이더넷-APL 시스템(3편)

2023.05.07 10:31:14

조익영 전무, ODVA KOREA

[#강추 웨비나] 제조업이 직면한 과제 해결을 위한 미쓰비시전기의 디지털전환(DX) 제안 (7/16)

지난 호에는 이더넷의 요구 조건에 대해서 개략적으로 살펴봤다. 또한 이더넷-APL에 적용되는 모든 기술적 특성에 대해서도 소개했다. 이번 글에서는 이더넷-APL의 주요 기술적 특성과 국내외 시장에 대해서 살펴본다.

 

이더넷-APL의 채택

 

이더넷은 상호운용성에 대한 강력한 요구사항이 있는 환경에서 신뢰할 수 있는 통신 기술임이 입증됐다. 이것은 산업현장, 사무실 및 건물, 그리고 많은 개인 주택단지에도 적용된 바가 있다.

 

 

이더넷 기술의 고도화는 제품개발과 프로토콜 스택에 있어서 네트워크망의 계획, 설치 후 커미셔닝 및 여러 문제를 해결할 수 있는 다양한 도구들을 사용하여 널리 수용할 수 있도록 환경 조성하는 것을 포함한 개념이다.

 

끊김 없는(seamless)는 설치는 빠른 도입, 높은 참여도를 보장하므로 모든 사용자에게 장기적인 비즈니스 환경을 제공한다. 따라서 프로세스 자동화 시스템의 수명 주기업무의 당사자들, 예컨대 벤더, 종합 건설사 및 엔지니어링 회사, 건설현장의 테스크포스 부서 해당 책임자, 시설을 관리하는 공무 및 보전설비 관리자, 계측 제어 부, 동력 및 운전관리 부서운영 담당자, 석유, 석유화학, 종합화학공장 공정부서 책임자, 운영반장 등은 이더넷-APL에 대한 상세내용을 알아야만 한다. 이 기술은 유연성 향상과 위험 감소에 있어서 다음의 재사용을 통해 기술을 알게 된다.

 

기 설치된 필드버스 케이블을 이용하면 방화벽이 그대로 유지되므로 케이블링 비용이 크게 절감된다. 이더넷-APL은 현재와 미래의 모든 상위 수준의 통신 프로토콜과 서비스를 지원하며 네트워크 인프라를 평탄화시킨다.

 

표 1은 현재 사용 중인 통신기술의 주요특성을 비교한 것이다. 이더넷-APL은 이더넷 통신의 고도화 된 특성과 2-와이어(SPE) 설치 기술을 결합하여 기술을 제공한다. 따라서 이더넷-APL은 석유화학공장의 예를 들면, 위험영역, 즉(Zero 0, division에서 1)까지의 영역이 존재하는 프로세스 플랜트부터 프로세스 자동화 기술을 채택하는 식/음료 회사 등, 하이브리드 플랜트에 이르기 까지 현장 애플리케이션의 표준으로 쉽게 배포가 가능하다. 이더넷-APL은 현재와 다가올 가까운 미래의 물리적 계층이기 때문에 기능안전 및 보안 애플리케이션에 대한 개념은 최종 사용자의 요구를 반영하도록 기획하고 있다.

 

 

디바이스의 개발 및 구현

 

필드 디바이스에는 자가진단 기능 등 많은 양의 스마트 데이터를 보유하고 있는 경우가 있다. 이더넷-APL은 프로세스 제어와 병행하여 이 데이터에 액세스할 최적의 수단을 제공한다. 이더넷-APL 테크놀로지로는 계장기기의 개별적 액세스가 가능하다. 따라서 스마트 계장에 산업사물인터넷(IIoT) 애플리케이션과 조합할 수가 있다. 이에 따라 제품 매니저는 추가적인 서비스, 비즈니스 모델, 유니크 한 판매 전략을 구축하여 필드 디바이스 서플라이어로서 차별화를 꾀할 수 있다. 이더넷-APL은 종래의 테크놀로지보다 현격히 낮은 비용으로 이 모든 유익한 데이터의 액세스가 가능하다. 이더넷-APL에서는 통상적으로 필요한 프로토콜 컨버터나 추가시스템 컴포넌트 등 올드-솔루션은 전혀 필요가 없다.

 

· Ethernet-APL은 프로세스 오토메이션의 요건을 충족한다(예, 해저드 구역, 장거리 케이블, 심플 유지보수 등)

· 단일 네트워크 기술을 이용할 수 있게 됨으로써 디바이스 제조업자와 플랜트 매니저 양자에게 스마트 계장으로부터의 데이터 액세스에 기초한 새로운 비즈니스 기회를 제공한다.

· 시장에서의 기술적 리더십을 획득하기 위하여 이더넷-APL을 반드시 제품 포트폴리오로 고려해야 한다. 스마트 계기에 이더넷-APL 실장에 필요한 사항은 한정되어 있으며 PHY와 프로토콜 스택만을 고려해야 한다. Ethernet-APL의 디바이스 실장에 있어서 특히 무엇을 고려할 필요가 있을까. 답은 간단하다.

