글_ 스티브 폴스(STEVE FALES), Ethernet-APL 디렉터
제공_ I. Y. Cho, ODVA ACTIVITY MANAGER
인더스트리4.0(Industry 4.0)과 결합된 경쟁력 및 비용에 따른 압력으로 인해 프로세스 계장 자동화 장치, 에지(Edge) 및 클라우드(Cloud)를 통한 장치의 정밀상태, 정밀운영, 정밀분석 및 정밀예측, 유지 관리가 그 어느 때 보다 중요해졌다. 이 프로세스 계장 산업은 이더넷-APL(ethernet-apl; advanced physical layer)을 통해 현장 계측제어를 위한 온도, 압력, 유량, 레벨, 중량 등의 센서 및 계측제어 관련 각종 액추에이터, 트랜스미터, 모니터, 대시보드, 프로세스 컨트롤러, PLC(프로그램가능컨트롤러), DCS(분산제어시스템) 등에 연결하는 대대적인 변화를 가져올 조짐이다. 모든 산업계의 프로세스 계장 분야에 큰 변화가 불가피하다.
높은 고정 플랜트 비용과 함께 중요한 인프라 역할에의해 구동되는 프로세스계장 산업의 신뢰성, 보안 및 안전 요구사항은 대부분의 다른 산업부문 보다도 훨씬전인 1960년 전기신호 4-20mA와 1940년 공기압신호 0.2~1,0Kg/cm2 신호와 같은 신뢰할 수 있고 입증된 IEC 국제통일 신호 및 제어 기술로 현재까지 한국 및 전세계의 공장들에서 필드버스와 함께 널리 사용되고있다.
이런 방법들의 단점 중 하나는 현장장치, 시운전에 몇 초의 빠른 속도가 아닌 몇 분 정도의 늦은시간이 걸리게 되며 중요한 프로세스 변수를 넘어서는 제한된 양의 프로세스 및 진단정보 만 전송되는 경우가 있다는 것이다. 정밀하지 못하다는 것이다.
프로세스 필드버스(Process fieldbus) 솔루션은 잠재적인 장치 상태와 원격 시운전의 가능성을 제공해 왔다. 그러나 교육, 유지 보수, 신뢰성 및 상호운용성에 대한 우려로 인해 대규모로 채택되지 못했다. 또한, 전반적인 산업의 변화에 대해서 매우 제한적이며 다양한 필드버스 표준이라는 다중 표준으로 인해 난맥상을 보여왔다. 그러나 다행히도 최종 사용자에게는 큰 이점을 제공해 왔다.
인더스트리 4.0을 통한 기술발전과 결합된 경쟁 및 비용 압박으로 인해 장치(Equipment), 에지(Edge) 및 클라우드(Cloud)를 통한 비용의 획기적인 절감과 정교한 장치상태의 파악, 정밀 운영분석 및 정밀예측 유지관리의 스마트화가 그 어느 때보다 필요한 중요문제로 대두되기 시작한 것이다. 프로세스 계장 산업은 세계적으로 이를 극복할 큰 변화를 준비해 왔으며, 2022년 단일 프로세스 계장 IEC 국제표준으로 발표될 이더넷-APL을 공동 출시하면서 프로세스 현장 계측제어 장치에 이제는 이더넷-APL을 직접 연결할 때가 됐다.
이더넷-APL의 개요
이더넷-APL은 싱글 페어 이더넷(SPE; IEEE 802.3cg-2019, 10BASE-T1L) Cable, 엔지니어링 전력, 본질 안전 방폭(IEC 60079, 2-WISE), 유형 A 필드버스 케이블(IEC 61158-2)의 조합이다. 그 결과, 이더넷-APL은 트렁크 길이당 최대 1,000m의 장거리 케이블, 전력 인프라 및 석유화학공장 등과 같은 모든 클래스 1 위험지역(Hazardous area) 및 부서에 본질 안전 방폭에 대한 프로세스 계장 산업계의 요구를 충족시킬 목적으로 탄생했다.
