용이한 채택/원활한 통합/간단한 설치/광폭의 범위/귀중한 데이터
 
10BASE-T1L을 이더넷-APL의 주력망으로 채택한 이유는?

4차 산업혁명과 스마트 팩토리 보급 확산으로 공장 자동화를 넘어선 공장 자율화를 실현하려는 노력이 이어지고 있다.

또한, 코로나19 팬데믹이 장기화됨에 따라 세계적으로 비대면 기조가 강화되어 원격 솔루션을 도입하려는 기업들이 늘고 있는 추세다. 자율 시스템과 원격 솔루션을 제대로 운영하기 위해서는 대량의 인터넷 데이터를 신뢰성있게 전달하는 통신 인프라 구축이 필수다. 최근 5G를 필두로 하는 무선통신 솔루션이 한국에서 꽃을 피우고 있으나, 아직은 신뢰성 측면에서 좋은 평가를 받고 있는 유선통신 솔루션이 산업현장에서는 더 많이 사용되고 있다.

이더넷-APL의 채택이 바로 그 중 하나이다. 세계 4대 SDO와 12개의 유수한 PROCESS 계장 메이커가 주축이 된 이더넷-APL공동 개발팀이 자연스레 조성이 된 이유이다. 그런데 여기에 사용되는 10BASET1L이 중요한 도구가 된다. 여기서 잠깐 이더넷의 역사(History)를 살펴보면 표 1과 같다.

10BASE-T1L이 여기에서 비롯되었기 때문이다. 10BASE-T1L에 대하여 조금 더 설명하려고 한다. 이더넷[인터넷 프로토콜]은 처음에 상대적으로 짧은 통신 거리(200m) 탓에 공장에서는 기피하고 사무실에서만 사용되고 있었다. 2019년 미국의 국제전기전자연구소 IEEE가 10BASE-T1L 이더넷 PHY[물리배선] 표준규격으로 승인 발표했다. 

이 통신망의 장점은 기존에 많이 보급된 필드버스 통신선과 크게 다르지 않아 그대로 함께 사용이 가능하다는 이점이 있으며 전송속도가 매우 빠르다[기존 HART 프로토콜의 1000배 속도]. 기존 필드버스[단거리]와 달리 현장과는 장거리[최대 1,000m길이] 통신선으로 연결되도록 개발. 물리계층에 기반을 갖고 있는 이더넷-APL 운용은 최적의 통신망이라 할 수 있다.

이 PHY[10BASE-T1L] 물리배선은 상호 운용성과 편의성을 가지고 있으며, 사용상 업그레이드도 가능한 장점이 있고 특히, 현장과 CCR 룸과의 높은 데이터 전송속도를 보유한 OSI 7Layer에서 물리계층에 있는 이더넷 PHY[10BASE-T1L배선] 물리배선이다. 이 통신망은 SPE(Single Pair Ethernet/단일쌍 이더넷) 동축 케이블로 차폐를 한 트위스티드 연선이며, 2 와이어로 되어있다.[그림 7, 9 참조]
 
10BASE-T1L은 10Mbps 전용라인이다. 10BASE-T1L은 PROCESS 계장 시스템의 원활한 에지-클라우드[Edge-Cloud] 연결이 가능하며 고급 데이터 분석 또한 가능하다. 매번 프로토콜의 변환을 요구하는 게이트웨이가 이제는 아예 필요가 없게 되었다. 게이트웨이를 쓰던 기존 방식에서 게이트웨이가 애당초 필요 없는 이더넷을 사용하기 때문이다. 게이트웨이 가격, 시공비 유지 보수비가 모두 제거되어 쓸데없는 자재비/전력비 소모가 제로[0]가 되는 시스템이다.

뿐만 아니라 10BASE-T1L의 이더넷 PHY 물리표준은 간단한 설치, 운전 중 장치의 교체, 빠른 네트워크 중에 시운전(커미셔닝)이 가능하고 계장공사시 케이블 포설비가 기존 구리선에 비해 엄청나게 절약되며 결과적으로 이것을 선택하여 건설하는 공장주에게는 건설 공기가 짧아지고 건설비가 대폭 줄어드니 양수겸장의 장점을 갖고 있다. 그뿐만 아니라 사고 발생 시 원인규명이 쉽다. A. Zone 0 영역에는 센서나 유량, 레벨, 압력 및 온도 액추에이터가 위험지역에 설치된다. 공정 자동화에서 센서와 액추에이터는 컨트롤러와는 장거리에 서로 떨어져 있다.

센서의 I/O와 CCR과의 거리가 최대 1,000m이므로 거리 때문에 문제가 되는 일은 전혀 없다. 10BASE T1L은 최대 200m까지 밖에 지원하지 못했던 기존의 사무용 이더넷 물리표준과는 현저히 다르게, Zone 0 애플리케이션에 사용하기에 매우 적합한 필드 장치를 최대 1,000m 거리 밖에서 제어할 수 있는 최적의 솔루션이다. 적은 전력으로 구동하는 ADIN1100은 6×6 40핀 LFCSP 타입 소형 패키지로 제공되며, 동작 온도범위는 μ40~+105°C까지 가능하므로 어떤 외부환경에도 견딜 수 있도록 만들었다.
 
그림 8은 공장의 공기식 신호와 [전기식+필드버스] 대비 이더넷 통신의 비교표이다. 여기서 과거[Past]를 좌측의 공기식 신호와 [전기식+필드버스]로 표기했고, 현재[Present] 또는 미래를 이더넷[Ethernet] 표기로 양분하였다. 그리고 세부 사항으로는 기술/매개체[Media]/계측[Measurement]/현장에서 데이터 액세스[Local access to data]/원격 데이터 액세스[Remote access to data] 등, 5개 항목을 비교한 도표이다.

여기서 공기식 신호의 매체는 공기[0.2~1.0Kg/Cm2]이고, 전기식 신호의 매체는 아날로그 값이며 4~20mA의 전기 신호다. 기타 기술로는 4~20mA+HART와 필드버스이다. 이 낡은 과거[Past] 기술을 청산하고, 현재[Present] 또는 미래기술로 이더넷[Ethernet]을 선택한 것이 그림 8의 의미이다.

현장에서 데이터를 액세스[Local access to data]하는 것과 원격 데이터 액세스[Remote access to data] 항목의 4~20 mA+HART에서는 게이트웨이[Gateway]가 반드시 필요하다. 게이트웨이가 필요한 기존의 아날로그 PROCESS 계장 시스템에는 게이트웨이 비용이 쓸데없이 많이 들어간다.

그러나 우측의 10BASE-T1L의 이더넷 PHY 물리배선을 사용하는 이더넷 통신은 한마디로 게이트웨이 자체가 아예 없다. 고로 게이트웨이 비용이 상당히 세이브가 된다. 또 측정 밸류는 필드버스와 마찬가지로 N개(무수히 많은 값)가 측정된다. 리모트 액세스는 무수한 데이터를 통합[Integrated]하는 수준으로 액세스가 가능하다는 얘기.

APL 프로젝트에 따른 이더넷-APL 기술개발 협정은 2018년에 체결되었으며 국제적으로 업계의 선도적인 표준개발 조직과 관련 기업들이 적극 후원하고 있다. 표준개발기구[SDO]로는 Field Comm 그룹, ODVA, OPC Foundation 및 PI[PROFIUS & PROINET International] 등으로 4개로 구성되어 있고 ABB, Emerson을 비롯한 주요 산업 프로세스계장메이커 및 자동화 공급업체인 Endress+Hauser, Krohne, Pepperl+Fuchs, Phoenix Contact, R. Stahl, Rockwell Automation, Samson, Siemens, Vega, Yokogawa 등 12개 메이커가 이 사업에 적극동참하고 있다.

