지난 호에는 이더넷-APL의 이해에 대해서 개략적으로 살펴봤다. 이더넷-APL 시스템은 배선이 대부분 이더넷 선으로 1,000m까지 연장되므로 PROCESS 계장 보수 유지비가 대폭 줄어드는 효과가 있고, PROCESS 계장 배선의 축소는 상대적으로 공장의 부지비가 줄어듦으로써 공장 건축비의 축소로 이어진다고 설명했다. 또한 이더넷-APL은 배선이 간단하고 강력한 2-와이어 기술의 이점과 이더넷(인터넷)의 장점을 결합하여 프로세스 플랜트 분야에서 최고의 성능과 원활한 데이터 액세스를 제공한다는 점도 밝혔다. 지난 호에 이어 이번 글에서는 이더넷의 요구 조건에 대해서 살펴본다.

 

10BASE-T1L을 이더넷-APL의 주력 망으로 채택한 이유는?

 

4차 산업혁명과 스마트 팩토리 보급 확산으로 공장 자동화를 넘어선 공장 자율화를 실현하려는 노력이 이어지고 있다. 또한 코로나19 팬데믹이 장기화됨에 따라 세계적으로 비대면 기조가 강화 되여 원격 솔루션을 도입하려는 기업들이 늘고 있는 추세다.

 

자율 시스템과 원격 솔루션을 제대로 운영하기 위해서는 대량의 인터넷 데이터를 신뢰성 있게 전달하는 통신 인프라 구축이 필수다. 최근 5G를 필두로 하는 무선통신 솔루션이 한국에서 꽃을 피우고 있으나, 아직은 신뢰성 측면에서 좋은 평가를 받고 있는 유선통신 솔루션이 산업 현장에서는 더 많이 사용되고 있다.

 

이더넷-APL의 채택이 바로 그중 하나이다. 세계 4대 SDO와 12개의 유수한 PROCESS 계장 메이커가 주축이 된 이더넷-APL 공동 개발팀이 자연스레 조성이 된 이유이다. 그런데 여기에 사용되는 10BASE-T1L이 중요한 도구가 된다.

 

여기서 잠깐 이더넷의 역사를 살펴보면 그림 1에 요약된 바와 같다. 10BASE-T1L이 여기에서 비롯되었기 때문이다. 10BASE-T1L에 대하여 조금 더 설명하려고 한다. 이더넷(인터넷 프로토콜)은 처음에 상대적으로 짧은 통신 거리(200m) 탓에 공장에서는 기피하고 사무실에서만 사용되고 있었다. 2019년 미국의 국제전기전자연구소 IEEE가 10BASE-T1L 이더넷 PHY(물리배선) 표준규격으로 승인발표를 했다.

 

 

이 통신망의 장점은 기존에 많이 보급된 필드버스 통신선과 크게 다르지 않아 그대로 함께 사용이 가능하다는 이점이 있으며 전송속도가 매우 빠르다(기존 HART 프로토콜의 1000배 속도). 기존 필드버스(단거리)와 달리 현장과는 장거리(최대1,000m 길이) 통신선으로 연결되도록 개발, 물리계층에 기반을 갖고 있는 이더넷-APL 운용은 최적의 통신망이라 할 수 있다.

 

이 PHY(10BASE-T1L) 물리배선은 상호 운용성과 편의성을 가지고 있으며, 사용상 업그레이드도 가능한 장점이 있고, 특히 현장과 CCR룸과의 높은 데이터 전송속도를 보유한 OSI 7 Layer에서 물리계층에 있는 이더넷 PHY(10BASE-T1L 배선) 물리배선이다.

 

본 통신망은 SPE(Single Pair Ethernet/단일 쌍 이더넷) 동축케이블로 차폐를 한 트위스티드 연선이며, 2와이어로 되어 있다. 10BASE-T1L은 10Mbps 전용라인이다. 10BASE-T1L은 PROCESS 계장시스템의 원활한 엣지-클라우드(Edge-Cloud) 연결이 가능하며 고급 데이터 분석 또한 가능하다. 매번 프로토콜의 변환을 요구하는 게이트웨이가 이제는 아예 필요가 없게 되었다. 게이트웨이를 쓰던 기존 방식에서 게이트웨이가 애당초 필요가 없는 이더넷을 사용하기 때문이다. 게이트웨이 가격, 시공비 유지보수비가 모두 제거되어 쓸데없는 자재비/전력비 소모가 제로(0)가 되는 시스템이다.