· 이더넷-APL은 이더넷 물리계층을 확장한다. 해당하는 10BASE-T1L PHY 물리배선을 필드 디바이스 하드웨어에 실장함으로써 필요한 접속이 확보된다. 정평이 나 있는 칩 제조업체에서 표준 PHY 칩을 얻을 수 있다

· ISO OSI 모델에 따라 각각의 층이 독립되어 있기 때문에 이더넷 프로토콜 구현(실장)에 제약은 전혀 없다. 팩토리 오토메이션에서 예전부터 사용되어 온 애플리케이션 계층 프로토콜은 기존의 사양, 가이드라인, 인증에 따라 간단히 구현할 수 있다.

 

이더넷-APL, 고효율 프로세스 플랜트 모두지원

 

이더넷-APL은 이하의 5가지를 지원한다.

 

· 신뢰성 : 실적이 있는 이더넷 규격을 베이스로 하여 신뢰성 높은 플랜트의 오퍼레이션이 보증된다. 이더넷은 지난 수십 년간 IT업계의 표준으로 수년 동안 팩토리 오토메이션 및 하이브리드 오토메이션에서 성공실적을 거두어 왔다.

· 고가용성 : 이더넷 프로토콜 기능은 가용성 개념(예: 컨트롤러 장애에 대한 시스템 이중화 또는 케이블 파손에 대한 미디어 이중화)으로 프로세스의 고가용성을 보장한다.

· 예측 유지 보수 : 스마트 필드 장치에는 예측 유지 보수를 위한 데이터가 내부에 있다. 이더넷 기술을 사용하면 데이터에 액세스할 수 있고 장치 상태를 중앙에서 모니터링을 할 수가 있다.

· 진단 : 이더넷 기술의 경우, 손쉬운 네트워크 진단 도구를 사용하여 장애의 근본 원인과 처방법을 쉽게 파악할 수 있다.

· 상호운용성 : 이더넷-APL은 다양한 장치 공급업체 구성요소의 상호운용성을 보장하기 위해 시험 규격과 인증을 이용할 수 있고, 기기 교환도 지원할 수 있다.

 

이를 요약하면, 이더넷-APL은 자동화 피라미드 내부 및 전체 기술 일관성에 의해 새로운 데이터 패러다임을 지원한다. 프로세스 플랜트 분야의 이더넷 기술을 통해 운영기술(OT)이 정보기술(IT)과 통합되고 단일 네트워크 기술의 비전이 달성된다. 현장의 데이터에 대한 액세스는 프로세스 공장의 비즈니스 요구에 따라 새로운 디지털 서비스를 가능하게 한다. 이더넷 기술을 통해 실시간으로 정보에 접근 액세스할 수 있다. 산업사물인터넷(IIoT) 애플리케이션의 프레임워크 내에서 데이터의 추가 처리에는 거의 제한이 없으며, 예를 들어 NAMUR Open Architecture(NOA)에서 요구하는 것들이 그것이다. 대시 보드 또는 프로세스 값의 추세 모니터링은 특정 프로세스의 최적화를 지원한다.

 

소프트웨어 도구의 간소화

 

· 네트워크 계획이 있을 것

· 일반적인 제어 루프의 생성 및 설계가 필요

· 계측기기에 저장된 모든 세부 정보수집

· 매뉴얼이 있어야 함.

· 인증을 받아야 함.

· 계측기기 매개 변수화 및 구성이 되어야 함.

· 작동 중에 계측기기 진단을 실시한다.

 

프로토콜 변환기와 게이트웨이 하드웨어들이 전혀 필요 없어서 엔지니어링과 유지보수는 쓸모 없는 과거의 이야기가 된다. 스마트폰이나 컴퓨터에서 실행되는 앱 지원 업무절차는 새로운 직원의 기대를 충족시키며, 요즘 MZ 세대에게는 매우 낯익은 접근이 가능하다.

 

이더넷-APL 프로젝트에 참여하는 SDO와 공급업체의 개발자 및 전문가는 계획 및 설치 지침과 모범 사례를 개발하는 과정이 필요하다. 이를 통해 조기 채택을 위한 지식을 쉽게 이행할 수가 있다. 이더넷-APL의 경우 표준 이더넷 진단 툴은 새로운 숙련된 계측기기 기술자와 엔지니어가 일상적인 작업에 도움을 준다. 모든 표준과 지침을 이용할 수 있게 되면, 공급자는 수요자가 원하는 기기 또는 기타 제품 구매 시 구매사양에 맞추어 이더넷-APL을 공급할 수 있다. 공급업체와 사용자에게 공장건설엔지니어링 서비스를 제공하는 설계기업들은 새로운 시장 오픈에 많은 관심을 가지고 있다. 강력한 생태계가 조성될 것으로 예상하며 커다란 기회의 창이 열릴 것으로 예견한다.

 

IEEE 802.3cg 란 무엇인가?

