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특별기고 <디지털화를 위한 방폭 IP 통신>위험장소 내 산업용 이더넷

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작성자 최고관리자 댓글 0건 조회 27회 작성일 20-10-14 12:54

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산업용 이더넷의 데이터 통신 속도와 대역폭이 늘어나면서 인더스트리 4.0(4차산업)으로 향하는 길이 구체화되고 있다. 공정자동화의 디지털화, 특히 위험장소 내의 디지털화를 이룩하기 위해서는 반드시 극복해야 하는 몇 가지 문제점이 있다. 이와 관련하여 알스탈 사(R. STAHL)는 훗날을 위한 이더넷 기반 공정 자동화에 사용할 고성능 디지털 인프라를 구축하는 과정에 플랜트 운영자들에게 큰 도움을 주는 다양한 솔루션을 제공하고 있다.


PROFIBUS DP나 Foundation Fieldbus H1과 같은 필드버스는 이제 위험장소에서까지 흔하게 볼 수 있게 되었다. 인더스트리 4.0의 맥락에서 프로세스 공업은 이더넷 네트워킹을 바탕으로 기술력 부문에서 한 걸음 큰 도약을 하기 직전의 상태에 놓여 있다. 필드컴 그룹(FieldComm Group, FCG), ODVA, 프로피버스 인터내셔널(PROFIBUS International, PI)과 같은 다양한 필드버스 기업들이 HA RT/IP, FF HSE, EtherNet/IP, PROFINET 등의 형태로 산업용 이더넷에 적합한 프로토콜을 개발하였다.

이들 시스템의 특징은 높은 대역폭을 바탕으로 결정론적 데이터의 무충돌 통신(Collision free deterministic data communication)이 가능하다는 것이다. 프로세스 공업 부문에 사용되는 산업용 이더넷 솔루션은 실시간 통신 능력과 함께 훨씬 더 신뢰성 높은 구성요소라는 조건을 충족해야 한다. 케이블, 플러그 커넥터, 스위치, 광전변환기 등은 IP 보호 능력이 매우 뛰어나야 하며, 작동 온도 범위도 기존의 것들보다 훨씬 더 넓어야 한다.

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위험장소용 이더넷

산업용 이더넷을 석유, 가스, 화학, 석유화학, 약학 산업계 내의 모든 위험장소에서 사용하기 위해서는 우수한 보호 기능을 갖추고 있으며, 안전하고 비용 효율적인 방식으로 적용할 수 있는 적절한 보호 개념이 필수적이다. 알스탈 사는 방폭(폭발 보호) 분야에서 다양하고 풍부한  선도 기술을 축적한 기업으로, 다양한 형태의 방폭 기능이 적용된 여러 종류의 데이터 통신 솔루션을 제공하고 있으며, 데이터 전송 시각화, 운영 및 과정과 관련된 적절한 시스템을 개발하였다. 대표적인 예는 IS1+ 원격 I/O 시스템으로, 폭발위험장소 1종과 2종 장소에 설치하여 사용하도록 설계되었다.

이 시스템은 PROFINET, EtherNet/IP, Modbus TCP 등을 기반으로 네트워크 필드 장치와 함께 사용하여 광섬유나 CAT 규격 구리선을 이용해 위험장소 내 다양한 형태의 분산형 제어 시스템을 구축하는 데에 쓰인다. 기존의 필드 장치는 최대 16채널을 지원하는 본질안전 방폭형 I/O 모듈이나 본질안전 방폭 조건이 적용되지 않은 I/O 모듈, 혹은 공기압 인터페이스식 I/O 모듈을 이용해 0종, 1종, 2종 장소에 연결하였다. 알스탈 HMI 시스템즈에서는 1종 혹은 21종 그리고 2종 혹은 22종 장소의 플랜트 운영 및 공정 시각화에 사용할 수 있도록 강력한 프로세서 기술과 HD 그래픽스 칩, 적용 범위 내 IoT에 최적화된 펌웨어 등을 적용해 기존보다 간소화된 능률적 운영 스테이션을 소개했다. 신 클라이언트(Thin Client)는 “안전증 방폭” 보호 이더넷을 통해, 혹은 본질안전 방폭 보호 광섬유를 이용해 네트워크에 연결된다. 더 빠른 IP 네트워크를 구축했다면 현존 인프라에 통합하는 과정이 편리하고 간단해지며, Soft-SPS나 SCA DA와 같은 까다로운 어플리케이션도 위험장소에서 사용하는 것이 가능해진다.

