조익영 전무, ODVA KOREA
인더스트리4.0과 결합된 경쟁력 및 비용에 따른 압력으로 인해 프로세스계장 자동화 장치, 에지(Edge) 및 클라우드(Cloud)를 통한 장치의 정밀 상태, 정밀 운영, 정밀 분석 및 정밀 예측, 유지 관리가 그 어느 때보다도 중요해졌다. 이 프로세스계장 산업은 이더넷-APL을 통해 현장계측제어를 위한 온도, 압력, 유량, 레벨, 중량 등의 센서 및 계측제어 관련 각종 액추에이터, 트랜스듀서, 모니터, 대시보드, 프로세스 컨트롤러, PLC, DCS 등에 연결하는 등의 대대적인 변화가 예상되며, 모든 산업계의 프로세스계장 분야에 큰 변화가 불가피하다.
높은 고정 플랜트 비용과 함께 중요한 인프라 역할에 의해 구동되는 프로세스계장 산업의 신뢰성, 보안 및 안전 요구사항은 대부분의 다른 산업 부문보다도 훨씬 전인 1960년 전기신호 4-20mA와 1940년 공기압신호 0.2~1Kg/cm2 신호와 같은 신뢰할 수 있고 입증된 IEC 국제통일 신호 및 제어 기술로, 현재까지 우리나라와 전 세계의 공장들에서 필드버스와 함께 널리 사용되고 있다.
이런 방법들의 단점 중 하나는 현장장치, 시운전에 몇 초가 아닌 몇 분 정도의 소요 시간이 걸리게 되며 중요한 프로세스 변수를 넘어서는 제한된 양의 프로세스와 진단정보만 전송되는 경우가 있다. 따라서 정밀하지 못하다는 것이다.
프로세스 필드버스 솔루션은 잠재적인 장치 상태와 원격 시운전의 가능성을 제공했으나 교육, 유지보수, 신뢰성 및 상호 운용성에 대한 우려로 인해 대규모로 채택되지 않고, 전반적인 산업의 변화에 대해서 매우 제한적이며 다양한 필드버스 표준의 종류가 많은 다중 표준으로 인해 난맥상을 보이고는 있으나 다행히 최종 사용자에게는 큰 이점을 각각 제공해 왔다.
인더스트리4.0을 통한 기술 발전과 결합된 경쟁 및 비용 압박으로 인해 장치(Equipment), 에지(Edge) 및 클라우드(Cloud)를 통한 비용의 획기적인 절감과 정교한 장치 상태의 파악, 정밀운영 분석 및 정밀 예측 유지관리의 스마트화가 그 어느 때보다 필요한 중요문제로써 대두되기 시작한 것이다. 프로세스계장 산업은 세계적으로 이를 극복할 큰 변화를 준비하고 있었으며, 2022년 단일 프로세스계장 IEC 국제표준이 될 이더넷-APL을 공동 출시하면서 프로세스현장 계측제어 장치에 이제는 이더넷-APL을 직접 연결할 때가 된 것이다.
이더넷-APL의 개요
이더넷-APL은 싱글 페어 이더넷(IEEE 802.3cg-2019, 10BASE-T1L) 케이블, 엔지니어링 전력, 본질 안전 방폭(IEC 60079, 2-WISE), 유형 A 필드버스 케이블(IEC 61158-2)의 조합이다. 그 결과, 이더넷-APL은 트렁크 길이당 최대 1,000m의 장거리 케이블, 전원 인프라 및 석유화학공장 등과 같은 모든 클래스 1 위험지역 및 부서에 본질안전 방폭에 대한 프로세스계장 산업계의 요구를 충족시킬 목적으로 탄생이 되었다.
본질 안전 방폭을 정의하는 2-WISE를 사용하면 다른 계산 없이 본질 안전 방폭을 검증하기 위한 간단한 단계를 수행할 수가 있으며, 10BASE-T1L은 10Mbit/s에서 속도를 크게 늘릴 수 있다. 이더넷-APL은 물리계층 일뿐이기 때문에 최종 사용자가 선도적인 산업자동화 표준기관에서 IEC 61508 및 ISA/IEC 62443에 기반을 둔 표준 안전과 보안 서비스에 액세스할 수 있도록 허용한다. 또한, 이더넷-APL은 EtherNet/IPTM, HART-IP, OPC UA, PROFINET 또는 기타 상위 수준의 네트워크 프로토콜을 지원할 수 있다.