 

이 요구사항을 충족하기 위한 주요 기술 내용은 이더넷 기술을 기반으로 하는 새로운 물리 계층의 탄생이다. 따라서 IEEE 802.3에서 싱글페어 이더넷케이블을 통해 장거리 애플리케이션과 전원 및 이더넷 데이터의 동시 전달을 달성하기 위해 10Mbps의 2가닥 선의 이더넷 사양작업을 요청했던 것이다. 이미 2016 년에 IEEE 표준협회는 IEEE 802.3cg 프로젝트 표준규격을 승인했다. 사양문제는 이 사양에 따라 PHY(OS 7계층 모델 중 물리계층 약어로, 물리계층 기능을 구현하는 데 필요한 회로를 표시하는 용어인데 모 국제메이커는 SPE선을 PHY라고 칭하기도 함] 칩 제조업체는 필요한 이더넷 PHY칩 생산을 시작했다.

 

필드 설치

 

많은 플랜트가 프로세스 계장 오토메이션 시스템에서 보다 많은 데이터를 액세스하고 추출하기 위해 네트워크의 업그레이드화를 도입할 것으로 기대한다. 이를 업그레이드하면 신세대 전기 기사 및 계기 기사가 필요로 하는 네트워크 기술을 습득 할 수가 있다. 유선식 또는 무선 식에 상관없이 이더넷은 가정이나 사무실, 플랜트에서의 우리의 일상 업무가 되었다.

 

이더넷-APL과의 통합으로 라우터, 스위치 및 무선 액세스 포인트에 대한 유일한 추가 기능은 2선식 물리계층뿐이다. 그 중에 필드 기사 및 계측제어 기사에게 친숙한 설치 및 보호 규칙과 같은 규약을 제공하는 본질안전 방폭 보호기술이 포함되어 있다. 계기는 서로 간섭하는 것이 허용되지 않으며 피어투 피어(Peer To Peer) 형태로만 구성된다. 극성 보호나 디바이스내의 종단저항기를 필수로 하는 기능과 함께, 테크놀로지는 매끄럽게 단기간 내에 습득이 가능하다.

 

지금의 계측제어 현장 보수요원(계전 과 혹은 계기 과나 보전과 직원을 말함)들은 설치 전에 아날로그 필드 장치를 교정, 구성 및 준비하는 데 시간이 많이 걸리고 근력 소모도 심했으나 디지털 필드 장치를 준비하는 데 소요되는 시간이 매우 짧고 근력을 쓰는 일이 적어 디지털 필드 장치의 장점은 빛이 난다. 지원기술 중 필드디바이스가 설치되어 접속되면 즉시 이루어지는 자동네트워크의 설정, 디바이스의 탐색, 구성, 실증화를 위한 앱과 마법사가 포함된다. 2선식 이더넷-APL 케이블에는 설치를 단순화 해주므로 기사는 짧은 시간 내에 자신 있게 작업을 마칠 수 있다. 스크류 드라이버와 함께 휴대용 데이터 장치(휴대폰 등)나 라인 테스터 및 향상된 인프라를 갖추게 되면Analog에서 Digital 필드 기기로 전환 과정에서 정비요원(계전 과 직원)의 툴-박스에는 아날로그 장비대신 디지털 장비가 담겨 있음을 알게 될 것이다.

 

프로젝트 범위

 

2와이어에서 높은 대역폭으로 전력과 데이터를 제공하는 기술의 고려는 개발자들에게 공통으로 고급물리계층을 개발하도록 영감을 불어 넣어 주었다. 전문가들은 “이더넷 투 더 필드”(Ethernet to the Field)라는 프로세스 계장 분야의 새로운 비전을 만들어 발표를 했다.

 

이 이더넷용 고급 물리계층으로 명명된 이더넷-APL의 평가 프로젝트는 2011년 계측기기 공급업체의 그룹(ABB, 에머슨 포함 12개 메이커)에 의해 시작이 되었다. 2016년, 평가 프로젝트는 성공적으로 종료되었고 관련 사양이 개선되었다. 이더넷-APL 개발 프로젝트는 IEEE의 10BASE-T1L 규격의 발표와 함께, 2-WISE(2-Wire Intelligently Safe Ethernet) 및 전원 포트 프로파일에 대한 IEC 사양의 진행이 본 궤도에 올랐다. 최종 PHY 칩은 2021년 초에 출시될 예정이며 2021년에 첫 번째 현장 소자와 인프라 구성 품을 구입할 수 있을 것이다.

 

이더넷-APL 시스템 설치의 경우 엔지니어링 매뉴얼을 제때에 사용할 수 있다. 독일에서 이더넷-APL 프로토타입을 사용한 첫 번째 파일럿 프로젝트는 이 기술의 작동 원리와 이점을 현실적으로 즉시, 현장에서 입증해 주었다.

