[기고] 향후 프로세스 계장 & 자동화에 성장 잠재력이 큰 APL을 응용한 프로세스의 객체진단

  • 2020-04-06
  • 글/ ODVA TAG KOREA Activity Manager I. Y. Cho




2020년 3월 4일 수요일 미국 Florida의 Palm Harbor에서 개최된 2020 인더스트리 컨퍼런스 및 제20차 ODVA 연차총회에서 발표한 ‘진단은 고객의 자유를 의미한다(Diagnostics means customer freedom)’라는 글을 상기 제목으로 바꾸어 이번 호에 ODVA 특집으로 소개코자 한다. 이 글의 원래 발표자는 엔드레스 하우저(Endress+Hauser)의 디지털솔루션 마케팅 매니저 마이클 보겔(Michael Voegel)이다. 이 글의 소유권자는 ODVA이며 무단복제는 허가되지 않는다.

들어가며

현재 기술 시장에서 산업용 이더넷 프로토콜은 프로세스의 응답성 및 효율성 개선을 위한 산업사물인터넷(IIoT) 개념의 적용으로 더욱 더 중요해졌다.

ODVA가 개발한 CIP(Common Industrial Protocol)에 의해 EtherNet/IP는 프로세스 산업 조직의 연결성, 효율성, 확장성, 시간 및 비용 절감을 개선하여 IIoT의 응용에 크게 기여하고 있다. 프로세스 산업기술위원회(SIG: Special Interested Group)는 2019년 프로세스장치 진단객체를 ODVA의 공통 산업 프로토콜(CIP)에 추가했다.

장치의 현재진단 및 NE107 NAMUR(독일의 프로세스 자동화 유저그룹-표준단체)의 진단상태를 기반으로 자산제어(asset controlling) 및 모니터링시스템을 통해 프로세스 장치진단을 행하는 객체는 애플리케이션 프로그래머, 운영자 및 현장 기술자를 포함한 다양한 이해 관계자들에게 단순성 및 정밀성과 빠른 실행속도를 제공하고 있다.

“문제가 발생하기 전에 피하라”라는 말은 플랜트의 디렉터가 가질 수 있는 완벽한 유지보수 프로세스 시나리오를 말한다. 이 비전을이제부터 실현해 보기로 하자. 여기서 우리가 지적하는 백서(white paper) 즉, “Ethernet to the field”는 이더넷-고급물리 계층(APL: Advance Physical Layer)을 응용한 프로세스 객체 진단의 상세한 내용을 알아보자. 정확한 설명을 제공하고 APL의 탄생으로 인해 향후 프로세스 계장 분야는 물론 자동화 분야에 성장 잠재력이 커지고 있기에 지금 이 내용을 독자 여러분들과 함께 이해하고자 한다.

암흑기

태초에 인간에 의한 화재(fire)의 통제(control)는 인간 진화의 문화적인 측면에서만 보아왔다. 화재는 따뜻함, 사냥, 요리 음식, 보호 및 보안 개선의 원천성을 제공해 왔던 것이다. 옛날 인간은 해가 지는 즉시, 보안 문제를 겪게 된다. 어두워질 때마다 자신이 안전하지 않은 것을 보고도 이를 정확히 인식 못하는 낮은 지능을 보였던 것이다. 오늘날 수천년 동안 화재와 통제기술이 개발된 후에도 인간은 여전히 어두운 환경에서는 안전을 담보하지 못한다. 안전하지 못하다는 것은 다른 의미로 사람이 가진 소중한 것, 즉 자유를 의미할 수도 있다.

산업 환경은 사실 어두운 공간, 신비롭고 위험한 장소로 가득 차있는 것이 현실이다. 사람의 눈으로는 파이프 내부를 보거나 전자 카드의 상태를 전혀 알 수가 없다. 산업 환경은 인간을 암흑 시대로 몰아넣었고 종종 신비로운 사고 방식을 동반하기도 해왔다. 블랙박스라는 이름은 우연히 선택된 것이 아니다. 그것은 입력과 출력의 관점에서 논할 수 있는 데, 여전히 대다수의 사람들에겐 그것이 매우 기묘한 시스템인 것이다.

일부 산업설비는 블랙박스로 간주되기도 한다. 때로는 종교교단이 다양한 것처럼 그 비유로 무수히 많은 케이블 종류들과 문서가 없이 업데이트가 가능한 전기조작에 관한 계획(Electric operation plan) 등이 실제로 우리에게 대혼란을 유발할 수가 있다.

현장 기술자들의 경우 서비스 연속성에서 가장 높은 우선 순위를 갖는 위치에 있으므로 모든 불확실성 또는 미스터리를 최소화해야 한다. 가령 존(John)이란 사람이 현장의 기술자이고, 그가 현장에서 우리의 눈이면, 존은 가동 중지 시간이 발생하지 않도록 발전소를 안전한 상태로 계속 유지해야 한다. 공장에서 가동중지 시간이 발생하는 것은 존이 직면해야 하는 최악의 상황이며 이러한 상황을 피하기 위해 안간힘을 다 쏟는 것이다. 안전한 현장을 유지하도록 돕기 전에 존이 직면해야 하는 일상적인 과제를 더 깊이 이해하도록 해야 한다.

