계장기술(PROCON)

업체동정 필드에 이더넷을 제공하는 고급물리계층 〈제1부>

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작성자 최고관리자 댓글 0건 조회 14회 작성일 20-09-11 14:35

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필드에 제공하는 고급물리계층인 Ethernet to the Field 기술은 원격 위험지역(Hazardous Area)에 프로세스 계장 자동화 및 계측을 위한 솔루션에 기술 제공을 약속하는 것이다. 프로세스 산업을 우리가 미래에 도입하려면 속도와 유연성을 중요 가치로 여기는 표준 이더넷과 IP 기술의 도입으로 프로세스 데이터를 전송하기 위한 새로운 네트워크 표준이 필요하다.
본고 1회에서는 모두가 공유하는 APL의 공통 개념을 함께 논하고, 2회에서는 각론으로 SDO별 추진 활동을 소개하고 비교 분석해 보았다.


Ethernet-APL의 탄생 원인과 프로세스 계장 분야 국제 단일 표준의 필요성
프로세스 계장 자동화 및 계측에서 원격지에 있는 위험지역(Hazardous Area)의 필드 장치를 연결하는 데 사용할 수 있는 Ethernet-APL(Advanced Physical Layer)을 실현하기 위한 개발이 2022년까지 국제 단일 표준 완성을 목표로 SDO 주축으로 한창 진행 중에 있다. Ethernet to the Field는 산업 사물인터넷(IIoT) 및 독일의 Industry 4.0 이니셔티브와 같은 새로운 기술개발로 주도되는 프로세스 계장 분야의 비전이다. IIoT 및 Industry 4.0 둘 다 거의 모든 객체의 디지털 실시간 표현을 기반으로 애플리케이션을 가능하게 하는 새로운 패러다임이다. 기존 필드 장치는 일반적으로 데이터 집약적인 응용프로그램의 구현을 방해하는 제한된 필드버스 네트워크 인프라에만 의존해온 것으로, 프로세스 계장 산업을 미래로 가져가려면 속도와 유연성에 뛰어난 특성을 갖는 표준 이더넷 및 IP 기술로 아날로그 계측기기로부터 새로운 통신 시스템으로 이더넷 데이터를 전송할 수 있는 디지털 네트워크 국제 단일 표준이 절실하게 필요하다.

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Ethernet-APL의 개요(고급물리계층 APL의 기능 및 특징)

•모든 프로토콜(Protocol) 또는 응용프로그램(Application Program)을 위한 이더넷을 기반으로 하는 기술이다.
•하나의 차폐 트위스티드 페어 라인(Shielded twisted pair line)에 전력(Power) 및 데이터(Data)가 동시에 동축 케이블 형태의 인터넷 배선으로 전송되는 기술이다.   
 •간단한 검증과 위험지역(Hazardous Area) 보호 방법, 본질안전(Intrinsic Safety) 방폭과 IT 네트워크를 투명하게 연결하는 기술이 포함된다.
•모든 IT 네트워크에 대해 공통성이 담보된 투명한 프로토콜과 투명한 연결이 되도록 추진한다.
•기존의 필드버스 배선을 재사용한다.
•친숙한 트렁크-평면 토폴로지(Trunk-and-spur-topology)를 지원한다.
•언제 어디서나 장치에 액세스가 가능한 기술이어야 한다.
•프로세스 계장의 자동화 및 기타 응용프로그램을 위한 빠르고 효율적인 통신망이어야 한다.

