[기고] 이더넷-APL : 프로세스계장 자동화 연결의 미래
  • 2021-12-03
  • 글 / STEVE FALES, Director of Ethernet-APL, ODVA


Industry 4.0과 결합된 경쟁력 및 비용에 따른 압력으로 인해 프로세스계장 자동화 장치, 에지(Edge) 및 클라우드(Cloud)를 통한 장치의 정밀상태, 정밀운영, 정밀분석 및 정밀예측, 유지 관리가 그 어느 때 보다도 중요해졌다.

이 프로세스계장 산업은 이더넷-APL을 통해 현장계측 제어를 위한 온도, 압력, 유량, 레벨, 중량 등의 센서 및 계측제어 관련 각종 액추에이터, 트랜스듀서, 모니터, 대시보드, 프로세스 컨트롤러, PLC, DCS 등에 연결하는 등의 대대적인 커다란 변화를 가져올 조짐이며, 모든 산업계의 프로세스계장 분야에 큰 변화가 불가피하다.
 

높은 고정 플랜트 비용과 함께 중요한 인프라 역할에 의해 구동되는 프로세스계장 산업의 신뢰성, 보안 및 안전 요구사항은 대부분의 다른 산업부문 보다도 훨씬 전인 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 전 세계의 공장들에서 필드버스와 함께 널리 사용되고 있다.

이런 방법들의 단점 중 하나는 현장장치, 시운전에 몇 초의 빠른 속도가 아닌 몇 분 정도의 늦은 시간이 걸리게 되며 중요한 프로세스 변수를 넘어서는 제한된 양의 프로세스 및 진단정보만 전송되는 경우가 있다는 것이다. 정밀하지 못하다는 것이다.

Process fieldbus 솔루션은 잠재적인 장치 상태와 원격 시운전의 가능성을 제공했으나 교육, 유지 보수, 신뢰성 및 상호 운용성에 대한 우려로 인해 대규모로 채택되지 않고, 전반적인 산업의 변화에 대해서 매우 제한적이며 다양한 필드버스 표준의 종류가 많은 다중 표준으로 인해 난맥상을 보이고는 있으나 다행히 최종 사용자에게는 큰 이점을 각각 제공해 왔다.

Industry 4.0을 통한 기술발전과 결합된 경쟁 및 비용 압박으로 인해 장치(Equipment), 에지 및 클라우드를 통한 비용의 획기적인 절감과 정교한 장치상태의 파악, 정밀운영분석 및 정밀예측 유지관리의 스마트화가 그 어느 때보다 필요한 중요 문제로써 대두되기 시작한 것이다. 프로세스계장 산업은 세계적으로 이를 극복 할 큰 변화를 준비하고 있었으며, 2022년 단일 프로세스계장 IEC 국제표준이 될 이더넷-APL을 공동 출시하면서 프로세스현장 계측제어 장치에 이제는 이더넷-APL을 직접 연결할 때가 된 것이다.

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, 전원 인프라 및 석유화학 공장 등과 같은 모든 클래스 1 위험지역(Hazardous area) 및 부서에 본질안전 방폭에 대한 프로세스계장 산업계의 요구를 충족시킬 목적으로 탄생이 되었다.

본질 안전 방폭을 정의하는 2-WISE를 사용하면 다른 계산없이 본질 안전 방폭을 검증하기 위한 간단한 단계를 수행할 수가 있으며, 10BASE-T1L은 10Mbit/s에서 속도를 크게 늘릴 수 있다. 이더넷-APL은 물리계층 일 뿐이기 때문에 최종 사용자가 선도적인 산업자동화 표준기관에서 IEC 61508 및 ISA/IEC 62443에 기반을 둔 표준 안전 및 보안 서비스에 액세스할 수 있도록 허용한다.



또한 이더넷-APL은 EtherNet/IPTM, HART-IP, OPC UA, PROFINET 또는 기타 상위수준의 네트워크 프로토콜을 지원할 수 있다. 요약하면 이더넷-APL을 통해 이더넷은 현장 계측에서 플랜트 프로세스계장 자동화 시스템으로 원활하게 확장하여 더 높은 수준의 엔터프라이즈 리소스 계획시스템 및 사용료가 대폭 절감되는 클라우드 환경으로 확장하여 불필요한 게이트웨이의 숫자를 많이 줄일 수가 있다.

이더넷-APL 기술 출시

“APL 프로젝트”는 표준개발 조직인 FieldComm Group, ODVA, OPC UA, PI(PROFIBUS & PROFINET International) 등의 세계4대 SDO와 12개 세계주요 산업 프로세스계장 프로젝트의 공동회원 인, ABB, EMERSON, Endress+Huser, KROHNE, PEPPERL+FUCHS, PHOENIX CONTACT, ROCKWELL AUTOMATION, SAMSON, SIMENS, STAHL, VEGA, YOKOGAWA 등으로 구성된다. 3년간의 성공적인 공동협력 끝에 이더넷-APL 프로젝트는 2021년 6월 15일 독일의 ACHEMA 펄스 디지털 박람회에서 이더넷-APL 기술을 출시했다.

