프로세스 플랜트에서의 객체 진단 방안
현재 기술 시장에서 산업용 이더넷(Industrial Ethernet) 프로토콜은 프로세스 응답성 및 효율성 개선을 위한 산업용사물인터넷(IIOT) 개념을 적용하면서 그 가치가 더욱 높아지고 있다. ODVA가 개발한 공통산업프로토콜 (CIP: Common Industrial Protocol) 기반의 산업용이더넷인 EtherNet/IP는 프로세스 산업 플랜트의 연결성, 효율성, 확장성, 시간 및 비용 절감을 개선해 IIOT의 응용에 크게 기여하고 있다.
글로벌 표준화 추진 조직인 ‘프로세스산업(Process Industries) 기술위원회(SIG; Special Interest Group)’는 2019년 프로세스 디바이스 진단 객체를 ODVA의 공통산업프로토콜(CIP)에 추가했다. 디바이스의 현재 진단과 NE 107 NAMUR(독일의 프로세스 자동화 유저그룹 – 표준단체)의 진단 상태를 기반으로 프로세스 디바이스 진단 객체를 통해 자산 제어(asset controlling) 및 모니터링을 통한 프로세스 디바이스 진단 개체는 애플리케이션 프로그래머, 운영자 및 현장기술자를 포함한 다양한 이해 관계자들에게 단순성 및 정밀성과 빠른 실행속도를 제공하고 있다.
이와 관련해 ODVA는 프로세스 자동화를 위한 NAMUR NE 107 진단을 CIP 아키텍처로 통합하는 EtherNet/IP 사양을 공식 발표했다. 이 기능의 추가는 산업용이더넷의 이점을 활용하면서 프로세스 사용자에게 산업 표준 진단 정보를 제공하게 된다.
“문제가 발생하기 전에 미리 해결하라”는 것은 플랜트 책임자가 가질 수 있는 완벽한 유지보수 프로세스 시나리오일 것이다. 최근 2020 ODVA Industry Conference에서 공개된 엔드레스 하우저의 산업통신 마케팅 매니저인 Michael Voegel의 글을 통해 세부적인 내용을 알아 보자.
위험의 도래와 통제
고대 인간에 의한 불의 통제(fire control)는 인류 진화의 문화적 측면에서 큰 전환점이었다. 온기의 원천인 불은 사냥과 음식 조리를 향상시키고, 인간을 보호하고 안전한 생활을 하는데 영향을 미쳤다. 이 시기 이전에는 인류는 해가 지면 곧바로 보안의 문제에 직면했다. 인간은 어둠속에서 앞을 볼 수 없었고, 날이 밝을 때까지 어둠속에서 안전에 위협을 느낄 수밖에 없었다.
수천년 동안 이어온 불의 통제와 기술 개발이 이어진 오늘날에도 인간은 어두운 환경에서 안전하지 못하다. 이러한 위험 상태는 다른 환경에서도 다가온다. 위험은 인간이 가지고 있는 소중한 것, 자유를 앗아 가기 때문이다. 산업 환경은 사실 어두운 공간과 비밀스럽고, 위험한 장소들로 넘쳐난다. 인간의 눈으로는 파이프 내부를 들여다보거나, 전자 카드의 상태를 알아볼 수 없다.
산업 환경은 인간을 암흑시대로 몰아넣거나, 종종 미스터리한 사고방식으로 다가오기도 한다. 이러한 위험 구간을 블랙박스라고 부른다. 산업 설비는 입력과 출력으로 이루어진 광범위한 미스터리 블랙박스로 간주돼 왔다. 정리되지 않은 수 많은 케이블 더미와 문서화 없이 변경되 버린 전기 운용 계획 등이 실제로 우리에게 대 혼란을 야기한다. 현장 기술자는 서비스 연속성이 가장 높은 우선 순위 위치에 있기 때문에 모든 불확실성을 없애야만 한다.
가령 존(John)이란 사람이 현장의 기술자이고, 가령 그가 현장에서 우리의 눈이라면, 존은 가동 중지 시간이 발생하지 않도록 플랜트를 안전한 상태로 계속 유지해야 한다. 관리중인 플랜트에서 가동중지 시간이 발생하는 것은 존에게는 최악의 상황이다. 이러한 상황을 피하기 위해 안간힘을 다 쏟는다.
이제 존이 직면하는 일상적인 과제를 더 깊이 알아 보자.
현장에서 직면하는 문제는 무엇인가?