요약하면, 이더넷-APL을 통해 이더넷은 현장 계측에서 플랜트 프로세스계장 자동화 시스템으로 원활하게 확장하여 더 높은 수준의 엔터프라이즈 리소스 계획시스템 및 사용료가 대폭 절감되는 클라우드 환경으로 확장하여 불필요한 게이트웨이의 숫자를 많이 줄일 수가 있다.
이더넷-APL 기술 출시
‘APL 프로젝트’는 표준개발 조직인 FieldComm Group, ODVA, OPC UA, PI(PROFIBUS & PROFINET International)등의 세계 4대 SDO와 12개 세계 주요 산업 프로세스계장 프로젝트의 공동회원인 ABB, EMERSON, Endress+Huser, KROHNE, PEPPERL+FUCHS, PHOENIX CONTACT, ROCKWELL AUTOMATION, SAMSON, SIMENS, STAHL, VEGA, YOKOGAWA 등으로 구성된다.
3년간의 성공적인 공동협력 끝에 이더넷-APL 프로젝트는 2021년 6월 15일 독일의 ACHEMA 펄스 디지털 박람회에서 이더넷-APL 기술을 출시했다. 기술 출시에는 사양, 엔지니어링 지침, 적합성 테스트 계획의 출시가 포함되었다. 또한, 방폭 위험 지역 보호 및 표준화된 제품의 마킹 없이 여러 전력레벨에 대한 이더넷-APL 개념을 만드는 정의된 포트프로파일도 포함되어 있다. 다음 단계에는 일부 공급업체에서 사용할 수 있는 초기 제품을 보유한 회사에서 현장 프로세스계장 장치를 릴리스 하는 것이 포함된다.
이더넷-APL의 가치는 ACHEMA 기간 동안 다양한 프로세스계장 제품 공급업체와 산업 프로토콜에 대한 참여를 보여주는 멀티벤더 데모를 통해(독일 BASF공장에 적용 후) 입증됐으며, 최종 사용자에게 제공하는 옵션과 상호 운용성을 강조한다.
이더넷-APL을 위한 다음 단계
제약이나 식·음료와 같은 하이브리드 산업은 현장 프로세스계장 장치가 장거리 케이블 길이를 필요로 하거나 위험한 환경에 있는 경우를 위해 현장 프로세스 계측제어 장치의 현저하게 향상된 데이터의 가시성을 활용하는 이더넷-APL 기술이 얼리 어댑터가 될 가능성이 높다. 기술 시연 요원, 산업 운전 요원 및 내부 테스트를 통해 개념이 입증되면 전통적인 프로세스계장 산업은 채택을 서둘러야 자사에 이득을 보태줄 가능성이 매우 높다.
프로세스계장의 최종 사용자(End-user)는 빠르게 증가된 속도로 인해 고급 정밀분석 예측 유지관리 및 향상된 운영관리를 스마트기술을 채택함으로써 가장 큰 가치를 창출하게 될 것이다. 1,000m의 장거리 케이블 길이와 본질 안전 방폭기능을 통해 이더넷(Ethernet)이 표준현장 프로세스계장 장치의 솔루션이 되는 것이다.
또한, 유저(USER)회사는 이더넷-APL에 대한 +/-20옴(Ohm) 허용 오차로 100옴(Ohm)의 저항기준을 충족하는 기존에 설치된 유형 A 필드버스 케이블을 잠재적으로 재사용할 수 있도록 설계되어 있다. 유형 A 필드버스 케이블을 재사용하고 동일한 케이블에서 전력과 통신을 동시에 공급을 받을 수 있는 획기적인 기술인 SPE(싱글 페어 이더넷, Single Pair Ethernet) 케이블 기술은 기존의 전원 선과 인터넷 선이 분리되어 공급하는 것을 막기 위해 동축 장거리 케이블(1,000m)에 전원/인터넷을 동시에 사용할 수 있는 경제적인 기술이다. 동시에 이 기술의 장점은 기존 필드버스 케이블로도 호환이 되도록 제정되어 기존 필드버스 선을 걷어내지 않고도 그대로 연장이 가능한 장점을 갖도록 개발을 하였기 때문에 현장에 포설할 케이블 자재비용과 케이블 설치비용을 최대한 절감할 수 있다.