 

뿐만 아니라 10BASE-T1L의 이더넷 PHY 물리표준은 간단한 설치, 운전 중 장치의 교체, 빠른 네트워크 중에 시운전(커미셔닝)이 가능하고 계장공사 시 케이블 포설비가 기존 구리선에 비해 매우 절약되며 결과적으로 이것을 선택하여 건설하는 공장주에게는 건설 공기가 짧아지고 건설비가 대폭 줄어드니 양수 겹장의 장점을 갖고 있다. 그뿐만 아니라 사고 발생 시 원인 규명이 쉽다.

 

Zone 0 영역에는 센서나 유량, 레벨, 압력 및 온도 액추에이터가 위험지역에 설치된다. 공정 자동화에서 센서와 액추에이터는 컨트롤러와는 장거리에 서로 떨어져 있다. 센서의 I/O 와 CCR과의 거리가 최대 1,000m이므로 거리 때문에 문제가 되는 일은 전혀 없다. 10BASE T1L은 최대 200m까지밖에 지원하지 못했던 기존의 사무용 이더넷 물리표준과는 현저히 다르게, Zone 0 애플리케이션에 사용하기에 매우 적합한 필드 장치를 최대 1,000m 거리 밖에서 제어할 수 있는 최적의 솔루션이다. 적은 전력으로 구동하는 ADIN1100은 6×6 40핀 LFCSP타입 소형 패키지로 제공되며, 동작 온도범위는 –40~+105°C까지 가능하므로 어떤 외부환경에도 견딜 수 있도록 만들었다.

 

 

표 2는 공장의 공기식 신호(전기 식+필드버스)와 이더넷 통신의 비교표이다. 여기서 과거를 좌측의 공기식 신호(전기 식+필드버스)로 표기 했고, 현재 또는 미래를 이더넷(Ethernet)표기로 양분 했다. 그리고 세부 사항으로는 기술/매개체/계측/현장에서 데이터 액세스/원격 데이터 액세스 등, 5개 항목을 비교한 도표이다. 여기서 공기식 신호의 매체는 공기(0.2~1.0Kg/Cm2)이고, 전기식 신호의 매체는 아날로그 값이며 4~20mA의 전기 신호다. 기타 기술로는 4~20mA+HART와 필드버스이다. 이 낡은 과거 기술을 청산하고, 현재 또는 미래기술로 이더넷을 선택 한 것이 이 도표의 의미이다.

 

현장에서 데이터를 액세스하는 것과 원격 데이터 액세스 항목의 4~20 mA+HART에서는 게이트웨이가 반드시 필요하다. 게이트웨이가 필요한 기존의 아날로그 PROCESS 계장 시스템에는 게이트웨이 비용이 쓸데없이 많이 들어간다. 그러나 우측의 10BASE-T1L의 이더넷 PHY 물리배선을 사용하는 이더넷 통신은 한마디로 게이트웨이 자체가 원래 없다. 그러므로 게이트웨이 비용이 상당히 절약된다. 또 측정 밸류는 필드버스와 마찬가지로 N개(무수히 많은 값)가 측정된다. 리모트 액세스는 무수한 데이터를 통합하는 수준으로 액세스가 가능하다는 예기다.

 

APL 프로젝트에 따른 이더넷-APL 기술개발 협정은 2018년에 체결됐으며 국제적으로 업계의 선도적인 표준개발 조직과 관련 기업들이 적극 후원을 하고 있다. 표준개발기구(SDO)로는 Field Comm그룹, ODVA, OPC Foundation 및 PI(PROFIUS & PROINET International) 등 4개로 구성되어 있고 ABB, Emerson을 비롯한 주요 산업 프로세스계장메이커 및 자동화 공급업체인 Endress+Hauser, Krohne, Pepperl+Fuchs, Phoenix Contact, R. Stahl, Rockwell Automation, Samson, Siemens, Vega, Yokogawa 등 12개 메이커가 이 사업에 적극 동참하고 있다.

 

4 SDO 및 12 주요 공급업체가 협력하게 된 주된 목적은 프로세스계장 오토메이션 요건에 적합한 단일표준으로써 이더넷 고급물리계층(이더넷-APL)을 채택하였다. 이 목적을 달성하기 위해 프로젝트 멤버의 대표는 그간 테크놀로지의 기반이 되는 IEEE 및 IEC 규격의 강화에 힘써 왔다. 또한 PROCESS 계장 산업 특유의 사양에 적합화하기 위한 전원의 종류나 접속규약 등을 기록한 사양서인 포트-프로파일 개발에 대한 협력과 각 SDO의 관련 통신규격 및 가이드라인 문서를 작성하는 실질적인 워킹그룹회의 참가도 그간 수시로 실시해 왔다.

