용이한 채택/원활한 통합/간단한 설치/광폭의 범위/귀중한 데이터

서론

1940년에 공기식[0.2~1,0Kg/Cm2] 신호가 나왔고 전기식 [4~20mA] 신호가 1960년에 나왔다. 아직도 한국에는 소위 통일신호라 불리는 이 두 개의 아날로그 신호가 현재 한국의 공장에서 온도/압력/유량/레벨/중량 등의 물리량을 측정하여 제어기인 DCS나 PLC로 트랜스미터를 통해 CVVSB 2ㅁx2C케이블로 전송되고 있다.



PROCESS 계장 분야가 이미 시간적으로 너무나 오랫동안 아날로그의 세계에 빠져있었다고 해도 과언은 아닐 것이다. 지금은 4차 산업혁명 시대이며 스마트 팩토리와 이더넷 [인터넷 TCP/IP, UDP 통신]이 대세인 시대에 진입한 상태이다. PROCESS 계장 분야라고 해서 계장 기기가 고장이 나지도 않고 잘 돌아 가는데 신종 시스템이 무슨 대수냐, 라고 반문하는 CEO나 공장장 등의 의견도 있을 수는 있겠다.

만약에 아날로그 PROCESS 계장 시스템을 현재의 방식에서 새로운 방식으로 전면 교체를 한다면 공장에서는 거미줄처럼 엮여있는 수많은 배선은 어떻게 할 것인가? 가장 심각한 문제가 될 것이다. 아날로그 PROCESS 계장 시스템이 디지털 시스템으로 바뀌는 수가 있더라도 당분간은 아날로그와 디지털 시스템이 병존하며 갈 것으로 보인다.

각설하고,

이제 설명하려는 이더넷-APL 시스템에 대해서 이야기 해보기로 하자. PROCESS 계장 산업의 영역에서 현재 전국적으로 공장마다 설치되어 있는 아날로그(ANALOG) 시스템인 전기식 4~20mA 또는 공기식 0.2~1.0Kg/Cm²인 저속의 통신 속도에 정밀도마저 디지털에 비해 상대적으로 크게 떨어진다.

그러나 디지털 데이터라면 처리 속도에서 볼 때 아날로그 방식에 비해 고속처리가 가능하며 모든 데이터의 집계는 수 초 만에 100%의 정확도를 유지하며 종합적 데이터로 집계 처리할 수 있는 시스템이 이더넷 [Ethernet]-APL인 것이다.



관련 도면 중심으로 본 이더넷-APL의 이해

필드사이드의 온도, 압력, 유량, 레벨, 중량 센서가 존재하는 PROCESS 계장기기가 있는 필드까지는 200m[656ft] 구간을 스퍼[Spur] 케이블로 연결한 것이 그림 1에 잘 나타나 있다.

그림 1을 보면, 첫 번째 프로세스 컨트롤 모니터[Process Control Monitor] 밑에 있는 APL field switch 아래 필드 모니터 1대와 필드트랜스미터 1대가 광 케이블로 APL Field switch에 2000m(6562ft)까지 연결된 것을 볼 수 있고 구리선[CVVSB 2ㅁ x 2C케이블]은 불과 100m(328ft)까지 연결된 것을 볼 수 있다. 두 번째 Field Care SFE 500 모니터 밑에 있는 APL Field switch에 필드 트랜스미터 2대가 스퍼(Spur) 케이블로 200m(656ft) 지점까지 연결되어 있다.

이것은 이더넷-APL에서는 기존의 구리선[CVVSB 2ㅁ x 2C케이블]을 대신해서 스퍼(Spur) 케이블로 바꾸겠다는 의도가 깔려있다고 본다. 그리고 세 번째에 있는 Web Server Client 모니터 밑에는 APL Power switch와 APL Field switch 사이에 적색으로 표기한 간선[Trunk cable]을 이더넷-APL 선인 SPE[Single Pair Ethernet]선으로 1000m까지 연결한다는 의미가 있다. 이는 좌에서 우측으로 네 번째에 있는 APL Field switch에도 동일하게 간선[Trunk cable]을 이더넷-APL 선인 SPE[Single Pair Ethernet]선으로 1000m까지 연결한다는 것이다.