 

이더넷-APL, 공장 분야 전용 이더넷으로 마침내 결정

 

· 2015년 IEC TS 60079-47에 표시된 첫 번째 개념증명

· 2018년 공식 APL 시작 프로젝트 진행

· 독일 BASF에서의 이더넷-APL 프로토타입을 이용해 행해진 최초의 파일럿 프로젝트가 그 동작 원리와 테크놀로지의 장점인 메리트를 확실하게 실증으로 증명(대성공)

· 모든 측정 타입의 액추에이터 및 센서에 대한 2선식(SPE) 이더넷 필드 디바이스 프로토콜 도입으로 필드 디바이스 설치의 단순화, 프로세스 계장 오토메이션시스템으로의 통합 및 필드 디바이스 데이터로의 병행 접속이 마침내 성공하여, 파일럿 공장에서 확실히 이를 실현하게 된 것이다. 그 결과는 대박이었다. 2022년 IEC 표준이 정식으로 발표되어 세계 프로세스 계장 분야는 지각 변동을 일으키기 시작했다. 그것은 2023년부터 세계시장의 빅 찬스의 빗장이 열리기 때문이다.

 

전문가들의 이더넷-APL 평가

 

수년간 이더넷-APL을 연구해온 프로세스 계장 공동체는 그간 위험한 환경에 직면하여 오늘날 싱글페어 이더넷이라는 걸출한 통신망을 만들어 내었고, 프로세스 계장의 최후의 고지까지 기존 공장의 자산화 케이블로 현재 거미줄처럼 공장의 덕트 콘듀잇 배관과 얽혀서 지천으로 깔려있는 CVVSB 2☐×2C케이블을 온도·압력·유량·레벨·중량 등의 센서 라인들을 시간을 두고 점차 프로세스 계장의 현장에서 걷어 내고 프로토콜 중립의 위치에 APL(Advanced Physical Layer: 고급 물리계층)의 이더넷 통신망을 최종물로 제공하기 위해 만들어 낸 것이다.

 

각종 센서의 접점 포인트마다 케이블이 연결되어야 하는 수많은 케이블들 대신 1개의 동축 케이블 외피에 2줄의 선이 들어있는데, 한 가닥은 인터넷선, 한 가닥은 전원선 단순한 케이블로 축약한 배선으로 이더넷-APL을 통해 많은 물리량 즉, 온도, 압력, 유량, 레벨, 중량, 가스 신호 등의 입력·출력 정보의 전달이 가능하게 된 것은 물리적인 아날로그의 개념에서 데이터적인 디지털의 개념으로 탈바꿈 하여 패러다임 전환이 이루어진 것이다. 이는 여럿이 머리를 맞대고 공동연구 및 참가를 전제하지 않으면 나올 수 없는 기술로 본다.

 

여기에 반전이 있는데, 여럿이 공동으로 참여하다 보니 저절로 세계 프로세스 계장의 단일표준이 된 대표적 사례가 된 것이다. 단일표준의 이점은 누구나 알다시피 경쟁 구도가 없어지면서 경쟁 시 PR 비용, 경쟁 개발 비용 등이 우선 사라지는 것은 당연하다. 2020년 ARC Advisory그룹포럼이 ABB가 레벨게이지에서 기업 전체의 네트워크레벨에 이르기까지 모든 게이트웨이 및 프로토콜 변환을 효과적으로 배제하는 것을 구현 했다고 발표한 바 있다. 이처럼 “이더넷-APL은 그룹에서 실행되는 모든 프로토콜은 이더넷-APL을 통해 사용할 수 있다”라고 에머슨의 Kravitz씨는 말했다. 그는 여기에는 HART-IP 및 PROFINET, EtherNet/IP 및 기타 산업용 이더넷 프로토콜이 포함된다고 했다.

 

또 유량트랜스미터 마케팅관리자 및 에머슨의 APL작업그룹 담당자는 “APL 실무그룹은 사용자가 주어진 APL 애플리케이션에 맞는 올바른 케이블을 선택할 수 있도록 일련의 엔지니어링을 준비하고 있다”고 말했다.

 

이와 같은 이더넷 기반 프로토콜에는 아날로그 HART, PROFIBUS PA 및 FOUNDATION Fieldbus와 같이 레거시 디지털 프로토콜을 사용하여 장치와 통신을 할 수 있는 I/O를 위한 규정이 있다. 초기에는 이더넷-APL과 같은 새로운 기술의 출시로 인해 기존 장치를 즉시 신제품으로 변경하지는 않을 것이다.

 

하지만 시간이 경과함에 따라 프로세스 계장 계측기기 및 시스템 공급업체가 이더넷-APL에 대해 더 많은 지원을 제공하고 고객은 향상된 기능, 보안 및 유연성에 대해 잠재력을 맛 본 뒤, 이더넷-APL 장치를 선택하게 될 것이다. 더하여 각 메이커가 만들어 내는 제품에는 기존 타입의 아날로그 제품을 다시 만들어 보충하는 일이 장기적으로는 감소할 것이다. 즉, 스페어 파트를 다량확보 후 추가 제조는 향후 메이커들이 추이를 주시하며 APL과 계속 공조를 할지, 또는 시장의 추이를 보며 저울질 할 것으로 보인다.

