계장기술(PROCON)

특별기고 필드에 이더넷을 제공하는 고급물리계층 〈제2부>

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작성자 최고관리자 댓글 0건 조회 25회 작성일 20-10-14 13:20

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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.


다음은 Fieldcomm Group, ODVA 및 PI 등 주요 표준 개발 조직인 SDO의 APL에 대한 각론은 어떤 것인지 살펴보자.

Fieldcomm Group(Hart-IP)의 경우

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1) 프로세스 산업의 수요

•장거리 케이블이며, 쉽고 강력한 연결이며, 하나의 케이블로 전원 및 데이터를 동시에 전송한다.
•폭발 위험지역 보호 방법(Protection methods for explosion hazardous area)을 제공한다.
•프로세스 계장 자동화 시설에 이더넷 기반의 필드 장치는 아직 공급된 적이 없다.

2) Ethernet-APL 목표
•Advanced Physical Layer는 산업용 이더넷의 이점을 프로세스 계장 자동화 및 계측에 Plus
•위험지역(Hazardous Area)에서 이더넷 기반 필드 장치는 기능이 본질적으로 안전하다.
•루프 전원을 사용하는 산업 표준 필드버스 케이블을 사용하는 2선식 장치이다.
•10 메가비트 전 이중 이더넷으로 증가된 대역폭의 통신은 필드 장치 수명주기에 생산성이 향상된다.

3) Ethernet-APL(고급물리계층)의 사양
•파라미터 사양 : 표준-IEEE 802.3(10BASE-T1L), IEC 60079
•전원 출력(Ethernet-APL 전원 스위치) : 최대 60W
•중복 케이블 및 스위치와 본질안전을 위한 참조
    케이블 유형 : IEC 61158-2, 유형 A
•최대 트렁크 길이 : 1000m / Zone 1, Div. 2
•최대 스퍼 길이 : 200m / Zone 0, Div. 1, 전 이중 속도 : 10Mbps
•다른 물리적 계층이며, ISO OSI 모델이다.
•모든 위험지역(Hazardous Area)을 위한 Ethernet-APL 및 폭발(Explosion) 위험지역의 보호
•본질안전(Intrinsic safety) 디자인의 필수 부분이 필요하며, FISCO와 유사한 계획 및 검증 개념

4) 폭발 위험지역 보호
•트렁크 안전성 향상에 홈런 및 긴 케이블 연결을 위한 고 전력 트렁크 개념이다.
•점화 유무에 관계없이 동일한 인프라 계획 설정 등이다.


ODVA(EtherNet/IP)의 경우

2020년 4월 1일 2020년 5월 14일 ODVA는 OPC Foundation과 함께 이 기관의 공동 작업 그룹과 업무를 시작하여 CIP(Common Industrial Protocol)에 대한 OPC UA 컴패니언(동반자) 사양을 개발한다고 전 세계에 발표하였다.

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이것은 ODVA의 Protocol 엔진인 EthrNet/IP(IEEE 802.3)과 ODVA가 보유한 다양한 프로토콜의 통합을 가능하게 하는 중요 매개체인 CIP(Common Industrial Protocol)로 향후 ODVA를 경유하는 모든 프로토콜이 클라우드로 자유롭게 진입할 수 있도록 ODVA가 할 수 없는 일을 Foundation OPC-UA가 해결하는 방식으로 교두보를 마련한 것이다. 사실상 다른 프로토콜도 OPC Foundation의 OPC-UA가 98% 정도 호환됨으로써 ODVA는 이더넷 APL의 큰 목표인 클라우드화의 지름길을 선택함으로써 Ethernet-APL의 난제를 해결하려고 준비하고 있다.

OPC-UA 동반자 사양은 게이트웨이를 통해 공장(현장)에서 클라우드로 산업용 통신 및 제어 데이터를 이동해야 하는 중요한 문제를 해결해준다. Ethernet-APL의 클라우드화의 커다란 조치를 ODVA가 해결할 것이다. ODVA는 프로세스 계장 분야의 단일 표준화에 밑그림을 그렸다. ODVA의 사장 겸 전무이사인 알 베이도운(Al Beydoun PhD) 박사는 “EtherNet/IP 장치에서 OPC- UA 서버로 제조 공정 및 제어 데이터를 연결하면 귀중한 공장(현장) 정보를 전사적으로 분석할 수 있게 될 것이다.”라고 하였다. 알 베이도운(Al Beydoun PhD) 박사는 OPC UA 컴패니언 사양은 CIP 객체를 적절한 OPC-UA 정보 모델 및 프로파일에 매핑하거나 그 반대로 매핑을 한다. EtherNet/ IP에서 OPC-UA로 클라우드와 데이터를 주고받는 것은 CIP 디바이스에서 감지, 식별, 진단, 상태, 매개변수 등을 포함한 유용한 정보를 제공함으로써 성공적인 달성이 가능하다.”며 “중요한 자동화 정보를 EtherNet/IP에서 OPC-UA로 쉽게 전송할 수 있게 해주면, Analytics, ERP 또는 MES와 같은 상위 시스템에서 액세스를 하는 데 필요한 노력이 아주 크게 감소한다. CIP에 대한 OPC-UA 컴패니언 사양은 빠른 추세 분석 및 통찰력 생성을 위해 적절한 컨텍스트 및 의미를 가진 엔터프라이즈 및 IT 시스템에서 데이터를 사용할 수 있도록 해준다.”고 말했다.