기술 출시에는 사양, 엔지니어링 지침(ENG Manual), 적합성 테스트 계획(Conformance Test Plan)의 출시가 포함되었다. 또한 방폭 위험 지역(Hazardous Area) 보호 및 표준화된 제품의 마킹 없이 여러 전력레벨에 대한 이더넷-APL 개념을 만드는 정의된 포트프로파일(Port Profile)도 포함되어 있다. 다음 단계에는 일부 공급업체에서 사용할 수 있는 초기제품을 보유한 회사에서 현장 프로세스계장 장치를 릴리스 하는 것이 포함된다. 이더넷-APL의 가치는 ACHEMA 기간 동안 다양한 프로세스계장제품 공급업체와 산업 프로토콜에 대한 참여를 보여주는 멀티벤더 데모를 통해(독일 BASF공장에 적용 후) 입증되었으며, 최종 사용자에게 제공하는 옵션과 상호운용성(Interoperability)을 강조한다.

이더넷-APL을 위한 다음단계

제약이나, 식/음료와 같은 하이브리드 산업은 현장 프로세스계장 장치가 장거리 케이블 길이를 필요로 하거나 위험한 환경에 있는 경우를 위해 현장 프로세스 계측제어장치의 현저하게 향상된 데이터의 가시성을 활용하는 이더넷-APL 기술이 얼리 어답터가 될 가능성이 높다.

기술 시연요원, 산업 운전요원 및 내부 테스트를 통해 개념이 입증되면 전통적인 프로세스계장산업은 채택을 서둘러야 자사에 이득을 보태줄 가능성이 매우 높다. 프로세스계장의 최종-사용자(End-user)는 빠르게 증가된 속도로 인해 고급 정밀분석예측 유지관리 및 향상된 운영관리를 스마트기술을 채택 함으로 인해 가장 큰 가치를 창출하게 될 것이다. 1,000m의 장거리 케이블 길이와 본질 안전 방폭 기능을 통해 이더넷(Ethernet)이 표준현장 프로세스계장 장치의 솔루션이 되는 것이다.



또한 유저(USER) 회사는 이더넷-APL에 대한 +/- 20옴[Ohm] 허용 오차로 100옴[Ohm]의 저항 기준을 충족하는 기존에 설치된 Type A 필드버스 케이블을 잠재적으로 재사용할 수 있도록 설계되어있다. 유형 A 필드버스 케이블을 재사용하고 동일한 케이블에서 전력과 통신을 동시에 공급을 받을 수 있는 획기적인 기술인 SPE(Single Pair Ethernet) 케이블 기술은 기존의 전원선과 인터넷 선이 분리되어 공급하는 것을 막기 위해 동축 장거리 케이블(1,000m)에 전원/인터넷을 동시에 사용할 수 있는 경제적 기술이다.

이와 동시에 이 기술의 장점은 기존의 필드버스 케이블로도 호환이 되도록 제정되어 기존의 필드버스선을 걷어내지 않고도 그대로 연장이 가능한 장점을 갖도록 개발을 하였기 때문에 현장에 포설할 케이블 자재 비용과 케이블 설치 비용을 최대한 절감할 수가 있다.

ODVA의 EtherNet/IP 및 이더넷-APL관계

EtherNet/IP 통신 네트워크는 프로세스계장 플랜트에서 이더넷-APL의 물리계층을 활용할 수 있으며, 이는 TCP/IP, HTTP, FTP, SNMP 및 DHCP를 포함한 상업적 기반의 산업계측제어 하드웨어, 개체지향 기반 및 표준 인터넷프로토콜 호환성의 장점을 실현할 수가 있다. EtherNet/IP를 지원하는 최초의 이더넷-APL 인프라 및 현장장치는 2021년에 출시되었다.

EtherNet/IP에 대한 지속적인 개선사항은 디스크리트, 하이브리드 및 프로세스계장 애플리케이션 전반에 걸친 향후 산업커뮤니케이션 및 제어 요구를 충족하기 위해 계획 및 진행을 시행 중이다. 최근 EtherNet/IP 프로세스계장 기술 향상에는 NE107진단, HART통합, IO-Link 통합 및 장치설명 향상기능이 포함된다.

