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[TECH REPORT] 급부상하는 태풍의 눈 ‘APL’

  • 등록 2020.08.05 14:44:20
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[헬로티]


아직 큰 변화는 오지 않았다. 이제 시작일 뿐이다. APL[PROCESS 계장안전/고급물리계층]은 세계 PROCESS 계장분야의 틀을 완전히 바꾸어 놓을 것이다. PROCESS 계장 분야에 APL이 바짝 다가오고 있다. 지난 회에 이어서 급부상하는 태풍의 눈 ‘APL’ 두 번째 내용을 소개한다.


그림 1. APL 개발에 뛰어든 세계 3대 프로토콜 기관


고급물리계층(APL)의 출현


PROCESS 계장 분야에 물리계층[Physical Layer=PL]을 적용하는 시도를 무수히 해보았으나, 간단한 문제는 아니었다. 또 여러 메이커들과 프로토콜 기관의 뜨거운 경쟁과 매일 전쟁처럼 피를 튀기는 경쟁은 급기야, 경상도 속담에서 전하는 이른바 “꼬시레기 제 살 깎아먹는” 지경에 이르렀다.


기술도 문제였다. 표준도 문제였다. 한국은 이른바 필드버스 중 산업용 이더넷 KS표준만 6개의 프로토콜이 동시에 표준화 할 수밖에 없는 경우가 발생했다. 어쩔 수 없는 경우였다. MS의 PC HW & SW는 전 세계가 사용하는 단일 컴퓨터 표준이다. PROCESS 계장 분야의 이더넷 표준은 MS처럼 하나의 단일 국제표준으로 만들 수는 없을까? 갑자기 이 소문은 세계 유수의 프로토콜 기관과 공통의 문제로 번졌다. 경쟁자 또는 경쟁 프로토콜기관들은 이 문제를 둘러싸고 각자 고심하기 시작했다.


또 문제는 더 있었다. PROCESS 계장 분야는 근본적인 문제가 1940년도와 1960년도에 발표한 OLD-ANALOG 국제표준을 2020년 현재에도 여러 나라들, 특히 일본과 한국에서 사용빈도에 문제가 심각한 것으로 나타났다.


PROCESS 계장 분야 필드계장 시설의 70% 이상이 아날로그를 사용하며, 특히 그중에도 의외로 앤드 유저들이 DCS는 아날로그 방식을 선호하며, 한국, 일본에는 이에 따른 SPARE PART 문제가 심각 단계에 머물고, 4차 산업혁명과 스마트공장의 추진은 엄두도 못 내고, 뒷전으로 밀렸고, 발전의 뒷다리를 물고 있는 형국이 작금의 PROCESS 계장 분야 현실인 것이다.


이 두 마리 토끼(OLD-ANALOG 표준의 사용과 DCS SPARE PART 이슈)를 잡고 1,000억 달러로 평가되는 이 분야 세계 시장을 돌파 하려면 특단의 대책이 필요 했던 것이다. 결국 각기 다른 우후죽순의 경쟁 구도 속에서 궁하면 통한다는 속담이 맞는 것 같다. 모두가 이런 상황에 처해 있을 때, 누군가 용기 있는 자가 이 사실을 알고, 대시하기 시작했다.


솔직히 ODVA는 이 준비 작업을 전임 ODVA 대표 Ms. Katherine Voss가 시작을 해서 현 ODVA 대표 Al Beydoun 박사가 취임하자 이 문제를 적극 대외에 알렸다. 드디어 세계 최대의 PROCESS 계장, PROTOCOL 기관인 필드 컴 그룹(FeildComm Group), 피 아이 인터내셔널(PI)이 문제 해결에 나섬으로써, 우선 기술적으로 가능하다는 점을 알렸다.


그것은 다름이 아니라 이더넷 표준의 제정 기관인 IEEE와 상의한 결과 802.3cg가 대안이라는 가능성을 확인한 것이다. 기타 IEC 등의 국제기관도 호의적인 IEC 표준인증 승인 협조를 약 속 받은 세계 3대 프로토콜 기관의 프로토콜 통합 합의문, 즉 개발 백서를 9 0% 이상의 PROCESS 계장메이커들을 독일 ACHEMA FAIR 전시회에 초청, 전 세계에 이 사실을 발표함으로써 PROCESS 계장 분야에 세계 단일 표준인 ”ETHERNET-APL”이 탄생하게 되었고 2019년 11월부터 개발에 착수하여, 늦어도 2022년 말에는 마치 MS/PC의 HW & SW가 세계유일의 컴퓨터 표준이듯 PROCESS 계장 분야에도 유일표준을 만들기로 합의했다.


