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[급부상하는 태풍의 눈 ‘APL’-①] PROCESS 계장 약사와 표준 규격

입력 : 2020.06.29 15:20

[조기등록 마감 임박] 디지털 뉴딜 대비하는 스마트 공장 구축 및 고도화 전략 컨퍼런스 (9월3일)
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[헬로티]


세계 PROCESS 계장 산업 분야의 약사와 시장 규모


산업 분야에서 좀 독특한 분야 중 하나로 꼽을 수 있는 분야가 있다면, 그것은 단연 PROCESS 계장 분야가 아닐까한다. 우선 PROCESS 계장 분야의 국내외 역사를 단편적으로나마 살펴보기로 하자.



PROCESS 계장 분야라는 용어는 필자가 편의상 쓴 용어임을 밝힌다. 원래는 국제적 단어가 PROCESS 하나인데, 계장(Instrumentation)을 추가 한 것이다. 그 이유는 우리나라는 산업의 초창기 일본에서 기술이 도입되었기 때문이다. 즉 계장은 일본의 산업 용어이다. 추측이긴 하나, 계장은 ‘악기’ 또는 ‘오케스트라’의 뜻도 담겨있다고 한다. 한문으로는 계장(計裝)이다.


필자의 자의적 해설은 계(計)는 계량을 의미하고 장(裝)은 힘센 장사(壯士)가 멋진 의상(衣裳)이나 의관(衣冠)을 입고 있는 한문 형태의 글자 두 개가 상하로 합성된 장(裝)이라고 본다면, 프로세스 현장의 다양한 탱크(Tank), 타워(Tower) 베셀(Vessel) 등의 프로세스를 힘차게 돌리는 계장 신호는 막강한 물리량이다. 장사 정도의 힘으로는 작은 밸브 하나도 못 돌린다.


계측제어 분야는 자동제어 이론을 토대로 실천하는 독특한 산업 분야이며, 한국에 본격 상륙 한 것은 5.16 이후 박정희 대통령이 제1차 경제개발 5개년 개혁을 시작한 70년대 초부터, 중화학공업 육성정책에 따라 충주비료, 울산석유화학공단, 온산 국가산업[비철금속]공단 등을 유치한 것이 효시가 되었다.


예를 들면, 장치산업을 구성하는 석유/석유화학/케미칼/파인케미칼/전력/상·하수도처리/환경/제철/비철금속/식·약품/반도체/LCD 분야에 이르기까지 광범위한 산업 분야에서 플랜트가 보유하는 각종 물리량, 즉 온도(Temp)/압력(Press)/유량(flow)/레벨(Level)/중량(Weighing) 등의 측정에 자동제어 이론이 작용하며, 외란에 대한 제어 기능상 P(비례/Proportional), I(적분/Integral), D(미분/Derivative) 복합 또는 단위 동작이 작용하는 독특한 기술 분야에서, IEC가 1940년대에 규격화된 공기압 신호(0.2~1.0Kg/cm2), (3~15psi), 1960년 제정한 전기 신호(4~20mA)가 2020년 현재까지도 국내 장치산업이 있는 플랜트에 온도/압력/유량/레벨/중량 등의 아날로그 트랜스미터나 컨트롤밸브가 현장에 그대로 사용되고 있고, 수년간 조사 결과에 따르면 현재 배치(Bach) PROCESS가 돌아가는 공장의 Feedback Loop 숫자는 작은 화학공장에서부터 대규모 석유화학공장에 이르기까지 약 300만개의 Feedback Loop(폐회로)가 국내에 산재한 것으로 집계되었다.