EtherNet/IP를 사용하면 NAMUR NE 107 진단정보를 DCS로 쉽게 전송하여 운영자의 검토를 위해 또는 예측 유지관리를 위한 에지 장치 매핑으로 쉽게 전송할 수가 있다. HART와 EtherNet/IP 장치와 IO-Link 및 EtherNet/IP 장치 간에 가능한 것보다 훨씬 더 나은 프로세스계장 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 디지털화된 장치설명 파일로 EtherNet/IP의 생태계를 지속적으로 확장하고 있다. 장치설명 노력의 최종의 목표는 장치정보에 대한표준, 견고하고 상세한 설명을 제공하고, 안전한 장치설명의 팩트를 구현시키고, Industry 4.0 및 산업용 IoT가 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 제공하고 있다. EtherNet/IP는 CIP 안전™, CIP 보안 장치 방어™, 병렬 중복 프로토콜(PRP) 및 장치 레벨 링(DLR)을 통해 기능적 안전성을 지원하고 있다. ODVA는 EtherNet/IP가 인더스트리 4.0 및 IIoT의 모든 요구 사항을 충족및 보장하기 위해 최선을 다하고 있다.

EtherNet/IP는 멀티밴더끼리 상호운용 가능하고 대단히 표준화되고 입증된 산업자동화 네트워크이다. 프로세스 별 향상과 함께 EtherNet/IP는 네트워크 및 장치상태 모니터링, 보안 및 안전성과 원격 장치구성을 위한 프로세스계장 자동화기술 내에서 EtherNet/IP의 이점을 활용할 수가 있다.

최종 사용자를 위한 이더넷-APL의 가치

이더넷-APL은 프로세스계장 자동화에서 산업용 이더넷을 광범위하게 사용할 수 있는 문을 활짝 열 것이다. 이제 프로세스 최종 사용자는 이더넷-APL을 장거리 계측제어 현장장치, 본질 안전방폭성 및 응용계층의 산업 프로토콜 지원을 위한 단일표준 이더넷 물리계층으로 활용하여 기존 솔루션의 안전보안 및 사용의 편이성을 유지하면서 생산을 최적화할 수 있다.



또한 게이트웨이의 사용량이 대폭으로 줄어 경제적 이윤추구에 한몫을 유저에게 피드백 해 준다. 적합성 테스트 제품은 프로세스계장 플랜트의 현장 혁명에 이더넷의 시작을 가능하게 하기위해 곧 출시될 예정이다. 이더넷-APL은 향상된 원격시운전, 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 프로세스계장 산업의 요구사항을 충족해야 한다는 점을 감안할 때 이더넷-APL이 프로세스계장 자동화의 미래라고 말하는 것은 전혀 과장된 말이 아니다.

STEVE FALES의 결론

이더넷-APL 표준이 완료되고, 제품이 진행 중이다: 프로세스계장 산업을 위한 2 와이어, 10Mbit/s 이더넷 기술 사양, 테스트표준 및 2 와이어 이더넷 물리계층 구성 요소를 포함한 10가지 이더넷-APL의 이점을 확인하여 3년간의 작업 끝에 제공되는 위험한 프로세스계장 환경에서 고속통신 현장 계측기기의 배포를 가능하게 하였다.

마크 T. 호스케씨에 의해 2021년 6월 15일 추진 된공정 제조 산업을 위한 2선, 본질 안전 방폭으로 안전한 물리계층인 10Mbit/s이더넷-APL 표준의 선도적인 표준 개발조직과 12개의 주요 프로세스계장기기 공급업체간의 3년 여간의 협력개발 후 현재 완료공정 시점에 도달했다. 2022년에 곧 완료마감 될 것이다. 이제 이더넷-APL 표준기술의 사양서, 테스트표준 및 2 와이어 이더넷 물리계층 구성 요소가 사용 될 것이며 위험한 지역인 프로세스계장 자동화 환경에서 고속통신이 가능한 새로운 현장 계측기기의 배포가 시작될 것이다.

이더넷-APL조직 소개 및 프로젝트 동참자

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 개발하여 만들었다.

APL 프로젝트의 사양서, 엔지니어링 지침 및 적합성 테스트 계획이 릴리스되면 최종 사용자는 프로세스계장 주요 공급업체의 구성 요소를 공급받는 기대할 수 있으며, 현재 일부 공급업체에서 이미 만든 제품을 구매하여 사용한다면 유저가 사용 할 수 있는 첫 번째 제품이 될 것이다. 3021년 6월 15일 독일 프랑크푸르트 아케마에서 열린 기자 간담회에서 이더넷-APL 세부 정보를 제공했다.

세계적 표준개발기구[SDO]의 대표기관의 공동회의 주요 참가자 대표 사장단에는 조르그 헤이니체 엔드레스+하우저 혁신 디렉터, Ms. Adrienne Meyer ODVA Inc. 부사장(ODVA의 조직운영 및 회원관리 담당 부사장)[베이도운 박사(PhD)]ODVA 사장 겸 전무이사, 스테판 홉페 OPC UA 사장 겸 전무이사, 테드 마스터스 FieldComm Group 사장 겸 CEO, 카스텐 슈나이더, Profibus & Profinet International 회장 등이 배석을 했다.

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