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본질안전의 대안

“본질안전 방폭”(Ex i)은 전송 기술 분야에서 발화 위험성을 완전히 없애기 위해 흔히 사용되는 방법이다. 이 형태의 보호를 적용하면 전류량과 전압이 제한되어 전기에너지가 발화를 일으킬 수 없는 수준에 머무른다. 그러나 위험장소 내 산업용 이더넷에 사용할 때에는 이러한 본질안전 보호가 적용된 구성요소나 연결 및 접속 요소가 항상 가장 비용 대비 효과가 좋거나 실용적인 해결책이 되지 못한다. 100m 이내의 짧은 거리에 사용할 경우에는 구리 도선이 “안전증 방폭”(Ex e) 보호 요건을 충족하여 1종 장소에 설치할 수 있다. Ex e 설치 시에는 손상을 방지하여 잠재적 발화원을 없애기 위해 각종 케이블과 전선관을 설치할 때 상당한 주의를 기울여야 한다.

이전까지는 현존 방폭 설비를 네트워크에 연결하는 것이 대단히 까다로운 작업이었다. 흔히 쓰이는 RJ45 커넥터가 1종 장소에 사용하기에는 적절치 못했기 때문이다. 이더넷 케이블은 특수한 형태의 케이블 인입구를 사용하여 Ex d 하우징 내부를 통하는 방식으로 설치할 수 있었다. 그러나 상당한 노력과 주의를 기울여야 했기 때문에 현장에서 이를 실제로 적용하기는 까다로웠고, 이를 수정하거나 정비하는 작업은 사실상 불가능했다. 알 스탈 사는 이를 대체할 수 있는 실용적 방편으로 1종 구역에 설치할 수 있는 Ex e 터미널을 개발했다. 최대 8개 도선으로 구성되어 최대 1Gbit/s의 전송 속도를 지원하는 이더넷 케이블에 적합한 터미널이다. 스프링 클램프형 터미널을 Ex e 연결 챔버에 설치하여 정비 시 접근성을 크게 개선하였다.

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FO : 장거리 고속 통신

구리 케이블과 달리 광섬유(Fibre Optic, FO)는 광범위한 통신 네트워크를 수립할 수 있는 기반이 된다. 예를 들어 이더넷을 통해 광범위한 산업 체계 내에 각기 떨어져 존재하는 위험장소를 연결하는 네트워크에 쓰이는 식이다. 광섬유를 이용해 센서와 구동기, 원격 I/O 시스템, 제어 및 모니터링 카메라, 또는 운영 터미널 등 사이의 데이터 교환이 장거리에 걸쳐 빠른 속도로 이루어질 수 있게 되었다. 나아가 무간섭 FO 케이블을 이용해 연결하면 전자기적 간섭을 방지하기 위해 접지나 차폐를 할 필요성도 사라진다는 장점이 있다.

그러나 FO를 위험장소에서 사용하려면 광발산(Optical Radiation)에 의한 발화를 막기 위한 특별한 보호 수단을 적용해야 한다. 광발산 특성을 이용해 작동하는 장치 및 전송 시스템에 적용되는 방폭 특성에 관한 현용 표준 IEC 60079-28은 다음과 같은 네 가지 위험성을 특별히 정하였다. 각각 열/광화학적 발화 위험, 직접 레이저 유도 방전 위험, 입자 가열로 인해 표면 온도가 발화점까지 상승할 위험이다. 여기에 대응하는 3가지 발화 보호 기준 또한 확립된 상태이다.


광섬유의 방폭 개념

광섬유 또한 본질안전 방폭과 마찬가지로 본질안전 광발산(Inherently safe optical radiation, Ex op is)으로 보호할 수 있다. 그러기 위해서는 광선으로 전달되는 에너지가 폭발을 야기하지 않는 수준으로 제한되어야 한다. 예를 들어, 1종 장소의 최대 허용 광출력과 폭발등급 IIB 허용 광출력은 온도 분류(Temperature Class) T4 기준 35mW로 제한되는 식이다. 본질안전 보호 광섬유는 플랜트 운영을 중단시키지 않고도 위험장소에서 연결하거나 분리할 수 있어 설치, 수정, 정비 작업을 단순하게 해주며, 비용도 절감할 수 있게 해준다. 알스탈은 1990년대에 앞서 자사 원격 I/O 시스템에 사용할 최초의 본질안전 광발산 아이솔레이터를 소개한 바 있다. 현재 세대의 제품은 광섬유 절단 등의 상황에 이를 파악하고 알리는 등, 편리한 진단 및 알림 기능이 추가된 광 링을 설치할 수 있다.

알스탈은 이러한 케이블을 사용할 수 있도록 본질안전 광발산 보호 처리가 된 FO 포트가 4개 탑재된 광전변환기 및 스위치 제품군도 함께 내놓고 있다. PROFI NET 표준을 따르는 이들 분배기는 매체 중복 프로토콜(Media Redundancy Protocol, MRP)을 기반으로 하는 링 기능도 탑재하고 있다. 알스탈은 보호 광발산(Ex op pr) 형태의 보호 사양을 적용한 FO 분배기용 스플라이싱 (접속) 박스를 설계하였다. 이들 박스는 1종 장소에서 사용하도록 만들어진 것이다. 스플라이싱을 통해 표준을 준수하는 형태로 단선 사고로부터 분배기를 보호하며, 외함으로 인한 간섭 영향도 방지할 수 있다. 세 번째 발화 보호 형태는 Ex op sh로, IEC 61508 및 IE 61511에 따른 기능 안전과 유사한 형태의 발화원 통제법을 기반으로 하여 오류가 발생하였을 때 광발산을 즉각 중지시키는 방식으로 작동한다.