4 SDO 및 12 주요 공급업체가 협력하게 된 주된 목적은 프로세스 계장 오토메이션 요건에 적합한 단일표준으로써 이더넷 고급물리계층[이더넷-APL]을 채택하였다. 이 목적을 달성하기 위해 프로젝트 멤버의 대표는 그간 테크놀로지의 기반이 되는 IEEE 및 IEC 규격의 강화에 힘써 왔다. 또한 PROCESS 계장 산업 특유의 사양에 적합화하기 위한 전원의 종류나 접속규약 등을 기록한 사양서인 포트-프로파일 개발에 대한 협력과 각 SDO의 관련 통신규격 및 가이드라인 문서를 작성하는 실질적인 워킹 그룹회의 참가도 그간 수시로 실시해 왔다.

이와 관련된 모든 규격 및 공동사양을 백서로서 최종화함으로써 사용자 및 벤더가 이 기술에 실질적으로 쉽게 접근할 수 있도록 빠르게 만들어 공개 발표했다. 프로세스 오토메이션에 속하는 주요 공급 업체와 주요 SDO의 협력과 더불어 폭넓게 사용되고 있는 기존 규격을 그 기반으로 하고 있으므로 “이더넷-APL” 단일표준은 전 세계 시장에 강력한 영향력을 미칠 것이다.

PROCESS 계장산업, 아날로그에서 디지털로

이더넷은, 이미 IEEE 802.3으로 규격화된 유선 디지털 통신 표준으로서 폭넓게 벤더들에게 받아들여지고 있다. 산업분야와 가정 등의 용도를 불문하고 폭넓게 채용되어 설치와 트러블 슈팅, 진단 등에 사용하는 에코 시스템으로써 표준도구로 널리 이용하고 있다. APL은 10BASE-T1L 및 확장 기능을 사용하여 까다로운 작동조건 및 공정 플랜트의 위험지역(Hazardous Area) 내에 설치하기 위한 견고한 2선 루프전원을 갖는 이더넷 물리계층이다. 프로세스 산업이 OT(Operation Technology)와 IT(Information Technology) 시스템의 수렴을 통해 이익을 얻을 수 있는 방식으로 현장의 계장장치를 이더넷 기반 시스템에 직접 연결한다.

인터넷 통신에서 주로 쓰는 스위치 아키텍처를 사용하여 동일한 네트워크에 연결된 장치들 간 원치 않는 간섭을 원천적으로 제거할 수가 있다. 여기에는 위 그림 1에 나와 있는 입증 된 트렁크 앤 스퍼 토폴로지(Trunk-and-spur topology)가 포함되어 있으며 각각 최대 500mW로 최대 50개의 필드장치에 전원을 공급할 수 있다. 향후 이더넷 연결의 이전(Migration)을 지원하기 위해 이미 기술이 확립된 케이블 인프라가 지정될 예정이다. 이것의 달성은 SPE(Single Pair Ethernet)가 담당하며 사양의 주요 기능은 표 2를 참조 바란다.
 
이더넷의 요구조건

오늘날 이더넷 물리계층은 PROCESS 계장 플랜트의 가혹한 환경조건에서 발생하는 특유의 요구에 발 빠른 대응을 못하고 있다. 다만 이더넷 물리계층은 프로세스 플랜트에 적합한 것으로 판명되었기에 다음 조건을 만족해야만 한다.

• 2가닥 선의 단일 케이블로만 구성해야 한다.
• 장거리 전송이 가능해야 한다[1,000m].
• 전원선과 통신선의 동축 케이블화가 이루어져야 한다.
• 본질안전 방폭[Intrinsic Safety Explosion Proof]을 포함한 모든 방폭 기술이 기본적으로 지원되어야 한다.
• 단순화된 설치기술이어야만 한다.
• 기존 필드버스 케이블(유형 “A”)의 재사용으로 인한 비용절감 및 간편한 Ethernet-APL로의 이전(Migration) 비용을 절감하고 필드버스에서 Ethernet-APL로 쉽게 이행이 가능토록 기존필드버스 케이블 형 ‘A’의 잠재적인 재사용이 가능해야 한다. [기존 필드버스와 호환 됨][필드버스와 호환성이 있다는 이야기는 기존의 설비를 그대로 사용 가능하다는 말과 같다. 특히 필드버스는 대부분 기존 것을 그대로 사용 가능하다는 이야기].
• 전자기 간섭에 대한 복원력이 있어야 한다.
• 서지보호-서 포트(support) 기능이 있어야 할 것 등.
 
이더넷-APL은 그림 9와 같이 10 BASE T1L 기반의 단일 쌍 이더넷(SPE/Single Pair Ethernet)을 위한 향상된 물리계층이다. 또 그림 7에 기술한 여섯 가지 조건을 만족하고 그림 9에 있는 조건[1,000m/방폭/직류/10Mbit/s]에 부합해야 한다. 10Mbps에서 최대 1,000m 길이의 장거리 케이블로 통신하는데, 이는 HART나 필드버스 같은 기존 기술보다 300배 이상 속도가 빠른 전 이중[풀-듀플렉스(full-duplex)] 방식이다.

이더넷-APL은 이더넷에 대한 논리적인 확장이며 프로세스 플랜트 분야에서 신뢰할 수 있는 작동에 필요한 속성을 제공한다. 이더넷-APL은 EtherNet/IP, HART-IP, OPC-UA, PROFIINET 또는 기타 상위 수준의 프로토콜을 지원할 수 있는 물리계층이다.

안정화

이더넷-APL 통신망은 앞서 말한 IEEE 규격 802.3cg-2019에 정의된 10BASE-T1L이며, 이는 빌딩 및 산업 자동화 분야의 많은 시장 부문에서도 서비스를 제공하는 공급업체들에 의해 채택되는 경향의 규격이다.

이더넷-APL은 반도체 제조업체가 칩을 대량으로 공급하여 기존장치나 PROCESS 계장 기기에 통합될 수 있도록 장기적이고도 안정적인 기술로 플랫폼에 기여 할 수 있도록 지원하고 장거리 케이블 길이를 초과하는 지역의 폭발위험 영역의 보호를 위해 기본으로 만든 것이다. 추가 전기기능은 IEC 표준을 다음과 같이 각각 따르고 있다.
 
1) 2-WISE는 2-Wire Intelligently Safe Ethernet을 나타내는 약어. 이 IEC 기술규격, IEC TS 60079-47(2-WISE)은 모든 위험구역 및 중분류에서 고유한 안전보호를 정의한다.

2) “APL 프로젝트”는 폭발 위험영역 보호를 포함하거나 포함하지 않는 여러 전원 레벨에 대한 포트 프로파일을 정의하여 이더넷-APL의 개념을 만든다. 장치 및 계측기기의 표시는 전원 레벨 및 소싱 또는 싱킹(sourcing or sinking) 기능을 나타낸다. 이를 통해 운영 및 유지보수에 이르는 상호운용성(interoperability)을 위한 간단한 프레임워크를 제공한다.

3) 이더넷-APL은 와이어가 나사형 또는 스프링 클램프(screwtype or spring-clamp) 단자에 연결이 되도록 해 줌으로, 와이어를 통한 케이블을 기본적으로 지원한다. 또한, 잘 정의된 커터기술은 설치작업 중에 단순성을 보장해 준다.