 

이유는 기존 아날로그 기술 패러다임이 디지털 기술로 변화된 상태에서 과거의 제품을 계속 찍어 낼 수 있을지는 미지수이기 때문이며, 이는 상당기간 이더넷-APL 메이커와 아날로그 기존 계기 메이커 간에 일정한 딜이 있을 것으로 보인다. 지금은 유저 오리엔티드 마인드가 확산되는 시기이기 때문에 다품종 소량생산을 엔드 유저가 요구하는 풍조가 전통적 계장 시장에서도 통할 런지는 미지수이다. 기존의 프로세스 계장기기 메이커가 고민해야 할 새로운 시장이 형성되고 있는 것이다. 또 시대가 빛의 속도로 통신하는 인터넷 시대로 진입된 상태에서 굳이 아날로그 기술만을 고집하는 기업이 향후 얼마나 버틸지는 이더넷-APL 판매권을 가지고 있는 유저 회사들의 결정권에 시장의 판도는 달라질 것이다. 기존에 메이커 창고에 남아있는 스페어 파트가 다 소진되면 미래에는 단종이라는 개념이 현실화될 것이며 프로세스 계측기기 메이커는 기존의 기술만을 고집하는 데는 한계가 있을 것 같다.

 

유저가 원하는 APL 국산화 제품은 기존의 EtherNet/IP 인증을 받았듯이 이더넷-APL 베이스/ EtherNet/IP 인증개발 기업들은 시간이 지날수록 그 숫자가 증가하게 될 것이다. 이미 ODVA는 이더넷-APL 베이스 / EtherNet/IP 인증을 올해 하반기부터는 본격적으로 실시한다. 기존의 메이커들은 12개의 컨소시엄 회사의 APL 제품을 대리점 또는 특약점을 맺어 판매하거나 ODVA 같은 인증기관을 통해 CT 테스트 등을 한 뒤 자사제품을 앤드 유저에게 공급이 가능할 것으로 보고 있다. 각 건설사 계측제어 설계부서는 공장 설계에 이더넷-APL을 추천할 수도 있을 것이다. 기술을 개정하여 ODVA 같은 프로토콜 기관에서 이더넷-APL 베이스 / EtherNet/IP 개발인증을 받으면 기존에 보유한 OLD 기술에 큰 영향 없이 개발에 착수한 벤더들에겐 이더넷-APL 개발 제품의 판매가 간단히 해결되는 길이 열릴 것으로 본다.

 

APL 워킹 그룹의 요꼬가와 대표인 Taro Endoh는 “FOUNDATION Fieldbus와 PROFIBUS PA는 APL의 등장으로 인해 패배를 할 수 있다. 그리고 산업용 이더넷 프로토콜을 갖는 APL은 머지않아 4-20mA + HART 계장 시스템을 대체할 것이다”라고 말했다.

 

그러나 이에 대해서 페펄앤푹스의 Michael Kessler에 주장에 따르면 APL 입장에서 현재의 필드버스 프로토콜에 대해 이더넷-APL 스위치는 이중 기능이 있는 스퍼(Spur) 인터페이스를 제공하는 것으로 회생될 가능성을 입증(예: PROFINET-APL 및 PROFIBUS PA)했다고 말했다. 이론적으로 이것은 데이터를 이더넷 기반의 실시간 프로토콜에 매핑할 수 있는 FOUNDATION Fieldbus 기기에서도 가능하다. 바로 이 이중 기능성은 기존 플랜트를 이더넷-APL 기반 인프라로 마이그레이션(이전) 하는 데 있어서 매우 중요한 비중을 차지한다.

 

Michael Kessler는 “이더넷-APL이 출시된 첫해 동안에는 기존 FOUNDATION Fieldbus 또는 PROFIBUS PA 장비는 이더넷-APL 인터페이스로 누락된 장비의 기능 차이를 채워 넣을 수 있을 것”이라고 말했다. 그는 이어 “필드버스 케이블은 31.250KB용으로 설계되었기 때문에 기존 케이블을 APL에 전체 케이블 길이로 사용할 수 있는 것은 아니다. 따라서 APL포트프로파일 사양은 스퍼/트렁크 케이블 길이를 50M/250M, 100M/500M, 150M/750M, 및 200M/1,000M로 지원하는 다양한 범주를 정의한다. 케이블제조협회는 이 분류에 따라 케이블을 지정해야 한다.”라고 말했다.

 

실제로 APL로의 대폭적인 전환 이유는 DCS 공급업체가 지난 10년 동안 많은 돈과 노력을 투자한 기존 I/O시스템에서 벗어나 시스템 & 엔지니어링 관행을 좀 개선할 수밖에 없다는 것이다. 현재 APL 프로젝트에 참여하고 있는 4대 SDO조직 중 ODVA의 EtherNet/IP 프로토콜은 APL 표준을 최대한으로 활용할 수 있다.

 

802.3을 수년 전부터 미리 채택한 EtherNet/IP는 DCS의 게이트웨이 역할도 하는 PLC가 방향제어 밸브 뱅크를 제어하는 밸브 파일럿과 같은 애플리케이션의 “자동화 아일랜드 내에서 프로세스 자동화에 일반적으로 사용이 된다”라고 ODVA의 Steve Fales 이사는 설명을 했다. 그는 APL을 통해 EtherNet/IP가 제어, 진단 및 시운전을 위해 게이트웨이 없이 그냥 프로세스 계장 분야 전반에 걸쳐 광범위 하게 사용될 것으로 예측했다.