이를 정리하면 로컬[Field]에 있는온도/압력/유량/레벨/중량 트랜스미터에서부터 APL필드 스위치까지는 스퍼(Spur) 케이블로 200m(656ft)를 연결하겠다는 이야기이다. 물론 구리선인 CVVSB 2ㅁ x 2C케이블로 100m까지 연결될 수도 있겠으나 그림 1에서 보는 바와 같이 현재 국내 모든 공장에 깔려있는 기존의 구리선인 CVVSB 2ㅁ x 2C 케이블이 이더넷-APL에서는 고작 100m[328ft] 밖에 연결이 안 되기 때문임과 동시에 구리선은 원래 접점[POINT]마다 연결되어야 하므로 온도센서만 빼고는 모두 2포인트씩 연결되어 궁극적으로는 배선이 엄청 늘어난다는 것이다. 배선이 늘어나면 콘듀잇 배관과 케이블 덕트가 늘어나며 결국은 공장 부지를 많이 차지하는 문제에 직면한다. 현재 한국내 대부분의 공장은 많이 보유하고 있는 케이블 문제로 고민이 많다.

바로 이 문제를 단 한 번에 해결해 주는 비책이, 이더넷- APL이라 할 수 있다.

이더넷-APL로 기존 공장에 현존하는 모든 PROCESS 계장 시스템이 그림 1에 있는 구성도(Configuration)처럼 새로운 이더넷-APL 모듈과 SPE선으로 바뀐다면 현재 전국 공장에 깔려있는 PROCESS 계장 구리배선은 점차 케이블 덕트(Duct], 콘듀잇(Conduit) 배관의 기존체제에서 매우 간편한 파이프배관 공법 등 다른 공법으로 바뀔 공산이 크다고 본다. 즉, 기존의 케이블 덕트(Duct] 및 콘듀잇(Conduit) 배관으로 이루어진 계장설비 체제에서 변화된 다른 방법이 대두될 것이란 이야기다.

여기서 주목할 일은 배선 방법이 달라지면, 계장공사 시공법이 달라진다는 의미이며 기존의 계장공사 방법에 변화가 불가피하다는 점이다. 이것이 별것 아닌 것 같아도 전기 계장공사 업계에는 큰 영향을 준다. 즉, 기존의 PROCESS 계장 배선의 풀링(pulling)에 커다란 변화를 몰고 올 것이 불가피하다. 전기 계장공사 업계는 예의 주시할 필요가 있다. 이로 인한 PROCESS 계장 공사의 공수가 엄청나게 축소됨은 공장의 투자자에게는 막대한 이윤을 가져다 줄 가능성이 커진다고 보아야 할 것이다.

기존 PROCESS 계장 배선에 비해 이더넷-APL시스템은 배선이 대부분 이더넷 선으로 1,000m까지 연장되므로 어쩔 수 없이 수 십 배가 줄어드는 것으로 예견된다. 이 것은 또한 PROCESS 계장 보수 유지비가 대폭 줄어드는 효과도 동반된다고 보는 것이다. PROCESS 계장 배선의 축소는 상대적으로 공장의 부지비가 줄어듦으로써 공장 건축비의 축소로 이어져 투자자와 시공자 양쪽에 경제적으로 이해득실이 미칠 파장은 적지 않을 것으로 보인다.



존[ZONE]2 / 디비전[Div]2 지역의 그림 2의 구성도를 잠깐 들여다보면 기존의 PROCESS 계장 CCR[Central Control Room/중앙제어실]에는 없는 시설물이 보인다. 즉, 자산관리 스테이션(Asset Management Station)과 산업사물인터넷 모니터링 및 최적화[IIoT Monitoring & Optimization] 시스템이다.

이는 기존의 PROCESS 계장 CCR에는 없는 품목이다. 그림 2에서 보면 세 번째에 있는 엔지니어링 워크스테션(Engineering Work Station)과 두 번째에 있는 컨트롤 시스템(Control System)은 PROCESS 계장 CCR에도 있는 것이지만 자산관리 스테이션(Asset Management Station)과 산업사물인터넷 모니터링 및 최적화[IIoT Monitoring & Optimization] 시스템은 기존의 CCR에는 없는 물건이다. 이유는 이더넷-APL은 아날로그 시스템이 아니기 때문이다. 자산관리 스테이션과 산업사물인터넷[IIoT] 모니터링 및 최적화 시스템은 클라우드 용이다.