포트의 분류표시 및 두 가지 유형의 스위치 작동

• P = 전원(Powered, power source/ •L = 로드전원 드레인(Load, power drain)/ •C = 캐스케이드, 데이지 체인 구성용(Cascade, for daisy chain configurations)/ •U =전원이 공급되지 않음(Unpowered).

1. 전원 스위치는 하나 이상의 트렁크포트에 전원 및 통신을 공급한다. 이것은 일반적으로 외부로부터 전원이 공급됨을 뜻한다.
 
2. 필드 스위치는 스퍼에 연결할 수 있는 포트를 하나 이상 제공한다. 이것은 이더넷-APL 트렁크를 통해 저 전력 전원을 공급하거나 외부에서 전원을 공급할 수 있음을 말한다.

확장성 및 이중화

관리형 스위칭 네트워크 구조의 최대 60W의 전력예산 및 10 Mbps의 데이터 트래픽은 이더넷-APL 수와 관련하여 탁월한 확장성을 제공한다. 연결할 수 있는 스위치와 계측 기기로 구성한다. 이더넷-APL은 상위레벨의 ISO-OSI 모델에서 기능을 전송하고 활성화한다. 이러한 상위 수준함수 사용자가 일반적으로 이더넷 기반 통신에서 기대하는 네트워크 자체의 단순성, 편리성 및 자동화에 대한 일반적인 요구사항을 충족시킨다. 여기에는 다음 사항이 포함된다.

1. 스위치에서 간단한 장치 교환을 위한 수단을 제공하는 자동인접 탐지.
2. 병렬로 실행할 수 있는 여러 통신경로 사용자는 프로세스 자동화 통신을 방해하지 않고 동시에 자산관리 및 대시보드(dash boards= 운전석과 조수석 정면의 각종 계기들이 달린 부분 또는 웹의 정보 관리 인터페이스로 자동차 용어이지만 현재는 제어 모니터상 사용자 인터페이스인 UI를 지칭)를 위한 현장 계측기에 완벽하게 액세스할 수 있다.
3. 이더넷-APL 트렁크 세그먼트 [어떤 프로그램이 너무 커서 한 번에 주 기억 장치에 올릴 수 없어, 갈아 넣기 기법을 사용하여 쪼개었을 때, 나뉜 각 부분을 가리키는 용어]가 탁월한 발전소의 가용성으로 인해 실패할 경우 네트워크 계층에서 통신을 재 라우팅(re-routing)하는 링 중복성 또는 복원력을 가진다.

이더넷-APL은 프로세스 공장에 적합한 이더넷을 위한 매우 견고한 단일 버전을 제공한다.
현장에서 디지털 통신을 통해 모든 측면을 처리하는 데 최상의 단순성을 제공할 수가 있다.

설치 및 취급

이더넷-APL을 위해 표준화된 모든 연결과 선택은 사실상 사용 중인 것으로 입증되었고, 이미 잘 알려져 왔다.

• 스프링 식-클램프 단자 대(Spring-clamp terminals)
• 나사 형 단자 대(Screw-type terminals)
• M8 및 M12 접속(M8 and M12 connector)

차폐(shielding)성이 있는 간단한 2-와이어 케이블은 연결을 보장하기 위한 드라이버와 자동설치의 나머지 부분에 물리적 연결을 위한 관련 와이어 준비도구가 필요하다.

이더넷-APL은 필드버스 케이블 유형 A(100Ω 저항, +/- 20Ω 공차), IEC 61158-2를 AWG 클래스 26-14, 배선 단면 0.324…2.5mm2로 지정한다. 이를 통해 본질안전 방폭의 서포트를 포함한 기존의 필드버스로부터의 이행이 간단해진다. 이더넷-APL은, 부설중인 배선 미스를 막기 위해서 필드디바이스 단에서는 무극성 접속을 지정하고 있다.

제어실의 운전직원(오퍼레이터)과 협력하여 유지보수 및 엔지니어링 팀은 재빠르게 기기를 설치, 교환, 재접속, 커미셔닝[commissioning/원자로의(예) 원자로가 최초로 핵연료를 장전하여 임계에 도달한 후 각종의 테스트 및 시운전을 해가면서 출력을 상승시켜가는 전 과정을 커미셔닝이라고 말한다. 상업 운전에 들어가기까지의 모든 과정을 의미하는 용어로 다른 공장의 예도 동일하게 적용하는 시운전 용어이다]을 할 수 있는 장점이 돋보인다.

기존 아날로그신호 체계가 아닌 디지털 신호체계이므로 가능한 것이다. 각 SDO의 설치 지침에서는 일반기사 및 계측제어 기사를 위한 상세사항 및 안내가 제공되고 있다. 설치 가이드에서는 케이블 타입, 케이블 길이 및 고려해야 할 파라미터의 계획과 선택 등이 망라되어 있다. 모든 이더넷 기반 테크놀로지와 마찬가지로 설치 후 거동을 감시하고 검증하며, 시험하기 위한 소프트웨어 및 하드웨어 도구가 차폐되어있는 2선 케이블의 심플한 접속성에 필요한 것은 드라이버와 지금까지 기존에 시행하던 케이블의 준비와 거의 동일하다고 보면 된다.

Ethernet-APL은 필드버스 참조처로서 앞에서 이미 두 번 언급한 Type A(100Ω±20Ω) 케이블, IEC 61158-2에서 AWG26-14 단면적 0.324…2.5mm2를 지정했다. 이를 통해 본질안전 방폭의 서포트를 포함한 기존의 필드버스로부터의 이행이 간단하다. Ethernet-APL은, 부설중인 배선 미스를 막기 위해 필드 디바이스 단에서는 무극성 접속을 지정하고 있다.

이더넷에서 경험한 고유 진단법을 사용하여 간단히 네트워크 견고성 판정, 신호강도 검출 및 부설 오류를 특정할 수도 있다. 제어실 운전직원(오퍼레이터)과 협력하여 유지보수 및 계측제어 엔지니어링 팀은 재빠르게 기기를 설치, 교환, 재접속 및 시운전[커미셔닝]이 가능하다. 각 SDO의 설치지침에 서는 일반기사 및 계전이나 계측제어 기사를 위한 상세한 안내서[매뉴얼]가 마련되어 있다.

기존 공장의 공무부 계전과 혹은 보전부 보전과나, 계측제어부 계기과 또는 건설을 위임 받은 기술부나 신설공장의 경우, 테스크 포스로 지정되는 건설/기계/전기/계기/공무팀, 종합 건설사나 엔지니어링 회사의 계측제어부서 엔지니어들의 설계에 도움이 되도록 이더넷-APL의 기획을 맡은 워킹 그룹의 담당자들은 세계표준 전문가들로써 실무경험이 많은, 실제 이 분야의 수많은 각 분야 실무자(HW, SW, Instrumentation & Control Specialist)들이 총망라되어 기존 공장의 건설에도 도움이 되도록 공동 사양을 만드는데 최선을 다하고 있다.

이더넷-APL의 채택

이더넷은 상호 운용성에 대한 강력한 요구사항이 있는 환경에서 신뢰할 수 있는 통신 기술임이 입증되었다. 이것은 산업현장, 사무실 및 건물, 그리고 많은 개인 주택단지에도 적용된 바가 있다. 이더넷 기술의 고도화는 제품개발 및 프토토콜 스택에 있어서 네트워크 망의 계획, 설치 후 커미셔닝 및 여러 문제를 해결할 수 있는 다양한 도구들을 사용하여 널리 수용할 수 있도록 환경 조성하는 것을 포함한 개념이다.