PI(PROFIBUS & PROFINET)의 경우

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과거에 프로세스 계장 산업은 필드버스 기술을 사용하여 많은 긍정적인 효과를 누렸다. 생산라인의 자동화, 프로세스 자동화, 요구에 맞춘 필드버스 기능 세트(PROFIBUS PA, Foundation Field bus)에는 디지털 통신 및 제조업체 중립 지원이 포함되었다.

필드버스는 지난 20~25년 동안 많은 프로세스 시스템을 자동화했다. 기존의 버스 시스템에는 인더스트리 4.0 기능을 추가하려는 사용자에게 주요 제한 사항이 존재한다. 그러나 필드버스 고유의 특성으로 인해 디지털화의 일부로 데이터 집약적인 애플리케이션을 구현할 때 문제가 발생한다. 미래에 대비할 수 있는 프로세스 계장 시스템 자동화를 원하는 기업은 반드시 이더넷 통신 시스템으로 전환해야 한다. 산업용 사물인터넷 및 인더스트리 4.0의 프로세스 계장 제조의 업그레이드 이후, 현장 수준으로 또는 빅데이터에 대량 프로세스/진단 데이터를 처리할 수 있는 최신 네트워킹 표준이 필요하다. 장거리 및 고속 필드 장치에서 필드 레벨에 존재하는 모든 데이터는 인더스트리 4.0 응용프로그램에서 사용할 수 있다. Ethernet to the Field를 통해 이러한 데이터는 제어 계층을 더 높은 수준(예 : DCS 및 MES) 및 필요에 따라 클라우드까지(NOA–NAMUR 개방형) 가능해야 한다.

Ethernet to the Field는 NAMUR Open Architecture (NOA) 모델의 기본 요소이다. 모니터링 및 최적화(M+ O) 작업에 사용된 핵심 자동화 시스템에서 데이터를 액세스하기 위한 기초로 사용한다. NAMUR에서 지정한 대로 이더넷을 현장으로 롤아웃하는 방식을 계획해야 한다. 현장 프로세스 계장 자동화에 대한 이더넷의 특수 요구사항은 공장 자동화와 달리 Ethernet to the Field의 가장 중요한 요구사항으로 본질안전(Intrinsic Safety)을 말할 수 있다. 폭발 위험을 피하기 위해 프로세스 계장 수준의 활동과 관련된 제조 시스템의 많은 영역, 본질적으로 안전한 장비 설치를 사용해야 한다. 본질안전 점화 보호장치-오작동 시에도 스파크를 방지하기 위해 시스템 전류 및 전압을 제한한다. 잠재적으로 폭발성 가스/공기 혼합물이 존재하며, 발화되지 않는다(ATEX 구역0/구역1). 필드버스를 통해 필드 장치에 전원을 공급하는 기능은 트위스트 페어 케이블을 사용하면 된다.