본질 안전 방폭을 정의하는 2-WISE를 사용하면 다른 계산없이 본질 안전 방폭을 검증하기 위한 간단한 단계를 수행할 수 있다. 10BASE-T1L은 10Mbit/s에서 속도를 크게 늘릴 수 있다. 이더넷-APL은 물리계층일 뿐이기 때문에 최종 사용자가 선도적인 산업자동화 표준기관에서 IEC 61508 및 ISA/IEC 62443에 기반한 표준 안전 및 보안 서비스에 액세스할 수 있도록 허용한다. 또한 이더넷-APL은 EtherNet/IP ,HART-IP, OPC UA, PROFINET 또는 기타 상위수준의 네트워크 프로토콜에 대한 지원도 가능하다. 요약하면, 이더넷-APL을 통해 이더넷은 현장 계측에서 플랜트 프로세스 계장 자동화 시스템으로 원활하게 확장하여 더 높은 수준의 엔터프라이즈 리소스 계획 시스템 및 클라우드 환경으로 확장하여 불필요한 게이트웨이의 숫자를 많이 줄일 수 있다.
이더넷-APL 기술 출시
‘APL 프로젝트’는 표준개발 조직인 FieldComm Group, ODVA, OPC UA, PI(PROFIBUS & PROFINET International) 등의 세계 4대 SDO와 12개 주요 산업 프로세스 계장 프로젝트의 공동회원사(ABB, EMERSON, Endress+Huser, KROHNE, PEPPERL+FUCHS, PHOENIX CONTACT, ROCKWELL AUTOMATION, SAMSON, SIMENS, STAHL, VEGA, YOKOGAWA)로 구성된다. 3년간의 성공적인 공동협력 끝에 이더넷-APL 프로젝트는 2021년 6월 15일 독일의 ACHEMA 펄스 디지털 박람회에서 이더넷-APL 기술을 출시했다. 기술 출시에는 사양(Spec), 엔지니어링 지침(ENG Manual), 적합성 테스트 계획(Conformance Test Plan)의 출시가 포함되었다. 또한 방폭 위험 지역 보호 및 표준화된 제품의 마킹없이 여러 전력레벨에 대한 이더넷-APL 개념을 만드는 정의된 포트프로파일(Port Profile)도 포함된다. 다음 단계에는 일부 공급업체에서 사용할 수 있는 초기제품을 보유한 회사에서 현장 프로세스계장 장치를 출시하는 것이 포함된다. 이더넷-APL의 가치는 ACHEMA 전시회 기간 동안 다양한 프로세스계장제품 공급업체와 산업 프로토콜에 대한 참여를 보여주는 멀티벤더 데모를 통해 (독일 BASF 공장에 적용 후) 입증되었다. 이로써 최종 사용자에게 제공하는 옵션과 상호운용성(Interoperability)을 확보했다.
이더넷-APL을 위한 다음 단계
제약, 식음료 같은 하이브리드 산업은 현장 프로세스 계장 장치가 장거리 케이블 길이를 필요로 하거나 위험한 환경에 있는 경우를 위해 현장 프로세스 계측제어 장치의 현저하게 향상된 데이터의 가시성을 활용하는 이더넷-APL 기술이 얼리 어답터가 될 가능성이 높다. 기술 시연요원, 산업 운전요원 및 내부 테스트를 통해 개념이 입증되면 전통적인 프로세스 계장 산업은 채택을 서둘러야 자사에 이득을 보태줄 가능성이 크다. 프로세스 계장의 최종-사용자는 빠르게 증가된 속도로 인해 고급 정밀분석 예측 유지관리 및 향상된 운영관리를 스마트기술 채택으로 가장 큰 가치를 창출하게 될 것이다. 1,000m의 장거리 케이블 길이와 본질 안전 방폭기능을 통해 이더넷이 표준 현장 프로세스 계장 장치의 솔루션이 되는 것이다. 또한 유저(USER]) 회사는 이더넷-APL에 대한 + / – 20 옴(Ohm) 허용 오차로 100옴(Ohm)의 저항기준을 충족하는 기존에 설치된 Type A 필드버스(fieldbus) 케이블을 잠재적으로 재사용할 수 있도록 설계되었다. 유형 A 필드버스 케이블을 재사용하고 동일한 케이블에서 전력과 통신을 동시에 공급을 받을 수 있는 획기적인 기술인 SPE(Single Pair Ethernet) 케이블 기술은 기존의 전원선과 인터넷선이 분리되어 공급하는 것을 막기 위해 동축 장거리 케이블(1,000m)에 전원/인터넷을 동시에 사용할 수 있는 경제적 기술이다. 동시에 이 기술의 장점은 기존의 필드버스 케이블로도 호환이 되도록 제정되어 기존의 필드버스 케이블을 걷어내지 않고도 그대로 연장이 가능한 장점을 갖도록 개발했다. 따라서 현장에 포설할 케이블 자재 비용과 케이블 설치 비용의 절감 혜택을 누릴 수 있다.