시장 문제도 기술 문제도 난립된 표준경쟁 모두, 이 개발백서 하나로 잠재우게 한 기막힌 사건인 2019년 11월 모두 합의한 F A I R 전시장의 그날을 떠올리면서 한국의 PROCESS 계장 분야 종사자들과 자동화 분야에 매진하는 ODVA회원들과 이 개발에 직간접으로 관계되는 모든 분들을 위해 이 내용을 발표한다.


이제 드디어 문제 해결을 위한 묘수를 각자 찾다가 집단적 해결책이 나온 것이다. 절반의 성공을 한 것이다. 그러므로 이 사건은 단순한 누구의 의견도 아니다. 이것은 거대한 국제적 대 프로젝트인 것이다. 산업용 이더넷에 고급사양을 추가하는 차원에서 머물던 것에 대해 이를 집단적으로 신속히 해결하기 위한 다국적 기업들의 묘수의 결합이 낳은 산물이라고 보아야 정확하다.


2019년 11월 독일의 ACHEMA FAIR 전시회에서 이 엄청난 일이 일어난 것이다. 세계 3대 프로토콜 기관과 전 세계 PROCESS 계장메이커들이 모두 모여 머리를 맞대고 통합표준의 해결책을 찾기 위해 강력한 모임을 가진 것으로 봐야 한다. 어떻게 하면 가장 빠르게 가성비를 가장 적게, 모두가 공감 할 수 있는 PROCESS 계장 분야에 IoT(사물인터넷), 빅데이터, 인공지능(AI) 5G~6G(제5~6세대 통신), 에지 컴퓨팅(Edge computing)과 함께 묶어 돌아가는 표준을 만들 수 있느냐는 점이다. 가장 쉬운 방법은 표준기관끼리 기술 통합을 하는 방법이었다.


PROCESS 계장 분야는 독특한 기술 분야이며, 시스템 체계가 OLD-ANALOG 체계이다. 여러 폭발 위험 요소와, 산업안전 요소 등이 공장에서 필히 해소되어야 하므로 신중하고, 신속히 진행해야 함에는 모두가 공감하였다.


이러한 난제들을 해결하기 위해 사전에 각 기관 간, 멀티벤더들 간에 수차례에 걸친 사전 조사는 물론 여러 합의들 거쳐서, 숙고 끝에 내린 결론이 물리계층인(PL)에 알파벳 A(Advanced/고급)로 시작하는 단어 하나를 삽입하고 여기에 PROCESS 계장 분야에 존재하는 각종 고급해결책(안전문제)들을 한데 묶어 PL(Physical Layer/물리계층)이라는 용어와 합성한 뒤 고급물리계층(APL)이라는 신조어를 만들어 전 세계에 발표하기로 하고, 2022년 말까지 APL 표준을 완성하기로 국제 결의를 한 것이다.


이 과정을 PROCESS 계장 분야 종사자들이 알기 쉽게 이해할 수 있도록 필자가 굳이 APL에 대해 사족을 붙인다면, 다음과 같은 설명이 가능할 것 같다.


2000년대까지는 “Feildbus”(공장정보-BUS)를 타고 다니는 PROCESS 계장 분야의 물리계층(PL/Physical Layer)이 PROCESS 계장 분야(정보-고속도로)의 근간이었다면, 2022년부터는 PROCESS 계장 분야(정보-고속도로)의 단점들을 완벽히 보완하여, 고급물리계층(APL/Advanced Physical Layer=공장의 안전을 완전히 보완한 공장정보-BUS)로 기존에 사용했던 부족한 “Feildbus”(공장정보-BUS)를 Ethernet-APL로 교체하자는 슬로건을 내건 것이다.


시행백서(white paper=제작매뉴얼)의 제목이 “Ethernet to the field”이다. 즉, 이 문구의 뜻은 “공장에 이더넷을 공장정보-BUS로 정하여”, 기존의 “Feildbus”(공장정보-BUS)가 문제가 많으니 이를 100%로 완벽하게 보완하여 전면 교체하자는 캐치프레이즈를 내건 것에 다름이 아님을 PROCESS 계장 관련 기술자들은 알아야 할 것이다.