기존의 PROFIBUS PA 및 Foundation Fieldbus H1 필드버스는 다음과 같은 요구사항을 충족할 수 있다.
•장치 : 고가용성은 현장 장치 설치 작업을 단순화하는 기존 엔지니어링 도구, 예를 들어 FDI(Field Device Integration)에 대한 지속적인 지원을 의미한다.
•리던던시 모델은 플랜트 다운타임을 방지하여 가용성을 높인다. 단일 오류는 일반적으로 공장 운영을 위험에 빠뜨리지 않는다. 리던던시 모델은 프로세스 요구사항 및 확장 가능하도록 설계되어야 한다. 시스템 이중화는 서로 완벽하게 동기화된 두 개의 호스트 컨트롤러(예 : PLC 또는 DCS)를 사용하여 생성한다. 물리적으로 분리된 2개의 통신 회선으로 높은 수준의 가용성 보장. 페일 오버가 자동으로 1초에 이루어지면 케이블 고장 시에도 그대로 유지된다.
•미디어 중복 : 모델은 링 토폴로지를 사용하여 네트워크 및 플랜트 가용성을 보호한다.
•이중화 프로토콜(MRP) : 전송 경로가 중단되면   대체 통신 채널 폴 백으로 빠르게 사용된다.
•견고성 및 유연성 : 프로세스 시설은 매우 오랜 기간 (최대 30년 또는 더) 진행될 것이다. 이 수명 동안 자동화 기능을 변경, 확장 및 최적화할 수 있어야 한다.
•투자 및 기존 장비 보호 : 기존 필드버스를 기반으로 하는 기존 설치의 경우, 모든 ‘레거시’  기술을 교체하지 않고도 현대화가 가능해야 한다. 새로운 장비의 자동화는 미래에 대비해야 한다. 즉 관련 공정 제조 디지털화 및 인더스트리 4.0과 관련된 개념을 설명하고 동시에 개발해야 한다. 요구사항 중 일부는 이미 사용된 일반적인 표준 필드버스 개념과 일치.
•PROFINET용으로 업그레이드된 PROFIBUS PA. PI(PROFIBUS & PROFINET International)는 순전히 개발을 목표로 PA Profile 4.0을 정의했다.
•이더넷 기반 플랫폼. 개발 작업은 2018년 6월에 완료되었으며, 프로파일은 통신 프로토콜 독립 기준이며, 모든 매개 변수 및 기능을 모두 사용할 수 있다.
•PROFINET 및 PROFIBUS를 통해 이 맥락에서 종종 PROFINET PA를 참조하지만, PA 프로파일4.0은 공정 산업에서 Ethernet to Field의 이더넷을 위한 하나의 구성요소이다.
•PA 프로파일에 대한 일반 정보 : 각 디바이스 클래스, PA 프로파일(프로세스 제어 디바이스용 PROFIBUS 프로파일, PA = 프로세스 자동화) 시운전, 작동, 유지보수 및 진단에 영향을 주는 장치 매개변수 세트를 정의한다.
•매개 변수 : 디지털 통신의 주요 특징 중 하나는 진단이며, PA 프로파일은 NAMUR 권장 NE 107  (자기 모니터링 및 필드 장치 진단)을 기반으로 한다.
•PA 프로필 4.0의 특수 기능 : 앞에서 언급했듯이 PA Profile 4.0은 콘텍스트에서 배포 옵션을 고려하여 개발되었다.
•이더넷을 현장에 프로파일 사양의 핵심은 통신 프로토콜에서 애플리케이션 계층(장치 기능 포함)을 엄격하게 분리하는 것이다. 
•임시 커미셔닝을 위한 컨트롤러. 이들은 장치 설명의 일부를 구성(PROFIBUS : GSD, PROFINET :  GSDML)한다. 새로운 PA 프로파일 4.0에서 GSD는 장치 측정 원리와 다음을 포함해 각 측정 절차(예 : 코리올리 유량 측정)에 대한 자세한 내용을 포함.
•관련 NAMUR 진단 : 이전 프로파일 3.02 기반의 PA 설치는 통합되어 기존 설치를 유지한다.
•PROFINET PA 장치의 경우 PROFINET 사양이 적용된다(IEC 61784-2 CP3/4, CP3/5 또는 CP3 /6에 따름). 이는 “프로세스 자동화” 애플리케이션 클래스를 준수한다. 사용된 전송 기술은 이더넷(IEEE802.3에 따름)이며, 다음 버전의 PROFINET 프로토콜 사양도 전체를 제공하고  2선 연결을 지원한다. 10MBit/s 전송 속도는 주요 장애물 중 하나이고, PA용 PROFINET은  확장 가능한 네트워크 이중화/S2 및 DR 이중화/다운타임 없이 간단한 장치/컨트롤러 교체 및 확장/수정(CiR : Configuration in Run) 구성 및 동적 재구성/NAMUR 권장 사항 NE 107에 따른 진단(예, 색상 코드 오류 표시 : 빨간색 주황색 노란색 파란색 파란색 녹색)을 지원한다.
•PROFINET 이중화 모델 : PROFINET을 통한 네트워킹 시스템 구성요소를 통해 안정적인 고가용성 시스템을 만들 수 있다. 이는 생산 중단 시간을 최소로 유지하는 프로세스 제조의 중요한 요구사항 중 하나를 준수하고, 그렇게 하는 데 필요한 노력은 전통적인 필드버스에 필요한 노력보다 적다.