ODVA의 EtherNet/IP와 이더넷-APL 관계
EtherNet/IP 통신 네트워크는 프로세스계장 플랜트에서 이더넷-APL의 물리계층을 활용할 수 있으며, 이는 TCP/IP, HTTP, FTP, SNMP 및 DHCP를 포함한 상업적 기반의 산업계측제어 하드웨어, 개체 지향 기반 및 표준 인터넷 프로토콜 호환성의 장점을 실현할 수가 있다.
EtherNet/IP를 지원하는 최초의 이더넷-APL 인프라 및 현장 장치는 2021년에 출시되었다. EtherNet/IP에 대한 지속적인 개선사항은 디스크리트, 하이브리드 및 프로세스계장 애플리케이션 전반에 걸친 향후 산업커뮤니케이션과 제어 요구를 충족하기 위해 계획 및 진행을 시행 중이다. 최근 EtherNet/IP 프로세스계장 기술 향상에는 NE107 진단, HART 통합, IO-Link 통합 및 장치 설명 향상 기능이 포함된다.
EtherNet/IP를 사용하면 NAMUR NE 107 진단정보를 DCS로 쉽게 전송하여 운영자의 검토를 위해 또는 예측 유지관리를 위한 에지(Edge)장치 매핑으로 쉽게 전송할 수 있다. HART와 EtherNet/IP 장치, IO-Link와 EtherNet/IP 장치 간에 가능한 것보다 훨씬 더 나은 프로세스계장 자동화에서 EtherNet/IP를 광범위하게 사용하여 원활한 정보 공유를 통해 보다 효율적이고 상호연결된 인프라를 구축할 수 있다.
ODVA는 프로세스 자산 관리도구에 대한 통합을 간소화하기 위해 FDT, FDI 및 xDS를 포함한 차세대 디지털화 된 장치설명 파일로 EtherNet/IP의 생태계를 지속적으로 확장하고 있다. 장치 설명 노력의 최종 목표는 장치 정보에 대한 표준, 견고하고 상세한 설명을 제공하고, 안전한 장치 설명의 팩트를 구현시키고, 인더스트리4.0 및 산업용 IoT가 주도하는 미래를 준비하고 있다.
IEEE 이더넷 표준규정 준수는 사용자에게 네트워크 인터페이스 속도(예: 10, 100 Mbit/s, 1Gbit/s 이상, 구리, 섬유, 섬유 링 및 무선, 스타, 선형 및 링을 포함한 토폴로지)를 포함한 설치 옵션을 제공하고 있다.
또한, EtherNet/IP는 CIP 안전, CIP 보안 장치 방어, 병렬 중복 프로토콜(PRP) 및 장치 레벨 링(DLR)을 통해 기능적 안전성을 지원하고 있다. ODVA는 EtherNet/IP가 인더스트리4.0 및 산업용 IoT의 모든 요구사항을 충족 및 보장하기 위해 최선을 다하고 있다.
EtherNet/IP는 멀티벤더끼리 상호운용 가능하고 대단히 표준화되고 입증된 산업자동화 네트워크이다. 프로세스별 향상과 함께 EtherNet/IP는 네트워크 및 장치상태 모니터링, 보안 및 안전성과 원격 장치구성을 위한 프로세스계장 자동화기술 내에서 EtherNet/IP의 이점을 활용할 수가 있다.
최종 사용자를 위한 이더넷-APL의 가치
이더넷-APL은 프로세스계장 자동화에서 산업용 이더넷을 광범위하게 사용할 수 있는 문을 활짝 열어젖힐 것이다. 이제 프로세스 최종 사용자는 이더넷-APL을 장거리 계측제어 현장 장치, 본질 안전방폭성 및 응용계층의 산업 프로토콜 지원을 위한 단일표준 이더넷 물리계층으로 활용하여 기존 솔루션의 안전보안과 사용의 편이성을 유지하면서 생산을 최적화할 수 있다. 또한, 게이트웨이의 사용량이 대폭으로 줄어 경제적 이윤추구에 한몫을 유저에게 피드백 해 준다.