그 이유는 1940년대부터 이어온 PROCESS 계장기술의 근거가 아날로그였는데, 2 022년까지만 이 OLD-ANALOG 표준을 사용하고, 2022년 말 이후부터 모든 OLD-ANALOG 기술을 이더넷을 근간으로 하는 디지털 기술인 “ETHERNET-APL”로 전면 바꾸겠다는 각오를 독일 ACHEMA FAIR 전시장에서 21세기 PROCESS 계장 분야의 미래기술 개발에 같은 운명의 배를 탄 전 세계 PROCESS 계장기술 업계가 한데 뭉쳐 나갈 것을 일시에 선포한 것으로 보아야 한다.


동시에 이 프로젝트에 함께 참여하고 적극지원하기 위해 나선 국제기관 들이 있다. 이들은 바로 IEC, IEEE, 국제 방폭 위원회, INTRINSIC SAFETY 위원회, NAMURA 총회 등이다. 이들이 총 출동하여 PROCESS 계장 분야의 새로운 변신을 적극 지원하고 있는 것임을 알아야 할 것이다. 이들 국제표준(인증)기관들은 모두 PROCESS 계장에 필요한 사항들을 이변이 없는 한 승인해 줄 것이며, 개발팀은 개발에 투자할 자금도 충분히 확보하여 개발 시간을 얼마나 단축시키냐에 초미에 관심이 모아지고 있다.


아마도 국내의 PR O C E S S 계장 관련 종사자와 국내 PROCESS 계장 벤더들은 이 글을 통해“이더넷-APL”에 대하여 처음 듣는 분들도 있을 것이다. 이 프로젝트에 참여한 벤더들 중 한국의 기업은 놀랍게도 한 회사도 없었다.


안타깝다. 최근 IT 분야나 IoT 분야는 한국이 국제무대에서 선두에 나서고 있으나, PROCESS 계장 분야는 워낙 국내기술이 낙후되어 있어서 이렇다 할 국제적 기업은 아직은 없기 때문이며 국제무대에서 PROCESS 계장시장이 예상외로 크다는 것을 PROCESS 계장기술 관련 국내기업들은 아직도 대 변화의 물결을 감지 못하고 우물 안의 개구리 식으로 시장을 바라봄은 필자 혼자만의 생각일까?


PROCESS 계장 관련 월드기업의 한국법인 소속 기업들은 이 사실을 어느 정도는 알고 있을 것이다. 이 사실을 알리기 위하여, ODVA TAG KOREA에서는 오는 9월 11일 한국과학기술회관에서 ‘IIoT[EtherNet/IP] SMART FACTORY SOLUTION SEMINAR’를 개최할 예정이다.


한국에서 PROCESS 계장기기의 국산화가 시작된 것은 한국의 경제개발이 본격화되던 1970년으로 거슬러 올라가야 한다. 당시 한국에는 우진계기, 한생FOXBORO, 한일LEVEL, 삼보계기등이 있었지만, 모두 세계화에는 실패한 것으로 알고 있고, 한국정부는 물론, 심지어 국내의 모든 엔드 유저들도 현장용 Field Instrument 국산기기 구매를 외면하고 수입품에만 의존하여, 공장설치 및 운영을 해왔다는 책임에서 자유로울 수는 없을 것이다.


최근에 계장의 액추에이터인 제어밸브 국내메이커로 KOMOTO밸브가 김포에 공장을 국제 규모로 만들어 세계적 Test bench 테스트 및 각종 종합시험들을 통해 우수한 월드-밸브들을 생산하고 있고, 필드계기 메이커로는 두온 시스템이 두각을 나타내고 있다. 역시 국제 규모의 필드계기 공장을 만들어, 온도/압력/유량/레벨/중량트랜스미터나, 차압식 유량계를 만들어 미주, 중동에 수출하고 있는 것으로 알고 있다.


한국에서는 유일한 초음파유량계 메이커인 자인테크놀로지 역시 중국, 중동 유럽에 국산계기들을 수출하는 것으로 알고 있다. 종합 분석계기 메이커 대윤계기산업, 국내 유일의 정전기 계기 메이커 GK-Electrostatic, ERP 및 계장표준의 인증기관 표준엔지니어링, 변환기 전문메이커 신호시스템, 전/계장시스템 메이커 금산 엠앤이, 우진산전, 오토닉스(코닉스), 한영넉스, RS Automation, 히스코센서, CIMON, LS Cable, Taihan Electric Wire, SAMWONACT, MKP, CREVIS, Chunl Electric, Fastech, Konics, New Power Plasma, LS Electric 등이 있으나 원천기술로 세계시장에서 승부를 겨루기에는 아직도 개발에 시간이 더 필요하다고 본다.


