[헬로티]

Ethernet-APL(Advanced Physical Layer)은 그간 프로세스 계장에서 전/공 아날로그신호와 병용하여 약 20여년부터 사용해 오던 필드버스의 기본에서 몇 가지 진보된 조건을 갖추어 완벽한 디지털 통신이 가능하다.

궁극적으로는 프로세스 계장이라는 카테고리 속에 1945년 2차 대전 이후 세계표준으로 현재까지 사용해오던 아날로그 개념에서 완전 탈피하려는 여망에서 세계 유수의 프로세스 계장 기업이 거의 망라된 대규모의 연합이 세계 3대 산업통신 프로토콜 기관인 필드컴그룹(Hart-IP), 오디브이에이(EtherNet/IP), 피아이 인터내셔날(PROFIBUS&FROFINET)이 주도하여 2019년 11월 독일 아케마에 전시회에 모여, APL 개발 백서(APL의 기본 스펙이 담겨진 매뉴얼)를 발표하였는데, 그 이름이 Ethernet to the Field(이더넷을 프로세스 계장 현장으로…)라고 편의상 번역을 해 본다.

Ethernet-APL이란

이제 프로세스 계장 분야에는 필드버스 시대가 가고, 새롭게 이더넷투더필드(Ethernet to the Field) 시대가 열렸다고 봐야 한다. 아날로그 계장의 시대가 끝나고 디지털 계장의 시대가 활짝 열린 것으로 보인다.

아직 아무도 이야기 하지 않지만 프로세스 계장의 대마로 불리는 DCS도 이젠 개인 또는 기업에 직접 판매하기 보다는 클라우드로 렌탈하려 하지 않을까 예측을 한다. 그간 필드버스통신은 OSI 7 Layer중 물리계층에서 주로 사용되었다. APL 역시 물리계층을 사용하지만, 필드버스와는 용도가 좀 다른 것 같다.

필드버스는 자동화 분야 전반에 걸쳐 사용 가능하며 그 종류도 다양하다. 그러나 APL은 오직 프로세스 계장 분야에만 사용하는 전용선으로 보아도 무방하다. 필드버스에서 진일보된, 내용이 들어있는 것이 APL이다.

아래 설명을 하겠지만, 요약을 하면, 순수한 이더넷에 몇 가지 장점을 얹어 놓았다고 본다. IEEE가 주도하는 802.3cg를 기반으로 하고 있다.

현장의 말단 센서(온도/압력/유량/레벨/중량 등)에서부터 시작하여 끝에는 클라우드에 이르기까지 사용이 가능한 프로세스 산업의 요구사항을 위해 특별히 2022년까지 개발되는 이더넷 통신기술의 물리계층이므로, 고급기능을 첨가한다고 발표하는 것이다.

이러한 의미로 물리계층 앞에 고급이란 뜻의 Advanced(고급)+Physical Layer(물리계층)=APL(Advanced Physical Layer, 고급 물리계층)이라는 용어가 탄생한 것이다.

그런데 여기서 중요한 사실은 고급 물리계층의 본질은 그 바탕이 이더넷(Ethernet)이란 사실이다. 즉, Ethernet-APL의 개발 이유는 단순 물리계층에서 고급 조건에 해당하는 고속의 장거리 가능통신(1,000m)/단일 트위스트 페어(2선)의 인터넷 케이블/폭발-위험지역(Hazardous Area)내 전원 및 통신신호 공급/본질 안전(Intrinsic Safety) 사용을 위한 보호 조치로 고급 사양이 결정이 된 것이다.

Ethernet-APL은 까다로운 산업 응용 분야를 위해 특별히 설계된 이더넷 표준의 일부이기 때문에 높은 수준의 견고성을 제공해야 하며 더욱이 안정성이 높아야 할 것이다. 

이더넷은 일반 ICT 정보기술 분야에서 오랫동안 표준 통신으로 사용되어 온 기술이며, 산업용 이더넷은 제조 및 프로세스 계장산업 분야에서 사용되는 표준으로 설명이 되고 있다.