존이 수행해야 하는 다양한 과업에는 자동화 프로젝트, 설치, 시운전, 문제해결, 교정 및 서비스가 포함되며, 이는 가장 많은 시간과 에너지를 요구한다. 현재 프로세스 산업에서 존과 같은 현장 기술자는 광범위한 레퍼토리를 가지며, 자동화와 관련한 다양한 작업을 수행한다.
현장 기술자가 처리해야 하는 주요문제 중 하나는 다양한 업무다. 현장에는 기술자 수는 적고 전문성이 떨어진다. 그럼에도 대부분의 포트폴리오와 여러 공급 업체를 처리해야 한다. 이러한 사실은 더 많은 훈련과 노력이 필요하다는 것을 의미한다.
위에서 말했듯이 현장 기술자의 주요 목표는 설치되어 있는 기능 상태를 그대로 유지하는 것이다. 프로세스를 계속 실행시키고, 가동중지를 없애야 한다. 가동 중지시간을 피하기 위해 존은 다음과 같은 효과적인 유지관리 원칙을 고수한다.
• 생산 설비를 양호한 상태로 유지
• 서비스를 수행하기 위한 프로그램 개발
• 양질의 작업 수행
• 향후 작업에 대한 예상과 준비
• 지속적인 개선 달성
또한 이러한 책임에는 예방 유지보수, 예측 유지보수와 더 많은 원칙들이 포함된다.
예방 유지보수 (Preventive maintenance)
예방 유지보수에는 서비스계약, 검사, 청소 활동, 테스트, 윤활노력 및 예정된 종료서비스가 포함될 수 있다. 검사는 서비스에서 가장 중요한 활동이다.
존: 검사는 시간 낭비처럼 보이며, 그것은 우리를 이전 세기의 시작점으로 되돌려 놓는다. “안타깝게도 이 검사에 적합한 대상은 아니다. 우리의 눈은 프로세스 현장 장치 내부를 들여다 볼 수가 없다.
존: 눈에 띄는 요소의 소형화 및 증가로 인해 육안 검사는 상당히 제한적이다. 지난 세기 초에는, 센서와 액추에이터의 모든 부분을 볼 수 있었다. 검사 프로세스에 차이가 있기 때문에 오늘날과는 다르다.
존: 프로세스에서 더 많은 가시성을 확보하면 도움이 될 수 있다.
예측 유지보수 (Predictive maintenance)
예측 유지보수에는 진동 분석, 충격 펄스 방법, 초음파, 열 화상 분석 등이 포함되어 보다 정확한 개입을 허용하기 위해 상태 변화를 모니터링하고 감지할 수 있다.
존: “측정 장치에 서비스가 필요할 수 있는 시기를 미리 예상하고 싶다.”
설비를 구성하는 센서, 액추에이터의 수는 항상 많고 점점 더 디지털로 바뀌고 있으며, 블랙박스처럼 보인다. 기술자의 가시성이 높을수록 설치의 성능을 개발하고 개선하는 데 더 많은 자유와 시간이 필요하다. 플랜트에서의 어두운 수준은 사람의 눈에 비해 너무 높아 가동중단시간이 플랜트 문 앞에 대기하고 있는 듯 하다.
다운타임
존: 모든 것이 통제되고 있다고 생각할 때 다운타임이 갑자기 발생한다. 다운타임은 단어 자체로는 매우 짧은 생산 중단이지만 실제로는 시간과 비용 및 에너지가 매우 많이 요구된다. 가동중지 시간의 원인은 다양하지만, 사실 그 원인이란 아주 사소한 바람직하지 않은 이벤트에서 생긴다.
다운타임과 연쇄 반응
예를 들어 화학 공정에서 발생하는 연쇄적 반응은 요소가 서로 다른 것에서 영향을 미치는 경우이다. 산업에는 서로 영향을 주고 정보를 교환하는 많은 시스템, 센서 및 액추에이터가 있다. 이러한 맥락에서 바람직하지 않은 반응의 순서에서 발생할 수 있다. 센서 또는 액추에이터가 기본 모드가 되어 잘못된 정보를 전달하면 시스템을 흡수하여 생산 프로세스를 계속할 수 있다. 이것을 현장 기술자에게 즉시 알려야 한다. 그렇지 않으면 설치가 늦어져 손상이 될 수 있다. 또한 하나 이상의 센서 또는 액추에이터가 기본값으로 설정되면 시스템은 연쇄 반응을 일으킬 수 있는 조건에 도달하며, 이는 설치 중단으로 이어질 가능성이 크다.
