[헬로티]

 

이더넷-APL은 프로세스계장 분야가 기존의 아날로그 체계에서 디지털 체계로 전환됨을 의미하며, 공장의 프로세스계장 분야 종사자 또는 계측제어부, 공무부, 계전과, 계기과에 종사하는 엔지니어는 물론 프로세스계장 엔지니어링 회사의 계측제어 부서 요원들이라면 반드시 알아야 할 기술 내용이다. 지난 회에 이어, 2022년에 발표될 IEC 프로세스계장 단일 표준인 “IEC TS 60079-47” 이더넷 APL에 대해 구체적으로 설명한다. 이 백서는 ODVA에서 자료를 직접 제공받았음을 밝힌다.

 

 

Ethernet-APL의 채택

 

 

이더넷은 상호운용성에 대한 강력한 요구사항이 있는 환경에서 신뢰할 수 있는 통신 기술임이 입증되었다. 이것은 산업 현장, 사무실 및 건물, 그리고 많은 개인 주택단지에도 적용된바 있다. 이더넷 기술의 고도화는 제품개발 및 프토토콜 스택에 있어서 네트워크망의 계획, 설치 후 커미셔닝 및 여러 문제를 해결할 수 있는 다양한 도구들을 사용하여 널리 수용할 수 있도록 환경을 조성하는 것을 포함하는 개념이다.

 

끊김 없는(seamless) 원활한 설치는 빠른 도입, 높은 참여도를 보장하므로 모든 사용자에게 장기적인 비즈니스 환경을 제공하게 된다. 따라서 여기에는 프로세스 자동화 시스템의 수명 주기업무의 당사자들, 예컨대 벤더, 종합건설사 및 엔지니어링 회사, 건설 현장의 테스크포스 부서 해당 책임자, 시설을 관리하는 공무 및 보전설비 관리자, 계측제어부, 전기과, 계전과, 계기과 동력 및 운전관리 부서운영 담당자, 석유, 석유화학, 종합화학공장 공정부서 책임자, 운영자 등은 Ethernet-APL에 대한 상세 내용을 알아야만 한다. 이 기술은 유연성 향상과 위험 감소에 있어서 다음의 재사용을 통해 기술을 알게 된다.

 

 

명확한 마이그레이션(이행)전략을 위한 경로를 제공하던 기 설치된 필드버스 케이블을 이용하면 방화벽이 그대로 유지되므로 케이블링 비용이 크게 절감된다. Ethernet-APL은 현재와 미래의 모든 상위 수준의 통신 프로토콜과 서비스를 지원하며 네트워크 인프라를 평탄화시킨다.

 

Ethernet-APL은 프로토콜 변환 및 게이트웨이의 필요성을 제거함으로써 장벽이 없는 병렬 접근성을 제공하고 데이터 중심 경제에서 요구되는 추가 속도를 제공한다. 표 2는 현재 사용 중인 통신 기술의 주요 특성을 비교한 것이다.

 

Ethernet-APL은 이더넷 통신의 최상의 고도화된 특성과 2-와이어 설치 기술을 결합하여 기술을 제공한다. 따라서 Ethernet-APL은 석유화학공장의 예를 들면, 위험영역, 즉(Zero 0, division에서 1)까지의 영역이 존재하는 프로세스 플랜트부터 개별 및 프로세스 자동화 기술을 채택하는 식·음료 회사 등, 하이브리드 플랜트에 이르기까지 현장 애플리케이션의 표준으로 쉽게 배포가 가능하다.

 

Ethernet-APL은 현재와 다가올 가까운 미래의 물리적 계층이기 때문에 기능 안전 및 보안 애플리케이션에 대한 개념은 최종 사용자의 요구를 반영하는 것으로 기획을 하고 있다. 새로운 개발은 물리적 계층과 무관하게 적용되어 기술의 장기적인 안정성을 제공하고 설비 투자를 보호할 수 있도록 개발이 순조롭게 진행되고 있다.

 

 

디바이스의 개발과 구현(실장)

 

필드 디바이스에는 자가진단 기능 등 많은 양의 스마트 데이터를 보유하고 있는 경우가 있다. Ethernet-APL은 프로세스 제어와 병행하여 이 데이터에 액세스할 최적의 수단을 제공한다. 이 테크놀로지에서는 계장에의 개별의 액세스가 가능하게 된다. 따라서 스마트 계장의 포텐셜(potential)을 산업사물인터넷(IIoT) 애플리케이션과 조합할 수 있는 것이다. 이에 따라 제품매니저는 추가적인 서비스, 비즈니스 모델, 유니크한 판매 전략을 구축하여 필드 디바이스 서플라이어로서의 차별화를 꾀할 수 있다. Ethernet-APL은 종래의 테크놀로지보다 현격히 낮은 비용으로 이러한 유익한 데이터의 액세스가 가능하다.