가령, 제어기(Controller), 전송기(Transmitter), 컨트롤밸브(Control Valve)로 구성되는 피드백회로를 들여다보자. 제어기로 중형 PLC 1EA, 전송기는 전자식 전송기 1EA, 컨트롤밸브는 SUS 316 재질의 4인치 구경 Glove 밸브를 1EA 등, 3요소로 1개의 피드백 루프를 구성했다고 가정 했을 때, 국내 공장의 Feedback Loop를300만 회로로 추산하고(10년간 조사결과), 여기에 CVVSB 2□ 2C 신호케이블을 압력, 유량, 레벨 등은 2선을 연결하고, 온도는 3선식~4선식을 연결하여, 덕트, 콘듀이트 배관 등이 포함된 계장공사를 추가한 비용계산의 합계는 대략 1조원 정도가 산출되며, 이것을 국내 PROCESS 계장 시장의 크기로 보는 근거이다.


APL을 공동개발 추진키로 한 오디브이에이(ODVA), 필드컴그룹(FeildComm Group), 피아이인터내셔널(PI International) 3대 기관이 2022년 말 전 세계에 APL 개발 완료 소식을 발표하는 순간, 한국을 비롯한 전 세계의 PROCESS 계장 시장은 이 뉴스로 디지털 전환(Digital Transformation)의 대 약진이 시작 될 것이며, PROCESS 계장 시장은 요동을 칠 것이다.


PROCESS 계장 시장은 긴 아날로그의 터널에서 깨어나 4차 산업혁명과 스마트공장(SMART FACTORY)에 본격 진입하게 되는 것에 대해 관계자들이 모두 환영하게 될 것이며, 5G~6G나 엣지 컴퓨팅, AI 기술들이 대거 채택이 될 것이다. 또한, PROCESS 계장 분야는 보수적인 과거의 기술에서 탈피하여 일대 변혁을 추진하게 될 것이다. 특히, DCS의 모습에 많은 변화가 예상된다.


지난 3월 5일, 미국 플로리다주 팜 하버에서 20차 ODVA 연례회의 시 세계 50개 이상의 회사에서 온 120여명의 이 분야 기술전문가들과 함께 연례회의가 개최되었고, 이 회의의 하이라이트인 Amazon Web Services의 기조연설에서 ‘5G 및 WiFi 6를 공장 현장에서 전송할 수 있나요?’라는 제목의 패널 토론과 ‘Edge and Beyond의 산업 자동화 제품 생태계에 대한 디지털 혁신의 영향’이라는 타이틀로 시작된 ODVA 리더십 연차총회에서 PPT로 발표된 자료 중 2022년 전 세계가 APL을 국제표준으로 사용할 경우의 전 세계 PROCESS 계장 분야에 미치는 파장과 시장의 크기는 미화 약 1,000억 달러 정도라고 표기되어 있었다. 그렇다면, 필자가 위에서 언급한 원화 1조원이란 수치는 1,000억 달러의 세계 시장에서 바라본 한국시장의 크기일 것이다. 단, APL이 개발되어도 기존의 설비자재 중 필드버스 케이블은 그대로 사용 하도록 개발팀은 배려를 하였다.


76년 박정희 대통령이 중화학공업을 밀어붙일 때, 울산석유화학 공단 계장 분야에서 일한 경험으로 미루어 아날로그 온도/압력/유량/레벨 전송기는 아직도 상당 부분이 국내 현장에 남아있고, CV[Control Valve]는 전/공 변환기가 포지셔너[Positioner]에 붙어있거나, 변환기만 별도 설치되어 공기식 아날로그 신호(0.2~1.0Kg/㎠), (3~15psi)가 아직 사용되고 있는 곳이 많다. 아날로그 센서들을 만드는 벤더들이 향후 디지털센서 내지 인터넷 센서를 개발하는 날 완벽한 디지털전환이 될 것이지만, 그것은 당분간은 더 기다려야 될 사항이다. 지금까지 국내 PROCESS 계장 도입 약사와 APL의 국내외 시장의 크기를 잠시 분석해 보았다.