그러나 한국만의 장점은 IT기술 인프라가 좋아, 기존 계장기기 메이커들이 국내의 우수한 IT HW & SW업체들과 협업을 잘만 하면, 2022년이 도달하기 전 2년 만에 세계시장 1,000억 달러 시장, 국내시장 1조원의 PROCESS 계장시장에서 월드기업들과 다부지게 싸워 이길 수 있는 기회가 활짝 열린 것이다.


이 글을 읽는 애독자들에게 부탁을 하나 하려고 한다. 지금, 구글 표시창에 “Advanced Physical Layer”를 입력해보기 바란다. 지멘스, ODVA, FeldComm Group, IEEE, Wikipedia 등에서 게재한 APL 내용이 영문으로 공동내용이 각자의 웹사이트마다 뜨며 구글 번역기를 사용하면, 한글로도 볼 수 있다. 본문 내용은 여러 기관이 모두 똑 같은 내용을 실었으나, 각 기관들의 각론들은 약간씩 색깔이 다르다. 이유는 DCS 등의 적용에는 기존 보유 필드버스와의 관계를 연결 설명해야 하기 때문이다. 모두에게 커다란 기회와 시장이 PROCESS 계장 분야를 통해 열리고 있다는 사실을 본고를 통해 애독자 여러분들과 PROCESS 계장 분야에서 일하는 분들께 알려 드리는 바이다.


그림 2. ETHERNET-APL의 구성도


1. APL의 공통변수

”ETHERNET-APL”(Advanced Physical Layer=고급물리계층)은 그 특징이 이더넷의 순수성에 있다. 설명이 좀 이상하지만 사실이다. 인터넷이라고 다 같은 게 아니다. 다시 말하면, 변종 이더넷이 아니어야 한다는 것이다. 속도를 고속으로 만들기 위해 IP 프로그램을 변경하거나 손을 대서는 안 된다는 말이다.


ETHERNET-APL 개발 팀은 이를 위해 IEEE가 제정하고 ODVA의 EtherNet/IP가 채용한 바 있는 IEEE 802.3을 검토했다. 그 이유는 IEEE 802.3 이더넷은 변종이 아닌 순수한 이더넷이기 때문이다. 이번 프로젝트에서는 정확히 IEEE 802.3cg를 선택하여 개발에 착수한다. ABB, 지멘스, 에머슨, 요코가와를 비롯 12개 PROCESS 계장 메이커를 비롯하여, 세계 3대 프로토콜 표준기관(그림 1)인 필드컴그룹(FeildComm Group:Hart-IP), 오디브이에이(ODVA:EtherNet/IP), 피아이 인터내셔날(PI:PROFIBUS & FROFINET) 등 3기관이 포스로 전면에 등장했다.


2019년 11월 독일 ACHEMA FAIR 전시회에서, 이들 3개 기관은 전 세계 PROCESS계장메이커들 앞에서 기자회견 형식으로 ETHERNET-APL 개발 백서(APL의 기본 스펙이 담긴 매뉴얼)를 발표하였는데, 그것은 바로 ‘Ethernet to the Field’라는 이름의 개발 방향과 시스템 구조가 명시된 개발 가이드라인이다. 세계인들 앞에 기술 방향을 발표한 이들은 각자 나름대로의 필드버스를 가지고 있는 기관들이다.


그런데 하나도 아닌 3개 기관이 일시에 의기투합을 한 것은 하나의 표준을 만들기 위해 3개 기관이 함께 참여함으로써 통합에 시간과 노력을 줄이고, 아이디어를 폭넓게 창출 할 수 있으며, 최단 기간에 최소의 개발비로 새로운 표준을 완성할 수 있기 때문이다.


ETHERNET-APL 개발이 완성된 이후에 전 세계 PROCESS 계장 분야는 오직 하나의 유일한 국제 표준을 쓰게 됨으로 기술의 발전도 비약적으로 빨리 전개될 것이다. MS 제품이 PC계의 세계 유일의 표준이 되어 ETHERNET-APL은 이제 세계 PROCESS 계장계의 유일한 표준이 된 매우 뜻깊은 사건이 될 것이다. 이후 장기간에 걸쳐 세계 PROCESS 계장산업 분야에 직/간접 영향을 미칠 것이다.


그림 3. ETHERNET-APL 개발에 참여한 12개 DCS/Control valve/Field Instrument 메이커


2. ETHERNET-APL의 공통부문 CONFIGURATION에 담긴 의미

그림 2는 ETHERNET-APL의 대표적인 구성도의 메인이며, 상징성을 갖고 있기 때문에 PROCESS 계장기술자들의 뇌리에 항상 그려져 있어야만 한다고 본다. 그 이유는 ETHERNET-APL의 하드웨어 구성도이기 때문이다.