 

Ethernet-APL에서는 통상적으로 필요한 프로토콜 컨버터나 추가 시스템 컴포넌트 등 올드-솔루션은 필요하지가 않다. 현장 장치 실장에 있어서 Ethernet-APL이 고려되는 경우는 그 시장 볼륨의 크기에 따라 크게 강화되고 있다.

 

· Ethernet-APL은 프로세스 오토메이션의 요건을 충족한다(예. 해저드 구역, 장거리 케이블, 심플 유지보수 등.)

· 단일 네트워크 기술을 이용할 수 있게 됨으로써 디바이스 제조업자와 플랜트 매니저 양자에게 스마트 계장으로부터의 데이터 액세스에 기초한 새로운 비즈니스 기회를 제공한다.

· 프로세스 오토메이션의 주요 기업과 각 SDO가 APL 프로젝트에 관여하며 워킹그룹에서 협력하고 있다. APL의 테크놀로지는 널리 시장에 받아들여질 것으로 기대되고 있다.

· 시장에서의 기술적 리더십을 획득하기 위하여 Ethernet-APL을 가까운 장래에 반드시 제품 포트폴리오로 고려해야 한다.

 

스마트 계기에 Ethernet-APL 실장에 필요한 사항은 한정되어 있으며 PHY와 프로토콜 스택만을 고려해야 한다. Ethernet-APL의 디바이스 실장에 있어서 특히 무엇을 고려할 필요가 있을까. 답은 간단하다.

 

· Ethernet-APL은 이더넷 물리계층을 확장한다. 해당하는 10BASE-T1L PHY 를 필드 디바이스 하드웨어에 실장 함으로써 필요한 접속이 확보된다. 정평이 나 있는 칩 제조업체에서 표준 PHY 칩을 얻을 수 있다.

· ISO OSI 모델에 따라 각각의 층이 독립되어 있기 때문에 이더넷 프로토콜 구현(실장)에 제약은 전혀 없다. 따라서 3~7층의 구현을 이더넷-APL에 대해 맞출 필요는 없다. 특히 팩토리 오토메이션에서 예전부터 사용되어 온 애플리케이션 계층 프로토콜은 기존의 사양, 가이드라인, 인증에 따라 간단히 구현할 수 있다.

· Ethernet-APL 물리계층 확장 사양의 일부로서 해당 시험 사양 및 인증을 적용할 수도 있다. 이를 통해 실장이 규격을 준수하고 있음을 보증한다.

 

운용

 

프로세스 오토메이션에서 플랜트의 효율성은 더욱 더 중요한 토픽이 되고 있다. 그러므로 프로세스 플랜트에서는 신뢰성 높은 운영의 실현, 유지보수 시기에 대한 정보 제공, 간단한 고장진단 및 다른 디바이스 제조업자의 디바이스와의 호환성을 확보해야만 한다. 이러한 기반이 되는 것은 설치 기반으로부터의 계속적인 데이터 수집과 해석이 관건이 된다. Ethernet-APL은 고효율 프로세스 플랜트에 필요한 다음과 같은 요건을 모두 지원하고 있다.

 

· 신뢰성 : 실적이 있는 이더넷 규격을 베이스로 하여 신뢰성 높은 플랜트의 오퍼레이션이 보증된다. 이더넷은 지난 수십 년간 IT업계의 표준으로 수년 동안 팩토리 오토메이션과 하이브리드 오토메이션에서 성공 실적을 거두어 왔다.

· 고가용성 : 이더넷 프로토콜 기능은 가용성 개념(예: 컨트롤러 장애에 대한 시스템 이중화 또는 케이블 파손에 대한 미디어 이중화)으로 프로세스의 고가용성을 보장한다.

· 예측 유지보수 : 스마트 필드 장치에는 예측 유지보수를 위한 데이터가 내부에 있다. 이더넷 기술을 사용하면 데이터에 액세스할 수 있도록 하고 장치 상태를 중앙에서 모니터링 하는 데에 사용할 수 있다.

· 진단 : 이더넷 기술의 경우, 손쉬운 네트워크 진단 도구를 사용하여 장애의 근본 원인 및 처방법을 쉽게 파악할 수 있다.

· 상호운용성 : Ethernet-APL의 경우, 다양한 장치 공급업체의 구성요소의 상호운용성을 보장하기 위해 시험규격과 인증을 이용할 수 있을 것이며 기기 교환도 지원할 것이다.

