USN 기반의플랜트시설물관리
시스템연구동향

최근 USN 기술은 차세대 핵심 기술로 시범사업 수준의 테스트 환경을 벗어나 사회 전반적인 분야에 적용되고 있다. 여기서는 USN 기술을 기반으로 한 안정적인 플랜트 시설물 관리 및 구성 요소에 대해 살펴보고, ISA 100 기반의 WirelessHART, Honeywell, Apprion 등과 같은 새로운 무선 표준을 활용한 연구 사례를 소개한다.

유재학 한국전자통신연구원 USN기반기술연구팀 선임연구원

산업 IT 및 산업용 네트워크 관련 시장의 발표에 따르면, 다 양한분야에서그적용사례가증가하고있는USN(Ubiquitous Sensor Networks) 기술의경우, 자동차및우주항공분야와같 은 산업 분야보다는 광범위한 공장 라인과 시스템 설비를 갖추 고 있는 정유, 가스, 전력 등의 프로세스 설비 분야에서 산업용 무선통신기술의성장세가클것으로전망되고있다.
USN 기술은 유통과 물류, 환경과 생태계 감시, 재난방지, 홈 네트워크 및 헬스케어 등과 같은 다양한 분야에서 널리 활 용되고 있다. 특히, U-City의 홈 네트워크와 같은 USN 원격 관리 기술은 중요한 사회 기반 요소로 구축되고 있다. 또 최근 고도화된 USN 기술은 홈, 빌딩, 도시 관제 시스템뿐만 아니라 산업 현장의 설비 관리, 광범위한 공장 라인과 시스템 설비 및 자동화 제어에 활용하려는 시도가 활발해지고 있다.[1], [2]
그 대표적인 예로, 삼성전기는 2009년부터 지그비(Zigbee) 응용 솔루션을 자사의 LCD 반도체와 도금 라인 등 주요 플랜 트 시설 관리에 적용한 사례가 있다. 또한, 국내 플랜트 산업 은 원전, 항공, 방위산업과 함께 2010년 신기술 전략 부분으로 선정됐으며 건설사업 등의 수주액이 200억 달러에 달하는 등 큰 시장 규모를 보이고 있다.[3]

그러나 현재 USN의 주요 핵심 기술은 여전히 선진국에 크 게 의존하고 있으며, 광범위한 공장 라인과 시스템 설비를 포 함하고 있는 산업 현장에 그대로 적용하기에는 많은 한계점을 지니고 있다. 특히 플랜트 IT에 적용할 수 있는 제어 기술, 관 련 원천 기술과 신뢰성 및 상호 호환성 문제로 인해 플랜트의 핵심 공정 관리 및 제어에 현재의 USN 기술을 그대로 적용하 기란 어려운 실정이다. 따라서 보다 안정적이고 신뢰성이 보 장되는 플랜트 시설물 관리 운영을 위해서는 플랜트 시설물 관리자의 수동적인 운영 정보 수집이나 관리에서 벗어나, 실 시간 운영 정보 수집과 과학적 분석 결과를 기반으로 한 공정 관리 및 제어 기술이 절실히 요구되는 상황이다.

여기서는 기존 플랜트 시설물의 통신 표준인 HART(Highway Addressable Remote Transducer), SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)에 최신 무선 통신 기술을 추가하여 ISA 100 기반의 WirelessHART, Honeywell, Apprion 등과 같은 새로운 산업 환경 통신 표준을 살펴 본다.
이러한 산업 환경에 적합한 무선 통신 기술은, 기존의 접근 방식인 관리자의 수동적인 처리와 비실시간적 운영 정보 수집 에서 벗어나 운영 정보의 실시간 수집, 고신뢰성 보장, 고위험 플랜트 시설물의 안전사고 예방과 빠른 대응에 기여한다는 데 매우 큰 의미가 있다.
여기서는 플랜트 시설물에서의 주요 요구사항인 무선 통신 기술의 신뢰성 보장, 실시간 정보 수집, 안정성 보장의 필요성 에 대해 살펴보고 이러한 요구사항을 만족시킬 수 있는 USN 기반의 플랜트 시설물 관리 시스템에 대한 대표적인 연구 사 례를 소개한다.