일반 필드버스통신은 OSI 7 Layer 중 물리계층에서 주로 사용됐다. APL 역시 물리계층을 사용하지만, 일반 필드버스와는 용도가 좀 다르다. 일반 필드버스는 필드버스 약사에서 보듯이 한국에서 KS표준으로 최종 낙점한 산업용 이더넷(필드버스) 표준의 종류가 1개가 아니고, 6개나 되며, 기술표준원에서 산업용 이더넷(필드버스) 표준을 KS 표준 규격으로 승인하기까지 약 20년 이상의 시간이 소요되었다. 엄밀하게 말하면, 단일 표준이 아닌 멀티 표준이란 이야기다. 표준은 단 하나의 유일 표준이어야 그 가치가 높다.


3. Ethernet-APL이 단일 표준이기 때문에 야기되는 국내외의 빅-PROCESS 계장시장

ETHERNET-APL은 자동화 분야의 일반 필드버스와는 달리 오직 프로세스 계장 분야 한 곳에서만 유일하게 사용되며, 처음 시작부터가 하나의 표준을 목표로 출범함으로써 IEC 국제표준으로써 헷갈릴 일이 전혀 없다.


세계적으로 유일한 표준으로 시작한 ETHERNET-APL 표준은 표준이 폐기되는 그날까지 유일하게 사용해야만 하는 책임과 의무가 따른다. 어찌 이것이 6종이나 되는 산업용 이더넷(필드버스) KS멀티표준에 비교가 될 것인가? 출발 자체가 전용 통신으로 PROCESS 계장만을 위한 세계에서 하나 밖에 없는 산업용 이더넷 표준인 것이다. 필드버스에서 진일보한 것이 바로 ETHERNET-APL 표준이다.


APL을 요약하면, 순수한 이더넷 기능에 몇 가지 장점을 얹어 놓은 기술로 보면 이해가 간단해 진다. 특히 IEEE가 주도하는 802.3cg를 기반으로 하기로 모두 합하여 결정했다. PROCESS 계장 현장의 온도/압력/유량/레벨/중량 등의 센싱에서부터 시작하여 마지막 상위 쪽에는 클라우드에 이르기까지 사용이 가능한 프로세스 산업의 요구사항을 위해 특별히 2022년까지 약 2년간의 개발 기간이 필요하고, ABB, SIEMENSE, Rockwell Automation, EMERSON, YOKOGAWA 등 세계 12개 DCS 및 Field Instrument Maker들(그림 3)이 한데 뭉쳐 21세기 PROCESS 계장 분야가 2022년부터 약 1,000억 달러의 세계시장의 오픈과 더불어 1조원 대에 달하는 한국의 PROCESS 계장시장이 활짝 열림에, 우리는 목격자가 되어야 하며, 모두 이 시장에 뛰어들 준비를 지금부터 해야만 한다.


그림 4. APL을 기본으로 한 이더넷 구조


4. ETHERNET-APL의 개념

고급이란 뜻의 Advanced(고급)+Physical Layer(물리계층)=APL(Advanced Physical Layer(고급물리계층))이라는 용어가 “ETHERNET-APL”인데, 여기서 중요한 사실은 고급 물리계층의 본질은 그 바탕이 이더넷(Ethernet)이란 사실이다. 즉, ETHERNET-APL이 고급물리계층(Advanced Physical Layer)일 수밖에 없는 이유는 다음과 같은 8개 항목 때문이다.


(1) ETHERNET-APL은 프로세스계장 산업에서 잘 알려진 트렁크 및 스퍼 토폴로지를 사용하며 트렁크 최대 길이는 Zone 1, Div 2지역에서는 1000m 장거리 통신이 가능하며, 최대 스퍼 길이는 Zone 0, Div 1지역에서 200m로 지정이 된다.

(2) APL은 IEEE 802.3cg[1]에 정의 된 10BASE-T1L 기반의 특정 단일 쌍 이더넷이며 고속의 장거리 통신이 가능하고, 통신거리는 1,000m이어야 한다. 단일 트위스트 페어(2선) 인터넷 케이블로 전원과 이더넷이 동시에 공급되는 인터넷 케이블이어야 한다. (현재의 인터넷 선은 전원 따로 파워 따로 공급되는 형태이다. 인터넷 선과 파워 선이 분리되어 있는 형국. APL은 인터넷 선과 전원선이 하나의 동 축에 들어 있다. 다시 말하면, 인터넷 선한 가닥에 파워와 이더넷이 함께 들어 있는 통합선이라는 의미이다.)