요점은 가동 중지 시간이 발생하는 재무 비용이다.
• 시간 비용
• 결함이 있는 장비의 수리 또는 교체 비용
• 청소 비용
• 장비고장으로 인한 문제 해결 및 여기서 발생하는 작업자의 부상 비용
가동 중지 시간을 최소화하기 위해서는 현장의 생존에 필수적 사항들이다.
두 번째 측면은 더 심리적인 것이다. 가동 중지 시간은 팀의 실패로 간주되며 구성 및 유지 관리가 불가능한 결과이다.
John은 다음을 기억한다. ”현장 기술자로 시작했을 때 다운 타임이 오늘날보다 더 일반적이었다. 오늘날 기술자들은 스트레스를 받는 심리적 상태에 놓이기 때문에 가동중지 시간이 더 이상 허용되지 않는다. 가시성이 높을수록 더 효율적일 수 있다.”
가시성과 진단 기능
가시성과 진단 기능은 연결되어 있으며 현장 기술자가 주요 목표를 유지하는 데 도움이 될 것이다. 생산운영자가 생산 결과목표를 달성 할 수 있는 상태로 시스템을 설치한다. 과거에는 공장의 가시성이 순전히 시각적이었는데, 오늘날 IIoT개발과 함께 가시성은 적절한 시점에 올바른 정보를 제공 할 수 있는 필드센서기능을 보유하며, 모든 사람은 진단의 의미를 알고 있고 가장 좋은 예로는 의학적 진단결과이다. 의료진단은 어떤 질병이나 그 상태가 사람의 증상과 징후를 설명 하는지 결정한다.
존: 4~20mA 아날로그의 출력도 상태를 제공한다. 즉, 장치가 작동 중이거나 장치를 교체해야 한다는 의미. 아날로그 트랜스미터 출력이 20mA 이상 또는 4mA 미만으로 정의 된 수준으로 가고 시스템이 경보를 트리거 한다. 알람이 발생하면 이미 너무 늦은 거다. 보다 자세한 정보는 중요한 상황을 피하는 데 도움이 될 수 있다.
350은 지능형 장치가 생성 할 수 있는 상태 정보의 숫자이다. 수량 대 품질은 각 개발자의 생각을 넘어서는 첫 번째 아이디어이다. 잇점을 얻으려면 정보의 양을 관리하고 표준화 해야 한다. 또한 지능형 장치는 여러 가지 방식으로 고장이 나거나 성능이 저하되어 수백 또는 수천 개의 서로 다른 진단 오류코드가 발생할 수 있다.
스티븐은 생산 성능을 담당하고 있으며 입력기반 제품을 변환하여 정해진 시간기준으로 상용 제품을 출력하고 있다고 예상하자.
스티븐 : 내 모니터링 화면에는 항상 더 많은 정보가 있다. 간단한 메시지가 필요하다. 자세한 내용은 필요하지 않다. 작업자는 필드장치의 측정이 유효한지 알아야 한다. 운영자와 현장 기술자는 동일한 요구 사항이 없다. 현장 기술자에게는 프로세스 운영자보다 더 자세한 정보가 필요하다. 둘 다 현장 장치의 표준화와 매핑 된 피드백이 필요하다.
Namur NE 107에 따른 진단이란 무엇인가?
작업자는 플랜트에 문제가 발생하면 짧은 시간 내에 현장 기술자에게 알려야 한다. 이 중요한 정보 전송을 위해서는 표준화 된 방법이 필요하다. 또한 현장 기술자의 관점에서 예상되는 원인과 권장 조치가 포함 된 상태 정보를 알 수가 있다. NE 107은 플랜트를 비추어주고 작업자와 현장 기술자를 어둠으로부터 격리시켜준다. NAMUR NE 107은 모든 종류의 장치에서 상태 신호를 조화시킨다.
NAMUR NE 107은 작업자와 현장 기술자의 관점에서 요구 사항을 충족시키는 이상적인 선택이다. NE 107에는 내부자가 진단이 문제를 감지 할 때 알람을 전달하기 위해 내부 변수를 지속적으로 모니터링 한다. 열화 감지의 조기경고 결과는 현장기술자에게는 귀중한 정보를 제공하고 일일 유지보수 및 처리 계획을 세우는 데 도움이 된다.
NE 107은 작업자와 현장 기술자 간의 완벽한 가교이다. NE 107 구조를 통한 진단은 가동중지 시간을 피하고 플랜트 성능을 향상시킨다. 한 가지 개요에서 모든 상태 정보를 사용할 수 있다. 운전자 스티븐의 경우: 매우 이해하기 쉬운 설명이지만 어떻게 처리해야 하나?