끊김 없는(seamless)는 설치는 빠른 도입, 높은 참여도를 보장하므로 모든 사용자에게 장기적인 비즈니스 환경을 제공한다. 따라서 프로세스 자동화 시스템의 수명 주기업무의 당사자들 예컨대 벤더, 종합 건설사 및 엔지니어링 회사, 건설현장의 테스크포스 부서 해당 책임자, 시설을 관리하는 공무 및 보전설비 관리자, 계측 제어부, 동력 및 운전관리 부서운영 담당자, 석유, 석석유화학, 종합화학공장 공정 부서 책임자, 운영반장 등은 이더넷-APL에 대한 상세내용을 알아야만 한다.



이 기술은 유연성 향상 및 위험감소에 있어서 다음의 재사용을 통해 기술을 알게 된다. 이미 설치된 필드버스 케이블을 이용하면 방화벽이 그대로 유지되므로 케이블링 비용이 크게 절감된다. 이더넷-APL은 현재와 미래의 모든 상위 수준의 통신 프로토콜과 서비스를 지원하며 네트워크 인프라를 평탄화 시킨다. 표 4는 현재 사용 중인 통신기술의 주요특성을 비교한 것이다.

이더넷-APL은 이더넷 통신의 고도화된 특성과 2-와이어[SPE] 설치 기술을 결합하여 기술을 제공한다. 따라서 이더넷-APL은 석유화학공장의 예를 들면, 위험 영역 즉(Zero 0, division에서 1)까지의 영역이 존재하는 프로세스 플랜트부터 프로세스 자동화 기술을 채택하는 식/음료 회사 등, 하이브리드 플랜트에 이르기까지 현장 애플리케이션의 표준으로 쉽게 배포가 가능하다. 이더넷-APL은 현재와 다가올 가까운 미래의 물리적 계층이기 때문에 기능안전 및 보안 애플리케이션에 대한 개념은 최종 사용자의 요구를 반영하도록 기획하고 있다.

디바이스의 개발 및 구현

필드 디바이스에는 자가진단기능 등 많은 양의 스마트 데이터를 보유하고 있는 경우가 있다. 이더넷-APL은 프로세스 제어와 병행하여 이 데이터에 액세스할 최적의 수단을 제공한다. 이더넷-APL 테크놀로지로는, 계장 기기의 개별적 액세스가 가능하다. 따라서 스마트 계장에 산업사물인터넷(IIoT) 애플리케이션과 조합할 수가 있다.

이에 따라 제품 매니저는 추가적인 서비스, 비즈니스 모델, 유니크한 판매 전략을 구축하여 필드 디바이스 서플라이어로서 차별화를 꾀할 수 있다. 이더넷-APL은 종래의 테크놀로지보다 현격히 낮은 비용으로 이 모든 유익한 데이터의 액세스가 가능하다. 이더넷-APL에서는 통상적으로 필요한 프로토콜 컨버터나 추가시스템 컴포넌트, 등 올드-솔루션은 전혀 필요가 없다.

• 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.
• 시장에서의 기술적 리더십을 획득하기 위하여 이더넷-APL을 반드시 제품 포트폴리오로 고려해야 한다. 스마트 계기에 이더넷-APL실장에 필요한 사항은 한정되어 있으며 PHY와 프로토콜 스택만을 고려해야 한다. Ethernet-APL의 디바이스 실장에 있어서 특히 무엇을 고려할 필요가 있을까. 답은 간단하다.
• 이더넷-APL은 이더넷 물리계층을 확장한다. 해당하는 10BASE-T1L PHY 물리배선을 필드 디바이스 하드웨어에 실장함으로써 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. 팩토리 오토메이션에서 예전부터 사용되어 온 애플리케이션 계층 프로토콜은 기존의 사양, 가이드라인, 인증에 따라 간단히 구현할 수 있다.

이더넷-APL, 고효율 프로세스 플랜트 모두지원

• 신뢰성: 실적이 있는 이더넷 규격을 베이스로 하여 신뢰성 높은 플랜트의 오퍼레이션이 보증된다. 이더넷은 지난 수십 년간 IT업계의 표준으로 수년 동안 팩토리 오토메이션 및 하이브리드 오토메이션에서 성공실적을 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 유지 보수: 스마트 필드 장치에는 예측 유지 보수를 위한 데이터가 내부에 있다. 이더넷 기술을 사용하면 데이터에 액세스할 수 있고 장치 상태를 중앙에서 모니터링할 수가 있다.
• 진단: 이더넷 기술의 경우, 손쉬운 네트워크 진단 도구를 사용하여 장애의 근본 원인 및 처방 법을 쉽게 파악할 수 있다.
• 상호 운용성: 이더넷-APL의 경우, 다양한 장치 공급업체의 구성요소의 상호 운용성을 보장하기 위해 시험 규격과 인증을 이용할 수 있고, 기기 교환도 지원할 수 있다.

이를 요약하면, 이더넷-APL은 자동화 피라미드 내부 및 전체 기술 일관성에 의해 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 정보에 접근 액세스할 수 있다. 산업사물인터넷(IIoT) 애플리케이션의 프레임워크 내에서 데이터의 추가 처리에는 거의 제한이 없으며, 예를 들어 NAMUR Open Architecture(NOA)에서 요구하는 것들이 그것이다. 대시 보드 또는 프로세스 값의 추세 모니터링은 특정 프로세스의 최적화를 지원한다.

소프트웨어 도구의 간소화

• 네트워크 계획이 있을 것
• 일반적인 제어 루프의 생성 및 설계가 필요
• 계측기기에 저장된 모든 세부 정보수집
• 매뉴얼(Manuals)이 있어야 함
• 인증(Certification)을 받아야 함
• 계측기기 매개 변수화 및 구성이 되어야 함
• 작동 중에 계측기기 진단을 실시한다

프로토콜 변환기와 게이트웨이 하드웨어들이 전혀 필요 없어서 엔지니어링과 유지보수는 쓸모 없는 과거의 이야기가 된다. 스마트폰이나 컴퓨터에서 실행되는 앱 지원 업무절차는 새로운 직원의 기대를 충족시키며, 요즘 MZ 세대에게는 매우 낯익은 접근이 가능하다. 이더넷-APL 프로젝트에 참여하는 SDO 및 공급업체의 개발자 및 전문가는 계획 및 설치 지침과 모범 사례를 개발하는 과정이 필요하다. 이를 통해 조기 채택을 위한 지식을 쉽게 이행할 수가 있다.

이더넷-APL의 경우 표준 이더넷 진단 툴은 새로운 숙련된 계측기기 기술자와 엔지니어가 일상적인 작업에 도움을 준다. 모든 표준과 지침을 이용할 수 있게 되면, 공급자는 수요자가 원하는 기기 또는 기타 제품 구매 시 구매사양에 맞추어 이더넷-APL을 공급할 수 있다. 공급업체와 사용자에게 공장건설 엔지니어링 서비스를 제공하는 설계기업들은 새로운 시장 오픈에 많은 관심을 가지고 있다. 강력한 생태계가 조성될 것으로 예상하며 커다란 기회의 창이 열릴 것으로 예견한다.

IEEE 802.3cg 란 무엇인가?

이 요구 사항을 충족하기 위한 주요 기술 내용은 이더넷 기술을 기반으로 하는 새로운 물리 계층의 탄생이다. 따라서 IEEE 802.3에서 싱글페어 이더넷[Single Pair Ethernet] 케이블을 통해 장거리 애플리케이션과 전원 및 이더넷 데이터의 동시 전달을 달성하기 위해 10Mbps의 2가닥 선의 이더넷 사양작업을 요청했던 것이다.