 

이를 요약하면, Ethernet-APL은 자동화 피라미드 내부 및 전체 기술 일관성에 의해 이러한 새로운 데이터 패러다임을 지원한다. 프로세스 플랜트 분야의 이더넷 기술을 통해 운영기술(OT)이 정보기술(IT)과 통합되고 단일 네트워크 기술의 비전이 달성된다. 현장의 데이터에 대한 액세스는 프로세스 공장의 비즈니스 요구에 따라 새로운 디지털 서비스를 가능하게 한다. 이더넷 기술을 통해 실시간으로 이 정보에 액세스할 수 있다. 산업사물인터넷(IIoT) 애플리케이션의 프레임워크 내에서 데이터의 추가 처리에는 거의 제한이 없으며, 예를 들어 NAMUR Open Architecture(NOA)에서 요구하는 것들이 그것이다. 대시보드 또는 프로세스 값의 추세 모니터링은 특정 프로세스의 최적화를 지원하게 된다.

 

시제품 제작과 엔지니어링

 

이더넷 지원 소프트웨어 및 도구에 기반한 작업 습관과 절차는 프로세스 공장 분야에서 엔지니어링에 고도의 자동화 기능을 제공한다. 현재 및 차세대 엔지니어는 이러한 기술을 쉽게 습득한다. Ethernet-APL을 통해 이러한 기능을 프로세스 공장 현장에 쉽게 통합할 수 있다. 이를 통해 엔지니어는 많은 작업의 자동화를 통해 프로젝트 일정을 충족할 수 있다. 소프트웨어 도구 간소화 또는 자동화는 다음과 같다.

 

· 네트워크 계획

· 일반적인 제어 루프의 생성 및 설계

· 계측기에 저장된 모든 세부 정보

  - 장치 드라이버 및 설명(예: FDI 패키지)

  - 매뉴얼(Manuals)

  - 인증(Certification)

· 계측 기 매개 변수화 및 구성

· 작동 중 계측기 진단

 

프로토콜 변환기와 게이트웨이의 엔지니어링과 유지보수는 쓸모없게 될 것이다. 스마트폰이나 컴퓨터에서 실행되는 앱 지원 업무 절차는 새로운 직원의 기대를 충족시키며, 요즘 디지털 세대에게는 쉽게 접근이 가능하다고 본다.

 

Ethernet-APL 프로젝트에 참여하는 SDO 및 공급업체의 개발자와 전문가는 계획 및 설치를 위한 지침과 모범사례를 개발하는 과정에 있다. 이를 통해 조기 채택을 위한 지식을 쉽게 이행할 수 있다고 본다. Ethernet-APL의 경우 표준 이더넷 진단 툴은 새로운 또는 숙련된 계측기 기술자와 엔지니어가 일상적인 작업에 도움을 주어 얕은 학습 곡선을 제공한다.

 

모든 표준과 지침을 이용할 수 있게 되면, 광범위한 공급업체가 기기 또는 기타 제품 구매에 Ethernet-APL을 채택할 수 있다. 공급업체와 사용자에게 엔지니어링 서비스를 제공하는 기업들은 새로운 시장 오픈에 많은 관심을 보이고 있다. 강력한 생태계가 진화될 것으로 예상할 수 있다.

 

필드 설치

 

많은 플랜트가 프로세스계장 오토메이션 시스템에서 보다 많은 데이터에 액세스하고 추출하기 위해 네트워크의 업그레이드화를 도입할 것으로 기대된다. 이를 업그레이드하면 신세대 전기기사 및 계기기사가 필요로 하는 네트워크 기술을 습득할 수 있다. 유선식 또는 무선식인지에 관계없이 이더넷은 가정이나 사무실, 플랜트에서의 일상 업무의 일부가 된바 있다.

 

Ethernet-APL과의 통합으로 라우터, 스위치 및 무선액세스 포인트에 대한 유일한 추가 기능은 2선식 물리 계층뿐이다. 그 중에는 필드 기사 및 계측제어 기사에게 친숙한 설치 및 보호 규칙과 같은 규약을 제공하는 본질 안전 방폭 보호 기술도 포함되어있다. 계기는 서로 간섭하는 것이 허용되지 않으며 피어투피어(Peer To Peer) 형태로만 구성된다. 극성 보호나 디바이스 내의 종단기를 필수로 하는 등의 기능과 함께, 테크놀로지는 스무스(smooth)하게 단기간 내에 습득이 가능하다.