이것이 기존의 PROCESS 계장 시스템과 확실히 구분되는 경계선이다. 과거와 달리 이더넷-APL은 아날로그 용이 아님을 알아야 한다. 현재 아날로그 계장 시스템을 가지고 CCR룸에서 공장 감시운전을 하는 생산 부서의 오퍼레이터들이 알아야 할 이더넷-APL 지식은 다음과 같다.

우선, 건설사들이 보유한 각 사의 PROCESS 계장 설계를 담당을 하는 계측제어 부서에서 각 프로세스 공장의 건설을 설계 시 이더넷-APL을 설계 도면에 반영한 뒤 각 공장이 이더넷-APL을 설치하면 각 공장의 자체 생산개념이 반영된 매뉴얼을 만들어 운전 교육을 시행해야 할 것이다. 이더넷-APL은 배선이 간단하고 강력한 2-와이어 기술의 이점과 이더넷(인터넷)의 장점을 결합하여 프로세스 플랜트 분야에서 최고의 성능과 원활한 데이터 액세스를 제공한다는 점이다.

또 하나 유의할 점이 있다. 그림 1, 2를 보면, APL Field switch라는 것이 있다. 이것은 Zone 2 Div 2 지역에 있는 스위치이며, Zone 2 Div 2 지역 위쪽 구역에는 APL Power switch가 보인다. 대략 인터넷 스위치가 이 두 가지로 구성되어 있는 것이다. 아날로그 계측기기와 디지털 계측기기의 다른 점이 바로 이것으로 뚜렷이 판별된다. 여기서 스위치는 기존 아날로그 PROCESS 계장의 터미널 블록과 같은 역할을 한다고 본다. I/O[입력/출력] 단자는 한 곳에서 다른 곳으로 입출 시 분기용으로 사용되는데, 이더넷 스위치 역시 한 곳에서 다른 곳으로 입출시 분기용으로 사용된다.

APL Field switch는 현장에 있는 마샤링 패널 등 현장에 있을 것으로 추정되고, APL Power switch는 CCR에 있는 제어반[Control Panel]에 설치 할 것으로 본다. 일반 인터넷 장비들을 보면, 패널이나 캐비닛이 대부분 인터넷 통신선과 인터넷 스위치로 구성되어 있는 것이 특징 중 하나이다. 고로 그림 1과 2에는 이더넷용 인터넷 스위치가 역할을 하는 것이다. 바로 이것이 기존 아날로그 PROCESS 계장 시스템과 이더넷-APL 시스템의 극명한 구조적인 차이점이다.

현재 각 공장마다 설치되어 있는 PROCESS 계장 시스템에는 패널마다 터미널 블록과 케이블을 수용하는 케이블덕트로 공간을 차지하고 있으나 이더넷-APL 시스템에는 패널이나 캐비닛 마다 10BASE-T1L의 이더넷[인터넷] 케이블[SPE선]과 이더넷 스위치로 패널이 구성되어 있을 것이다.

폭발위험지역 조건에 따라 방 폭 구역설정
PROCESS 계장 자동화 공장의 예는 그림 3에 잘 나와 있다. 네트워크의 설치현황을 보면 제어실[CCR]과는 멀리(1000m) 떨어진 타워와 탱크 및 베셀들 사이에 배치되어 있는 모습을 특징으로 하고 있다. 4-20mA 아날로그 신호는 구성배치 및 자산 관리의 목적으로 하트프로토콜[HART Protocol/4-20 mA 신호로 변조된 1200 보드 디지털 통신망]을 추가하여 제어를 위해 널리 사용되어 왔다.

현대적인 필드버스 솔루션이라 할 수 있는 PROFIBUS PA 및 Foundation Fieldbus는 두 가지 목적을 위해 31.25Kb/Sec의 디지털 통신방법을 제공한다. 현장에는 많은 양의 기존 레거시 케이블들이 배치되어 있다. 그리고 하트[HART]가 성공한 한 가지 이유는 설치된 케이블의 베이스를 보존했기 때문이다.

폭발적 환경 위험도에 따라 각 발전소는 지역 당국의 규제에 따라 각 구역을 위험지역으로 구분하고 있다. 구역(0, 1 또는 2)는 주변 대기에 점화 가능한 농도의 위험 물질이 존재할 확률을 정의한다. 가스, 증기 또는 먼지 등의 혼합 공기의 폭발적 특성은 관련된 특정 물질에 따라 다르다. 점화 온도 및 폭발압력 이하로 유지하려면 다음과 같이 위험 구역에 따른 장비에 제한을 두어야 한다는 말이다. 다음은 위험영역을 규칙에 의거 구분한 것이다.