업용 이더넷 네트워크인 필드버스의 태동 약사


1. 국내에서 필드버스란 용어의 출현과 사용

필드버스라는 용어가 국내에서 본격적으로 사용된 것은 노무현 대통령 시절 산업자원부의 포럼모집 사업 중 필드버스포럼에 사용된 것이 최초다(2004년부터 2006년까지 활동). 국제적으로는 2003년도 4월 IEC TC65 SC65C 전문위원회에서 국제표준으로 IEC 61158 규격을 처음 제안하면서 표준명(영문이름) “Digital data communications for measurement and control – Fieldbus for use in industrial control systems” 즉, “계측 제어-디지털 데이터통신-산업(공업)제어 시스템을 위한 필드버스”라는 공식 문서에서 필드버스 용어가 유래되었다.


그 뜻은 “필드(field)라는 의미는, 영어사전에 “들[판]” 이라고 되어 있고, 이 필드(field)는 보통 공장의 의미로 사용한다. 버스(bus)는 사람의 운반수단인데, 정보통신 용어인 데이터버스(data bus)와 뜻이 같다고 보면 된다. 두 단어가 합성된 복합어를 공업 용어로 사용한 것이 “필드+버스 = Fieldbus”인 것이다. 이 용어의 공식적인 국내 사용은 IEC가 2003년 이후 IEC TC65 SC65C 전문위원회에서 IEC 61158 표준을 제안하면서 시작되었으며, 지금은 산업용 이더넷을 포함한 필드버스의 종류가 대략 20여종이 있다. 필드버스가 나오기 전 PROCESS 계장 분야 최초의 국제표준은 다음과 같다.


• 1940년 SAMA(Scientific Apparatus Makers Association)협회가 공기압식 국제통일 신호로 제정 : 공기 식 신호체계(0.2-1.0kg/cm2), (3~15psi)

• 1960년 IEC(International Electro technical Commission)가 전기 식 국제통일 신호로 제정 : 전기식 신호체계(4-20mA)


2. 국제적으로 필드버스가 탄생한 시기

1980년대에 스마트센서(Smart Sensor)가 먼저 나왔고 스마트 개념이 미국 하니웰의 필드계기에 도입이 되어 컴퓨터와 인터페이스가 가능한 핸드헬드(Hand-Held) 조작기로써 계기의 제로 스팬의 교정(Calibration)기가 나왔다.


피셔로즈마운트에서 1986년에 개발한 하트프로토콜(Hart-Protocol) 방식이 PROCESS 계장 분야에서 최초의 프로토콜을 사용 표준이 되었고, 1983~1990년 필드버스의 발전 추이는 다음과 같다.


• 1983년 인텔 비트버스(Bitbus) 규격 발표.

• 1984년 P-net 규격 제정

• 1985년 독/보쉬 CAN(Controller Area Network) 칩 규격 발표

• 1987년 독/지멘스 프로피버스(Profibus)발표, 불/월드에프아이피(World FIP) 발표

• 1987년 독/피닉스 인터버스(Interbus-S) 규격 발표

• 1990년 독/지멘스 프로피버스 에프엠에스(Profibus-FMS) 규격 제정

• 1990년 월드에프아이피(World FIP) ISP 종료

• 1990년 독/지멘스 프로피버스디피(Profibus-DP) 규격 발표


3. ODVA와 파운데이션필드버스협회의 탄생

1994년 3월 CAN칩을 기반으로 한 디바이스넷(DeviceNet)을 현, 로크웰 오토메이션의 자회사 알렌브래들리가 설립했다. 디바이스넷을 기반으로 1995년에 미국에서 ODVA(Open DeviceNet Vendor Association)가 탄생했다. 1995년 4월 미국의 알렌브래들리는 디바이스넷의 모든 기술과 권리를 현 ODVA Inc.(사단법인 개방 디바이스넷 제조업체 협회(Open DeviceNet Vendor Association))로 전격 이전했다.


