이더넷-APL 길라잡이(6)

2024.04.12 09:04:45

조익영 ODVA코리아 전무

이더넷-APL은 PROCESS 계장표준으로 세계 전문 표준개발기구 4곳과 12개의 국제 자동화 메이커에서 합의하여 IEC/IEEE 등의 국제표준기관에서 공인된 새로 나온 신기술이므로, 자세한 설명과 해설이 필요하고 이 기술의 핵심 요체를 설명하는데 자세한 안내가 필요하므로 ‘이더넷-APL 길라잡이’라는 이름을 붙여 10~12회 정도로 내용을 안내 하고자 작명을 했다. 이번 호는 지난 회에 이어 폭발성 대기가 없는 지역에서의 APL 적용 예시와 폭발성 대기가 있는 지역의 네트워크 토폴로지와 성능 고려사항에 대해서 알아본다.

 

폭발성 대기가 있는 지역의 네트워크 토폴로지

 

1. NEC 500에 따른 폭발성 대기가 있는 스퍼 토폴로지의 예

 

그림 1은 Class I, Div 2에 필드 스위치가 설치된 스퍼 토폴로지의 예를 보여준다. 필드 스위치는 산업용 이더넷 제어 네트워크에 직접 연결된다. APL 트렁크는 사용되지 않는다. 필드 스위치는 Class I, Div. 2에 있다. 본질안전(I.S.) 스퍼는 APL 필드 스위치를 Class I, Div. 1에 있는 필드장치와 연결한다.

토폴로지에는 다음과 같은 기능이 있다.

 

· APL 필드 스위치는 별도로 전원이 공급되고 APL 필드 장치는 필드 스위치 스퍼를 통해 전원이 공급된다.

· APL 필드 스위치는 Class I, Div. 2에 있다.

· 제어 네트워크는 Class 1, Div. 2로 분류된다.

· 스퍼는 Class 1, Div. 1에서 사용하기에 본질안전으로 분류된다.

 

장치는 의도된 위험지역 위치에서 사용하도록 인증돼야 한다. Ex 인증서/제조업체 선언은 계획 프로세스 중에 사용 가능하고 확인돼야 한다. 위험지역 위험 분석은 현지 규정에 따라 계획 프로세스 중에 실행되고 문서화돼야 한다.

 

 

2. NEC 500에 따른 폭발 대기가 있는 트렁크 토폴로지의 예

그림 2는 Class I, Div. 2에 필드 스위치가 설치된 전원 공급 트렁크 토폴로지의 예를 보여 준다.

토폴로지에는 다음과 같은 기능이 있다.

 

· APL 필드 스위치와 APL 필드장치는 트렁크를 통해 전원이 공급된다.

· APL 전원 스위치와 APL 필드 스위치는 Class I, Div. 2에 있다.

· 트렁크는 비 발화성(NI)으로 분류된다.

· 스퍼는 Class I, Div. 1에서 본질안전 사용으로 분류된다.

· 전력 트렁크의 길이 제한/전압강하를 준수해야 한다.

 

장치는 의도된 위험지역 위치에서 사용하도록 인증돼야 한다. Ex 인증서/제조업체 선언은 계

획 프로세스 중에 이용이 가능하고 확인돼야 한다. 국가 법률에 따라 계획 프로세스 중에 위험지역 위험 분석을 실행하고 문서화해야 한다.

 

예비 포트 및 예비 전력 계획

 

프로세스에는 향후 확장을 위한 예비 포트가 포함돼야 한다. 따라서 APL전원 및 필드 스위치는 예비 포트를 포함하여 계획돼야 한다. 또한 APL 전원 스위치에 대한 예비 전력 예산도 고려해야 한다.

 

네트워크 진단 도구용 액세스 포인트

 

문제해결 및 네트워크 모니터링을 위해 모니터링 도구를 통해 네트워크 트래픽을 모니터링 해야 하는 경우가 있다. 데이터 트래픽에 접근하려면 그림 3과 같이 미러 포트가 있는 스위치를 사용하는 것이 좋다.

 

미러 포트가 있는 스위치는 스위치의 포트를 통해 실행되는 데이터 스트림을 미러 포트로 복사할 수 있다. 이 경우 진단 도구는 APL 장치에서 들어오고 나가는 모든 트래픽을 읽을 수 있다. 모니터링 되는 트래픽의 데이터 볼륨이 미러 포트의 최대 데이터 속도 미만으로 유지되는지 관찰해야만 한다.

 

미러 포트가 있는 스위치의 대안은 TAP(Test Access Port)를 사용하는 것이다. 탭은 연결로 순환된다. 예로 그림 4에 표시된 대로 컨트롤러와 첫 번째 스위치 사이. 이 TAP를 사용하면 컨트롤러와 기본 APL 필드 스위치 및 APL 필드장치 사이의 모든 트래픽을 모니터링 할 수 있다. TAP는 미러 포트의 제한 없이 실시간으로 전 이중 연결을 모니터링 할 수 있다. 설명된 네트워크 모니터링 외에도 산업용 이더넷 프로토콜을 통해 APL 필드 스위치 및 APL 필드 장치에서 진단정보를 읽을 수도 있다.