• [구역 0:] 폭발성 가스-공기 혼합물이 장기간 지속적으로 존재하거나 존재하는 영역이다.

• [구역 1:] 가연성 또는 전도성 먼지가 존재한다. 정상 작동시 짧은 시간 동안 폭발가스-공기 혼합물이 발생할 가능성이 있는 영역이다.
• [구역 2:] 폭발성 가스-공기 혼합물이 발생할 가능성이 낮고, 발생할 경우 비정상적인 상태로 인해 매우 짧은 시간 동안만 존재할 가능성이 있는 영역이다.

영역마다 다른 보호방법이 적용된다. 고유안전방법(Ex i)은 고장시 폭발을 방지하기 위해 적절한 보호 회로 설계에 의해서 에너지를 엄격히 제한한다. Ex i는 존[Zone] 0에서 언급된 방법이다. 강화된 안전방법(Ex e)은 기기에 대한 제한이 적고, 존[Zone] 1에 적절하다.

PROCESS계장 자동화에서는 이미 일부 애플리케이션에 이더넷을 채택한 현장에서 사용할 수 있는 이더넷 기반 솔루션의 한 가지 이점은 고객에게 엔지니어링 노력이 덜 요구되는 동종인 네트워크를 제공한다는 것이다. 지금은 정보기술(IT)이 운영기술(OT)로 수렴되고 있는 시기이기 때문에 이벤트와 프로세스, 장치 모니터링이 쉬워지고 기업 및 산업 운영에서 조정이 쉬워진다.

긴 플랜트의 수명은 기존의 플랜트들을 대체하기보다는 업그레이드에 대한 압력을 더 받게 되는데, 이는 장기적인 추세로 볼 수 있다. 기존 프로세스 계장 분야를 더욱 개선하고 다운타임을 줄이기 위해서는 프로세스 정보 및 장치(진단 데이터)가 필요하다. 이더넷 기술을 기반으로 한 동종 네트워크는 산업 사물 인터넷[IIoT], 빅 데이터[Big Data], 클라우드[Cloud] 및 분석 기술을 활용하고 있으며, 이 내용에는 이더넷-APL이 실현되려면 본질 안전[IS(Intrinsic Safety)]이 요구되며, 케이블은 인터넷과 전원이 함께 들어있는 단일 쌍 이더넷(SPE/Single Pair Ethernet)선이어야 하고 길이는 1,000m의 장거리 배선이어야 한다.

PHY 물리배선 및 Trunk & Spur 토폴로지

• 통신 및 전원을 전달하는 2가닥의 케이블을 말한다.
• 폭발 및 비 폭발 환경(내부 안전)에 적합할 것
• FISCO[Fieldbus Intrinsically Safe Concept] 또는 유사한 인증 방법론 허용
• NE 21 EMC와 호환성이 있어야 하며,
• NE 74 커넥터 및 설치 기준에 맞을 것
 
이더넷으로의 이전[Migration] 문제를 해결하고자 스위치 아키텍처가 그림 4에 표기된 바와 같이 채택된다. 이것은 4-20mA의 통신망 및 필드장치(Zone 0)의 업그레이드는 간편한 전환을 위해 케이블 끝[단말]에서 접근하고 있다. 그림 4를 보면 사진이 희미하지만, 중앙의 청색 모듈이 Field Switch이다. 밑에 있는 살색 모듈은 Field Device들이다.

위의 회색장치는 대표적인 스위치를 표시하며 스위치에 표기된 2개의 선을 연결시 노란 선은 이더넷선이고, 갈색 선은 파워[Power]선이다. 여기서 인터넷은 주로 장비가 인터넷선+파워선+스위치의 3종으로 구성되어 있음을 알 수 있다. 아날로그 계장보다 구성이 단순해 고장이 없고 신호 전달이 확실하며 보수유지가 쉽다는 점이 이더넷-APL의 최대의 장점이다.