아래 표는 스티븐이 자신에게 묻는 매우 합법적인 질문에 대한 답변이다. NE 107은 매우 인기가 있어 설명하는 것을 잠시 잊었다.
NE 107 정보 표시는 정보의 일부이다. 또한 올바른 설명, 데이터 매핑 및 구제책은 현장 기술자와 운영자가 원하는 기능이다. 매핑은 필드 센서 정보를 NE 107 상태 신호와 연결하는 작업이다. Proline Promag P 300 EtherNet/IP 사용 설명서는 Endress+ Hauser가 몇 가지 진단설명을 갖고 있다.
실제로, 현장 기술자는 항상 공장에서 시간을 덜 보내고, 특히 문제를 해결할 때 자기 통제가 필요 이상으로 필요하다. NE107은 작업자가 프로세스를 지속적으로 실행하고 감독하는 데 도움이 된다. NE107은 유지보수 담당자가 예약 된 상태에서 유지보수 활동을 수행하고 문제를 해결함으로써 플랜트가 계속 가동되도록 한다(예: 현장장치). 그러나 프로세스의 두뇌와 이를 구현하는 역할은 응용 프로그램의 프로그래머이다.
Namur NE 107을 구현하는 방법은?
작업자, 현장 기술자 및 응용 프로그램의 프로그래머 간의 통신이 좋을수록 플랜트 성능이 향상된다. 운영자의 요구는 기술자의 요구와 다르다. 스탠리의 응용 프로그램-프로그래머는 고객 만족의 열쇠이므로 이를 염두에 두어야 한다. 존/스티븐/스탠리 등은 올바른 응용 프로그램을 개발하기 위한 최상의 커뮤니케이션 프로세스를 찾아야 한다. 진단의 구현은 프로세스 구현보다 우선 순위가 낮다.
Stanley의 경우: 나의 구현작업 계획에서의 진단 구현을 최우선 과제로 삼고 있다. 신속하고 즉시 사용할 수 있어야 한다. 스탠리를 돕기 위해 NE107 구현은 확실하고 쉽고 표준화를 해야 한다. 프로세스산업 기술위원회(SIG=Special Interested Group)에서 개발 한 프로세스장치 진단 객체는 스탠리에게 필요한 표준화 된 구조를 제공한다. 속성과 메소드(방법)는 NE107을 구현하는 방법을 표준화하고 커널 기능에 더 많은 시간을 허용한다. 스탠리의 커널 기능은 진단 디스플레이를 고객 사양에 맞게 조정하는 것이다. 유지 보수 필요 상태 외에, 예를 들어 장애 상태 및 더 많은 현장 기술자와 함께 운전자 중심적 일 수 있다.
스탠리: 구조적이고 사용하기 쉬운 프로세스 장치 진단 객체는 구현 속도를 확실히 가속화 해야한다. 진단을 표시하는 방법에 더 집중할 수 있다. 과거에는 진단 식별에 80 %를, 진단 디스플레이에 20%를 썼지 만, 현재는 프로세스 장치진단 객체와는 정반대이다. 진단 데이터 수집 문제는 모든 공급업체의 현장장치에 대한 현재 진단 정보에 액세스 할 수 있는 프로세스 장치진단 객체를 통해 해결된다. 스탠리가 프로세스 장치 진단 객체를 사용하여 제어 시스템을 수행하는 방법을 이해하도록 하겠다.
각 공통산업프로토콜(CIP) 객체와 마찬가지로 프로세스장치 진단 객체에는 클래스코드(이 경우 0 x 108), 클래스 속성, 인스턴스 속성, 공통 서비스 및 특정 서비스가 있다. 스탠리의 첫 번째 목표는 필드장치의 글로벌 상태를 얻는 것이다. 글로벌 상태는 생성 된 모든 항목의 논리적 조합이다. 필드장치의 선택된 채널에 대해 선택된 요소의 상태를 얻을 수 있는 가능성은 장치진단객체에서도 제공된다. 진단은 숨겨 지거나 도달 할 수 없는 데이터가 아니다. 스탠리는 이 정보를 장치진단 객체와 함께 읽을 수도 있다. Device Diagnostics Object의 전체 구조는 아래 그림2에 설명되어 있다. 진단정보관리의 프로세스산업기술위원회(SIG=Special Interested는 매우 중요한 역할을 한다.