(3) ETHERNET-APL 통신은 트위스트 페어 케이블을 통해 전송되는 10Mbit/s의 전 이중 통신망이다.

(4) 폭발-위험지역내 전원 및 통신신호를 공급해야 하므로 Area 2 및 Class 1 div. 2/인증을 반드시 받아야 함.

(5) 본질 안전(Intrinsic Safety) 인증도 받아야 함. 사용을 승인을 위한 보호 조치로 몇 가지 고급 사양이 추가된 모양 세다. ETHERNET-APL 은 까다로운 산업 응용 분야를 위해 특별히 설계된 이더넷 표준의 일부이기 때문에 높은 수준의 견고성을 제공해야 하며 안정성에서도 높은 수준의 유지가 필수이다. 특히 PROCESS 계장시설이 2백만평, 3백만평의 넓은 지역에 분산되어 있어 폭발 위험이 내재된 석유 또는 석유화학공장 같은 곳은 완벽한 본질 안전 조건이 각 요소요소에 내재되어 있어야만 안전을 담보할 수 있다.

(6) 모든 IT 네트워크에 대한 투명한 연결을 추진한다.

(7) 기존 2선식 필드버스 케이블을 재사용이 가능하도록 한다.

(8) NAMUR Open Architecture(독일의 프로세스 자동화 유저그룹)에서 인정하는 산업사물인터넷(IIoT)이 가능해야 하며, 평가는 제어실(CCR룸)과 현장을 포함하여 이더넷 통신이 가능해야 한다.


5. APL의 구조

ETHERNET-APL은 물리적 계층이기 때문에 다른 프로토콜 또는 통신-스택과는 독립적이며 PROCESS 계장에서 광범위하게 적용되도록 설계가 되었다.


그림 4는 APL(Advanced Physical Layer)의 구조이다. 여기에 ODVA의 EtherNet/IP, HART-IP, OPC-UA, PROFINET, http…… OSI 7 Layer 중 PRESENTATION 영역에 들어있다. 맨 밑, Physical Layer 좌측에는 일반 Ethernet, FAST Ethernet, Gigabit Ethernet, WLAN과 우측의, PROTOCOL 난에는 ETHERNET-APL이 물리적 계층에 들어있는 구조이다.


6. APL을 기본으로 한 이더넷

앞서 물리계층이 갖추어야 할 고급조건을 8개 항목으로 설명을 했으나, 다시 부연하자면, ETHERNET-APL은 IEEE 802.3cg[1]에 정의 된 10BASE-T1L 기반의 특정 단일 쌍 이더넷이며(인터넷과 파워가 동시에 공급되는) PROCESS 계장 산업에 대한 추가 조항이 있다. 따라서 ETHERNET-APL 통신은 IEEE 802.3 이더넷 사양의 일부이며, IEEE 802.3은 ODVA의 프로토콜이다. 따라서 ETHERNET-APL과는 완전히 호환된다.


Ethernet-APL 통신은 트위스트 페어 케이블을 통해 전송되는 10Mbit/s 전 이중 통신이다. PROCESS 계장 산업에서 널리 사용되는 잘 알려진 트렁크 및 스퍼 토폴로지를 포함하여 모든 주요 네트워크 토폴로지를 지원할 수 있다. Ethernet-APL은 특히 PROCESS 계장 및 기타 산업의 까다로운 요구사항에 따른 여러 가지 향상된 기능을 통합하고, 아울러 본질 안전(Intrinsic Safety) 전원공급 장치와 위험지역 보호를 위한 포트 프로파일을 추가 했다.


7. 본질 안전 및 포트 프로파일 사양

본질 안전(Intrinsic Safety)은 프로세스 계장의 필수조건으로 프로세스가 있는 현장의 폭발을 방지할 수 있는 유일한 대책이다. 점화 원인이 되는 에너지, 전기 및 열을 제한하여 위험한 지역에서 전기 장비를 안전하게 작동하기 위한 보호 기술이다. 저 전류와 전압으로 작동할 수 있는 신호 및 제어 회로에서 본질 안전 접근 방식은 회로를 단순화하고 다른 보호 방법에 비해 설치비용을 줄일 수 있다.