이미 2016년에 IEEE 표준협회는 IEEE 802.3cg 프로젝트 표준규격을 승인했다. 사양문제는 이 사양에 따라 PHY[OS 7계층 모델 중 물리계층 약어로, 물리계층 기능을 구현하는데 필요한 회로를 표시하는 용어인데 모 국제 메이커는 SPE선을 PHY라고 칭하기도 함] 칩 제조업체는 필요한 이더넷 PHY칩 생산을 시작했다.

필드 설치

많은 플랜트가 PROCESS 계장 오토메이션 시스템에서 보다 많은 데이터를 액세스하고 추출하기 위해 네트워크의 업그레이드화를 도입할 것으로 기대한다. 이를 업그레이드하면 신세대 전기기사 및 계기기사가 필요로 하는 네트워크 기술을 습득할 수가 있다. 유선식 또는 무선 식에 상관없이 이더넷은 가정이나 사무실, 플랜트에서의 우리의 일상 업무가 되었다.

이더넷-APL과의 통합으로 라우터, 스위치 및 무선 액세스 포인트에 대한 유일한 추가 기능은 2선식 물리계층뿐이다. 그 중에 필드 기사 및 계측제어 기사에게 친숙한 설치 및 보호 규칙과 같은 규약을 제공하는 본질안전 방폭 보호기술이 포함되어있다. 계기는 서로 간섭하는 것이 허용되지 않으며 피어 투 피어(Peer To Peer) 형태로만 구성된다. 극성 보호나 디바이스 내의 종단저항기를 필수로 하는 기능과 함께, 테크놀로지는 스무스(smooth)하게 단기간 내에 습득이 가능하다.

지금의 계측제어 현장 보수요원(계전과 혹은 계기과나 보전과 직원을 말함)들은 설치 전에 아날로그 필드 장치를 교정(Calibration), 구성 및 준비하는 데 시간이 많이 걸리고 근력소모도 심했으나 디지털 필드 장치를 준비하는 데 소요되는 시간이 매우 짧고 근력을 쓰는 일이 적어 디지털 필드 장치의 장점은 빛이 난다. 지원기술 중 필드디바이스가 설치되어 접속되면 즉시 이루어지는 자동네트워크의 설정, 디바이스의 탐색, 구성(configuration), 실증화(instantiation)를 위한 앱과 마법사(apps and wizards)가 포함된다.

2선식 이더넷-APL 케이블에는 설치를 단순화 해주므로 기사는 짧은 시간 내에 자신 있게 작업을 마칠 수 있다. 스크류 드라이버와 함께 휴대용 데이터 장치(휴대폰 등)나 라인 테스터 및 향상된 인프라를 갖추게 되면 아날로그에서 디지털 필드 기기로 전환 과정에서 정비요원(계전과 직원)의 툴-박스에는 아날로그 장비대신 디지털 장비가 담겨 있음을 알게 될 것이다.

프로젝트 범위

2 와이어에서 높은 대역폭으로 전력과 데이터를 제공하는 기술의 고려는 개발자들에게 공통으로 고급물리계층을 개발하도록 영감을 불어넣어 주었다. 전문가들은 “이더넷 투 더 필드(Ethernet to the Field)”라는 프로세스 계장 분야의 새로운 비전을 만들어 발표했다. 이 이더넷 용 고급 물리 계층으로 명명된 이더넷-APL의 평가 프로젝트는 2011년 계측기기 공급업체의 그룹(ABB, 에머슨 포함 12개 메이커)에 의해 시작되었다. 2016년, 평가 프로젝트는 성공적으로 종료되었고 관련 사양이 개선되었다.

이더넷-APL 개발 프로젝트는 IEEE의 10BASE-T1L 규격의 발표와 함께, 2-WISE(2-Wire Intelligently Safe Ethernet) 및 전원 포트 프로파일에 대한 IEC 사양의 진행이 본 궤도에 올랐다. 최종 PHY 칩은 2021년 초에 출시될 예정이며 2021년에 첫 번째 현장 소자와 인프라 구성품을 구입할 수 있을 것이다. 이더넷-APL 시스템 설치의 경우 엔지니어링 지침[매뉴얼]을 제 때에 사용할 수가 있다. 독일에서 이더넷-APL 프로토타입(Prototype)을 사용한 첫 번째 파일럿 프로젝트는 이 기술의 작동 원리와 이점을 현실적으로 즉시, 현장에서 입증해 주었다.

이더넷-APL/공장분야 전용 이더넷으로 마침내 결정

• 2015: IEC TS 60079-47에 표시된 첫 번째 개념 증명
• 2018: 공식 APL 시작 프로젝트 진행
• 독일 BASF에서의 이더넷-APL 프로토 타입을 이용해 행해진 최초의 파일럿 프로젝트가 그 동작 원리와 테크놀로지의 장점인 메리트를 확실하게 실증으로 증명[대성공]
• 모든 측정 타입의 액츄에이터 및 센서에 대한 2선식[SPE] 이더넷 필드 디바이스 프로토콜 도입으로 필드 디바이스 설치의 단순화(Simplification), 프로세스 계장 오토메이션 시스템으로의 통합(Integration) 및 필드 디바이스 데이터로의 병행 접속이 마침내 성공하여, 파일럿 공장에서 확실히 이를 실현하게 된 것이다. 그 결과는 대박이었다. 2022년 IEC 표준이 정식으로 발표되어 세계 프로세스계장 분야는 지각 변동을 일으키기 시작했다. 그것은 2023년부터 세계시장의 빅 찬스의 빗장이 열리기 때문이다.

전문가들의 이더넷-APL 평가

수년간 이더넷-APL을 연구 해온 PROCEES 계장 공동체는 그간 위험한 환경에 직면하여 “오늘날 싱글페어 이더넷[Single Pair Ethernet]”이라는 걸출한 통신망을 만들어 내었다. PROCEES 계장의 최후의 고지까지 기존 공장의 자산화 케이블로 현재 거미줄처럼 공장의 덕트 콘듀잇 배관과 얽혀서 지천으로 깔려있는 CVVSB 2ㅁ×2C 케이블을 온도/압력/유량/레벨/중량 등의 센서 라인들을 시간을 두고 점차 PROCESS 계장의 현장에서 걷어내고 프로토콜 중립의 위치에 APL[Advanced Physical Layer: 고급 물리계층]의 이더넷 통신망을 최종물로 제공키 위해 만들어 낸 것이다.

각종 센서의 접점 포인트마다 케이블이 연결되어야 하는 수 많은 케이블 대신 1개의 동축 케이블 외피에 2줄의 선이 들어있다. 한 가닥은 인터넷선, 한 가닥은 전원선 같은 단순한 케이블로 축약한 배선으로 이더넷-APL을 통해 많은 물리량 즉, 온도, 압력, 유량, 레벨, 중량, 가스(Gas) 신호 등의 입력/출력 정보의 전달이 가능하게 된 것은 물리적인 아날로그의 개념에서 데이터적인 디지털의 개념으로 탈바꿈하여 패러다임 전환이 이루어진 것이다.

이것은 여럿이 머리를 맞대고 공동연구 및 참가를 전제하지 않으면 나올 수 없는 기술로 본다. 여기에 반전이 있는데, 여럿이 공동으로 참여하다 보니 저절로 세계 PROCES 계장의 단일 표준이 된 대표적 사례가 된 것이다. 단일 표준의 이점은 누구나 알다시피 경쟁 구도가 없어지면서 경쟁 시 PR비용/경쟁 개발비용 등이 우선 사라지는 것은 당연하다.

