요 약

오늘날 산업용 이더넷은 공장 자동화에 많이 사용되며, 부분적으로 프로세스 계장 자동화에 사용된다. 그러나 현장의 이더넷은 높은 데이터 전송 속도, 사용의 편의성 및 상호 운용성을 제공한다. 또한, 산업용 이더넷이 있는 스마트 기기는 Industrie 4.0 및 IIoT에 필수적이다.

사용 사례

이러한 장점으로 인해 프로세스 계장 플랜트에서 발생하는 가치가 점차 증가하고 있다. 오늘날 이미 시장에 널리 퍼져 있는 스마트 기기는 프로세스 계장 산업의 모든 영역에서 사용하기에 아직은 적합하지가 않다. 폭발 위험지역(Explosion Hazardous Area) 또는 별도의 전원을 사용할 수 없는 경우의 주요 문제는 프로세스 계장 산업의 모든 요구사항을 충족하지 못하는 물리적 계층에서 발생한다. 장거리, 전원공급장치 및 동축 케이블의 2-와이어를 통한 통신 및 본질안전 방폭(Intrinsic Safety Explosion proof)이 그것이다.

이러한 문제를 해결하기 위해 SDO인 PI(Profibus & Profinet International), FieldComm Group 및 ODVA는 주요 프로세스 계장 장치 공급업체와 협력하여 Ethernet -APL(Advanced Physical Layer) 프로젝트를 수행하기로 약속하였다. Ethernet-APL이 물리계층(계층1)에 영향을 미치기 때문에 사양 통합은 통신 프로토콜에 있어서 여럿의 요구를 만족하는 중립적 위치에 놓고, 프로젝트를 수행하기로 약속했다. 각 IP 기반 프로토콜 표준의 이러한 통합적 개념은 2020년에 수립하기로 하였다. 이후에는 전체 네트워크 인프라를 위한 장치가 개발의 목표다. 언급된 조직의 다양성, Ethernet-APL 프로젝트에 기여할 많은 업계의 파트너 그리고 IEEE 및 IEC 표준, 고객 요구에 초점을 맞춘 이 프로젝트는 프로세스 계장 산업에 주요 이점을 제공하게 될 것이다.

이러한 측면에 초점을 맞추어 백서를 좀 더 자세히 설명하고자 한다.

Ethernet-APL 백서의 목적

이 백서는 모든 자동화 수준에 대해 하나의 공통 통신 기술을 포함하는 산업 플랜트의 이더넷 기반 단일 네트워크 비전에 중점을 둔다. 이 문서는 프로세스 계장 자동화의 논리적 다음 단계인 이더넷 기반 통신에 대한 이해를 돕기 위해 통신 프로토콜의 진화로 시작한다. 이 백서는 개발 조직의 설정에 있어 기술적 통찰력과 마지막 예상 일정에 이르기까지 목표 비전을 달성하는데 필요한 모든 관련 세부 정보를 제공한다. 기술 사양은 아직 확정되지 않았기 때문에 기술 세부 사항은 문서의 일부가 아니라 각 사양에 대한 참조일 뿐이다. 이 백서는 어느 화학 플랜트(독일 BASF)의 파일럿 테스트에서 수집된 첫 번째 고객 경험을 바탕으로 기술의 장점들을 입증하였다. 끝으로, 전망을 말한다면 안전 애플리케이션 또는 프로세스 자동화 장치 정보 모델에 대한 영향 등 관련 주제를 보여준다.