플랜트 시설물에서의 요구 및 고려 사항

플랜트 시설물 건설 당시, 실시간 모니터링 및 자동화된 제 어의 필요성을 크게 인식하지 못했거나 기술 적용의 어려움으 로 아날로그 방식 제어 시스템이 설치됐는데, 이 시스템들은 2009 전자산업 분야별 결산 및 전망 USN 기반의플랜트시설물관리 시스템연구동향 특집 유재학 한국전자통신연구원 USN기반기술연구팀 선임연구원 안전하고 편리한 삶을 제공하는 USN 기술 최근 USN 기술은 차세대 핵심 기술로 시범사업 수준의 테스트 환경을 벗어나 사회 전반적인 분야에 적용되고 있다. 여기서는 USN 기술을 기반으로 한 안정적인 플랜트 시설물 관리 및 구성 요소에 대해 살펴보고, ISA 100 기반의 WirelessHART, Honeywell, Apprion 등과 같은 새로운 무선 표준을 활용한 연구 사례를 소개한다. 월간 전자기술 2011₩11 7 이미 15∼20년이나 되어 노후 및 부식됐으며 이로 인해 시간 이 지남에 따라 위험한 상황이 발생할 수 있다. 현재 정유 시설이나 에너지 관련 고위험 시설물의 경우, 안 전성과 신뢰성을 보장하기 위해 관리자 또는 직원들이 수작업 으로 업무를 수행하고 있는 실정이다. 이와 같이 광범위한 플 랜트 시설물 및 장비가 노후되거나 부식됨에 따라 새로운 프 로세스 도입이 절실히 요구되고 있다.

 기존에 설치된 여분의 배선과 케이블 트레이 공간 소진, 케 이블 굴착 및 부설 작업은 비용이 많이 들고 기존의 시설을 손 상시킬 위험이 있다. 따라서 현재까지의 솔루션이 아닌 무선 솔루션을 도입하는 것은 새로운 케이블과 트레이 설치가 필요 치 않으며 기존 시설물의 손상 위험도 줄일 수 있는 방안으로 대두되고 있다. 무선 솔루션은 압력, 온도, 유량, 진동, 밸브 포 지션 피드백, 전도율 등의 측정 결과를 실시간으로 얻을 수 있 어 보다 안정적인 플랜트 시설물의 관리 및 신뢰성을 보장할 수 있는 새로운 대안으로 부상하고 있다.

 결과적으로, 플랜트 시설물에서 관리 및 운영 비용을 줄이 고 설치 편의성과 신뢰성 높은 데이터 통신을 통해 플랜트 시 설물을 안전하게 운용할 수 있는 산업용 맞춤 무선 통신 기술 이 요구되고 있는 것이다. 산업 현장에서의 무선 센싱 기술은, 실시간으로 시설 상태 를 관리하고 환경을 고려하기 어려운 기존의 위험 시설물 관 리 방식의 단점을 극복함으로써 능동적인 위험 시설물 관리와 다양한 산업 현장의 환경을 고려할 수 있다는 장점을 갖게 된다.

 그러나 지금까지의 산업 제어 기술들은 신 뢰성과 안정성, 상호 호환성 문제 때문에 플랜 트의 핵심 공정 관리 제어에 직접 적용하기 어 려운 실정이었다. 또한, 국내 산업 현장에서 적 용되는 USN 기술은 ISA 100 기반의 국제 산 업용 무선 통신 표준안을 따르고 있지 않으므 로, 향후 세계 시장으로 진출하는 데 많은 어려 움이 있을 것이라고 예상된다. 따라서 산업 현 장 설비에서 관리, 운용 비용을 줄이고 신뢰성 이 더 높은 데이터 통신으로 안전한 플랜트 시 설물을 운용할 수 있도록 산업용 맞춤 고신뢰 성 무선 표준 기술 솔루션이 요구되고 있다.

 이러한 플랜트 시설물에서, 무선 통신 기술 은 산업 설비 분야의 주요 요구 사항인 무선 통신의 신뢰성 보 장을 위해, 패킷당 주파수 호핑(Frequency Hopping)을 사용 하거나 노드간 통신에서 TDMA(Time Division Multiple Access) 또는 멀티 큐(Multi Queue) 방식 등을 도입하는 것에 대해 고려해야 한다. 또한 고위험 시설물은 사고 및 안전과 직 결된 긴급 센싱 데이터의 발생 빈도가 높으므로 신뢰성이 보 장되는 풀-메시 네트워크(Full Mesh Network) 토폴로지로 설계해야 하며, 중앙 제어 시설 또는 모니터링을 위한 실시간 센싱 데이터나 비실시간적 특성을 갖고 있는 주기적 보고 센 싱 데이터는 스타(Star) 또는 스타-메시(Star-Mesh) 토폴로 지로 망을 설계하는 것이 바람직해 보인다(그림 1).