설치 비용과 케이블링 노력을 줄이기 위해 그림 4와 그림 5에 표시된 대로 트렁크[Trunk]와 스퍼[Spur]를 통해 현장센서[온도/압력/유량/레벨/중량]에 연결할 수가 있다. 트렁크와 스퍼는 필드와의 통신에 충분한 대역폭을 제공해 주며 필드 장치에 전력을 공급한다. 트렁크와 스퍼는 IEC 61158-2 유형 A 케이블[그림 7 & 9 참조] 단일 쌍 이더넷케이블[SPE/Single Pair Ethernet cable]에 설명된 대로 단일 트위스트 페어 차폐 케이블을 사용하는 것이 이상적이다. 모든 기기에 이더넷을 가져오고 NAMUR에서 설명한 대로 엣지[Edge]에서 최종 사용자 비전을 충족시키는 것이다.

• 제어실 및 제어실 사이의 장거리 범위 현장 장치 → 1000m 이상 및 수백 개의 장치와 연관
• 경제적인 케이블 연결 및 현장의 전력 공급 → 레거시 단일 쌍 케이블을 통한 전력 및 통신전달
• 폭발적 환경에서의 운영 → 고유 안전 IEEE 802.3-10SPE 프로젝트 목표는 프로세스 자동화에 대한 요구사항이다.

모든 공장을 이더넷으로 표준화한다는 비전을 제시한 NAMUR(Normen arbeitsgemeinschaft für Meß und Regelungstechnik in der chemischen Industrie)를 중요하게 보고 있다. 왜냐하면 NAMUR는 공정산업의 자동화 기술 국제사용자 협회이기 때문이다. 비록 독일에서 설립되었고 처음에는 화학 산업에 초점을 맞추어 활동했지만, 그들의 범위와 영향력은 더욱 넓어지게 되었다. 그들은 151개의 회원사와 2000개 이상의 전문가를 보유하고 있다. 2016년 NAMUR는 프로세스 산업을 위한 포지셔닝 페이퍼 이더넷 통신 시스템[“Position paper An Ethernet communication system”]을 발표하였으며, 이더넷의 단일 네트워크 비전[single network vision]을 밝혔다.



그림 6은 트렁크(Trunk) & 스퍼(Spur) Topology 존[Zone] 1 & 존[Zone] 0 구역을 표기한 것으로 좌측의 일반 산업용 이더넷을 우측의 이더넷-APL 스펙과 비교한 그림인데 정리하면 다음과 같다.

1) 좌측 카테고리는 산업용 이더넷[녹색 라인] Spec.

• 데이터 처리 속도 100Mbps
• 4wire로 길이는 100m[max]
• 전 이중 통신 방식
• 종단 장치와 스위치에 자체 전원을 공급해야만 된다,
2) 우측 카테고리는 이더넷-APL[흑색 라인] Spec.
• 데이터 처리 속도 10Mbps[10BASE T1L]
• 2wire로 길이는 1000m[max]
• 전 이중통신방식
• 종단 장치와 Field 스위치에는 통신선을 통해 본질 안전[IS]방 폭, 2WISE, IEC 60079-47이 적용된다.

이것은 그림 1 싱글페어 이더넷[Single Pair Ethernet/단일 쌍 이더넷]선이 연결된 APL 구성 도에 나와있는 좌측 윗부분에 표기된 녹색라인의 산업용 이더넷 라인 표기와 동일한 것이며 여기서 도면에 녹색 표기는 산업용 이더넷 선으로 인식하면 된다.

실제 이더넷-APL 배선의 구조

★ [그림 7에서] 좌측 부분의 현재 우리가 알고 있는 이더넷[인터넷프로토콜] 배선 스펙을 보면,

- 배선은 RJ45 커넥터 형으로 되어있고,
- 4 와이어나 8 와이어의 배선으로 구성되며,
- 통신선[인터넷 선]과 파워선[AC220V]이 따로 따로 분리 공급되고 있고,
- 사설 배선이며, 주로 사무실 환경에서 사용이 가능하다.
- 속도는 100Mbps이며,
- 배선길이는 100미터[MAX]이다.

한마디로 PROCESS 산업의 요구사항에는 못 미친다. 그러나,

★ [그림 7에서] 우측의 PROCESS 산업 스펙 요구사항을 살펴보면 다음과 같다.

- 가혹한 조건에서 연결 가능해야 하며
- 2가닥이 들어있는 배선이어야 하며[단일 쌍 이더넷 배선/Single Pair Ethernet/동축 케이블 커버 안에 있는 2가닥 배선]
- 통신선[인터넷 선]과 파워 선[전원 선]이 함께 동축 케이블 속에[비닐커버 안에] 들어 있어야 하고
- 방 폭이어야 하며 위험지역에서 잘 견뎌야 하고
- 고속의 통신 속도와 일정한 밴드 폭을 유지해야 하며
- 길이가 1,000m이어야 한다. 이것이 바로 이더넷-APL [Advanced Physical Layer/고급 물리계층]이다.