단일 표준 네트워크의 비전

1980년대에 HART 프로토콜을 표준화함으로써 디지털화의 첫 단계가 이루어진 바 있다. 이 프로토콜을 사용하면 기존 4-20mA 아날로그 배선이 있는 플랜트에 쉽게 도입이 가능하다. 이 기술을 통하면 스마트 기기의 데이터를 잠금 상태에서 해제가 가능하다. 이 기술은 프로세스 계장 자동화 분야에 폭넓게 퍼져 있다. 2000년대에 PROFIBUS PA 또는 FOUNDATION Fieldbus와 같은 필드버스 프로토콜이 도입되어 더 빠른 데이터 전송 속도, 진단 또는 장치 교환을 위한 보다 표준화된 기능을 제공한다. HART 시스템 및 필드버스 시스템을 포함한 4- 20mA 아날로그 신호는 모두 공장의 배선 또는 위험 지역에서의 사용을 줄여야 하는 케이블을 통한 전력 공급과 같은 프로세스 계장 산업의 가혹한 요구사항들을 충족해왔다. 그러나 필드버스 시스템은 다양한 이유가 있을 수 있는 전통적인 HART 시스템을 대체할 수는 없었다. 예를 들어, 프로세스 제어 시스템은 프로세스 값만 사용하지 종합적인 시스템은 사용하지 않는다는 이야기다.

진단 및 매개 변수화 가능성

기존 인프라에서 데이터는 이러한 기존 통신 기술을 기반으로 하고, 상위와 분리된 필드 및 제어 수준, 즉 OT = 운영 기술에 고정이 된다. 일반적으로 이더넷 기반의 관리 수준, 즉 IT = 정보 기술에서는 IEEE 이더넷 사양을 기반으로 하는 이더넷 기술을 사용하고, EtherNet/IP와 같은 산업용 이더넷 프로토콜과 결합하여 더 많은 전송 속도와 대역폭을 달성할 수 있다. 그러나 이 물리적 계층에는 4선의 이더넷 케이블과 짧은 케이블 길이를 갖는다는 제한이 있을 수 있으며, 폭발 위험지역에 설치하는 데 적합하지 않은 게 단점이다.

IIoT(Industrial Internet of Things) Industrie 4.0 및 NAMUR Open Architecture와 같은 데이터 집약적인 애플리케이션을 사용하는 미래의 시스템 개념에 따라 요구사항 및 통신 기술을 변경할 수가 있다. 이러한 모든 미래의 개념에는 자동화 수준 간에 데이터를 해석하고, 변환할 필요가 없는 스마트 기기의 데이터가 필요하다. 공장 자동화에서 IT와 OT 간의 일관된 통신 장벽은 기존 이더넷 기술을 기반으로 몇 년 동안 극복된바 있다. 프로세스 계장 자동화에는 이더넷 사양에 포함되지 않은 요구사항이 있다. 격차에 대해서는 이미 식별되었으며, 이더넷을 위한 새로운 물리계층으로 이 문제는 해결될 수가 있다.

프로세스 계장 자동화의 장벽

프로세스 계장 산업에서는 토폴로지(트렁크/스퍼 설치), 2-와이어 기술(동축 케이블을 통한 통신 및 전원 두 가지를 동시에 공급하는 방법), 장거리 및 본질안전 방폭(Intrin sically safe explosion-proof)과 같은 측면이 특히 중요하다. “장거리”란 수백 미터의 케이블 길이를 의미하며, 최대 1,000m까지도 전달하는 것을 말한다. 데이터 통신에 사용된 동일한 2선 케이블을 통해 필드 장치에 신호와 전원을 동시에 공급하는 것은 이전 필드버스 설치에서 이미 입증된바 있기에 이 기능을 빼놓을 수는 없다. 만약에 폭발 위험지역(Hazardous Area)에 이더넷을 지원하는 필드장치를 설치하면 프로세스 계장 산업의 요구사항이 모두 마무리된다.

IIoT 사용 사례가 있는 향후 시스템 개념의 경우 단일 네트워크 비전에서 설명된 대로 추가 요구사항이 제시되었다. 이는 IEEE 100BASE-TX 기반의 표준 이더넷 기술과 HART 또는 필드버스 인프라를 포함한 아날로그 신호인 4-20mA의 기존 시스템 모두는 이러한 요구사항을 다 충족할 수가 없다는 것이 문제다. 이러한 모든 요구사항을 해결하고, 프로세스 계장 플랜트에서 단일 표준 네트워크의 비전을 지원하기 위해 다중 기관 및 기업이 함께 참여하는 Ethernet-APL 프로젝트의 수립 이유가 성립을 하게 된 배경이다.