스탠리는 필드장치의 요소가 채널임을 이해한다. 온도 센서의 온도 채널과 같은 채널, 스탠리는 인스턴스 개념 뒤에 무엇이 있는지 알고 싶어한다. 유량센서의 EDS파일은 최대 300개의 진단 이벤트를 가질 수 있다. 스탠리는 이러한 진단 이벤트를 가져다 매핑을 했다. 이 진단 매핑은 EDS 파일에서 진단이벤트를 연결하고 NE107 진단으로 변환하는 데 많은 시간이 소요되었다. 진단 객체를 사용하면 이러한 진단 이벤트가 인스턴스로 표현되고 구조화된다. 진단 객체에는 두 가지 유형의 인스턴스가 정의되어 있다(그림 4). 장치 프로파일 객체에 지정된 프로파일 진단 인스턴스는 스탠리가 모든 공급 업체의 동일한 데이터 구조를 따르도록 보장한다.
• 공급 업체가 지정한 공급 업체 진단 인스턴스 보다 구체적인 진단 이벤트가 있는 공급업체는 벤더 진단 인스턴스에 자유롭게 추가 할 수가 있다.
스탠리는 또한 유저 Diagnostic 그룹이라는 특수 속성진단 코드를 다시 매핑해야한다. 이 진단기능은 유용한 사용 사례를 위해 진단 객체에서 사용할 수 있다. (그림 5).
예를 들어 스탠리는 범위 초과를 매핑 할 수 있다. 진단객체 구조를 이렇게 예를 들어 자세히 설명을 해 주어 감사를 표하며 어떤 유형의 속성을 사용할 수 있는지? 명확하게 설명해 줄 수가 있는지? 진단 오브젝트에서는 두 가지 유형의 속성, 클래스 속성 및 인스턴스 속성을 사용할 수가 있다. 클라스 속성은 전영역의 정보를 제공하며, 스탠리에 표시되는 첫 번째 정보는 전영역상태다(그림2). 인스턴스 속성은 진단 이벤트를 지정하는 구조이다.
그림 3에 따르면 진단 이벤트 F022는 진단코드: 022 및 상태 신호: F(NE107 표준 관련 실패)를 갖는다.
스탠리는 또한 인스턴스를 활성화 내지 재 활성화하거나 진단을 활성화 또는 비활성화하기 위해 일반 현장기술자의 언어로도 사용할 수 있다. 스탠리는 진단시간 소요정보 및 “온도 센서 결함”과 같은 추가 진단 메시지를 읽고 스티븐에게 더 명확한 유연성을 제공 할 수 있다. 스탠리는 모든 인스턴스(모든 진단 이벤트)를 스캔 할 수가 있다. 스탠리의 목적이 공급업체 진단을 읽는 것이라면 첫 번째 단계는 공급업체 진단의 크기로 올바른 버퍼 크기를 정의하는 것이다. 그런 다음 Get_Attributes_All 서비스를 사용하여 특정 공급업체 진단을 받아야 한다. 자세한 내용은 2019 년 11 월 발표한 프로세스 장치진단 객체에서 Volume 1의 Edition 3.27에서 볼 수가 있다.
스탠리: “이 장치 진단 객체에 대한 설명을 마치고 나면 응용 프로그램을 개발할 수 있는 올바른 구조를 갖추게 될 것이다. 진단 구현은 더 이상 문제가 되지 않는다. NE107 및 프로세스 통합 도구를 기반으로 하여 프로세스 장치 진단객체를 갖춘 응용 프로그램의 프로그래머는 고객이 적절하고도 효율적인 시간 내에 진단 디스플레이 요구 사항에 응답 할 수 있다고 본다.
우리는 무엇을 가지고 갈 수 있는가?
오늘날 서비스 지속성은 모든 산업분야의 토론의 중심에 있다. 경제의 압력은 20년 전보다 높다. 공장은 매개변수 목록으로 표시되며 모두 녹색이어야 한다. 이러한 지속적인 성능검색은 스트레스의 원천이 될 수 있다. 프로세스 장치 진단객체의 구현은 플랜트 현장과 존, 스티븐 및 스탠리와 같은 다양한 이해 관계자들을 건강한 상태로 유지하는데 있다. 프로세스산업 기술위원회의 목표는 고객을 지원하고 암흑의 시대에서 벗어나 자유를 돌려주려는 것이다.
/참조/
Diagnostics means customer freedom,
Michael Voegel, Marketing Manager Industrial Communication, Endress and Hauser Digital Solution,
2020 ODVA Industry Conference