 

EtherNet/IP는 현장수준과 상위 시스템 수준간의 이더넷 통신 시스템에 대한 NAMUR의 최소 바인딩 요구사항 중 하나로 명명되었고, HART 장치 번역서비스의 통합 및 NAMUR NE 107 진단, 즉 ABB 측정 및 분석 플랫폼의 관리자인 ABB의 Tilo Merlin은 다음과 같이 덧붙였다.

 

“오늘날 대부분의 DCS 시스템은 이미 PROFINET과 EtherNet/IP를 지원하기 때문에 이러한 프로토콜을 기반으로 한 이더넷-APL의 채택은 아주 간단히 문제가 해결될 수가 있다. 이들을 사용하면 게이트웨이 또는 기타 프로토콜 변환기의 사용이 필요 없어, 기존 필드버스 솔루션에 비해 복잡성과 유지 및 소유 비용이 크게 절감되고 유용성과 견고성이 향상된다.”

 

Merlin은 이어 “확립된 이더넷 기반 프로토콜을 적용하는 것 외에도 OPC UA와 같은 새로운 프로토콜을 사용하여 새로운 수준의 보안 기능을 제공함으로써 IT와 OT 사이의 경계를 허물어 버렸다”고 덧붙였다.

PI North America의 전무이사인 Michael Bowne은 “처음부터 기존 단일 트위스트 페어 필드버스케이블을 재사용할 수 있는 능력은 설치비용이 높기 때문에 APL의 요구사항이었다. 예를 들어 PROFIBUS PA에서 사용하는 A형 케이블은 APL에 적합하다”라고 말했다. 그는 이어 “그린 필드든 브라운 필드든 사용자는 설치의 일부로 네트워크 인프라의 기존 테스트를 수행하는 것이 좋다. 이것은 모든 배선이 의도한 대로 작동하는지 확인하는 것과 관련하여 케이블테스트는 케이블 무결성과 전기적 특성을 확인하는 다양한 제조업체에서 제공한다. 배선이 지정된 저항, 인덕턴스 및 캐패시던트 정격을 만족하는 한 사용자는 거기에 적합하도록 해야 한다. 초기 네트워크 인프라에 대한 자신감도 오류가 발생할 경우 향후의 우려를 해소하는 데 도움이 된다.”고 덧붙였다.

 

피닉스 컨택트의 프로세스 자동화 포트폴리오 및 글로벌시장개발, I/O및 네트워크 Norris는 “RJ45및 M8/M12 Connector & Pinout은 여전히 논의 중”이라고 말했다.

 

이더넷-APL의 확장

 

APL 프로젝트가 IIoT 크기의 정보고속도로를 현장 기기로 확장하기 위해 노력은 하고 있지만, 새로운 대역폭을 최대한 활용할 준비가 된 세계의 소프트웨어 및 시스템의 측면에서 보면 보완 표준에 대한 작업도 병행 진행한 것으로 보아야 한다. 특히 주목할 만한 것은 이 중에 FDI, PA-DIM 및 OPC-UA가 중요한 것으로, 이들 모두는 디지털 분야에 새로운 질서와 가치를 제공할 것이라고 이더넷-APL 측은 평했다.

 

FieldComm Group의 Sereiko는 “FDI와 PA-DIM은 기업 전체의 소프트웨어 시스템이 프로세스 계장 기기에서 제공하는 정보를 보다 쉽게 사용할 수 있도록 해 준다”고 말했다. 이더넷-APL은 게이트웨이와 원격 I/O를 이더넷 스위치로 대체하여 장치에서 기업 시스템으로 정보를 쉽게 라우팅하는 것이 요체이다. 궁극적으로는 빠른 속도가 가능해지면 FDI 및 PA-DIM에 대한 기능 향상으로 장치 통합을 더욱 단순화할 수 있다는 것이다.

 

또 에머슨의 Kravitz는 “기술로서 FDI와 PA-DIM은 현장 장치에서 정보를 가져오는 기준을 낮추는 데 도움이 되도록 설계했다. 이더넷-APL이 개별 장치에 대한 대역폭을 증가시킨다는 점은 이를 통해 현장 장치는 프로세스 계장 제어 시스템에서 클라우드에 이르기까지 모든 수준의 프로세스 데이터의 에코 시스템과 쉽게 통합될 수 있다”고 말했다.

 

엔드레스하우저의 Lukas Klausmann은 “이더넷-APL과 PA-DIM을 함께 사용하면 병렬통신 경로에서 제어통합에 이르는 현장의 데이터를 액세스 할 수 있다”고 설명했다. 그는 이어 “이 두 번째 채널 접근 방식은 핵심 자동화 프로세스에는 아무 영향을 주지 않고 NAMUR 개방형 아키텍처 개념을 지원한다”고 덧붙였다. 또 “위험 영역뿐만 아니라 분류되지 않은 설치가 가능한 필드 장치의 하드웨어 분산을 방지하기 위해서는 이 전원프로필 개념의 준수가 중요하다”고 말했다.