현장에서 사용되는 필드버스 영역인 PL(Physical Layer) 측, APL 개념에서는 스퍼(Spur) 배선에서 200m[(Spur＜200m/656ft(피트)] 이내는 기존의 아날로그 계장기기가 설치되어있는 구간이다. 그리고 스퍼 프로토콜 후단[APL Field switch가 있는 곳]부터 약 1,000m까지는 SPE선 즉 싱글페어 이더넷[Single Pair Ethernet/단일 쌍 이더넷]선이 연결된다. SPE선은 2016 년에 IEEE 표준협회가 IEEE 802.3cg 표준을 승인 발표한 바로 그 표준이다. 여기서 APL의 전용선으로 사용 될 SPE선은 이미 이더넷-APL용 장거리[1,000m] 케이블로 국제표준 인증을 받은 것이다.

이제부터 이더넷-APL이 무엇인가를 좀더 본격적으로 알아보기로 하자.

이더넷-APL(Advanced Physical Layer)이란 용어는 보통 필드버스에서 사용하는 프로토콜 표시 구조를 약자로는 PL[물리계층/Physical Layer/OSI(Open Systems Interconnection)] 즉, 7 Layer중[물리계층의] 이니셜을 “PL”이라고 표기하는데, 특히 APL(Advanced Physical Layer)이라 하고, PL[물리계층]에 따로 Advanced(고급의)란 용어를 1개 추가했다. 그 이유는 이더넷-APL이란 용어를 PROCESS 계장 용어로 쓰기에는 계장 분야가 타 분야보다도 까다로운 IS(Intrinsic Safety) 조건이나, 위험지역(Hazardous Area) 구분, 통신선 길이 제한[1000m] 등의 사양이 몇 가지 더 추가되므로 설계자들이 이더넷-APL 자체가 물리계층을 베이스로 하기 때문에 APL(Advanced Physical Layer)을 “고급[몇 가지 사양이 포함된] 물리계층”이라고 부르기도 한다.

이 장르에서는 편의상 [이더넷-APL]로 그냥 부르기로 하자. 물론 SPE[(Single Pair Ethernet=IEEE 802.3cg-2019에 정의된 10BASE-T1L), IEC 60079, IEC 61158-2(배선유형: A타입) 배선이 이더넷-APL에서 중요한 요소이긴하나, 이외에 포함되는 Spec에는 방 폭[Explosion Proof], 본질 안전[IS/Intrinsic Safety], PHY 물리배선 표준, 중요한 PROCESS 계장기기가 많이 설치된 화학, 석유화학공장 등의 폭발위험 지역[Explosion Hazardous Area]과 CCR(Central Control Room)에서 장거리 지역에 1,000m가 이격된, 전원공급장치 및 동축케이블 속에 들어있는 2와이어[(SPE선=Ethernet 통신선 1가닥+DC전원선 1가닥)] 케이블 및 본질 안전[Intrinsic Safety] 방 폭[Explosion proof]이 이더넷-APL에서는 매우 중요하다.

이 문제를 포함한 몇 가지 특수사양을 추가하고 디지털트윈[Digital Twin]이나 클라우드[Cloud] 컴퓨팅이 가능한 통신방식이 가미된 전혀 새로운 형태의 PROCESS 계장체계를 디지털로 만들기 위해 처음에는 세계 3대 SDO인 PI(PROFIBUS & PROFINET International), FieldComm Group(Hart-IP], ODVA(EtherNet/IP), 등 3개 단체가 독일 뉘른베르크에서 하나로 모여, 머리를 맞대고 공동 협력으로 PROCESS 계장 분야에서 이더넷-APL 프로젝트를 수행키로 하였다.

이더넷-APL이 물리계층(계층1)에 영향을 미치기 때문에 사양 통합은 통신 프로토콜에 있어서 여럿의 요구를 만족하는 중립적 위치에 놓고, 프로젝트를 수행하기로 했다. IP 기반 프로토콜표준의 통합개념은 2020년에 수립하였고, 산업용 이더넷을 물리계층에 적용하는 것은 최종 사용자인 엔드 유저에게 상당한 장점을 제공할 것이기 때문에, PROCESS 계장 산업을 위한 세계최고의 무역박람회인 독일의 ACHEMA 전시회에서 이들 3개의 SDO는 공동기자회견을 열어 공개적인 발표하였다.