Ethernet-APL 조직

선도적 산업 조직으로 불리는 3대 SDO인 FieldComm Group(Hart-IP), ODVA(EtherNet/IP) 및 PROFIBUS & PROFINET International(PROFINET)은 Ethernet-A PL 프로젝트에 협력하기로 약속을 하였다. 이 프로젝트의 업계 파트너로는 ABB, Emerson Process Management, Endress+Hauser, Krohne, Pepperl+Fuchs, Phoenix Con tact, R. Stahl, Rockwell Automation, Samson, Siemens, Vega 및 Yokogawa와 같은 프로세스 자동화 분야의 12개 선도 기업이다. 총 3개의 조직과 12개의 업계 파트너가 이더넷용 고급물리계층인 Ethernet-APL 프로젝트의 성공을 위해 물심양면으로 노력을 하고 있다. 

장벽의 해결

미래의 시스템 개념에 대해서 프로세스 계장 산업의 요구사항이 식별되고, 명확한 설명이 가능하다. 모든 요구사항을 충족하려면 몇 가지 사양을 개선해야 한다. 이런 요청 사항은 해당 개발 조직에 전달이 되었다.

IEEE 802.3cg

이러한 요구사항을 충족하기 위한 주요 측면은 이더넷 기술을 기반으로 하는 새로운 물리계층의 탄생이다. 따라서, IEEE 802.3에서 동일한 트위스트 페어 이더넷 케이블을 통해 장거리 애플리케이션과 전력 및 데이터를 달성하기 위해 10Mbit/s의 2가닥 선의 이더넷 사양 작업을 요청하였다. 이미 2016년에 IEEE 표준 협회는 IEEE 802.3cg 프로젝트를 승인했다. 사양 문제는 이 사양에 따라 PHY(OSI 모델의 물리계층의 약어로, 물리계층 기능을 구현하는 데 필요한 회로를 표시) 칩 제조업체는 필요한 이더넷 PHY 생산을 시작할 수가 있다.

IEC TS 60079-47 Ethernet-APL 국제표준의 탄생 및 발표

Zone 0/Class 1 Division1까지 위험지역에서 루프 전원 및 별도의 전원 장치에 대한 본질안전의 요구사항을 충족하기 위해 기술위원회 내 IEC PT 60079-47(이더넷-APL의 IEC표준명) 프로젝트팀 IEC SC 31G는 이에 대한 기술 사양을 작업하고 있다. IEC 60079의 와이어의 본질안전 이더넷(2-WISE). 점화 보호 개념을 만드는 데 중점을 두고 있다. 그 동안 작업 그룹은 필드버스 본질안전의 개념(FISCO)에 정의된 원칙이 새로운 물리계층에 대한 일부 적응을 포함하여 2-WISE 기술 사양에도 적합하다는 데 동의하였다. 이러한 인식은 DEKRA Testing & Certification GmbH에서 실행된 성공적인 테스트로 뒷받침할 수 있다. 최종 기술 사양(IEC TS 60079-47)이며, 사실상 이 프로젝트의 국제 프로세스 계장 단일 표준인 IEC TS 60 079-47은 2021년 말에 발표될 예정이다.

조직의 사양

마지막으로 FCG, ODVA 및 PI 조직의 관련 사양에서 Ethernet-APL 정의를 고려해야 한다. 이러한 적용은 2020년 말에 완료될 것으로 보인다. ODVA 내에서 사양의 향상은 Volume 2 “EtherNet /IP Adaption of CIP”의 EtherNet/IP Physical Layer SIG를 통해 수행되어야 한다. 또한, EtherNet/IP 미디어 계획 및 설치 가이드라인은 APL 프로젝트의 공동 작업으로 작성된 설치 가이드라인에 따라 업데이트된다.