▲ APL 개발에 참여한 프로세스 계장 메이커들

Ethernet-APL은 링크를 제공하고 통합 이더넷 통신망을 현장의 계측기기까지 도달하도록 설계를 2022년까지 필드컴그룹(Hart-IP), 오디브이에이(EtherNet/IP), 피아이 인터내셔날(PROFIBUS &FROFINET)의 개발팀들과 메이저 프로세스계장 메이커들이 주도 할 것이다. 이외에도 ODVA협회에 회원인 EMERSON, HONEYWELL, INVENSY(슈나이더 일렉트릭)도 APL에 적극 참여하기로 했다.

▲ 필드컴 그룹(Hart-IP), 오디브이에이(EtherNet/IP), 피아이 인터내셔날(PROFIBUS &FROFINET)

사전 작업으로 이미, IEEE 위원회, IS 위원회, IEC 등의 승인을 받았으며, 테스트 베드로 독일의 바스프 신규 공장도 협력하고 있으며, 이미 테스트 중이다. 결과가 매우 양호한 것으로 알려지고 있다.

APL 개발로 인한 경제적 파급 영향은 예측이긴 하지만, 국내는 약 1조원 시장이 예측되고 있으며, 세계 시장은 1,000억 달러 시장으로 파악이 되고 있다. 세계 경제가 COVIDO-19로 어렵겠지만, 2022년 APL이 전격 오픈되면 전 세계 프로세스 계장시장은 요동을 칠 것으로 전망한다.

Ethernet-APL 요약

이제 Ethernet-APL을 다음과 같이 다섯 가지로 간단히 요약을 한번 해 보자.

· 구조(Structure)

· APL을 기본으로 한 이더넷(Ethernet as basis for APL)

· 본질 안전(Intrinsic safety)

· 포트 프로파일 사양(Port profile specifications)

· 참고문헌(References)

▲ Ethernet to the Field

1. 구조

Ethernet-APL은 물리적 계층이기 때문에 모든 프로토콜 또는 통신-스택과 독립적이며 프로세스 계장에서 광범위하게 적용되도록 설계되었다.

2. APL을 기본으로 한 이더넷

Ethernet-APL은 IEEE 802.3cg[1]에 정의 된 10BASE-T1L 기반의 특정 단일 쌍 이더넷이며 프로세스 계장 산업에 대한 추가 조항이 있다. 따라서 Ethernet-APL 통신은 IEEE 802.3 이더넷 사양의 일부이며 완전히 호환된다. Ethernet-APL 통신은 트위스트 페어 케이블을 통해 전송되는 10Mbit/s 전 이중 통신을 의존한다.

프로세스계장 산업에서 널리 사용되는 잘 알려진 트렁크 및 스퍼 토폴로지를 포함하여 모든 주요 네트워크 토폴로지를 지원한다. 트렁크 최대 길이는 Zone 1,  Div2 지역에서 1000미터 장거리 통신이며, 최대 스퍼 길이는 Zone 0, Div1에서 200미터로 지정이 된다.

Ethernet-APL은 특히 프로세스 계장 및 기타 산업의 까다로운 요구사항에 따른 여러 가지 향상된 기능을 통합하고, 아울러 본질 안전(Intrinsic safety) 전원 공급 장치와 위험지역(Hazardous area) 보호를 위한 포트 프로파일을 추가한다.

3. 본질 안전

점화할 수 있는 에너지, 전기 및 열을 제한하여 위험한 지역에서 전기 장비를 안전하게 작동하기 위한 보호 기술이다. 저전류 및 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 적용한다. 전기 모터 또는 조명과 같은 고전력 회로의 보호를 위해 본질 안전 방법을 사용하지는 않는다. 일반적으로 전기 장비는 스위치, 모터 브러시, 커넥터 및 기타 장소에 작은 전기 아크(내부 스파크)를 생성한다. 소형 전기 장비도 열을 발생시켜 어떤 상황에서는 발화원이 될 수 있다.