 플랜트 시설물의 위험도에 따라 토폴로지를 구성하기 위해 서는, 무선 통신망을 포함한 서로 다른 무선 필드 네트워크 디 바이스 사이의 상호 운영성 및 수명 확장성을 보장하기 위해 IP 패킷 트래픽 제어 기술 도입이 선행돼야 하며, 서비스의 품 질과 보안성 및 QoS를 보장하기 위해 다수의 센싱 데이터 유 형들 사이의 우선 순위를 정의해야 한다.

 먼저, 그림 1과 같이 IP 패킷 트래픽 제어 서비스의 우선 순위 정책에 기반을 둔 긴급 또는 중요 메시지는 메시 토폴로지로 구 성하여 메시지의 손실을 최소화함으로써 신뢰성을 최대한 보장 하도록 설계한다. 그리고, 메시지가 손실되더라도 시스템 운영 에큰영향을미치지않는순위가낮은트래픽제어서비스메시 지는 스타 또는 스타-메시 토폴로지로 망을 구성한다. 다음으로, 메시지 ID를 3개 등급(긴급, 실시간, 비실시간)으로 분류하 여IP 패킷트래픽을제어함으로써시스템을운영하도록한다. 그림 2는 TCP/UDP 통신 링크로 전송되는 센싱 데이터에 서 메시지 전송 우선 순위의 등급별 분류 기준이 되는 메시지 ID 필드의 구조를 나타낸 것이다.



USN 기반 플랜트 시설물 관리 시스템의 기술 동향

USN 기술은 모든 사물에 컴퓨팅 능력과 통신 기능을 부여 하여 환경과 상황을 자동으로 인지하도록 함으로써 사용자 또 는 시스템 관리자에게 최적의 서비스를 제공할 수 있도록 하 는 기술이다. 즉 일상 생활에서 사용되는 가전기기, 사무용품, 다양한 산업 시설물 등에 컴퓨팅 능력이 있는 센서들을 장착 하고 이 센서들이 주변의 온도, 습도, 배관 압력 등의 환경 정 보를 인식하여 사용자 또는 시스템 관리자에게 필요한 서비스 를 제공하도록 하는 것이다.[4]

일반적으로 USN은 센서 노드(Sensor Node), 싱크 노드 (Sink Node), 게이트웨이(Gageway)로 구성되어 있다. 센서 노드는 센서를 통해 인간의 오감(시각, 청각, 촉각, 후각, 미각) 을 대신하여 물리계 또는 환경계의 현상을 정량적으로 측정하 고, 측정된 값을 가공 및 데이터화하여 싱크 노드에 전송한다. 즉, 센서 노드는 서비스의 요구에 따라 또는 이미 설정한 조건 의 이벤트 발생에 따라 센싱된 정보를 싱크 노드로 전달한다. 이렇게 여러 센서에서 데이터를 수집한 싱크 노드는 수집한 데이터를 게이트웨이로 원격지에 위치한 서버나 사용자에게 전달하여 데이터를 활용할 수 있도록 한다.

그림 3은 USN을 구성하는 센서 노드, 싱크 노드, 게이트웨 이의 동작 구조를 나타낸 것이다. 센서 노드가 데이터를 수집 하는 동작 단계에 대해 살펴보면, 센서를 통해 외부 환경 데이 터를 측정하고 측정된 데이터를 싱크 노드까지 전달하기 위한 멀티 홉(Multi-hop) 경로를 탐색한다.

일반적으로 센서 노드는 낮은 출력의 무선전송 능력을 갖 고 있으므로, 원거리에 위치한 센서 노드는 싱크 노드에 데이 터를 직접 전달할 수 없다. 따라서 센서 노드와 싱크 노드 사 이에 위치한 다른 센서 노드들이 이들 두 노드 사이의 데이터 를 대신 전달해 주어야 한다. 그 후 싱크 노드와 게이트웨이를 통해 센서 네트워크에서 수집된 정보들이 최종 목적지에 전 달된다.