ODVA의 EtherNet/IP 및 이더넷-APL 관계
EtherNet/IP 통신 네트워크는 프로세스 계장 플랜트에서 이더넷-APL의 물리계층을 활용한다. 이는 TCP/IP, HTTP, FTP, SNMP 및 DHCP를 포함한 상업적 기반의 산업 계측 제어 하드웨어, 개체 지향 기반 및 표준 인터넷 프로토콜 호환성의 장점을 실현할 수 있다. EtherNet/IP를 지원하는 최초의 이더넷-APL 인프라 및 현장장치는 2021년 출시되었다. EtherNet/IP에 대한 지속적인 개선사항은 디스크리트, 하이브리드 및 프로세스 계장 애플리케이션 전반에 걸친 향후 산업 통신 및 제어 요구를 충족하기 위해 계획되고 진행중이다. 최근 EtherNet/IP 프로세스 계장 기술 향상에는 NE107 진단, HART 통합, IO-Link 통합 및 디바이스 장치 설명 향상 기능이 포함된다.
EtherNet/IP를 사용하면 NAMUR NE 107 진단정보를 DCS로 쉽게 전송하여 운영자의 검토를 위해 또는 예측 유지관리를 위한 에지(Edge) 장치 매핑으로 쉽게 전송된다. HART와 EtherNet/IP장치와 IO-Link 및 EtherNet/IP 장치 간에 가능한 것보다 훨씬 더 나은 프로세 계장 자동화에서 EtherNet/IP를 광범위하게 사용하여 원활한 정보공유를 통해 보다 효율적이고 상호연결된 인프라를 구축할 수 있다. ODVA는 프로세스 자산 관리도구에 대한 통합을 간소화하기 위해 FDT, FDI 및 xDS를 포함한 차세대 디지털화 된 장치 설명 파일로 EtherNet/IP의 생태계를 지속적으로 확장하고 있다. 장치 설명 노력의 최종의 목표는 장치정보에 대한 표준, 견고하고 상세한 설명을 제공하고, 안전한 장치설명의 팩트를 구현시키고, 인더스트리 4.0 및 산업용사물인터넷(IIoT)이 주도하는 미래를 준비하고 있다. IEEE 이더넷 표준규정 준수는 사용자에게 네트워크 인터페이스 속도(예: 10, 100 Mbit/s, 1Gbit/s이상, 구리, 섬유, 섬유 링 및 무선, 스타, 선형 및 링을 포함한 토폴로지)를 포함한 설치 옵션을 제공한다. EtherNet/IP는 CIP 안전™, CIP 보안 장치 방어™, 병렬 중복 프로토콜(PRP) 및 장치 레벨 링(DLR)을 통해 기능적 안전성을 지원하고있다. ODVA는 EtherNet/IP가 인더스트리 4.0 및 IIoT의 모든 요구 사항을 충족하고 보장하기 위해 최선을 다하고 있다.