 개발의 타임라인 추적

이 비전의 실현은 최종 사용자 그룹에 영향을 주는 제조 공급업체가 위험지역(Hazardous Area)에서 사용하기 위해 장거리 이더넷의 문제를 해결할 수 있는 프로토콜을 중립적으로 유지, 어떤 프로세스 계장 기술 메이커든 공통 사용이 가능하도록 하는 고급물리계층의 개발을 이해 당사자들이 물밑에서 사실상 2011년부터 시작하였다. 5년여 간에 걸친 정밀 조사 결과는 이 문제에 대한 솔루션의 실현 가능성을 입증하였고, ODVA가 EtherNet /IP 표준에 채택한 변종(Varient)이 아닌 순수 이더넷으로 분류되고 있는 IEEE 802.3 이더넷 표준을 APL의 표준 베이스 기술로, 프로세스 계장 산업 전체의 솔루션 업계에 제안하자 이들로부터 모두 세계적 공감대를 불러일으켰으며, 큰 관심의 대상이 되었다. 2016년 말에 IEE E(Institute of Electrical and Electronics Engineers) 협회는 IEEE P802.3cg 개발 프로젝트를 승인해 주었다. IEEE P802.3cg 개발 프로젝트로 시작된 이더넷을 위한 기존 IEEE 802.3 이더넷 표준의 개선에 중점을 둔 트위스티트 페어 배선(10BASE-T1L)의 등장은 이 표준 개발 기술의 키(key) 역할을 하면서 곧 응용 분야에 도달을 하더니 위험지역(Hazardous Area) 내에서 사용하도록 설계가 완성되었다. 근거리에 거리 제약이 있는 애플리케이션 및 전력 공급에 대한 약점을 보완하여 1000m 이상의 장거리로 길이를 늘였고, IEEE P802.3cg의 더욱더 향상된 표준 초안이 2018년에 내부적으로 완성이 된 것이다. 이 개정안은 2019년 11월 SDO(Standard Development Organization)인 Fieldcomm Group(Hart-IP), ODVA (Ethernet/IP) 및 PI(Profibus & Profinet) International등 3개 국제 기관에서 승인되었다. APL 프로젝트를 위한 여러 메이커들의 병렬된 노력은 위험지역인 Zone 0 및 1/Division 1에서 모든 전형적 보호 방법, 특히 본질안전(Intrinsic Safety) 방폭을 위한 표준을 개발하고, 이더넷 채택을 촉진하기 위해 10BASE-T1L 케이블의 확장성에 중점을 두고 Ethernet-APL을 개발 중에 있다.

프로세스 계장 자동화 및 계측

Ethernet-APL 프로젝트는 주요 프로세스 계장 제조 공급업체가 프로세스 계장 산업을 지원하고 있다. 이 프로젝트는 Fieldcomm Group, ODVA 및 PI 등과 같은 주요 표준 개발 조직인 SDO와 100% 협력한 결과로, 20 22년까지 이 프로젝트의 성공을 향해 질주하고 있다. 이러한 병렬 프로젝트의 주요 측면에는 위험지역에 이더넷 장치의 설치를 위해서 관련 IEC 표준을 수정하려는 노력도 포함된다. IEEE 및 IEC 표준규격 인증과 현장에 설치될 Process 계장 장치의 적합성 테스트(Confor mance)를 완료한 뒤인 2022년까지 공동으로 개발하는 Ethernet-APL을 2022년 이후에는 현장에 반드시 준비해 놓아야 한다.