PROFINET 시스템 이중화(PROFINET SR)는 이중화 컨트롤러, 이중화를 통해 달성한다.
•PROFINET 시스템 이중화(PROFINET SR)는 이중화 컨트롤러, 이중화를 통해 달성. 매체 및 중복   장치로서의 이더넷. 시스템 중복성은 본질적으로 장치 또는 컨트롤러에 여러 연결을 설정하여 달성. 장치 및 컨트롤러가 여러 PROFINET 인터페이스 또는 NAP(Network Access Point)를 사용하는 경우, 하드웨어 오류가 발생하더라도 연결을 유지할 수 있다. 컨트롤러 중복성을 통해 장치는 NAP를 통해 데이터 교환이 내장된 다중 응용프로그램 관계(AR) 지원이 장치가 컨트롤러 손실을 허용한다. PROFINET은 중복 구성 S1, S2, R1 및 R2를 사용한다. 이 용어는 아래에 설명되어 있다.
•S(단일) : 하나의 NAP가 있는 PROFINET 노드– 단일 네트워크에 연결할 수 있다.
•R(중복) : 이중화 NAP 세트가 있는 PROFINET 노드–각각 PN이 있는 두 개의 인터페이스 모듈, 인터페이스 또는 두 개의 PN 인터페이스가 있는 하나의 인터페이스 모듈. 노드는 중복 네트워크에 연결할 수 있다(예 : 더블 라인, 더블 링). 숫자 1 또는 2는 잠재적인 AR(응용 관계 수)을 나타내는 데 사용. S1로 N AP 또는 R1 NAP. 따라서, 각 PROFINET 인터페이스는 정확히 하나의 응용프로그램 관계를 설정할 수 있다. 다른 PROFINET 인터페이스(예 : IO 컨트롤러). S2 또는 R2 NAP를 사용하면 PN 인터페이스를 할당할 수 있다. 데이터 전송에 이들 중 하나만 적극적으로 사용하지만 두 개의 PROFINET 노드에 연결된다. 두 번째 연결은 장애 조치 이벤트 중에 활성화. 보다시피 S1 시스템 이중화는 설비 가용성을 높이지 않으며, 기술적으로 이중화되지 않는다.
•PA용 PROFINET은 다음을 지원한다. 확장 가능한 네트워크 이중화/S2 및 DR 이중화/다운타임 없이 간단한 장치/컨트롤러 교체 및 확장/수정(CiR : Configuration in Run) 구성 및 동적 재구성/NAMUR 권장 사항 NE 107에 따른 진단(예, 색상 코드 오류 표시 : 빨간색 주황색 노란색 파란색 파란색 녹색)
•장치 및 컨트롤러가 여러 PROFINET 인터페이스 또는 NAP(Network Access Point)를 사용하는 경우 하드웨어 오류가 발생하더라도 연결을 유지할 수 있다. 컨트롤러 중복성을 통해 장치는 NAP를 통해 데이터 교환이 내장된 다중 응용프로그램 관계(AR) 지원이 장치가 컨트롤러 손실을 허용한다. PROFI NET은 중복 구성 S1, S2, R1 및 R2를 사용한다.
•S(단일) : 하나의 NAP가 있는 PROFINET 노드–단일 네트워크에 연결할 수 있다.
•R(중복) : 이중화 NAP 세트가 있는 PROFINET 노드–각각 PN이 있는 두 개의 인터페이스 모듈, 인터페이스 또는 두 개의 PN 인터페이스가 있는 하나의 인터페이스 모듈. 노드는 중복 네트워크에 연결할 수 있다(예 : 더블 라인, 더블링). 숫자 1 또는 2는 잠재적인 AR(응용 관계 수)을 나타내는 데 사용된다. 따라서, 각 PROFI NET 인터페이스는 정확히 하나의 응용프로그램 관계를 설정할 수 있다.
•다른 PROFINET 인터페이스(예 : IO 컨트롤러). S2 또는 R2 NAP를 사용하면 PN 인터페이스를 할당할 수 있다. 데이터 전송에 이들 중 하나만 적극적으로 사용하지만, 두 개의 PROFINET 노드에 연결된다. 두 번째 연결은 장애 조치 이벤트 중에 활성화된다. 보다시피 S1 시스템 이중화는 설비 가용성을 높이지 않으며, 기술적으로 이중화되지 않는다.
•설정 : 반면에 S2와 R1은 데이터 전송 중단을 방지하는 진정한 중복 구성이다.


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