적합성 테스트 제품은 프로세스계장 플랜트의 현장 혁명에 이더넷의 시작을 가능하게 하기 위해 곧 출시될 예정이다. 이더넷-APL은 향상된 원격 시운전, 자산관리, 제어, 분석 및 진단/예후를 포함한 새로운 가능성을 제공하여, 이 새로운 기술의 채택을 촉진하는 데 도움을 준다. NAMUR 오픈 아키텍처(NOA)의 두 번째 채널을 활성화하는 것을 포함하여 프로세스계장 산업의 요구사항을 충족해야 한다는 점을 고려할 때 이더넷-APL이 프로세스계장 자동화의 미래라고 말하는 것은 전혀 과장된 말이 아니다.
결 론
이더넷-APL 표준이 완료되고, 제품이 진행 중이다. 프로세스계장 산업을 위한 2 와이어, 10Mbit/s 이더넷 기술 사양, 테스트 표준 및 2 와이어 이더넷 물리계층 구성 요소를 포함한 10가지 이더넷-APL의 이점을 확인하여 3년간의 작업 끝에 제공되는 위험한 프로세스계장 환경에서 고속통신 현장 계측기기의 배포를 가능하게 했다.
마크 T. 호스케에 의해 2021년 6월 15일 추진된 공정 제조 산업을 위한 2선, 본질 안전 방폭으로 안전한 물리계층인 10Mbit/s이더넷-APL 표준의 선도적인 표준 개발조직과 12개의 주요 프로세스계장 기기 공급업체 간의 3년여 간의 협력개발 후 현재 완료공정 시점에 도달했다. 2022년에 곧 완료마감 될 것이다. 이제 이더넷-APL 표준기술의 사양서, 테스트 표준 및 2 와이어 이더넷 물리계층 구성 요소가 사용되며 위험한 지역인 프로세스계장 자동화 환경에서 고속통신이 가능한 새로운 현장 계측기기의 배포가 시작될 것이다.
-----------------------------------------------------------------------------------------
INTERVIEW_Steve Fales 이더넷-APL기술위원
“이더넷-APL 향후 프로세스 자동화에 중요한 역할 할 것”
이더넷-APL 기술위원으로 활동하고 있는 Steve Fales(ODVA 마케팅 이사)와 이더넷-APL 관련 대화를 나눈 일문일답을 정리했다.
Q. Ethernet-APL이 가져올 글로벌 프로세스계장 시장의 예상 규모는 어느 정도나 되나.
A. 미국 유력 컨트롤 잡지에 의하면 설문조사에서 글로벌 독자의 40%는 향후 12~24개월 내에 이더넷-APL 기술을 학습·평가할 계획이며, 74.2%는 공급업체가 2024년까지 APL 호환 제품의 포괄적인 포트폴리오를 제공할 것으로 예상하고 있다.
공개적으로 사용 가능한 비용이나 기기 수 추정치는 알 수 없지만, 모든 주요 표준개발 조직과 모든 주요 프로세스 산업 파트너의 약속은 이더넷-APL이 향후 프로세스 자동화에 중요한 역할을 할 것이라는 분명한 증거로 보인다.
보수적인 프로세스계장 자동화 분야에서의 빠른 전환을 기대 할 수는 없지만, Ethernet-APL은 5년 이내에 프로세스계장 자동화 시장에서 상당한 부분을 차지게 될 것이며 10년 이내에는 대부분을 차지할 것으로 예상한다.
Q. 전 세계적으로 프로세스계장 시장이 얼마나 지속될 것으로 예상할 수 있나.
A. Ethernet-APL은 필드의 계측제어 장치가 이음새 없이 장거리 케이블 길이(1,000m)를 요구하며 상당히 분산되어 있거나 위험한 환경에 있는 사용 사례에서 현장 계장 장치의 데이터 가시성이 크게 향상된 이점을 활용하는 조직에 의해 제약회사 또는 식음료와 같은 하이브리드 산업 분야를 필두로하여 초기에 시작이 되겠지만 기존 프로세스계장산업의 기술자들, 업계에서 내부 파일럿 테스트 등을 통해 개념이 입증되면 채택될 가능성이 매우 높다.