폭발 위험지역에서 장비를 안전하게 사용하기 위한 여러 가지 방법이 있다. 본질 안전(ATEX 및 IECEx 폭발 분류에서 “i”로 표시)은 전기 장비에 사용할 수 있는 몇 가지 방법 중 하나이다. 기타 방폭(NEC500) 또는 내염 방폭 인클로저(IEC, ATEX 및 NEC 505의 “d”), 안전성 향상(“e”), 캡슐화(“m”), 밀폐형 차단 장치(“nC”), 밀폐 형 장치(“nC”), 밀폐 밀봉 장치(“nC”), 제한된 호흡 인클로저(“nR”), 침수(“o”), 광학 방사선 보호(“op”), 환기(“p”), 분말 또는 모래 충전(“q”), 특수 보호(“s”) 및 인클로저에 의한 먼지 점화보호(“t”).

휴대용 전자 기기의 경우, 본질 안전은 기능성 장치를 방폭 보호할 수 있는 유일한 현실적인 방법이다. 본질 안전장치는 장치의 성능이 저하되거나 손상 되더라도 폭발성 대기를 발화시키기에 충분한 열이나 스파크를 생성할 수 없도록 설계되었다. 본질 안전은 폭발 위험지역에서 현장 계측기를 제어하고 전력을 공급하기 위한 솔루션을 구현하기 쉬운 솔루션을 요구하는 전 세계 프로세스 계장 산업에서 특히 중요한 요구사항이다. 이러한 이유로 옵션 본질 안전은 Ethernet-APL 통신 표준의 정의에 완전히 부합이 된다.

기술 사양 IEC TS 60079-47 ED1 [3]에서 본질 안전 2- 와이어 이더넷을 정의해야 한다. 본질 안전 장벽은 스위치 또는 기기의 각 출력 또는 입력에서 전자 회로이다. 점화 가능한 전기 에너지가 커넥터에 도달하는 것을 방지한다. 

이 설계 원칙은 다음을 보장한다.

· 칩 제조업체는 본질 안전이 필요하지 않은 응용 제품에 사용할 수 있는 상용 PHY를 수량으로 구축할 수 있다

· 장치 공급 업체는 본질적으로 안전한 장치를 쉽게 구축할 수 있다. Ethernet-APL은 위험한 지역에서 현장 계측기기의 본질 안전 작동을 쉽게 계획, 검증, 설치, 문서화 및 구현할 수 있도록 설계되었다. 여기에는 특히 열 간 작업 허가 없이 케이블 및 장비에 대한 실제 작업이 포함된다. 모든 적합한 제품은 인증기관의 승인을 받는다.

▲ Ethernet as basis for APL

4. 포트 프로파일 사양

Ethernet-APL 표준의 일부에는 다양한 응용 시나리오에서 상호운용성을 위한 포트 프로파일 정의가 포함된다. 여기에는 세그먼트 유형, 트렁크-트렁크 포트와 스퍼-투-스퍼 포트를 구별하는 것과 같은 측면이 포함이 된다. 다른 사양은 소스-로드와 비전 원-비전 원 포트를 구분하는 전력 특성을 나타낸다.

또 다른 조항은 전력 등급의 정의이다. 여기에는 본질 안전 전원 공급 장치의 최대 공급 전압 및 공급 전류 제한이 포함된다. 포트 프로파일 사양에 지정된 추가 주제는 배선 규칙, 터미널 및 커넥터에 대한 핀 할당, 차폐 및 접지 규칙이다.

5. 참고문헌

· IEEE 표준협회 : 802.3cg-2019-이더넷에 대한 IEEE 표준-수정 5. https://standards에서 제공되는 단일 밸런스드 컨덕터 쌍을 통한 10Mb/s 작동 및 관련 전력 공급을 위한 물리계층 사양 및 관리 매개 변수. ieee.org/standard/802_3cg-2019.html

· “고급 물리계층 APL”. PI 백서. 프로피 넷 인터내셔널. 2018.

· 국제전자기술위원회 : IEC TS 60079-47 ED1. IEC Working group SC 31G에 의해 2020년에 출판될 2-WIRE 본질 안전 이더넷 개념(2-WISE)에 의한 장비 보호

조익영, ODVA TAG KOREA Activity Manager