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디지털화된 세계를 위한 프로세스 계장 솔루션

제조 산업에서 IIoT(Industrial Internet of Things) 및 인더스트리 4.0은 이미 일상적인 작업의 일부이며, 가까운 장래에 이러한 기술은 프로세스 계장 자동화 및 계측 분야에 적용되어야 한다. Process 계장 산업에서 현재 O PAF(Open Process Automation Forum)의 Namur Open Architecture(NOA) 또는 O-PAS(Open Process Automa tion Standards)와 같은 도메인별 개념은 효율적인 건설, 시운전 및 운영을 단순화하려고 모두들 시도하고 있다. 공정 플랜트 무선 솔루션, 단순화된 필드 장치의 통합 및 필드에 대한 이더넷의 광범위한 사용은 이 개념의 필수 구성요소다. Ethernet-APL 프로젝트의 참가자는 기존 계장의 필드 장치 설치에 표준 이더넷의 보편성과 통신속도를 추가할 필요성을 인식한다. 그들의 목표는 개발을 가속화하고 위험지역(Hazardous Area)에 배치할 수 있는 프로세스 계장 자동화 및 계측에 사용하기 위해서 새로운 이더넷 고급물리계층(APL)을 채택하고, 광범위한 연결을 허용하며, 회선을 통해 장치들 간에 전원 공급과 인터넷 접속을 동시에 만족시키는 옵션을 포함시켰다. 이 새로운 이더넷 물리계층(전원+이더넷의 동시 공급)은 필드 장치와 주고받는 정보의 구조와 의미를 정의하는 자동화 프로토콜과 함께 산업 사물인터넷(IIoT)의 핵심 요소가 된다. 아날로그에서 디지털로 전환된 세계를 프로세스 계장 자동화 및 계측으로 확장하기 위한 전제 조건을 제공한다. 프로젝트에 참여하는 주요 SDO는 모든 기술과 표준이 해당 프로토콜(EtherNet/IP, HART-IP 및 PROFINET)과 호환이 되도록 노력을 기울이고 있다. 또한, 각각의 산업용 이더넷 네트워크인 필드버스에 대한 프로토콜 중립성 준수에 기여하는 국제적 프로세스 계장 단일 표준이 1940년 공기압 신호 표준(0.2 ~1.0kg/cm2)의 탄생 이래 프로세스 계장 분야에 80년 만에 디지털 방식인 Ethernet-APL(고급물리계층) 방식으로 대전환을 하게 된다.

기술과 생태계

이더넷 APL은 까다로운 작동 조건 및 공정 플랜트를 위험지역(Hazardous Area) 내에 설치하기 위해 10BASE -T1L 플러스 확장을 선호하는 견고한 2선의 루프 전원+이더넷을 동시에 만족하는 고급물리계층(Advanced Physical Layer)이다. 프로세스 계장 산업이 OT와 IT 시스템의 수렴으로 혜택을 얻을 수 있는 방식으로 현장 장치를 전통적 아날로그 방식에서 이더넷 기반 디지털 시스템에 직접 연결을 할 수 있다. 교환 아키텍처를 사용하면 동일한 네트워크에 연결된 장치 간의 원치 않는 간섭이 근본적으로 배제가 되는 효과가 있다. 현장의 이더넷은 프로세스 계장 자동화 분야에서 이미 확립된 기술과 옵션을 채택하려고 한다. 그림 1에 있는 입증된 트렁크 앤 스퍼토폴로지(trunk and spur topology)가 포함되어 있으며, 각각 최대 500mW의 필드 장치를 최대 50개까지 구동할 수가 있다. 브라운의 필드 설치에서 향후 이더넷 연결로의 마이그레이션을 지원하기 위해 널리 사용되고, 확립이 된 케이블 인프라가 지정이 된다.

위험지역(Hazardous Area) 보호

점화 보호 방법은 전기설비에 일반적 기본 규칙을 따른다. 트렁크 레벨에서는 최대 지정 전력을 위험지역으로 전달하기 위해서 안전성 향상과 같은 기계적 방법이 사용된다. 스퍼(Spur)에서 본질안전(Intrinsic Safety) 기술이 지원된다. 본질적으로 안전한 연결의 유효성 검사는 FISCO와 유사하므로 계산 없이 각 연결에 대해 간단한 유효성 검사 절차를 수행할 수 있다.

하부 인프라 구조

케이블 및 커넥터 외에 Ethernet-APL 인프라는 두 가지 기본 구성요소로 되어 있다. APL 전원 스위치는 모든 표준 이더넷 네트워크와 필드 장치 사이의 연결을 제공하며, APL 필드 스위치와 필드 장치에 전원공급장치를 포함한다. 이들은 일반적으로 스키드(SKID)의 제어실 또는 정션 박스에 있다. 스위치와 전원공급장치는 이중화로 설계할 수가 있다. APL 필드 스위치는 일반적으로 Zone 1 및 2 또는 Division 2인 위험지역(Hazardous Area)에 설치 및 작동하도록 설계되었다. 일반적으로 APL 전원 스위치는 루프 전원을 사용하며, 스퍼(Spur)를 통해 필드 신호에 전원을 공급한다.