프로세스 최종 사용자는 더 향상된 속도로 고급 분석, 고급 예측, 정밀 유지보수 및 향상된 운영관리를 지원하는 Ethernet-APL의 채택함으로써, 최대의 가치를 얻을 수 있게 된다. 장거리 케이블 길이와 고유의 안전방폭 기능으로 인해 이더넷이 표준 현장의 계장장치(솔루션)가 될 수 있다. 또한, 프로세스계장 회사는 이더넷-APL에 대해 +/- 20옴(Ohm) 허용오차로 100옴(Ohm)의 저항 표준을 충족하는 기존에 설치된 A형 필드버스 케이블을 재사용할 수 있다. 유형 A 필드버스 케이블을 잠재적으로 재사용할 수 있고 동일한 케이블에 전원과 통신(인터넷)을 모두 사용할 수 있으므로 새 케이블을 구동할 필요가 없기 때문에 상당한 케이블비용을 절감할 수 있다.
프로세스계장 장치 최종 사용자는 이제 이더넷-APL을 장거리 현장계장 장치, 고유안전 및 애플리케이션 계층의 산업 프로토콜 지원을 위한 단일 이더넷 물리적 계층(single Ethernet physical layer)으로 활용하여 이전 솔루션의 안전, 보안 및 사용상의 편의성을 유지하면서 생산을 최적화할 수 있다.
1970년대 이더넷이 발명된 이후 이더넷은 지리적으로 그리고 애플리케이션 전반에서 사용이 확대되었다. Ethernet을 대체할 수 있는 제품이 없는 동안에는 향후 Ethernet-APL이 프로세스계장 자동화를 위해 수십 년 동안 전 세계를 지배했던 통일 신호인 Analog(공기식 신호/전기식 신호)처럼 새로운 신호체계로 대체 될 때까지 장기간 사용될 것이다.
Q. 이더넷-APL이 국제표준이 되고 있으며, 글로벌 프로세스계장 분야에서 ODVA PI, FieldComm Group, OPC UA 등 4대 SDO 및 요꼬가와를 포함한 12개 협력 메이커 중 ODVA의 주된 역할은 무엇인가.
A. ODVA 부사장 Adrienne Meyer씨는 현재 APL 프로젝트 마케팅-워킹그룹의 회장이다. ODVA는 현재 APL 프로젝트의 멤버인 4개의 국제표준 개발조직[SDO] 중 하나이다. 표준 개발단체인 FieldComm Group, ODVA, OPC UA, PI(Profibus and Profinet International) 및 12개 주요 산업 프로세스계장산업 프로젝트 파트너(ABB, EMERSON, Endrss+Hauser, KROHNE, PEPPERL+FUCHS, PhoenixContact, Rockwell Automation, SAMSON, SIEMENS, STAHL, VEGA, YOKOGAWA)는 현장 계측을 위한 새로운 이더넷-APL 물리계층 솔루션을 만들기 위해 3년 동안 ‘APL 프로젝트’를 진행해왔다. 어느 한 표준개발기구나 산업프로젝트 파트너가 다른 데보다 더 중요하지 않고 4기관 모두 동등하다. 그러나 ODVA는 APL 프로젝트의 적극적인 참여자이며, ODVA 부사장 Adrienne Meyer씨가 현재 이더넷-APL 프로젝트 그룹의 실질적인 리더이다.
Q. Ethernet-APL 표준인증은 4개 기관이 공동으로 시행하고 있는가? 또는, ODVA가 인증 대표기관으로서 참여기관에 위임된 유일한 기관인가.
A. 각 표준개발 조직은 자사 네트워크를 위해 설계된 장치에 대해 적합성 테스트를 실시한다. 물리적 계층 테스트는 테스트를 제공하는 모든 조직에서 수행할 수 있으며 그 결과는 다른 표준개발 조직에서 인정한다.
Q. 테스트 프로그램, IEEE 및 이더넷-APL 관련 작업은.
A. FieldComm 그룹, PI, ODVA, OPC UA는 제품의 IEEE 작동과 소음 내성 및 기타 요건을 포함하여 제품의 이더넷-APL 특정 작동을 모두 확인하는 물리계층을 중심으로 시험프로그램을 구현한다. 이 항목들은 모두 적합성시험 규격 내에서 다루어진다.
Q. 모든 조직에서 공통 테스트 세트의 승인여부는.
A. 예를 들어, 회사가 Profinet을 위한 이더넷-APL 압력 전송기를 테스트하고 나서 동일한 물리계층에 HART-IP 버전을 만든다면, 회사는 HART-IP 기능만 테스트하면 될 것이다. 이더넷-APL 물리계층은 각 조직에서 공통적인 일련의 테스트를 받게 되며 이러한 테스트 결과는 각 조직에서 인식하게 된다.