 

오늘날의 계측제어 현장 보수요원(계전과 혹은 계기과나 보전과 직원을 말함)들은 설치 전에 아날로그 필드 장치를 교정(Calibration), 구성 및 준비하는 데 시간이 많이 걸릴 수 있으나 디지털 필드 장치를 준비하는 데 소요되는 시간은 그에 비하면 매우 짧은 시간이 소요되므로, 디지털 필드 장치의 장점을 경험하게 된다. 디지털 시대를 살아가는 요즘의 세대들에게는 핸디한 측면이 있다. 또한, 지원 기술 중에는 필드디바이스가 설치되어 접속되는 즉시 이루어지는 자동 네트워크의 설정, 디바이스의 탐색, 구성, 실증화를 위한 앱과 마법사가 포함된다.

 

2선식 Ethernet-APL 케이블에서는 설치를 단순화해주는 보다 고속의 데이터 전송 속도 사용이 가능하게 되어, 기사는 짧은 시간 내에 자신 있게 작업을 완료할 수 있게 된다. 스크류 드라이버와 함께 휴대용 데이터 장치(휴대폰 등)나 라인 테스터 및 향상된 인프라를 갖추게 되며 아날로그에서 디지털 필드 기기로의 전환 과정에서 계측기기 정비요원(계전과 직원)의 툴-박스에는 아날로그 장비 대신 디지털 장비가 추가로 담겨있음을 알게 될 것이다. 계측제어 현장의 작은 변화가 생긴다는 이야기이다.

 

 

프로젝트 범위, 타임라인 및 결론

 

2와이어에서 높은 대역폭으로 전력과 데이터를 제공하는 기술의 고려는 개발자들에게 프로세스 공장의 요구를 충족시키는 공통으로 고급 물리계층을 개발하도록 영감을 불어 주었다. 전문가들은“이더넷 투 더 필드”(Ethernet to the Field)라는 프로세스계장 분야의 새로운 비전을 만들어 발표를 했다. 이 이더넷용 고급 물리계층으로 명명된 Ethernet-APL 평가 프로젝트는 2011년 계측기기 공급업체의 그룹(ABB, 에머슨포함 12개 메이커)에 의해 시작되었다.

평가 프로젝트의 목적은 애플리케이션 계층의 프로토콜과 기존의 산업용 이더넷 프로토콜에 영향을 미치지 않는 프로세스계장 자동화의 까다로운 요구 사항에 맞는 솔루션을 정의하는 것이었다.

2016년, 평가 프로젝트는 성공적으로 종료되었으며 관련 사양이 개선되었다. Ethernet-APL 개발 프로젝트는 이미 인포그래픽(infographic.)에서 볼 수 있는 첫 번째 이정표를 달성하였다. IEEE의 10BASE-T1L 규격의 발표와 함께, 2-WISE(2-WireIntelligently Safe Ethernet) 및 전원 포트 프로파일에 대한 IEC 사양의 진행은 본 궤도에 올랐다. 최종 PHY 칩은 2021년 초에 출시될 예정이어서 2021년에도 첫 현장 소자와 인프라 구성품을 구입할 수 있을 것으로 예상된다.

Ethernet-APL 시스템 설치의 경우 엔지니어링 지침을 제때에 사용할 수 있다. 독일에서 Ethernet-APL 프로토타입을 사용한 첫 번째 파일럿 프로젝트는 이 기술의 작동 원리와 이점을 현실적으로 즉시, 현장에서 입증해 주었다.

이더넷 고급 물리계층(이더넷-APL)은 이제 다음 단계로 이동한다(공장 분야 이더넷으로).

· 2015 : IEC TS 60079-47에 표시된 첫 번째 개념 증명

· 2018 : 공식 APL 시작 프로젝트 진행

· 독일 BASF 에서의 Ethernet-APL 프로토타입을 이용해 행해진 최초의 파일럿 프로젝트가 그 동작 원리와 테크놀로지의 장점인 메리트를 확실하게 실증해주었다.

· 모든 측정 타입의 액추에이터 및 센서에 대한 2선식(SPE) 이더넷 필드 디바이스 프로토콜 도입으로 인해 필드 디바이스 설치의 단순화, 프로세스계장 오토메이션 시스템으로의 통합및 필드 디바이스 데이터로의 병행 접속이 마침내 성공하여, 실질적으로 파일럿 공장에서 분명하게 이를 실현하게 된 것이다.

그 결과는 대박이었다. 2022년 IEC 표준이 정식으로 발표가 되면 전 세계 프로세스계장 분야는 지각 변동을 크게 일으킬 것으로 전망된다. 그 이유는 시장이 빅 찬스이기 때문이다. 전 세계 시장의 크기는 프로세스계장 단일 분야만 약 1,000억 달러(120조원) 시장이 열릴 것으로 ODVA는 예상하고 있다.