 

페펄앤푹스의 Kessler는 “이더넷-APL은 필드장치 자체에 OPC UA와 PA-DIM을 배포할 수 있는 핵심기술”이라고 말했다. 그는 이어 “장치에 정보모델이 내장되어 있기 때문에 실제로 플러그 앤 플레이가 가능하다. FDI와 같은 모델 및 표준은 고객과 공급업체에게는 중요한 도구이지만 속도, 인프라 및 상위 시스템에 대한 연결 시 새로운 케이블 또는 게이트웨이가 필요할 때 채택율은 항상 느려질 수밖에 없다”고 설명했다.

 

또 “긍정적인 측면에서 이더넷-APL은 PROFIBUS-PA, HART, FOUNDATION보다 현장 기기에 본질적으로 안전한 전원공급이 가능하다. 이를 통해 계측기기 공급업체는 높은 전력수요로 인해 2선식 계측기기 설계가 가능했다”고 말했다.

 

Moore Industries의 사장 겸 CEO인 Scott Saunders는 “이더넷-APL은 이러한 모든 문제를 한 큐에 제거함으로써 문제를 해결 할 수 있다. 10Mbps의 속도로 대부분의 기존에 설치된 트위스티드 페어 케이블을 지원하고 대부분의 다른 TCP/IP 기반 산업 프로토콜을 동시에 지원하면 새로운 표준을 방해하는 문제를 간단히 해결할 수가 있다”고 말했다.

 

PI North America의 Bowne은 “APL을 사용하면 새로운 사용 사례의 전 세계적 가능성이 있다. 산업 전반에 걸쳐 일어나고 있는 IT/OT 네트워크 컨버전스에 직접적으로 작용을 한다. 공통 이더넷 기반 물리계층을 통해 공급업체는 공장 자동화에서 오랫동안 확립 된 기능인 여러 프로토콜을 기기에 자유롭게 구현할 수가 있다. 또한 NAMUR Open Architecture와 같은 개념을 사용하여 전통적인 자동화 피라미드 외부의 상위 시스템에 대한 단 방향 통신을 가능하게 한다”고 설명했다.

 

또, ABB의 Merlin은 “이더넷-APL이 전체 이더넷 스택을 지원한다는 사실은 사용성을 높이기 위해 IEEE 세계의 모든 추가 기능을 사용할 수 있다는 것을 의미한다”며 “이더넷 에코 시스템의 일부가 되면, 이더넷의 일반적인 다중 프로토콜 기능은 광범위하다”고 말했다. 그는 이어 “OT와 IT 세계 간의 안전한 브리징(Bridging)을 훨씬 쉽게 만들 수 있을 뿐만 아니라 아날로그의 현장 수준에서부터 디지털의 클라우드 수준까지 OPC UA를 보편적으로 적용할 수 있기 때문에 이더넷-APL은 물리적 자산으로써 프로세스 계장 플랜트 현장의 온도·압력·유량·레벨·중량 등의 아날로그 값을 디지털 트윈까지 연결하는 초석이 된다”고 덧붙였다.

 

현재 이더넷-APL 대변인이며 ODVA 마케팅 이사인 Steve Fales는 “필요한 이더넷-APL 사양은 현재 모두 개발이 완성되었다. APL 프로젝트는 사양작업 외에도 APL 네트워크 계획 및 시운전에 대한 최상의 지원을 제공하기 위해 엔지니어링 및 설치지침서가 작성되었다. 인증프로세스를 마친 후 독일 ACHEMA 전시회를 거쳐 2023년부터 전 세계가 정상적으로 사용하게 될 것으로 예상한다”고 설명했다.

 

국내외 이더넷-APL 시장

 

국내 시장은 순수 아날로그 시장 조사를 2010년부터 약 5년간 계장의 피드백루프를 기반으로 조사한 결과에 따르면 국내 공장의 Feedback Loop 수가 500평 규모의 작은 화학공장에서부터 수 십 만평의 대규모 석유화학공장에 이르기까지 약 300만개의 Feedback Loop(폐회로)가 국내에 존재하는 것으로 확인된바 있다. 예컨대, 제어기, 전송기, 컨트롤밸브로 구성되는 피드백 회로를 기준으로 1루프를 상정해 보면, 제어기는 중형 PLC 1EA, 전송기는 전자식 전송기 1EA, 컨트롤 밸브는 SUS 316 재질의 2인치 구경 Glove밸브 1EA 등, 3요소로 1개의 피드백 루프를 구성했다고 가정 했을 때, 상기 조사에 의해 나온 결과를 가격으로 대입하면, 국내공장의 Feedback Loop는 약 300만 회로로 추산할 경우, 여기에 사용되는 CVVSB 2☐×2C 신호케이블을 압력, 유량, 레벨 등은 2선을 연결 할 경우와, 온도(RTD)의 경우는 3선식~4선식을 연결하여 덕트, 콘듀이트 배관 등이 포함된 계장 공사비 추가 시의 합계는 대략 1조원 정도가 산출되며, 이것을 국내 프로세스 계장 시장의 크기로 보는 근거가 된다.