이어 미국의 계측학회- ISA가 필드버스 파운데이션(Fieldbus Foundation) 협회를 만들었다. 미국의 로크웰 오토메이션은 필드버스 H1 및 H2의 백본(Backbone)으로 사용하는 콘트롤넷(ControlNet) 규격을 제안했고, 2000년 7월 ODVA의 콘트롤넷 통신망이 IEC61158-3/4/5/6 규격으로 확정됨과 동시에 디바이스넷 규격인 IEC 62026-3(DeviceNet) 역시 IEC 국제규격이 되었다.


아울러 2000년 7월 아지(AS-i), 에스디에스(SDS)가 IEC 규격으로 확정되었고, 이어 미국의 MIL 표준(MIL STD 1553), IEC/ISA 버스, CNC용으로 독일에서 처음 개발한 써-코스(Sercos)의 규격도 이때 발표되었다.


4. 필드버스의 종류(IEC 61158)

2003년 4월, 처음 IEC TC65 SC 65C에서 IEC 61158 표준으로 제시한 것은 다음과 같다.


• 타입 1 : IEC Fieldbus Technical Specifications

• 타입 2 : Control Net

• 타입 3 : Profibus

• 타입 4 : Pnet

• 타입 5 : HSE of the Fieldbus Foundation

• 타입 6 : SwiftNet

• 타입 7 : WorldFip

• 타입 8 : Interbus


5. 필드버스의 파트별 분류체계 5종

또 TC/184/SC5에서 2002년 4월 제시한 표준은 ISO 15745 표준(Industrial automation systems and integration - Open systems application integration frameworks)으로, 이는 산업 자동화 시스템 및 통합 - 개방형 시스템 응용 통합 프레임워크이며, 여기서 표준을 파트별로 다음과 같이 5종으로 나누어 발표했다.


• Part 1 : 일반 참고사항

• Part 2 : ISO 11898 근거한 시스템/ DeviceNet, CANKingdom, CANOpen으로 구성

• Part 3 : IEC 61158 근거한 시스템/P-Net, Profibus, WorldFIP, ControlNet, Interbus로 구성

• Part 4 : Ethernet 근거한 시스템/ EtherNet/IP, ADS-net, FL-net으로 구성

• Part 5 : CC-Link로 구성


6. SEMI, SENSOR & Actuator 규격으로 분류된 필드버스

• 반도체 통신표준: SEMI(Semiconductor Equipment and Materials International) 표준

• 센서 & 액추에이터(Sensor/actuator network standards) 통신표준 : DeviceNet, SDS(Smart Distributed System), LonWorks, Seriplex, Profibus-DP, Modbus/TCP 및 TCP/IP, CC-Link, Erhernet/IP, Interbus 등


7. 산업용 이더넷 표준 규격 제정

IEC TC65 SC65C 위원회에서 2004년부터 산업용 이더넷(Industrial Ethernet) 표준 규격 제정을 위한 프로젝트가 2004년에서 2010년까지 프로토콜로 진행되었다.



8. IEC 61784-1의 막대한 표준 분량[약 1만 페이지]의 다이어트화=IEC 61158 안내 판[260페이지]으로 축약 출판

61158 표준은 사실상 그 기술의 디테일 기본사항을 설명하는 부록이 있는데, 이것의 분량은 실로 엄청나므로 이를 최소화[다이어트화]할 목적으로 IEC TC65 SC 65C 전문위원회에서 이 규격의 간편화율을 높이기 위해 61158 표준 대신 엄청난 축약판인 61784-1(Profile set for continuous and discrete manufac-turing relative to fieldbus use in industrial control system)을 IEC 61158의 안내판으로 출판함으로써 다이어트화하여 거의 1만페이지의 규격을 단, 260페이지 분량으로 압축하여 책한 권으로 만들었다.


9. 산업용 이더넷(필드버스)의 KS 규격 승인 [국가기술표준원]

최근 국내에서 필드버스 KS화에 성공한, 표준 규격은 다음과 같이 6종이다.