“2020년 ARC Advisory 그룹 포럼이 ABB가 레벨게이지에서 기업 전체의 네트워크 레벨에 이르기까지 모든 게이트웨이 및 프로토콜 변환을 효과적으로 배제하는 것을 구현했다”고 발표한 바 있다. 이처럼 “이더넷-APL은 그룹에서 실행되는 모든 프로토콜은 이더넷-APL을 통해 사용할 수 있다”라고 Emerson의 Kravitz씨는 말했다.

그는 여기에는 HART-IP 및 PROFINET, EtherNet/IP 및 기타 산업용 이더넷 프로토콜이 포함된다고 했다. 또 유량 트랜스미터 마케팅 관리자 및 에머슨의 APL 작업그룹 담당자는 “APL 실무그룹은 사용자가 주어진 APL 애플리케이션에 맞는 올바른 케이블을 선택할 수 있도록 일련의 엔지니어링을 준비하고 있다고 말했다. 이와 같은 이더넷 기반 프로토콜에는 아날로그 HART, PROFIBUS PA 및 FOUNDATION Fieldbus와 같이 레거시 디지털 프로토콜을 사용하여 장치와 통신할 수 있는 I/O를 위한 규정이 있다.

초기에는 이더넷-APL과 같은 새로운 기술의 출시로 인해 기존장치를 즉시 신제품으로 변경하지는 않을 것이다. 하지만 시간이 경과함에 따라 PROCESS 계장 계측기기 및 시스템 공급업체가 이더넷-APL에 대해 더 많은 지원을 제공하고 고객은 향상된 기능, 보안 및 유연성에 대해 잠재력을 경험한 뒤, 이더넷-APL 장치를 선택하게 될 것이다. 더하여 각 메이커가 만들어 내는 제품에는 기존 타입의 아날로그 제품을 다시 만들어 보충하는 일이 장기적으로는 감소할 것이다.

즉 스페어 파트를 다량 확보 후 추가제조는 향후 메이커들이 추이를 주시하며 APL과 계속 공조를 할지, 또는 시장의 추이를 보며 저울질할 것으로 보인다. 이유는 기존 아날로그 기술 패러다임이 디지털 기술로 변화된 상태에서 과거의 제품을 계속 찍어낼 수는 있을지는 미지수이기 때문이며 이는 상당기간 이더넷-APL 메이커와 아날로그 기존계기 메이커 간에 일정한 딜이 있을 것으로 보인다.

지금은 유저 오리엔티드 마인드가 확산되는 시기이기 때문에 다품종 소량 생산을 엔드 유저가 요구하는 풍조가 전통적 계장 시장에서도 통할 것인지는 미지수이다. 기존의 PROCESS 계장기기 메이커가 고민해야할 새로운 시장이 형성되고 있는 것이다. 또 시대가 빛의 속도로 통신하는 인터넷 시대로 진입된 상태에서 굳이 OLD 기술인 아날로그 기술만을 고집하는 기업이 향후 얼마나 버틸지는 이더넷-APL 판매권을 가지고 있는 유저 회사들의 결정권에 시장의 판도는 달라질 것이다.

기존에 메이커 창고에 남아있는 스페어 파트가 모두 소진되면 미래에는 단종이라는 개념이 현실화될 것이며 PROCESS 계측기기 메이커는 기존의 기술만을 고집하는 데는 한계가 있을 것 같다. 유저가 원하는 APL 국산화 제품은 기존의 EtherNet/IP 인증을 받았듯이 이더넷-APL 베이스/EtherNet/IP 인증개발 기업들은 시간이 지날수록 그 숫자가 증가하게 될 것이다. 이미 ODVA는 이더넷-APL 베이스/EtherNet/IP 인증을 2023년 하반기부터는 본격적으로 실시한다. 기존의 메이커들은 12개의 컨소시엄 회사의 APL 제품을 대리점 또는 특약점을 맺어 판매하거나 ODVA 같은 인증기관을 통해 CT 테스트 등을 한 뒤 자사제품을 엔드 유저에게 공급할 수 있을 것으로 보고 있다.

각 건설사 계측제어 설계부서는 공장 설계에 이더넷-APL을 추천할 수도 있을 것이다. 기술을 개정 하여 ODVA와 같은 프로토콜 기관에서 이더넷-APL 베이스/EtherNet/IP 개발 인증을 받으면 기존에 보유한 OLD 기술에 큰 영향 없이 개발에 착수한 벤더들에겐 이더넷-APL 개발 제품의 판매가 간단히 해결되는 길이 열릴 것으로 본다.

APL 워킹 그룹의 YOKOGAWA 대표인 Taro Endoh 씨는 “FOUNDATION Fieldbus와 PROFIBUS PA는 APL의 등장으로 인해 패배할 수 있다. 그리고 산업용 이더넷 프로토콜을 갖는 APL은 머지않아 4-20mA + HART 계장 시스템을 대체 할 것이다”라고 말했다.

그러나 이에 대해서 Pepperl + Fuchs의 Michael Kessler에 주장에 따르면 APL 입장에서 현재의 필드버스 프로토콜에 대해 이더넷-APL 스위치는 이중 기능이 있는 스퍼(Spur) 인터페이스를 제공하는 것으로 회생될 가능성을 입증(예: PROFINET-APL 및 PROFIBUS PA)하였다고 말했다. 이론적으로 이것은 데이터를 이더넷 기반의 실시간 프로토콜에 매핑할 수 있는 FOUNDATION Fieldbus 기기에서도 가능하다. 바로 이 이중 기능성은 기존 플랜트를 이더넷-APL 기반 인프라로 마이그레이션[이전]하는 데 있어서 매우 중요한 비중을 차지한다.

“이더넷-APL이 출시된 첫 해 동안에는 기존 FOUNDATION Fieldbus 또는 PROFIBUS PA 장비는 이더넷-APL 인터페이스로 누락된 장비의 기능차이를 채워 넣을 수 있을 것이다. 필드버스 케이블은 31.250KB용으로 설계되었기 때문에 기존 케이블을 APL에 전체 케이블 길이로 사용할 수 있는 것은 아니다. 따라서 APL 포트프로파일 사양은 스퍼/트렁크 케이블 길이를 50M/250M, 100M/500M, 150M/750M, 및 200M/1,000M로 지원하는 다양한 범주를 정의한다. 케이블 제조협회는 이 분류에 따라 케이블을 지정해야 한다.”

실제로 APL로의 대폭적인 전환 이유는 DCS 공급 업체가 지난 10년 동안 많은 돈과 노력을 투자한 기존 I/O 시스템에서 벗어나 시스템 & 엔지니어링 관행을 조금 개선할 수밖에 없다는 것이다. 현재 APL 프로젝트에 참여하고 있는 4대 SDO 조직 중 ODVA의 EtherNet/IP 프로토콜은 APL 표준을 최대한으로 활용할 수 있다. 802.3을 수년 전부터 미리 채택한 EtherNet/IP는 DCS의 게이트웨이 역할도 하는 PLC가 방향제어 밸브 뱅크를 제어하는 밸브 파일럿과 같은 애플리케이션의 “자동화 아일랜드 내에서 프로세스 자동화에 일반적으로 사용이 된다”라고 ODVA의 Steve Fales 이사는 설명했다.

그는 APL을 통해 EtherNet/IP가 제어, 진단 및 시운전을 위해 게이트웨이 없이 그냥 PROCESS 계장분야 전반에 걸쳐 광범위하게 사용될 것으로 예측했다. EtherNet/IP는 현장 수준과 상위 시스템 수준 간의 이더넷 통신 시스템에 대한 NAMUR의 최소 바인딩 요구 사항 중 하나로 명명되었고, HART 장치 번역 서비스의 통합 및 NAMUR NE 107 진단 즉, ABB 측정 및 분석 플랫폼의 관리자인 ABB의 Tilo Merlin씨는 다음과 같이 덧붙였다.