 

 

성능 고려사항

 

네트워크의 초기계획 후에는 APL 네트워크의 실시간 기능을 보장하기 위해 대략적인 성능평가가 수행되어야 한다. 그림 5와 그림 6에서 장치 간 트래픽이 APL 트렁크에서 병합되는 것을 볼 수 있다. 따라서 전원 스위치에 가까운 트렁크의 부하를 고려하는 것이 유용할 것이다. 넷 로드는 다음 섹션에 표시된 다이어그램에서 읽을 수 있다. 다음 섹션에서는 APL의 최대 부하 값에 대한 권장 사항을 계속 설명한다.

 

1. 네트워크 트래픽 부하 추정

APL은 이더넷 데이터 프레임을 사용하여 측정값을 전달한다. 이더넷 데이터 프레임의 최소 페이로드는 46바이트이다. 최소 페이로드 크기를 달성하기 위해 더 작은 페이로드가 채워진다. 다음 추정에서는 다변수 송신기를 사용하더라도 일반적인 APL 장치의 측정값이 최소 데이터 프레임에 맞는다고 가정한다. 따라서 다음 계산에서는 46바이트 페이로드의 데이터 프레임을 가정한다.

 

또한 장치에서 들어오고 나가는 트래픽이 시간이 지남에 따라 분산된다고 가정한다. 이 가정을 사용하여 그림 7에 표시된 네트워크 부하 수치는 최대 50개 장치에 대한장치 수와 장치의 네트워크 업데이트 속도로부터 파생될 수 있다. 또한 그림 8에서는 최대 250개 장치에 대한 수치를 보여준다.

 

 

[예시]

특정 APL 서브넷이 50ms의 업데이트 속도로 실행되고 20개의 센서가 네트워크에 연결되어 있다고 가정해보자. 이 경우 그림 7의 x축에서 20개의 장치를 선택한다. 이때 파란색 곡선(50ms)을 선택해야 한다. 그림 7의 파란색 화살표를 참조 할 것. 이제 네트워크 로드를 y축에서 추정할 수 있다. 값은 약 2.8%이다. 이는 컨트롤러, 각 전원 스위치(인바운드 트래픽)에 데이터를 전달하는 센서의 총 네트워크 부하이다. APL은 전 이중 통신을 지원하므로 동시에 컨트롤러에서 액추에이터로의 데이터 트래픽이 가능하다. 계산 원리는 동일하다. 높은 업데이트 속도를 사용할 경우에만 네트워크 로드가 문제가 된다는 것을 알 수 있다.

 

프로세스계장 산업의 일반적인 사이클 시간(100ms~1s)은 하나의 네트워크에 더 많은 수의 센서가 있더라도 상당한 네트워크 부하를 유발하지 않는다. 주기 시간이 1초인 150개의 장치는 1.1%의 네트워크 부하를 유발한다. 이는 구성, 진단 및 자산관리를 위한 비주기적 데이터 전송에 충분한 대역폭을 제공한다. 프로세스 계장산업의 일반적인 사이클 시간은 작은 부하만을 발생시키더라도 통신시스템의 수명 동안 향후 확장을 위해 충분한 여유분을 남겨두기 위해 최대 권장 부하를 고려해야 한다. 다음 섹션에서는 이 문제를 살펴보겠다.

 

2. 네트워크 부하 권장사항

이전 장에서 설명한 것처럼 네트워크 부하는 장치 수와 장치 주기 시간에 따라 달라진다. 모든 장치의 데이터 트래픽 합계로 인해 APL 세그먼트에 대한 전체 네트워크 부하가 발생한다. 표 1에서는 주기적 데이터 트래픽에 대한 권장사항을 제시한다.

 

 

수치는 다음과 같은 측면을 고려하여 정의되었다. 순환데이터 트래픽만 고려된다. 나머지 대역폭은 비순환 데이터 트래픽 및 네트워크 제어 트래픽을 위해 충분히 확보되어 있다. 해당 수치는 새로운 계획 위탁된 구간에 적용이 된다. 여기에는 통신시스템의 수명주기 동안 향후 확장을 위한 예비비가 포함된다. 컨트롤러에 가장 가까운 트렁크 세그먼트의 부하를 고려해야 한다는 점에 유의해야 한다. 여기서 트렁크에 연결된 장치의 트래픽이 합산된다.

 

산업용 이더넷이 필드스위치로 실행되는 경우 APL 트렁크의 데이터 속도에 비해 산업용 이더넷의 데이터 속도(100Mbit/s)가 더 높기 때문에 부하 문제는 일반적으로 중요하지 않다(10Mbit/s). 순환 트래픽으로 인해 네트워크 부하가 작더라도 경우에 따라 네트워크 부하를 줄이는 것이 필요할 수 있다. 예컨대 추가 센서를 추가해야 하는 경우. 이는 두 가지 조치를 통해 달성할 수 있다.

 

첫째, 사이클 시간을 늘린다. 사이클 시간을 두 배로 늘리면 해당 네트워크 부하가 50% 감소한다. 이 첫 번째 옵션을 적용할 수 없는 경우 두 번째 옵션은 하나가 아닌 두 개의 독립적인 APL 세그먼트를 사용하여 세그먼트에 연결된 장치 수를 줄이는 것이다. 표 1의 수치는 APL 네트워크 설계를 이해하기 쉽게 제공하는 경험법칙에 따른 수치이다. 네트워크 부하가 초과되는 경우에도 네트워크는 계속 작동 가능하다.

<다음 호에 계속>

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