서&액추에이터(Sensor/actuator network stand ards) 통신 표준 : DeviceNet, SDS(Smart Distri buted System), LonWorks, Seriplex, Profibus-DP, Modbus/TCP 및 TCP/IP, CC-Link, Erhernet/IP, Interbus 등
7) 산업용 이더넷(Industrial Ethernet) 표준 규격 제정
IEC TC65 SC65C 위원회에서 2004년부터 산업용 이더넷(Industrial Ethernet) 표준 규격 제정을 위한 프로젝트가 2004년에서 2010년까지 다음의 도표 내의 Pro tocol로 진행되었다.

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8) IEC 61784-1의 막대한 표준 분량(약 1만 페이지)의 다이어트화 = IEC 61158 안내판(260 페이지)으로 축약 출판
61158 표준은 사실상 그 기술의 디테일 기본 사항을 설명하는 부록이 있는데, 이것의 분량은 실로 엄청나므로 이를 최소화(다이어트화)할 목적으로 IEC TC65 SC 65C 전문위원회에서 이 규격의 간편화율을 높이기 위해 61158 표준 대신 엄청난 축약판인 61784-1(Profile set for continuous and discrete manufacturing relative to fieldbus use in industrial control system)을 IEC 61158의 안내판으로 출판하기 위해, 1만여 페이지의 규격을 단, 260 페이지 분량으로 압축하여 책 한 권으로 만들었다.


9) 산업용 이더넷(필드버스)의 KS 규격 승인(국가기술표준원 www.kats.go.kr)
 최근 국내에서 필드버스 KS화에 성공한, 표준 규격은 다음 6종이다.

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10) 산업용 이더넷(필드버스) KS 규격(승인 문건)

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