“오늘날 대부분의 DCS 시스템은 이미 PROFINET 및 EtherNet/IP를 지원하기 때문에 이러한 프로토콜을 기반으로 한 이더넷-APL의 채택은 아주 간단히 문제가 해결될 수가 있다. 이들을 사용하면 게이트웨이 또는 기타 프로토콜 변환기의 사용이 필요 없어, 기존 필드버스 솔루션에 비해 복잡성과 유지 및 소유 비용이 크게 절감되고 유용성과 견고성이 향상된다.”

또 Merlin 씨는 확립된 이더넷 기반 프로토콜을 적용하는 것 외에도 OPC UA와 같은 새로운 프로토콜을 사용하여 새로운 수준의 보안 기능을 제공함으로써 IT와 OT 사이의 경계를 허물어 버렸다”라고 덧붙였다. PI North America의 전무이사인 Michael Bowne씨는 “처음부터 기존 단일 트위스트 페어 필드버스 케이블을 재사용 할 수 있는 능력은 설치비용이 높기 때문에 APL의 요구사항이었다. 예를 들어 PROFIBUS PA에서 사용하는 A형 케이블은 APL에 적합합니다”라고 말했다.

그린 필드든 브라운 필드든 사용자는 설치의 일부로 네트워크 인프라의 기존 테스트를 수행하는 것이 좋다, 라고 Bowne 씨는 말했다. 이것은 모든 배선이 의도한 대로 작동하는지 확인하는 것과 관련하여 케이블 테스트는 케이블 무결성과 전기적 특성을 확인하는 다양한 제조업체에서 제공한다.

배선이 지정된 저항, 인덕턴스 및 캐패시던트 정격을 만족하는 한 사용자는 거기에 적합하도록 해야한다. 초기 네트워크 인프라에 대한 자신감도 오류가 발생할 경우 향후의 우려를 해소하는 데 도움된다. 피닉스 컨택트의 프로세스 자동화 포트폴리오 및 글로벌시장개발, I/O및 네트워크 담당자 Norris씨는 RJ45및 M8/M12 Connector & Pinout은 여전히 논의 중이라고 말했다.

이더넷-APL의 확장

APL 프로젝트가 IIoT 크기의 정보 고속도로를 현장 기기로 확장하기 위해 노력하고 있지만, 새로운 대역폭을 최대한 활용할 준비가 된 세계의 소프트웨어 및 시스템의 측면에서 보면 보완 표준에 대한 작업도 병행 진행한 것으로 보아야 한다. 특히 주목할 만한 것은 이 중에 FDI, PA-DIM 및 OPC-UA가 중요한 것으로, 이들 모두는 디지털 분야에 새로운 질서와 가치를 제공할 것이라고 이더넷-APL측은 평했다.

FieldComm Group의 Sereiko씨는 “FDI와 PA-DIM은 기업 전체의 소프트웨어 시스템이 PROCESS 계장 기기에서 제공하는 정보를 보다 쉽게 사용할 수 있도록 해 준다”고 말했다.

이더넷-APL은 게이트웨이와 원격 I/O를 이더넷 스위치로 대체하여 장치에서 기업 시스템으로 정보를 쉽게 라우팅[Routing]하는 것이 요체이다. 궁극적으로는 빠른 속도가 가능해지면 FDI 및 PA-DIM에 대한 기능 향상으로 장치 통합을 더욱 단순화할 수가 있다고 말한 것이다. 또 Emerson의 Kravitz씨는 “기술로서 FDI와 PA-DIM은 현장장치에서 정보를 가져오는 기준을 낮추는 데 도움이 되도록 설계하였다. 이더넷-APL이 개별 장치에 대한 대역폭을 증가시킨다는 점은 이를 통해 현장 장치는 PROCESS 계장 제어 시스템에서 클라우드에 이르기까지 모든 수준의 프로세스 데이터의 에코 시스템과 쉽게 통합될 수가 있다”고 말했다.

“이더넷-APL과 PA-DIM을 함께 사용하면 병렬통신 경로에서 제어통합에 이르는 현장의 데이터를 액세스할 수 있다”고 Endress + Hauser의 Lukas Klausmann씨는 말했다.

“이 두 번째 채널 접근 방식은 핵심자동화 프로세스에는 아무 영향을 주지 않고 NAMUR 개방형 아키텍처(NOA) 개념을 지원한다." 라고 말했다. “또 위험 영역뿐만 아니라 분류되지 않은 설치가 가능한 필드 장치의 하드웨어 분산을 방지하기 위해서는 이 전원 프로필 개념의 준수가 중요하다고” 말했다. Pepperl + Fuchs의 Kessler씨는 “이더넷-APL은 필드장치 자체에 OPC UA 및 PA-DIM을 배포할 수 있는 핵심기술”이라고 말했다.

“장치에 정보 모델이 내장되어 있기 때문에 실제로 플러그 앤 플레이가 가능하다. FDI와 같은 모델 및 표준은 고객과 공급업체에게는 중요한 도구이지만 속도, 인프라 및 상위 시스템에 대한 연결 시 새로운 케이블 또는 게이트웨이가 필요할 때 채택율은 항상 느려질 수밖에 없다”고 말했다. 긍정적인 측면에서 이더넷-APL은 PROFIBUS-PA, HART, FOUNDATION보다 현장기기에 본질적으로 안전한 전원공급이 가능하다. 이를 통해 계측기기 공급업체는 높은 전력수요로 인해 2선식 계측기기 설계가 가능 하였다고 했다.

Moore Industries의 사장 겸 CEO 인 Scott Saunders씨는 “이더넷-APL은 이러한 모든 문제를 한 큐에 제거함으로써 문제를 해결할 수 있다. 10Mbps의 속도로 대부분의 기존에 설치된 트위스티드 페어 케이블을 지원하고 대부분의 다른 TCP/IP 기반 산업 프로토콜을 동시에 지원하면 새로운 표준을 방해하는 문제를 간단히 해결할 수가 있다”고 말했다.

또 PI North America의 Bowne은 “APL을 사용하면 새로운 사용 사례의 전 세계적 가능성이 있다. 산업 전반에 걸쳐 일어나고 있는 IT/OT 네트워크 컨버전스에 직접적으로 작용한다. 공통 이더넷 기반 물리계층을 통해 공급 업체는 공장 자동화에서 오랫동안 확립된 기능인 여러 프로토콜을 기기에 자유롭게 구현할 수가 있다. 또한 NAMUR Open Architecture와 같은 개념을 사용하여 전통적인 자동화 피라미드 외부의 상위 시스템에 대한 단 방향 통신을 가능하게 한다”고 말했다.

또, ABB의 Merlin씨는 “이더넷-APL이 전체 이더넷 스택[Stack]을 지원한다는 사실은 사용 성을 높이기 위해 IEEE 세계의 모든 추가 기능을 사용할 수 있다는 것을 의미한다. 이더넷 에코 시스템의 일부가 되면, 이더넷의 일반적인 다중 프로토콜 기능은 광범위하다”라고 설명했다. 그는 끝으로 “OT와 IT 세계 간의 안전한 브리징[Bridging]을 훨씬 쉽게 만들 수 있을 뿐만 아니라 아날로그의 현장수준에서부터 디지털의 클라우드 수준까지 OPC UA를 보편적으로 적용할 수 있기 때문에 이더넷-APL은 물리적 자산으로써 PROCESS 계장 플랜트 현장의 온도/압력/유량/레벨/중량 등의 아날로그 값을 디지털 트윈[Digital Twin]까지 연결하는 초석이 된다”고 말했다.