EtherNet/IP는 멀티 벤더끼리 상호운용 가능하고, 표준화되고 입증된 산업자동화 네트워크이다. 프로세스 별 향상과 함께 EtherNet/IP는 네트워크 및 장치 상태 모니터링, 보안 및 안전성과 원격 장치구성을 위한 프로세스 계장 자동화기술 내에서 EtherNet/IP의 이점을 활용할 수 있다.
최종 사용자를 위한 이더넷-APL의 가치
이더넷-APL은 프로세스 계장 자동화에서 산업용 이더넷을 광범위하게 사용할 수 있도록 기회를 제공할 것이다. 이제 프로세스 최종 사용자는 이더넷-APL을 장거리 계측 제어 현장장치, 본질안전 방폭성 및 응용계층의 산업 프로토콜 지원을 위한 단일 표준 이더넷 물리계층으로 활용하여 기존 솔루션의 안전보안 및 사용의 편의성을 유지하면서 생산을 최적화할 수 있다. 또한 게이트웨이의 사용량이 대폭으로 줄어 경제적 이윤추구에 한몫을 유저에게 제공한다. 적합성 테스트 제품은 프로세스 계장 플랜트의 현장 혁명에 이더넷의 시작을 가능하게 하기 위해 곧 출시될 예정이다. 이더넷-APL은 향상된 원격 시운전, 자산관리, 제어, 분석 및 진단/예후를 포함한 새로운 가능성을 제공하여 이 새로운 기술의 채택을 촉진하는 데 도움을 준다. NAMUR 오픈 아키텍처(NOA)의 두 번째 채널을 활성화하는 것을 포함하여 프로세스 계장 산업의 요구사항을 충족해야 한다는 점을 감안할 때 이더넷-APL이 프로세스 계장 자동화의 미래라고 말하는 것은 전혀 과장된 말이 아니다.
위험 지역인 프로세스 계장에서의 고속 이더넷 구현
이더넷-APL 표준이 완료되고, 각 벤더사별 제품 발표가 진행 중이다. 프로세스 계장 산업을 위한 2 와이어, 10Mbit/s 이더넷 기술 사양, 테스트 표준 및 2 와이어 이더넷 물리계층 구성 요소를 포함한 10가지 이더넷-APL의 이점을 확인하여 3년간의 작업 끝에 제공되는 위험한 프로세스 계장 환경에서 고속 통신 현장 계측기기의 배포가 가능해졌다. 마크 T. 호스케 씨에 의해 2021년 6월 15일 추진된 공정 제조 산업을 위한 2선, 본질 안전 방폭으로 안전한 물리계층인 10Mbit/s 이더넷-APL 표준의 선도적인 표준 개발조직과 12개의 주요 프로세스 계장기기 공급업체간의 3년 여간의 협력개발 후 현재 완료 공정 시점에 도달했다. 2022에 곧 완료마감될 예정이다. 이제 이더넷-APL 표준기술의 사양서, 테스트 표준 및 2 와이어 이더넷 물리계층 구성요소가 사용될 것이다. 이는 위험한 지역인 프로세스 계장 자동화 환경에서 고속통신이 가능한 새로운 현장 계측기기의 배포가 시작 될 것임을 의미한다.
(참조). 이더넷-APL조직 소개 및 프로젝트 참여자
국제표준개발기구(SDO)인 FieldComm Goup, ODVA, OPC UA 및 PI(Profibus & Profinet International)와 12 개의 주요 산업 프로젝트 파트너는 ‘APL 프로젝트’에서 3년 동안 현장 계측을 위한 새로운 물리계층 솔루션(SPE)을 개발했다. APL 프로젝트의 사양서, 엔지니어링 지침 및 적합성 테스트 계획이 발표되면 최종 사용자는 프로세스 계장 주요 공급업체의 구성 요소를 공급받을 수 있다. 현재 일부 공급업체에서 이미 만든 제품을 구매하여 사용 한다면 유저가 사용할 수 있는 첫 번째 제품이 될 것이다. 2021년 6월 15일 독일 프랑크푸르트 AKEMA 전시회에서 이더넷-APL 세부 정보를 공개했다.