대표적인 USN 기술 보유 국가들은 각종 제조 공장 및 플랜 트 설비 관리에서부터 SCADA 시스템, 선박 및 해양 설비, 도 로 관리 등에 이르기까지 다양한 산업 현장에서 무선 네트워 크 기술을 적용하고 있다. 그러나, 여전히 산업용 무선 네트워 크 기술은 시험적으로 적용하는 단계이며, 특히 에너지 플랜 트와 같은 고위험 시설물의 경우에는 보다 표준화된 스펙과 국제 공인 기관을 통한 제품 인증이 요구되고 있다.

따라서 다음에는 산업용 무선 네트워크 기술의 보다 표준화 된 스펙에 대해 알아보고, 세계 시장으로의 진출을 염두에 둔 국외 무선 네트워크 기술 동향에 대해서도 살펴본다.

1. WirelessHART[5] 
HART 커뮤니케이션 파운데이션은 플랜트 시설물 공정 관 리 및 제어에 필수적으로 요구되는 사항들에 부합하도록 설계 된 WirelessHART 무선 통신 기술을 제안했으며, 실제 산업 플랜트 애플리케이션에 적용할 수 있도록 설계했다. WirelessHART는 사용자에게 프로세스 파라미터에 대한 정보를 쉽게 얻을 수 있는 기능을 제공할 뿐만 아니라, 이전 플랜트 산업 현장의 기술적인 문제와 비용 효율성 문제를 해 결하는 방안으로 플랜트 시설물의 중요 자산들을 쉽게 모니터 링할 수 있는 기능도 제공한다.

그리고 HART 프로토콜에 역방 향 호환을 확장한 WirelessHART 는 관리자 또는 사용자의 편의성 을 고려한 다양한 디바이스 또는 센서, 도구, 시스템의 유연한 유지 보수와 신뢰성(Reliability) 있는 데이터 전송, 데이터 인증과 암호 화를 통한 안전한 전송(Security),무선 센서 및 디바이스의 효율적인 전력 관리(Effective Power Management)를 지원할 수 있 는 장점도 추가적으로 갖고 있다.

WirelessHART 트랜스미터는 와이파이(WiFi)와 동일한 공 간에서 공통으로 사용할 수 있는 IEEE 802.15.4 표준을 따르 고 있으며, 유선 HART 디바이스에 사용되는 IEC 61158 애플 리케이션 계층이 가장 위에서 사용되므로 기존의 설비 관리 소프트웨어와 쉽게 통합 및 운영할 수 있다. WirelessHART 의 주요 특징은 다음과 같다.

 ·기존의 유선 솔루션 설치 및 운용 비용의 효율성, 애플리 케이션을 위한 제어 및 설비 확장 용이성

 ·고위험 시설물 또는 중요 자산의 실시간 성능 모니터링 가능

 ·네트워크의 완성도 보장과 요구되는 산업 애플리케이션 의 적절한 무선 데이터 전송, 인증 및 암호화를 통한 안전 한 보안성 지원

 ·무선 디바이스나 센서 장치의 효율적인 에너지 소비를 보 장할 수 있도록 설계

2. Apprion[6] 

Apprion은 ION 시스템을 기반으로 하는 무선 산업용 응용 네트워크시스템을개발했으며, 개방및통합형무선멀티벤더 무선 디바이스와 응용 프로그램을 지 원하고있다. ION 시스템은다음과같 이 제조 및 산업용 무선 응용 네트워 크에 핵심적인 애플리케이션들을 포함하고있다.

·자산 트래킹 (Asset Tracking)
·통신 (Communications)
·환경 모니터링(Condition Monitoring)
·노동자 이동성(Workforce Mobility)
·비디오 (Video)

3. Honeywell 

산업용 무선 통신 솔루션을 제공하 는 Honeywell은 센서 네트워크와 와 이파이 기반의 산업용 통합 무선 솔루 션인Honeywell OneWireless Solution을개발했다. Honeywell 의 OneWireless는 통합망 구조의 네트워크로, 관리의 편의성과 효율성을 극대화한 단일 무선망 네트워크를 제공함으로써 다양 한산업용표준프로토콜과애플리케이션을동시에지원한다. OneWireless는 플랜트의 신뢰성과 생산성을 최적화하고, 안전성과 보안성을 향상하여 다양한 산업 플랜트 시설물에서 요구사항을 만족시켜 주는 솔루션이다. 그림 4는 Honeywell 에서 개발한 OneWireless Solution의 적용 및 운용 방안을 나 타낸 것이다.