 

이와 관련된 모든 규격 및 공동사양을 백서로서 최종화함으로써 사용자 및 벤더가 이 기술에 실질적으로 쉽게 접근 할 수 있도록 빠르게 만들어 공개 발표했다. 프로세스 오토메이션에 속하는 주요 공급업체와 주요 SDO의 협력과 더불어 폭넓게 사용되고 있는 기존 규격을 그 기반으로 하고 있으므로 이더넷-APL 단일표준은 전 세계 시장에 강력한 영향력을 미칠 것이다.

 

PROCESS 계장산업 아날로그에서 디지털로

 

이더넷은 이미 IEEE 802.3으로 규격화된 유선 디지털 통신 표준으로서 폭넓게 벤더들에게 받아들여지고 있다. 산업 분야와 가정 등의 용도를 불문하고 폭넓게 채용되어 설치와 트러블 슈팅, 진단 등에 사용하는 에코 시스템으로써 표준도구로 널리 이용하고 있다.

 

APL은 10BASE-T1L 및 확장 기능을 사용하여 까다로운 작동조건 및 공정 플랜트의 위험지역(Hazardous Area)내에 설치하기 위한 견고한 2선 루프전원을 갖는 이더넷 물리계층이다. 프로세스 산업이 OT(Operation Technology)와 IT(Information Technology)시스템의 수렴을 통해 이익을 얻을 수 있는 방식으로 현장의 계장장치를 이더넷 기반 시스템에 직접 연결한다.

 

인터넷 통신에서 주로 쓰는 스위치 아키텍처를 사용하여 동일한 네트워크에 연결된 장치들 간 원치 않는 간섭을 원천적으로 제거할 수가 있다. 여기에는 입증된 트렁크 앤 스퍼 토폴로지(Trunk-and-spur topology)가 포함되어 있으며 각각 최대 500mW로 최대 50개의 필드장치에 전원을 공급할 수 있다. 향후 이더넷 연결의 이전(Migration)을 지원하기 위해 이미 기술이 확립된 케이블 인프라가 지정될 예정이다. 이것의 달성은 SPE(Single Pair Ethernet)가 담당하며 사양의 주요 기능은 표 2를 참조 바란다.

 

 

이더넷의 요구조건

 

오늘날 이더넷 물리계층은 PROCESS 계장 플랜트의 가혹한 환경 조건에서 발생하는 특유의 요구에 발 빠른 대응을 못하고 있다. 다만, 이더넷 물리계층은 프로세스 플랜트에 적합한 것으로 판명되었기에 다음 조건을 만족해야만 한다.

 

• 2가닥 선의 단일 케이블로만 구성해야 한다.

• 장거리 전송이 가능해야 한다(1,000m).

• 전원선과 통신선의 동축 케이블화가 이루어져야 한다.

• 본질안전 방폭(Intrinsic Safety Explosion Proof)을 포함한 모든 방폭 기술이 기본적으로 지원되어야 한다.

• 단순화된 설치 기술이어야만 한다.

• 기존 필드버스 케이블(유형 “A”)의 재사용으로 인한 비용절감 및 간편한 Ethernet-APL로의 이전(Migration)비용을 절감하고 필드버스에서 Ethernet-APL로 쉽게 이행이 가능토록 기존 필드버스 케이블 형 “A”의 잠재적인 재사용이 가능해야 한다(기존 필드버스와 호환 됨). 필드버스와 호환성이 있다는 것은 기존의 설비를 그대로 사용할 수 있다는 의미이다. 특히 필드버스는 대부분 기존 것을 그대로 사용 가능하다.

• 전자기 간섭에 대한 복원력이 있어야 한다.

• 서지보호 지원 기능이 있어야 할 것 등이다.

 

이더넷-APL은 그림 2와 같이 10BASET1L 기반의 단일 쌍 이더넷(SPE/Single Pair Ethernet)을 위한 향상된 물리계층이다. 또 이더넷 배선 기술 사양을 만족해야 하고 그림 2에 있는 조건(1,000m/방폭/직류/10Mbit/s)에도 부합해야 한다. 10Mbps에서 최대 1,000m 길이의 장거리 케이블로 통신을 하는데, 이는 HART나 필드버스 같은 기존 기술보다 300배 이상 속도가 빠른 전 이중(풀-듀플렉스(full-duplex))방식이다.

 

 

이더넷-APL은 이더넷에 대한 논리적인 확장이며 프로세스 플랜트 분야에서 신뢰할 수 있는 작동에 필요한 속성을 제공한다. 이더넷-APL은 EtherNet/IP, HART-IP, OPC-UA, PROFIINET 또는 기타 상위 수준의 프로토콜을 지원할 수 있는 물리계층이다.

 

안정화

 

이더넷-APL 통신망은 앞서 말한 IEEE 규격 802.3cg-2019에 정의된 10BASE-T1L(그림 3)이며, 이는 빌딩 및 산업 자동화 분야의 많은 시장 부문에서도 서비스를 제공하는 공급업체들에 의해 채택되는 경향의 규격이다.