최초에는 OPC FOUNDATION(UA)이 빠진 3개 기관으로 출범을 했으나 나중에 OPC FOUNDATION(UA)이 이 대열에 합류하여 4 SDO가 막강한 추진력을 갖게 되었다. 고급 물리계층의 공동 프로모션과 4개의 산업용 이더넷 네트워크(EtherNet/IP, HART-IP, PROFINET, FOUNDATION)에 대한 잠재적 적용의 일환으로 2018년 독일의 NAMUR 총회(NAMUR General Meeting)에서 다시 토의하기로 했다. 이들은 전체 네트워크 인프라를 위한 장치개발이 주요 목표였으며 이를 위해 백서[white paper]를 즉시 발표했다.

백서 이름을 현장-연결 이더넷(Ethernet to the field)으로 정했다. 이 백서의 목적을 “모든 PROCESS 계장장치의 자동화 수준에 있어서 1개의 공통통신기술을 포함하는 이더넷 기반의 단일네트워크 표준으로 개발하는데 그 목적이 있다고” 했다. 백서에 대해서는www.ethernet-apl.org[이더넷-APL홈페이지]를 참조하기 바란다.

[독일] BASF의 파일럿 테스트에서 수집 된 첫 번째 고객 경험 결과를 바탕으로 이더넷-APL의 장점은 확실하고 분명하게 입증된 바 있다. 성공적인 결과를 전 세계에 보여 준 것이다. 이를 토대로 NAMURA 총회에서 첫 번째 시제품 네트워크의 모습을 보게 되었다. 이더넷-APL은 디지털 기기 통신에 이용이 가능한 대역폭을 획기적으로 증가시키고 네트워크 아키텍처를 한번에 단순화 한다는 면에서 본다면 대단한 발전을 단기간에 이루어버렸다.

또한 처리속도 면에서 본다면 10Mb/sec에서 APL 클럭은 FASTOR Fieldbus H1보다 300배 이상, HART Protocol보다 8,000배 이상 빠른 속도로 정보처리가 이루어진다. PROCESS 계장으로서는 전무후무한 획기적인 속도를 경신하게 된 것이다. 기존 아날로그 계장 시스템에서는 흉내를 낼 수도 없는 빠른 데이터 처리속도라 아니할 수 없다.

이더넷-APL은 이더넷[Ethernet]이므로 현장장치에서 엔터프라이즈 적[회사내 ERP 등의 시각에서] 비지니스 시스템과 클라우드 처리시에 게이트웨이나 프로토콜 전환을 전혀 할 필요가 없어서[인터넷 통신이므로] 그냥 위에서 아래로 막 통해 버린다. 1980년대에 HART 프로토콜을 표준화함으로써 디지털화의 첫 단계가 이루어진바 있다. 이 프로토콜을 사용하면 기존 4-20mA 아날로그 배선이 있는 플랜트에 쉽게 도입할 수가 있다. 2000년대에 PROFIBUS PA 또는 Foundation Fieldbus와 같은 필드버스 프로토콜들이 도입되어 더 빠른 데이터 전송속도, 진단 또는 장치교환을 위해 표준화된 기능을 제공해왔다. 필드버스 시스템만으로는 전통적인 HART 시스템을 전면적으로 완벽히 대체할 수가 없었다.

예를 들어 PROCESS 계장시스템은 프로세스 값만을 사용하지, 종합적인 데이터 결과와 시스템은 그다지 중요하게 생각하지 않았다는 데에 문제가 있었다. 이유는 자명하다. 지금까지 PROCESS 계장 분야는 회사의 ERP나 전산 개발 시 항상 빼놓고 타 분야만 업무의 통합 전산화를 실시해 왔기 때문이다.

이젠 PROCESS 계장분야도 예외 없이 종합적인 데이터와 시스템이 필요한 ERP 등의 통합 전산화 과목으로 처리가 가능해졌다. 이는 이더넷-APL의 적용으로 인해 클라우드 컴퓨팅이 가능해 졌기 때문이다. 이더넷 접속의 마지막의 도달점에서 이 새로운 시스템은 예컨대 회의실에서 경영자가 다양한 네트워크 영역의 데이터를 이더넷-APL을 통해 공장의 현장에서 즉시 수집해 통계적으로 상황을 파악할 수가 있게 된 것이다.