사람들이 현장에서 직면하는 문제란 무엇인가?

존이 보유한 광범위한 활동에는 자동화 프로젝트, 설치, 시운전, 문제해결, 교정 및 서비스가 포함되며, 이는 가장 많은 시간과 에너지 요구 중 하나다. 현재 프로세스 산업에서 존과 같은 현장 기술자는 광범위한 레퍼토리를 가지고 있으며 자동화와 관련하여 다양한 작업을 수행한다. 현장 기술자가 처리해야 하는 주요문제 중 하나는 다양한 활동이다. 현장에는 기술자의 수가 적고 전문성이 떨어지며 대부분의 포트폴리오와 여러 공급 업체를 처리해야 한다는 사실은 더 많은 훈련과 노력이 필요하다는 것을 의미한다.

마지막 글에서 기술했듯이 현장기술자의 주요목표는 설치되어 있는 기능상태를 그대로 유지하는 것이다. 프로세스를 계속 실행하고 가동중지 시간을 피해야 한다. 가동 중지시간을 피하기 위해존은 다음과 같은 효과적인 유지관리 원칙을 고수한다.

• 생산 설비를 양호한 상태로 유지
• 서비스를 수행하기 위한 프로그램 개발
• 양질의 작업수행
• 향후 작업을 예상하고 준비
• 지속적인 개선달성

또한 이러한 책임에는 예방유지보수, 예측유지보수 및 더 많은 원칙이 포함된다.

예방정비(Preventive maintenance):

예방정비에는 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.

예측정비(Predictive maintenance)

예측 유지 보수에는 진동 분석, 충격 펄스 방법, 초음파, 열화상 분석 등이 포함되어 있어 보다 정확한 개입을 허용하기 위해 상태 변화를 모니터링하고 감지 할 수 있다.

존: “측정 장치에 서비스가 필요할 수 있는 시기를 미리 예상하고 싶다.” 설비를 구성하는 센서, 액추에이터의 수는 항상 많고 더 디지털이며 블랙박스처럼 보인다. 기술자의 가시성이 높을수록 설치의 성능을 개발하고 개선하는 데 더 많은 자유와 시간이 필요하
다. 플랜트의 어두운 수준은 사람의 눈에 비해 너무 높아 가동 중단시간이 플랜트의 도어를 두드리게 할 수 있다.

다운타임(The downtime)

존: 모든 것이 통제되고 있다고 생각할 때 다운타임이 갑자기 발생한다. 다운타임은 정의상 매우 짧은 생산 중단이지만 실제로는 시간, 비용 및 에너지가 매우 많이 요구된다. 가동중지 시간의 원인은 많은데, 사실 이 원인이란 일련의 작고 바람직하지 않은 이벤트로부터 발생된다.

다운타임 및 연쇄적 반응

예를 들어 화학공정에서 발생하는 연쇄적 반응은 요소가 다른 요소 등에 영향을 미치는 경우이다. 그것은 원자로에서는 통제되고 핵무기로는 통제되지 않는 방식으로 발생한다. 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 기회가 있으며 설치 중단은 시간이 문제가 된다.

요점은 가동 중지 시간이 발생하는 재무 비용이다.

• 시간 비용
• 결함이 있는 장비의 수리 또는 교체 비용
• 청소비용
• 장비고장으로 인한 문제 해결 및 문제 해결 시 작업자의 부상비용.

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.

안전한 상태의 생산 공정

존은 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.”

가동 중지 시간을 피하기 위한 가시성

진단 없음, 가시성 없음


가시성과 진단 기능은 연결되어 있으며 현장 기술자가 주요 목표를 유지하는 데 도움이 될 것이다. 생산운영자가 생산 결과목표를 달성할 수 있는 상태로 시스템을 설치한다. 과거에는 공장의 가시성이 순전히 시각적이었는데, 오늘날 IIoT 개발과 함께 가시성은 적절한 시점에 올바른 정보를 제공할 수 있는 필드센서 기능을 보유하며, 모든 사람은 진단의 의미를 알고 있고 가장 좋은 예로는 의학적 진단결과이다. 의료진단은 어떤 질병이나 그 상태가 사람의 증상과 징후를 설명하는지 결정한다.

존: 4~20mA 아날로그의 출력도 상태를 제공한다. 즉, 장치가 작동 중이거나 장치를 교체해야 한다는 의미. 아날로그 트랜스미터 출력이 20mA 이상 또는 4mA 미만으로 정의된 수준으로 가고 시스템이 경보를 트리거한다. 알람이 발생하면 이미 너무 늦은 거다. 보다 자세한 정보는 중요한 상황을 피하는 데 도움이 될 수 있다.