모든 요건에 적합해야 사용자의 마음을 사로잡는다.

· 기존 플랜트로 쉽게 확장 가능

· 사용 중인 검증된 현장 계측기에 대한 투명성과 개방성, 병렬 액세스를 지원한다.

· 단일 네트워크를 기반으로 상호운용성을 보장한다.

· 폭발 위험 지역에 대한 표준화 문서 및 잘 정비된 절차서가 제공이어야 한다.

· 모든 장치 기능이 단순하고 유연하여 공급업체에 구애받지 않고 사용할 수 있다.

강화된 연결성은 일상적인 운영과 작업에서 복잡성을 감소시키는 강력한 도구를 제공한다. 단일 표준의 네트워크 테크놀로지를 이용할 수 있게 됨으로써 스마트 계장에서의 데이터 액세스를 기반으로 하는 디바이스 제조업자와 플랜트 매니저 모두에게 새로운 비즈니스의 기회를 제공하게 되었다.

 

필자의 결언

 

필자는 본 백서를 번역하여 본지에 게재하면서 개인적으로 국내 시장을 조사한 바를 밝힌다. 필자는 석유화학공단 계기과 출신으로 과거 10년간(2008~2018) 국내에 설치된 계장설비를 조사해 본 결과, 국내의 피이드백 루프의 수는 약 300만 루우프로 조사됐다.

 

조사 방법은 국내 공장의 프로세스계장 시설이 있는 곳-해당 부서에서 집계(예, 해당 공장 계전부, 공무 부, 보전부, 계측제어부, 기술부, 설계부에 직접 알아보거나 탐방하여 해당 부서가 준 피이드백 루프의 수를 집계)한 정보를 10년간 기록하여 이것을 국내 물가정보에 의해 10년 후 HW비용을 조사한 결과 액추에이터, 제어기(PLC 기준), 센서+트랜스미터(온도/압력/유량/레벨/중량 전송기만, 조사)의 합계 금액은 약 9,000억 원으로 조사되었고, 여기에 관련된 계장공사자재+(계장공사)공사인건비 및 여기서 누락된 개스 측정계기의 대략적 합계를 약 1,000억 원으로 집계하였다. 이를 추가한 총합(계측기 비용(9,000억원)+기타 비용(1,000억원))은 약 1조원이었다. 그러나 이것은 어디까지나 필자 개인적인 조사 자료이므로, 유권 기관에서의 정확한 통계가 발표되기를 손 모아 기다리고 있음을 알려드린다.

 

2022년 IEC에서 Ethernet-APL(Advanced Physical Layer) 표준이 발표되면, 각 공장의 본사가 전산실의 운용비용을 대폭 줄이거나 폐지하고, 클라우드를 선호하려는 분위기인 만큼 서서히 공장의 아날로그 시스템을 디지털 시스템으로 변경하기 시작하면 대략 3년 이내에 기존 시설을 리-뱀핑(re-vamping)하거나 신규 공장 신축에 국내 종합건설회사 내지 엔지니어링회사들이 Ethernet-APL로 스펙 변경 시, 국내 석유, 석유화학, 일반화학, 정밀화학, 반도체, LCD, 에너지(화력, 수력, 원자력발전, LNG가스공장, LPG공장 등), 철강, 비철금속, 환경(도시쓰레기 소각로), 정수처리(수자원공사 등), 상/하수 처리(각 도, 시 정/폐수 장), 자동차, 철도, 지하철, 등 PLC/DCS를 제어기로 사용하는 모든 프로세스계장 설비가 필요한 곳을 망라하여, Ethernet-APL로 교체하게 될 것으로 예상된다.

 

메이커에게는 외형의 축소로 인해 원가 절감이 될 것이며, 엔드-유저에게는 안전조업의 향상과 계장공사 비용의 대폭적 절감의 혜택이 있을 것이며, Ethernet-APL을 사용하게 될 상기 엔드-유저회사의 오너들에게는 시스템의 클라우드화를 공장으로부터 시작하여, 고정 유지비(시설물 운용에서 발생하는 비용)를 절감하기 시작할 것으로 전망된다. 프로세스계장 시스템의 공급자-소비자 모두에게 윈-윈하는 기회가 프로세스계장 한 분야에서만이라도 발생하게 되면, 국가발전에 크게 기여하는 기회가 될 것으로 믿고 그 귀추를 독자들과 함께 끝까지 지켜볼 것이다.

 

조익영 전무, ODVA KOREA