석유 화학공장 및 광산과 같은 응용 분야에서 위험한 가연성 가스 또는 먼지가 집중된 영역에서 안전성을 위협한다. 폭발 위험 지역에서 장비를 안전하게 사용하기 위한 여러 가지 방법 중 본질 안전(ATEX 및 IECEx 폭발 분류에서 “i”로 표시)은 전기 장비에 사용할 수 있는 몇 가지 방법 중 하나라고 말할 수 있다.


본질 안전은 화학/석유화학공장 등의 폭발 위험 지역에서 현장 계측기를 제어하고 전력을 공급하기 위해 요구되는 전 세계 프로세스 계장 산업에서 특히 중요한 비중을 차지한다. 이러한 이유로 옵션의 본질상 안전은 Ethernet-APL 통신 표준의 정의에 완전히 부합된다. 기술 사양 IEC TS 60079-47 ED1[3]에서 본질 안전, 와이어 이더넷을 정의해야 한다.


Ethernet-APL 표준의 일부에는 다양한 응용 시나리오에서 상호운용성을 위한 포트 프로파일 정의가 포함된다. 여기에는 세그먼트 유형, 트렁크~트렁크 포트(trunk-to-trunk port)와 스퍼-투-스퍼 포트(spur-to-spurport)를 구별하는 것이 포함된다. 다른 사양은 차별화된 전력 특성을 나타낸다. 즉, 소스~로드(source-toload) 및 비[非]전원~비[非]전원 포트(unpowered-tounpowered ports.)처럼. 또 다른 조항은 전력 등급의 정의이다. 여기에는 본질 안전 전원 공급장치의 최대 공급전압 및 공급 전류 제한이 포함된다. 포트 프로파일 사양에 지정된 추가 주제는 배선 규칙, 터미널 및 커넥터에 대한 핀 할당, 차폐 및 접지 규칙이다


APL의 IEC 국제표준 발표 약속


국내의 프로세스 계장의 미래시스템 장벽을 해결하기 위한 개념에 대해 프로세스 산업의 요구사항은 아주 명확하다. 모든 요구사항을 충족하려면 몇 가지 사양을 향상시켜야 주어야 한다. 이러한 요청이 해당 관련 조직인 IEC에 제기가 되었다.


1. IEC 60079-47 프로젝트팀- IEC SC31G WG

Zone0/Class1 Division1까지의 위험지역의 루프전원 공급장치 및 별도의 전원 공급장치에 대한 본질 안전(intrinsic safety) 요구사항을 충족하기 위해 기술위원회인 IEC PT 60079-47 프로젝트팀의 IEC SC31G는 IEC60079의 2-WISE 본질 안전 이더넷(2-WISE)에 초점이 된 점화 및 보호에 대한 개념을 확립하였다. 한편, 실무 그룹에서는 필드버스 본질 안전 개념(FISCO)에서 정의된 보안 주체가 새로운 물리계층에 대한 일부 적용을 포함하여 2-WISE 기술 사양에도 적합하다는 데 동의를 받아냈다. 이러한 인식은 데크라테스트 및 인증(DEKRA Testing and Certification GmbH)에서 성공적으로 수행된 테스트를 통해 지원을 받고 있다.


2. APL 최종 기술 표준규격 발표

2021년 말까지 IEC 국제표준규격으로 발표될 예정이다. APL[Advanced Physical Layer]의 유일한 IEC 국제표준은 이미 최종 기술 표준규격(IEC TS 60079-47)으로 확정되었고 이변이 없는 한 개발 프로젝트가 중간 완성되는 2021년 말까지는 IEC가 국제규격으로 완성되는 APL 최종 기술 표준규격은 IEC TS 60079-47이다. 따라서 이 글을 읽는 P R O C E S S 계장기술자들은 최소한 ETHERNET-APL의 국제표준번호 “IEC TS 60079-47” 정도는 2022년부터는 머리에 항상 암기하고 있어야 할 것이다.


3. 조직의 사양 관리

마지막으로 세계 3대 공동 개발조직인 FCG, ODVA 및 PI 조직이 관련 사양에서 ETHERNET-APL에 대한 정의를 내려야 하며, 이 개발 프로젝트는 2020년 말에 완료될 예정이다. ODVA내에서 사양의 향상은 ODVA의 Volume 2 “EtherNet/IP 적용 CIP”의 EtherNet/IP 물리계층 특별위원회(SIG)를 통해 수행하기로 했다. 또한, EtherNet/IP 미디어 계획 및 설치 지침은 APL 프로젝트의 공동 작업에서 수행되는 설치지침에 따라 갱신되어야 한다.