기존의 아날로그 PROCESS 계장 시스템에서는 꿈도 꾸지 못할 대변화라 할 수가 있다. 이제 기존의 아날로그 PROCESS 계장 시스템을 정량적으로 데이터를 즉시 종합 데이터화하여 회사 내에 돌아가는 ERP 전산화 프로그램에 그대로 반영할 수 있게 된 것이다. 결국 공장의 현장까지 인터넷이 돌아가게 된 것이다. 필요시 즉시 공장의 현장 PROCESS 설비[예컨대, 석유화학공장의 수많은 저장탱크/베셀용기/각종 증류 탑 류 등]의 온도/압력/유량/레벨/중량이 얼마 만큼의 생산 비용에 중요성을 갖게 되는지, 또는 마이너스 요인이 되는지의 통계 수치를 클라우드 컴퓨팅을 통해 CEO가 직접 초단위로 확인해 볼 수가 있다는 것이다.

기존의 아날로그 PROCESS 계장 시스템에서는 불가능한 통계 및 종합 경영 데이터를 CEO가 이더넷-APL에서 아무런 장애 없이 대시보드[Dash board는 데이터에 대한 포괄적인 뷰(view)를 통해 중요한 의사결정 정보를 한 눈에 파악하는 보드(boaed)]를 통해 상황을 마음대로 살펴 볼 수가 있게 된 것이다.

상전벽해(桑田碧海)라는 말이 있다. 변화의 기복이 심하다는 뜻인데 전후 수십 년간 이어온 인터넷시대 벙어리-아날로그 시스템을 디지털 시스템으로 국제 4 SDO[Standard Development Organization]와 12개의 월드 PROESS 계장 메이커가 파워 풀 하게 단기간에 완성함으로써 향후 이더넷[인터넷프로토콜]이 소멸될 때까지 장구하게 엔드 유저들에게 설치비용/유지비용/안전비용을 대폭절감 시켜줄 획기적인 방법론으로 탄생한 것이다. 금년부터 12개의 세계 적인 PROCESS 계장 메이커들이 이더넷-APL 제품을 시장에 공급할 것으로 본다. 12개 메이커 외에 일반 국내 계장기기 메이커는 어떻게 이더넷-APL 시장에 참가할 수 있을까?

좀 막연할 것이다. 그러나 이런 생각은 기우에 지나지 않는다. 그 이유는 현재 국내 기업들이 만들어 놓은 기존 제품에 이더넷-APL 사양을 구입하여 개발 후 인증받으면 된다. ODVA를 예로 든다면 ODVA 회원에 가입하여 DeviceNet이나 EtherNet/IP 인증을 받듯이 이더넷-APL 기능이 추가된 업데이트 판 EtherNet/IP 인증을 받으면 된다. ODVA는 작년에 이미 EtherNet/IP의 이더넷-APL 인증 테스트를 성공적으로 마쳐, 올해부터 이더넷-APL 기능을 보유한 EtherNet/IP의 인증 준비를 하고 있다.

아직 자사제품이 없을 경우 유저회사로부터 의뢰를 받아 이더넷-APL 기능이 보강된 EtherNet/IP 인증을 ODVA로부터 받으면 된다. 인증 받은 PROCESS 계장 제품을 필요한 시장에 판매함으로써 새로 전개되는 이더넷-APL 시장에 진출하면 된다. 그러므로 제품이 없다고 전혀 고민할 필요가 없다는 점을 밝힌다. 4 SDO의 하나인 ODVA는 이더넷-APL 기능을 갖는 EtherNet/IP 인증을 올해부터 시작할 예정이다.

PROCESS 계장기기를 제조하는 메이커나 기존의 PLC 또는 I/O 인터페이스 카드나 모듈을 국내 생산하는 자동화 메이커[vendor] 및 반도체 장비[전/후 공정 모두]를 제조하는 메이커, 및 전선[케이블] 메이커들은 ODVA에서 이더넷-APL 관련 EtherNet/IP 인증을 받으면 된다. 12개의 이더넷-APL 개발 메이커나 다름없이 신규시장에 자사의 ODVA 인증을 받은 이더넷-APL 기능을 보유한 EtherNet/IP 인증 받은 제품을 판매하면 된다는 점을 본고를 통해 알린다. <다음호에 계속>