계측/액추에이터/장치

APL 인터페이스가 있는 현장 장치를 통해 보다 높은 수준의 시스템에 쉽게 통합할 수 있다. 제조업체는 레벨 및 유량계, 온도 및 압력 트랜스미터, 포지셔너 또는 액체 및 가스 분석 장치를 포함하여 기존 제품 포트폴리오에 APL을 간단히 통합할 수가 있다. APL 기술은 IP 카메라 및 무선 액세스 포인트와 같은 혁신적인 장치의 설치를 위해 위험지역에서 간단한 연결을 제공하여 유지보수 및 문제 해결을 위한 임시적이고 포괄적인 모니터링을 가능하게 한다.

단순한 레거시 구성요소

간단한 무전압 접점, 근접 스위치, 온도센서 또는 간단한 솔레노이드 밸브 및 레거시 계측에는 종종 높은 수준의 제어시스템에 연결을 해야 한다. 일부 구성요소의 경우 이더넷 연결이 필요하지 않거나 경제적으로 합리적이지 않을 수 있다. 이러한 응용프로그램의 경우 원격 I/O 시스템은 미래의 게이트웨이를 제공한다. 연선 이더넷 연결을 갖춘 현장 장치가 표준이 되었다. 본 이더넷 인프라는 이미 설치되어 있으므로 레거시 장치를 기술적으로 쉽게 마이그레이션할 수 있다.

기술 생태계

APL은 현장의 Process 계장 및 계측 장치 공급업체, 자동화 시스템 공급자 및 인프라(기반) 구성요소의 공급업체와 같은 Process 계장 업계 파트너들의 투자 상품으로 보아야 한다. 이들 모두는 프로세스 계장 자동화 분야에서 이더넷에 대해 공통적이고 투명한 단일 물리계층에 대한 공통의 비전과 견해를 오랜 경험 속에 공유하고 있다. 전 세계 모든 지역에서 공인이 된 IEEE 및 IEC 표준을 기반으로 하는 Ethernet-APL 통신을 통해 모두들 포괄적인 시장의 참여가 예상이 된다. Ethernet-APL은 광범위하고 혁신적인 제품개발을 가능하게 하는 기본 기술이다. 엔지니어링 회사에서 플랜트 및 스키드 빌더, 서비스 제공업체 및 데이터 공급업체에서 최종 사용자에 이르기까지 모든 사람이 프로세스 계장 플랜트의 디지털화를 통해 혜택을 누릴 수가 있다. 이더넷 통신을 한 개의 동일 트위스트 페어 배선을 통해 전력선과 결합하여 사실상 동축 케이블화(트위스티드 페어 케이블에 인터넷+파워를 함께 전송)하여 새롭고 다루기 쉬운 고급물리계층은 프로세스 계장 기술을 단순화하고 완전히 새로운 애플리케이션을 가능하게 한 새로운 세대의 장치 및 인프라 구성요소에 방아쇠를 당겼다. 프로세스 계장 자동화 분야에서 그간 여러 발목을 잡은 제한 요소들이 일거에 사라진 셈이다. 즉, 진정한 프로세스 계장 자동화 분야의 완벽한 단일 IEC 국제표준의 탄생을 예고하고 있다. 2022년부터 ODVA 추산 약 1,000억 달러, 즉 원화 120조 원의 시장이며, 지멘스, ABB 등 전 세계 Process 계장 업계가 목마르게 기다리고 있는 2022년의 비전(Vision)이다.

이상으로 APL의 공통 요소 부문을 분석해 보았다.


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