세계적 표준개발기구(SDO)의 대표기관의 공동회의 주요 참가자 대표 사장단에는 아래의 인사들이 참여했다.
- 조르그 헤이니체, 엔드레스+하우저 혁신 디렉터
- Adrienne Meyer, ODVA 부사장 (ODVA의 조직운영 및 회원관리 담당 부사장)
- 베이도운 박사, ODVA 사장 겸 전무이사
- 스테판 홉페, OPC UA 사장 겸 전무이사
- 테드 마스터스, FieldComm Group 사장 겸 CEO
- 카스텐 슈나이더, PI(Profibus & Profinet International) 회장
(참조). 4대 표준 SDO 조직
- FieldComm Group
필드컴 그룹(FieldComm Group)은 프로세스 최종 사용자, 제조업체, 대학 및 연구 조직을 기반으로 한 글로벌 표준 기반 조직으로, 새롭고 중복 되는 기술의 개발, 통합 및 구현을 지시하고 FieldComm Group FDI 기술의 원천역할을 한다. FieldComm 그룹의 사명은 디지털 장치를 자동화 시스템 아키텍처에 통합하는 동시에 FieldComm 그룹의 하트(HART) 및 재단 현장 통신 기술에 대한 프로세스 자동화 투자를 보호하는 글로벌 표준을 개발, 관리 및 홍보하는 것이다. 멤버십은 기술 사용에 관심이 있는 모든 사람에게 열려있다.
www.FieldCommgroup.org
- ODVA
ODVA는 자동화 공급업체의 구성원과 함께 하는 국제 표준 개발 및 무역 조직이다. ODVA의 사명은 산업 자동화를 위한 개방적이고 상호운용 가능한 정보 및 통신 기술을 발전시키는 것이다. 표준에는 공통산업 프로토콜(CIP) 또는 ODVA CIP, ODVA의 미디어 독립 네트워크 프로토콜, ODVA EtherNet/IP, DeviceNet 등을 포함한 산업 통신 기술이 포함된다. ODVA는 생산 시스템의 상호 운용성과 다른 시스템과의 통합을 위해 ODVA EtherNet/IP의 모범이 되는 기본 원칙으로 순수 상용 인터넷 및 이더넷 기술을 도입하는 것을 수용한다.
www.odva.org
- OPC UA
1996년부터 OPC UA는 OPC 정보 교환 표준의 개발 및 채택을 촉진해 왔다. 이러한 사양의 옹호자이자 관리인으로서 이 재단의 사명은 업계 공급업체, 최종 사용자 및 소프트웨어 개발자가 제조 및 자동화 자산의 상호 운용 성을 유지할 수 있도록 돕는 것이다. OPC UA는 임베디드 세계에서 엔터프라이즈 클라우드로 데이터와 정보를 이동하기 위한 멀티벤더, 멀티플랫폼, 안전하고 신뢰할 수 있는 상호 운용 성을 달성하기 위해 사양, 기술, 프로세스 및 인증을 제공하는 데 전념하고 있다. OPC UA는 산업 자동화, 정보 기술(IT), 사물인터넷(IoT), 산업용사물인터넷(IIoT), 기계간(M2M), 인더스트리 4.0 (Industrie 4.0), 빌딩 자동화, 공작기계, 제약, 석유화학, 스마트 에너지 부문에서 전 세계 815명 이상의 회원을 보유하고 있다.
www.opcfoundation.org
- PI(PROFIBUS & PROFINET International)
PI는 25개 지역 PI 협회로 대표되는 자동화 커뮤니티로, 모든 산업을 포괄하는 두 개의 산업 통신 프로토콜인 프로피넷(Profinet)과 프로피버스(Profibus)를 담당하고 있다. 공급 업체, 개발자, 시스템 통합자 및 최종 사용자의 PI의 글로벌 네트워크의 공통 관심사는 홍보, 지원 및 Profibus 및 Profinet를 사용토록 하는 것이다. 전 세계적으로 1,500개 이상의 회원 사가 자동화에 긴밀하게 협력하고 있다.
www.profibus.com