위험장소 내 무선 네트워크 구축

무선 시스템의 주된 장점은 바로 유연성이다. 이들 시스템은 임시 설치, 현용 시스템의 개량/보강, 모바일 장치와의 데이터 교환 등의 분야에서 그 역할을 충실히 수행한다. 와이파이 액세스 포인트, 모바일 네트워크 구성요소, RFID 판독기와 같은 무선 기능이 갖춰진 설비는 전기 발화 위험성을 안고 있다. 따라서, 위험장소 내에 설치된 장치와 (무선) 인터페이스 간에 무선 송수신을 실시하기 위해서는 적절한 발화 보호 조치를 취하여야 한다. 일반적으로 와이파이 네트워크는 수많은 기업의 관리행정 및 물류 부서에서 사용되고 있다.

그러나 WLAN 네트워크의 장점은 주로 중앙집중형 관리체제를 통해 회사 전체에 걸쳐 네트워크를 관리할 때에 드러난다. 결과적으로 수많은 사용자들이 와이파이 네트워크를 확장할 때에는 현재 생산 영역 내에서 동일한 장치를 사용하려는 경향을 매우 강하게 보인다. 그러나 일반적으로 이렇게 사용되는 장치들은 위험장소 사용 인가가 되지 않은 것들이다. 그렇기 때문에 알스탈 사가 다양한 외함 시스템 및 구성요소를 바탕으로 응용 솔루션을 제공하고 있는 것이다. 이들 솔루션을 활용함으로서 기존에 사용되던 와이파이 액세스 포인트와 다른 네트워크 구성요소를 빠르게 위험장소용으로 탈바꿈시킬 수 있다.


본질안전 안테나 연결

무선 장치뿐만 아니라 연결된 안테나도 잠재적 발화 위험으로부터 보호하여야 한다. 안테나 방사 무선 출력(E IRP)의 허용 한계값은 IEC 60079-0으로 지정되어 있으며, 주변의 가스나 증기가 속한 폭발등급에 따라 2W에서 6W 사이로 정해져 있다. 이때 안테나 게인도 반드시 고려하여야 한다. 더하여 이들 표준에 따르기 위해서는 오작동 시에도 폭발이 발생하지 않도록 1종 장소에 설치된 장치의 잠재적 오류 가능성 또한 고려하여야 한다. 원칙적으로 1종 장소에 와이파이 네트워크를 구축할 때에 안테나를 와이파이 액세스 포인트와 함께 방폭 외함 내에 설치하는 것도 가능하나, 이 경우 무선 네트워크의 성능이 떨어지고 신호 발신 각도가 제한된다는 악영향이 발생한다.
그 대신 주로 Ex e 등급 보호가 적용된 외장형 방폭 안테나를 사용할 수도 있다. 그러나 지금 활용 가능한 포트폴리오는 전방위 수발신이 가능한 몇몇 모델로만 제한되어 있는 관계로 설계, 설치 및 정비 시 적용 가능한 선택지가 다소 제한된다. 알스탈은 이를 효과적으로 대체하기 위해 9730 시리즈를 기반으로 HF 아이솔레이터를 소개했다. 무선 신호를 본질안전 신호로 바꿔주는 솔루션이다. 이 솔루션을 이용해 무선 시스템에 어떤 형태의 산업용 안테나든 연결하여 쓸 수 있다. 또한 이 솔루션을 통해 무선 기능이 있는 장치와 안테나 사이를 유연성이 떨어지는 고정형 배선 대신 유연한 플러그 접속식 케이블로 연결할 수 있게 되었고, 시스템의 취급 및 운영이 더욱 쉬워진다는 장점도 갖추었다.

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간략하게

알스탈과 같은 방폭 전문 기업들은 케이블, FO, 와이파이 등을 이용한 방폭 이더넷 통신 네트워크를 구축할 수 있는 매우 다양한 제품과 솔루션을 제공하고 있다. 이를 바탕으로 프로세스 공업 부문에서 필수적인 시스템 구성요소를 최대 1종 장소까지 적용할 수 있는 고성능 디지털 인프라를 구축 및 확장하는 데에도 사용할 수 있다. 이를 바탕으로 훗날 인더스트리 4.0과 산업용 IoT의 요구조건을 충족하는 자동화 공정을 구축할 수 있다.


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