표 1. 한국 산업용 이더넷 KS 표준 규격


10. 산업용 이더넷(필드버스) KS 규격 [승인문건]


표 2. KS 규격 부칙 [이 고시는 고시한 날로부터 시행한다.]


OSI 7 Layer 중 물리계층


이들 필드버스는 모두가  OSI 7 Layer 중 물리계층(Physical Layer=PL)에서 작동하는 산업용 이더넷들이다. 즉, ISO 7 Layer의 물리계층 프로토콜인데, PROCESS 계장 분야에 즉시 통합적으로 사용하기에는 몇 가지 제한이 걸린다. 즉, PROCESS 계장 분야에 클라우드(CLOUD: 중앙서버PC & 인터넷 렌털 사업화)를 적용하기에는 아직 보완 사항이 많이 남아있어 10%가 부족한 면이 있다. 이를 보완 한 것이 “ETHERNET-APL”이다.


1. 자동화 분야에서 물리계층에 문제는 없는가?

자동화 분야에서 물리계층(Physical Layer=PL)의 결함은 별로 없어 보인다. 자동화 분야에서는 오히려 물리계층의 지속적인 발전으로 OT와 IT를 결합한 형태가 되고 있다. 비약적인 발전을 하고 있지만, 이 영역은 사물인터넷(IoT) 전 단계에 머물고 있다. 그 이유는 필드버스는 그 생태계가 OSI 7 Layer에 베이스를 갖고 있기 때문이다.


필드버스는 IEC에서 만든 표준이고, IoT는 시작의 배경이 RFID에서 출발을 하였다. ITU-T와 oneM2M, IEEE-2413 등이 IoT의 표준기관이다. 따라서 프로토콜의 형태도 다르며, 이를 다루는 표준 화 기구의 배경도 다르다.


IoT에서는 프로토콜이라는 용어는 안 쓴다. 프로토콜 대신 플랫폼이라는 용어를 사용하는데, 필드버스에서 쓰는 프로토콜과 그 내용은 같다. 그러나 결국 자동화의 물리적 한계의 끝은 제어기이며, 제어기 중에도 PLC가 그 중심이다. 필드버스는 PLC에 잘 적응한다. 그렇다고 필드버스가 IoT와 연결이 안 되는 것도 아니다. 기존 PLC 전단에 필드버스/사물인터넷 변환 게이트웨이를 사용하여, 클라우드와 연결하는 방식을 취하는 자동화기기 메이커 중 대표적 회사는 대만에 있다. MOXA와 ADVANTECH 모두 대만의 회사이며, 두 회사 공히 PLC 전단에 필드버스/사물인터넷 변환 게이트웨이를 사용하여, 클라우드와 연결하는 시스템을 판매하고 있다.


로크웰 오토메이션, 지멘스 등의 글로벌 기업들은 2009년에 공개된 IoT 플랫폼 Thing Works나 Thing Plus 등을 소유한 IoT회사들을 흡수, 병합하여 자사플랫폼으로 개발하여 필드버스를 클라우드로 연결하고 있으며, 다른 하나는 OPC-UA(United Architecture)를 이용, IoT화하여 클라우드와 연결 사용하는 추세가 최근 급증하고 있다.


그리고 ODVA가 보유한 EtherNet/IP는 IEEE의 802.3 프로토콜을 그대로 가져다 응용하여, 사용하고 있으며, IEEE-2413도 oneM2M처럼 IoT 인증기관이므로 IEEE에서 기술을 가져다 사용하고 있는 ODVA로서는 EtherNet/IP를 IoT화하여, IEC의 물리계층의 경계를 넘어 고급물리계층인 APL을 완성하기 위해 수년 전부터 이 분야를 연구하고 있어서 2022년 이전에 모든 기술 개발을 끝내고 2022년까지는 APL을 완벽하게 업데이트 할 예정이다.


조익영, ODVA TAG KOREA Activity Manger

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