그림 5. ISO OSI 모델의 구성도


4. Ethernet-APL/ ISO OSI 모델의 기본 정의

이더넷 고급 물리계층 ”ETHERNET-APL”은 IEEE 802.3cg를 기반으로 하는 물리 계층이다. 따라서 ODVA의 EtherNet/IP와 같은 산업용 이더넷 프로토콜은 물리계층과 독립적으로 작동하므로 기능의 향상효과를 가져오게 된다. ISO OSI 모델의 구성도는 그림 5와 같다.


그림 6. 검증된 필드버스 인프라의 트렁크 및 스퍼 토폴로지의 예


5. 토폴로지

ETHERNET-APL에 의해 이미 확립된 토폴로지가 실현될 수 있다. 여기에는 최대 500mW의 필드 장치를 최대 50개까지 구동할 수 있는 검증된 필드버스 인프라의 트렁크 및 스퍼 토폴로지가 포함된다(그림 6). 본질 안전이 되는 위험지역에 APL 필드 스위치와 APL 필드 장치를 모두 설치한다.


6. 고객 관점에서의 장점

ETHERNET-APL은 고객에게는 장점이 그다지 많지 않으나, 엔지니어 및 유지보수 직원에게는 많은 장점을 제공하는 프로토콜이다.


7. 시스템 설계 및 통합 시간 단축

필드레벨과 제어레벨 사이에는 하나의 광범위한 통신기술이 있으므로 ETHERNET-APL 시스템 인프라 구조에서는 서로 다른 통신프로토콜을 변환하는 게이트웨이 및 프록시(proxies)가 필요하지 않다. 최대 60W의 전원 공급장치 출력으로 인해 전원 공급장치 1대당 더 많은 장치를 추가할 수 있어 세그먼트 수는 감소한다. 잘 알려진 트렁크 및 스퍼 토폴로지는 Ethernet-APL 시스템으로 조정할 수 있다. 또한, 필드버스 케이블을 재사용하여 기존의 설비를 쉽게 교체할 수 있다. 전체적으로는 시스템 설계의 복잡성이 줄어든다고 본다.


8. 스타트 업 노력의 감소

ETHERNET-APL 인프라를 설치하는 동안 극성의 독립성과 공통 트렁크 및 스퍼 토폴로지로 인해 설치상의 오류가 감소한다. 설치 후 ETHERNET-APL 인프라의 물리계층은 늘 동일하므로 테스트 노력도 대폭 줄어든다. 교육에 있어서도 네트워크 통신망은 단 하나이므로 교육이 매우 단순해진다. 자동 인스턴스화가 지원되는 IP 기반 통신의 표준수단을 통해 IT에서 OT의 수직 통합화가 매우 쉬워진다. 기존 시스템보다 속도는 최대 300배 이상 빠르므로 높은 데이터 전송속도가 가능한 장치 구성을 할 수 있다.


9. 타임 라인

이미 설명한 바와 같이, 모든 관련 사양은 2020년 말에 완결 및 릴리스 될 것으로 예상된다. 1차 목표는 2021년 6월 독일 프랑크푸르트의 ACHEMA FAIR에서 완전한 네트워크 인프라의 실제 제품으로 ”ETHERNET-APL”을 시연할 것이다. 출시된 제품은 박람회 직후에 전 세계에 제공될 예정이다.


10. 첫 고객 경험

2019년 ETHERNET-APL 기술은 독일의 화학공장 중 필름원료메이커로 유명한 BASF에서 첫 번째 프로토 타입을 기반으로 평가가 되었다. 평가 프로젝트의 초점은 이미 설명된 프로세스 계장산업의 아래 요구사항이다.


• 모든 응용프로그램을 위한 하나의 이더넷 프로토콜이어야 하며

• 모든 자동화 레벨에서 강력한 이더넷 통신이 되어야 하며

• 동일한 2가닥 케이블을 통한 데이터 통신이 가능하고 동시에 전원 공급도 함께하는 장치이어야 하며, 기존의 산업용 필드버스 케이블의 재사용도 가능해야 한다.

• 위험지역에서의 사용이 가능해야 하며,

• NAMUR Open Architecture(독일의 프로세스 자동화 유저그룹)에서 인정하는 산업사물인터넷(IIoT)이 가능해야 하며, 평가는 제어실(CCR룸)과 현장을 포함하여 이더넷 통신이 가능해야 한다.


이 경험의 첫 번째 결과가 지난 2019년 11월 NAMUR 총회에서 발표되었다. 결과는 대 성공이었으며, 기술은 기대했던 모든 이점을 제공하였다.


조익영, ODVA TAG KOREA Activity Manger










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