OneWireless 네트워크는 하나의 플랫폼으로 다양한 필드 의 프로토콜과 애플리케이션을 동시에 지원하며, 관리가 편하 고 스펙트럼 및 전원을 효율적으로 사용할 수 있다는 특징을 갖고 있다. 이와 같은 기술적인 특징을 통해 서비스 사용자는 다음과 같은 장점을 추가적으로 활용할 수 있다.

·최소 비용으로 플랜트 시설물의 통합된 무선 인프라 구축 가능
·기존의 다양한 산업용 프로토콜(HART, OPC, Modbus등)을 동시에 지원
·높은 수준의 보안 기술과 신뢰성 있는 메시 시스템 제공
·시스템의 확장성이 크고 변경이 용이한 산업용 무선 네트워크 시스템 제공

 

4. Yokogawa Corporation 

Yokogawa Corp.은 프로세스 제어용 무선 통신 규격인 ISA 100.11a 승인을 계기로 국제 표준화 및 보급을 추진 중이 다. 플랜트 공정 자동화 분야에서 현재 복수로 존재하는 무선 통신 방식을 표준화하는 것으로 필드 네트워크 무선화 채택을 진행시키고 있다.

5. Nivis. Inc[9] 

Nivis. Inc.는 다양한 무선 센서 모듈로 산업용 시설물의 상 태 정보를 수집하고 이러한 정보를 기반으로 예외적인 증상과 점진적으로 변화하는 센싱 데이터들을 분석하여 진단함으로 써 플랜트 시설물의 사고 예측 및 위험성 분석 기술을 지원하 고 있다. 특히, 네트워크 확장성과 보안성을 보장할 뿐만 아니 라 무선 산업용 애플리케이션의 신뢰성을 향상시킨 ISA 100.11a 기반의 NISA 100.11a 시스템을 개발하여 무선 통신 기반의 산업 모니터링 및 제어 기술을 보장한다. 이러한 NISA 100.11a 시스템은 다음과 같은 구성 요소를 포함하고 있다.

·필드 디바이스
·백본 라우터 (Backbone Router)
·게이트웨이
·시스템및보안모듈


지금까지차세대핵심기술인USN 기술을기반으로하여 광범위한 공장 라인과 시스템 설비를 갖추고 있는 정유, 가스, 전력 등의 플랜트 시설물 관리 시스템 및 무선 통신 기술 연구 사례에 대해 소개했다. 또 한국제산업용무선통신표준안인ISA100 기반의 WirelessHART, Honeywell, Apprion 등과 같은 통신 표준에 대해서도 살펴보았다. 그리고 고위험 수준에 따른 위 험도 분석을 통해 차등화된 신뢰성을 보장 할 수 있는 네트워크 토폴로지 설계 방안과 디바이스간 상호 운영성 및 수명 확장성을 보장하기 위한 IP 패킷 트래픽 제어 기술의 필요성도검토했다.

결과적으로, 여기서는 플랜트 시설물의 전반적인 관리 및 운영 비용을 줄이고 설치 및 확장의 편의성, 신뢰성과 보안성을 만족 시키는 데이터 통신을 통해 안전한 플랜트 운용이 가능하도록 하는산업형맞춤고신뢰성무선통신기술에대해알아보았다.
이제는 원전 및 플랜트 등의 Homeland Security가 중요한 시점이므로 이에 대한 미국 정부의 정책과 표준화 동향을 신 속히 파악하고, 앞으로 플랜트 시설물에서 위험 정도에 따라 센싱, 통신, 관제 시스템이 하나로 통합될 수 있는 프레임워크 를 개발하여 다양한 플랜트 현장에 시범 적용함으로써 기술을 보완해 나가야 할 것이다




참고문헌
[1] Talevski A., Carlsen S., Petersen S., “Research challenges in applying intelligent wireless sensors in the oil, gas and resources industries,”7th IEEE International Conference on Industrial Informatics(INDIN), pp. 464-469, 2009.
[2] 아이씨엔, http://www.icnweb.co.kr
[3] 2010년 전략산업 R&D 사업, http://mke.go.kr
[4] 표철식, 박상준, 김기일, 김동균, 이문규, 김관중, 김선진, 서정해, “훤히 보이는 RFID/USN”, 전자신문사, 2008.
[5] HART Communication Protocol and Foundation, http://www.hartcomm.org/index.html
[6] Apprion, http://www.apprion.com
[7] Honeywell, http://www.honeywell.co.kr
[8] Yokogawa Corporation, http://www.yokogawa.com
[9] Nivis Co. Ltd., http://www.nivis.com