현재 이더넷-APL 대변인이며 ODVA마케팅 이사인 Steve Fales씨는 “필요한 이더넷-APL 사양은 현재 모두 개발이 완성되었다. APL프로젝트는 사양작업 외에도 APL 네트워크 계획 및 시운전(Commissioning)에 대한 최상의 지원을 제공하기 위해 엔지니어링 및 설치 지침서가 작성되었다. 인증 프로세스를 마친 후 독일 ACHEMA 전시회를 거쳐 2023년부터 전 세계가 정상적으로 사용하게 될 것으로 예상한다”고 설명했다.

국내외 이더넷-APL 시장

국내 시장은 순수 아날로그 시장 조사를 2010년부터 약 5년간 계장의 피드백루프를 기반으로 조사한 결과에 따르면 국내 공장의 Feedback Loop 수가 500평 규모의 작은 화학공장부터 수 십 만평의 대규모 석유화학공장에 이르기까지 약 300만개의 Feedback Loop[폐회로]가 국내에 존재하는 것으로 확인된 바 있다.

예컨대, 제어기[Controller], 전송기[Transmitter], 컨트롤밸브[Control Valve]로 구성되는 피드백 회로를 기준으로 1루프를 상정해 보면, 제어기[Controller]는 중형 PLC 1EA, 전송기[Transmitter]는 전자식 전송기 1EA, 컨트롤밸브[Control valve]는 SUS 316 재질의 2인치 구경 Glove 밸브 1EA 등, 3요소로 1개의 피드백 루프를 구성했다고 가정했을 때, 상기 조사에 의해 나온 결과를 가격으로 대입하면 다음과 같다.

국내공장의 Feedback Loop는 약 300만 회로로 추산할 경우, 여기에 사용되는 CVVSB 2 2C신호 케이블을 압력, 유량, 레벨 등은 2선을 연결할 경우와 온도[RTD, Thermocouple]의 경우는 3선식~4선식을 연결하여, 덕트, 콘듀이트 배관 등이 포함된 계장 공사비를 추가 시의 합계는 대략 1조원 정도가 산출된다. 이것을 국내 PROCESS 계장 시장의 크기로 보는 근거가 된다. 이 시장에 참여하는 ABB, Emerson, Endress + Hauser, Krohne, Pepperl + Fuchs, Phoenix Contact, R. Stahl, Rockwell Automation, Samson, Siemens, Vega 및 Yokogawa와 같은 PROCESS 계장 자동화 분야의 선도 기업 12개 회사와 직접 참여는 못하나, 4대 SDO의 회원으로 간접적으로 참여하는 Honeywell, Schneider Electric[Invensys 포함], Azbil, 등의 PROCESS 계장메이커를 포함하면,

이들 PROCESS 계장 메이커가 전 세계에 공급하는 Ethernet-APL의 시장은 ODVA 추산 약 1,000억 달러[원화 120조원 정도]로 추산하고 있다.

물론 향후 10여 년 간이라는 시간적 카테고리 내에서 추정해 본 수치이다. 2022년까지 전 세계에 이더넷-APL이 개발 완료된 솔루션을 보유한 12개 메이커들은 2023년부터 세계시장에 이 솔루션을 동시 출시하는 순간, 한국을 비롯한 전 세계의 PROCESS 계장시장은 이더넷-APL이 디지털 전환의 의미를 갖는 DX[Digital transformation]와 함께 생각하지 말라는 법은 없으며 PROCESS 계장시장은 전 세계적으로 그 파고가 높게 요동을 칠 것이다.

PROCESS 계장 시장은 긴 아날로그[Analog]의 터널에서 깨어나 4차 산업 혁명기술과 스마트공장[SMART FACTORY]에 본격적으로 진입함에 있어서 업계 관계자들은 모두 환영하게 될 것이다. 이유는 시장 자체가 PROCESS 계장시장이라는 단일 종목시장으로 오픈되는 것인데 그 크기가 매우 크다고 볼 수 있으며 5G나, Edge computing, AI 기술들이 이더넷-APL에 대거 채택될 것으로 보이기 때문이다.

PROCESS 계장 분야가 2차 대전 이후 현재까지 아날로그 기술의 긴 세월의 잠에서 깨어 디지털 개념으로 전환되는 원년이 바로 2023년이 될 것이다. 이후에는 일반 산업분야와 다름없이 PROCESS 계장 분야도 디지털 전환[Digital transformation]과 더불어 산업 공장에서 타 분야와 인터넷의 대표적 형태인 클라우드, IIoT, 디지털트윈 등에 빠른 속도로 유입될 것이다.

이제 PROCESS 계장분야는 지금까지 지켜온 아날로그 기술의 범주에서 디지털의 새로운 기술세계로 빠르게 진행 발전될 것이다. 즉 신호 전달 방식이 100% 인터넷을 사용하는 첨단 기술로 재탄생하게 된다. 이제는 4차 산업혁명 시대에 스마트공장의 핵심 기술과 나란히 디지털 트윈과 클라우드를 거부감 없이 사용하는 스마트공장의 KEY를 갖고 새롭게 산업계를 리드하게 될 것이다.

다만 아쉬운 점이라면 한국은 12개 이더넷-APL 파운딩그룹 자격에 함께 참여하지를 못한 것이다. 그 이유는 자세히 모르겠으나 상대적으로 오랜 기간 타 산업에 비해 PROCESS 계장 분야는 국내에서 반도체나, LCD, 자동차 등의 산업에 비해 투자를 턱없이 적게 했던 분야라고 보아야 한다. 다시 말하면 규모의 경제가 안 되니 투자개념이 없었고, 이 분야와 관련한 국내 업체로는 LS전기, LS전선, 대한전선, 포스코ICT, 오토닉스, 알에스오토메이션, 사이몬, 코모도, 와이즈우진, 한영넉스, 코닉스, 두온시스템-주, 신호시스템(주), 자인테크놀로지, (주)협성히스코, 삼원액트, 하이트롤, 대윤계기산업(주), (주)ESGK 등인데 한국 PROCESS 계장 메이커는 배제되어 있다.

이는 아마도 국내에는 PROCESS 계장 분야의 꽃이라 할 수 있는, DCS[Distributed Control System]의 HW & SW 두 분야의 메이커가 없기 때문인 것이 아닐까 생각해본다. 일본만 해도 YOKOGAWA 계기가 울산, 온산, 포항, 여천 공단에 DCS를 그간 보급해 왔다. YOKOGAWA는 일본의 PROCESS 계장 간판기업으로 이더넷-APL 파운딩 그룹의 일원이 되었다. 관련시장의 크기가 매우 큰데, 이 시장을 YOKOGAWA를 비롯한 12개의 파운딩 회원만 참여하라는 법은 없다.

PROCESS 계장 분야의 이더넷-APL시장에 한국의 PROCESS 계장 메이커[온도, 압력, 유량, 레벨, 등의 전송기 및 GAS-애날라이저+자동화 시스템 메이커 및 PLC, SENSOR, ACTUATOR, ROBOTICS, CONTROL PANEL, CONTROL CABLE, 및 각종 PROTOCOL변환기/센서 메이커] 등이 ODVA같은 프로토콜 기관에서 Ethernet-APL 인증을 받으면 간단히 이 시장에 진입할 수 있다.