350은 지능형 장치가 생성할 수 있는 상태 정보의 숫자이다. 수량 대 품질은 각 개발자의 생각을 넘어서는 첫 번째 아이디어이다. 이점을 얻으려면 정보의 양을 관리하고 표준화해야 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.

스탠리: 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 매핑된 피드백이 필요하다.

Namur NE 107에 따른 진단이란 무엇인가?

작업자는 플랜트에 문제가 발생하면 짧은 시간 내에 현장 기술자에게 알려야 한다. 이 중요한 정보 전송을 위해서는 표준화된 방법이 필요하다. 또한 현장 기술자의 관점에서 예상되는 원인과 권장 조치가 포함된 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 감지할 때 알람을 전달하기 위해 내부 변수를 지속적으로 모니터링한다. 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 진단 설명을 갖고 있다.



실제로, 현장 기술자는 항상 공장에서 시간을 덜 보내고, 특히 문제를 해결할 때 자기 통제가 필요 이상으로 필요하다. NE107은 작업자가 프로세스를 지속적으로 실행하고 감독하는데 도움이 된다. NE107은 유지보수 담당자가 예약된 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.

스탠리: 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 개발한 프로세스장치 진단 객체는 스탠리에게 필요한 표준화된 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 중심적일 수 있다.

스탠리: 구조적이고 사용하기 쉬운 프로세스 장치 진단 객체는 구현 속도를 확실히 가속화해야 한다. 진단을 표시하는 방법에 더 집중할 수 있다. 과거에는 진단 식별에 80%를, 진단 디스플레이에 20%를 썼지만, 현재는 프로세스 장치진단 객체와는 정반대이다. 진단 데이터 수집 문제는 모든 공급업체의 현장장치에 대한 현재 진단 정보에 액세스할 수 있는 프로세스 장치진단 객체를 통해 해결된다.

스탠리가 프로세스 장치 진단 객체를 사용하여 제어 시스템을 수행하는 방법을 이해하도록 하겠다. 각 공통산업프로토콜(CIP) 객체와 마찬가지로 프로세스 장치 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 생성된 모든 항목의 논리적 조합이다.

필드장치의 선택된 채널에 대해 선택된 요소의 상태를 얻을 수 있는 가능성은 장치진단객체에서도 제공된다. 진단은 숨겨지거나 도달할 수 없는 데이터가 아니다. 스탠리는 이 정보를 장치진단 객체와 함께 읽을 수도 있다. Device Diagnostics Object의 전체 구조는 그림 2에 설명되어 있다. 진단정보관리의 프로세스 산업기술위원회(SIG=Special Interested)는 매우 중요한 역할을 한다.



스탠리는 필드장치의 요소가 채널임을 이해한다. 온도 센서의 온도 채널과 같은 채널, 스탠리는 인스턴스 개념 뒤에 무엇이 있는지 알고 싶어 한다. 유량센서의 EDS 파일은 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 인스턴스보다
구체적인 진단 이벤트가 있는 공급업체는
벤더 진단 인스턴스에 자유롭게 추가할 수가 있다

스탠리는 또한 유저 Diagnostic 그룹이라는 특수 속성진단 코드를 다시 매핑해야 한다. 이 진단기능은 유용한 사용 사례를 위해 진단 객체에서 사용할 수 있다(그림 5).

예를 들어 스탠리는 범위 초과를 매핑할 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. 클래스 속성은 전영역의 정보를 제공하며, 스탠리에 표시되는 첫 번째 정보는 전영역 상태다(그림 2). 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 재활성화하거나 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 제공할 수 있다. 스탠리는 모든 인스턴스(모든 진단 이벤트)를 스캔할 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 2019년 11월 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 응답할 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 플랜트현장과 존(John), 스티븐(Steven) 및 스탠리(Stanley)와 같은 다양한 이해 관계자들을 건강한 상태로 유지하는데 있다.

프로세스산업 기술위원회(SIG=Special Interested Group)의 목표는 고객을 지원하고 암흑의 시대에서 벗어나 자유를 돌려주려는 것이다. 참여와 의견을 보내준 존(John), 스티븐(Steven) 및 스탠리(Stanley)에게 감사를 표한다.
 
참고 사항

여기에 표현된 아이디어, 의견 및 권장 사항은 ODVA 기술을 사용할 수 있는 저자의 개념을 설명하기 위한 것이며 ODVA 자체의 아이디어, 의견 및 권장 사항을 반영하지 않습니다. ODVA 기술은 여러 공급업체의 제품 및 시스템과 함께 다양한 상황에서 적용될 수 있으므로 독자와 ODVA 네트워크를 지정하는 책임자는 여기에 표시된 아이디어, 의견 및 권장 사항의 적합성을 스스로 결정해야 합니다. 저작권 ? 2020 ODVA, Inc. 판권 소유. 저자에 대한 적절한 귀속으로 이 자료의 발췌 내용을 복제 할 수 있는 권한을 얻으려면 ODVA에 문의하십시오.

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