 

이 시장에 참여하는 ABB, Emerson, Endress + Hauser, Krohne, Pepperl + Fuchs, Phoenix Contact, R. Stahl, Rockwell Automation, Samson, Siemens, Vega 및 Yokogawa와 같은 프로세스 계장 자동화 분야의 선도 기업 12개사와 직접 참여는 못하나, 4대 SDO의 회원으로 간접적으로 참여하는 Honeywell, Schneider Electric(Invensys 포함), Azbil 등의 프로세스 계장 메이커를 포함하면, 이들 프로세스 계장 메이커가 전 세계에 공급하는 이더넷-APL의 시장은 ODVA 추산 약 1,000억 달러(120조 원 정도)로 추산하고 있다.

 

물론 향후 10여 년간이라는 시간적 카테고리 내에서 추정을 해 본다. 2022년까지 전 세계에 이더넷-APL이 개발 완료된 솔루션을 보유한 12개 메이커들은 2023년부터 세계 시장에 이 솔루션을 동시 출시하는 순간, 한국을 비롯한 전 세계의 프로세스 계장 시장은 이더넷-APL이 디지털 전환의 의미를 갖는 DX(Digital transformation)와 함께 생각하지 말라는 법은 없으며 프로세스 계장 시장은 전 세계적으로 그 파고가 높게 요동칠 것이다.

 

프로세스 계장 시장은 긴 아날로그의 터널에서 깨어나 4차 산업혁명 기술과 스마트공장에 본격적으로 진입함에 있어서 업계 관계자들은 모두 환영하게 될 것 이다. 이유는 시장 자체가프로세스 계장 시장이라는 단일 종목시장으로 오픈되는 것인데 그 크기가 매우 크다고 볼 수 있으며, 5G나 엣지 컴퓨팅, AI 기술들이 이더넷-APL에 대거 채택이 될 것으로 보이기 때문이다. 프로세스 계장 분야가 2차 대전 이후 현재까지 아날로그 기술의 긴 세월의 잠에서 깨어 디지털 개념으로 전환되는 원년이 바로 2023년이 될 것이다. 이후에는 일반 산업 분야와 다름없이 프로세스 계장 분야도 디지털 전환과 더불어 산업 공장에서 타 분야와 인터넷의 대표적 형태인 클라우드, IIoT, 디지털 트윈 등에 빠른 속도로 유입이 될 것이다.

 

이제 프로세스 계장 분야는 지금까지 지켜온 아날로그 기술의 범주에서 디지털의 새로운 기술세계로 빠르게 진행 발전될 것이다. 즉, 신호 전달 방식이 100% 인터넷을 사용하는 첨단 기술로 재탄생을 하게 된다. 이제는 4차 산업혁명 시대에 스마트공장의 핵심 기술과 나란히 디지털 트윈과 클라우드를 거부감 없이 사용하는 스마트공장의 열쇠(Key)를 갖고 새롭게 산업계를 리드하게 될 것이다.

 

다만 아쉬운 점이라면 한국은 12개 이더넷-APL 파운딩그룹 자격에 함께 참여하지를 못 한 것이다. 그 이유는 자세히 모르겠으나 상대적으로 오랜 기간 타 산업에 비해 프로세스 계장 분야는 국내에서 반도체나, LCD, 자동차 등의 산업에 비해 투자를 턱없이 적게 했던 분야라고 보아야 한다. 다시 말하면 규모의 경제가 안 되니 투자개념이 없었고, 이 분야와 관련한 국내 업체로는 LS일렉트릭, LS전선, 대한전선, 포스코ICT, 오토닉스, 알에스오토메이션, 사이몬, 코모도, 와이즈우진, 한영넉스, 코닉스, 두온시스템, 신호시스템, 자인테크놀로지, 협성히스코, 삼원액트, 하이트롤, 대윤계기산업, ESGK 등인데 한국 프로세스 계장 메이커는 배제되어 있다. 이는 아마도 국내에는 프로세스 계장 분야의 꽃이라 할 수 있는, DCS(Distributed Control System)의 HW & SW 두 분야의 메이커가 없기 때문인 것이 아닐까 생각해 본다.

 

일본만 해도 요꼬가와 계기가 울산, 온산, 포항, 여천공단에 DCS를 그간 보급해 왔다. 요꼬가와는 일본의 프로세스 계장 간판기업으로 이더넷-APL 파운딩 그룹의 일원이 되었다. 관련 시장의 크기가 매우 큰데, 이 시장을 요꼬가와를 비롯한 12개의 파운딩 회원만 참여하라는 법은 없다. 프로세스 계장 분야의 이더넷-APL 시장에 한국의 프로세스 계장 메이커(온도, 압력, 유량, 레벨, 등의 전송기 및 GAS-애날라이저+자동화 시스템 메이커 및 PLC, SENSOR, ACTUATOR, ROBOTICS, CONTROL PANEL, CONTROL CABLE, 및 각종 PROTOCOL변환기/센서 메이커) 등이 ODVA 같은 프로토콜 기관에서 이더넷-APL 인증을 받으면 간단히 이 시장에 진입할 수 있다.

 

조익영 전무, ODVA KOREA

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