 

 

이더넷-APL은 반도체 제조업체가 칩을 대량으로 공급하여 기존 장치나 PROCESS 계장 기기에 통합될 수 있도록 장기적이고도 안정적인 기술로 플랫폼에 기여 할 수 있도록 지원하고 장거리 케이블 길이를 초과하는 지역의 폭발 위험 영역의 보호를 위해 기본으로 만든 것이다. 추가 전기 기능은 IEC 표준을 다음과 같이 각각 따르고 있다.

 

(1) 2-WISE는 2-Wire Intelligently Safe Ethernet을 나타내는 약어. 이 IEC 기술 규격, IEC TS 60079-47(2-WISE)은 모든 위험구역 및 중분류에서 고유한 안전보호를 정의한다.

(2) ‘APL 프로젝트’는 폭발 위험영역 보호를 포함하거나 포함하지 않는 여러 전원레벨에 대한 포트 프로파일을 정의하여 이더넷-APL의 개념을 만든다. 장치 및 계측기기의 표시는 전원레벨 및 소싱 또는 싱킹(sourcing or sinking)기능을 나타낸다. 이를 통해 운영 및 유지보수에 이르는 상호운용성(interoperability)을 위한 간단한 프레임워크를 제공한다.

(3) 이더넷-APL은 와이어가 나사형 또는 스프링 클램프(screw-type or spring-clamp) 단자에 연결되도록 해줌으로, 와이어를 통한 케이블을 기본적으로 지원한다. 또한 잘 정의된 커터 기술은 설치작업 중에 단순성을 보장해 준다.

 

 

포트의 분류표시 및 두 가지 유형의 스위치 작동

 

• P = 전원(Powered, power source/ • L = 로드전원 드레인(Load, power drain)/ • C = 캐스케이드, 데이지 체인 구성용(Cascade, for daisy chain configurations)/ • U = 전원이 공급되지 않음(Unpowered)

 

(1) 전원 스위치는 하나 이상의 트렁크포트에 전원 및 통신을 공급한다. 이것은 일반적으로 외부로부터 전원이 공급됨을 뜻한다.

(2) 필드 스위치는 스퍼에 연결할 수 있는 포트를 하나 이상 제공한다. 이것은 이더넷-APL 트렁크를 통해 저 전력전원을 공급하거나 외부에서 전원을 공급할 수 있음을 말한다.

 

확장성 및 이중화

 

관리형 스위칭 네트워크 구조의 최대 60W의 전력예산 및 10Mbps의 데이터 트래픽은 이더넷-APL 수와 관련하여 탁월한 확장성을 제공한다. 연결할 수 있는 스위치와 계측 기기로 구성한다. 이더넷-APL은 상위레벨의 ISO-OSI 모델에서 기능을 전송하고 활성화한다. 이러한 상위 수준 함수 사용자가 일반적으로 이더넷 기반 통신에서 기대하는 네트워크 자체의 단순성, 편리성 및 자동화에 대한 일반적인 요구사항을 충족시킨다. 여기에는 다음 사항이 포함된다.

 

(1) 스위치에서 간단한 장치 교환을 위한 수단을 제공하는 자동인접 탐지.

(2) 병렬로 실행할 수 있는 여러 통신경로 사용자는 프로세스 자동화 통신을 방해하지 않고 동시에 자산관리 및 대시보드(dashboards=운전석과 조수석 정면의 각종 계기들이 달린 부분 또는 웹의 정보 관리 인터페이스로 자동차 용어이지만 현재는 제어 모니터상 사용자 인터페이스인 UI를 지칭)를 위한 현장 계측기에 완벽하게 액세스할 수 있다.

(3) 이더넷-APL 트렁크 세그먼트(어떤 프로그램이 너무 커서 한 번에 주 기억 장치에 올릴 수 없어, 갈아 넣기 기법을 사용하여 쪼개었을 때 나뉜 각 부분을 가리키는 용어)가 탁월한 발전소의 가용성으로 인해 실패할 경우 네트워크 계층에서 통신을 재 라우팅(re-routing)하는 링 중복성 또는 복원력을 가진다.

 

이더넷-APL은 프로세스 공장에 적합한 이더넷을 위한 매우 견고한 단일 버전을 제공한다. 현장에서 디지털 통신을 통해 모든 측면을 처리하는 데 최상의 단순성을 제공할 수가 있다.

 

설치 및 취급

 

이더넷-APL을 위해 표준화된 모든 연결과 선택은 사실상 사용 중인 것으로 입증되었고, 이미 잘 알려져 왔다.

 

• 스프링식-클램프 단자대(Spring-clamp terminals)

• 나사형 단자대(Screw-type terminals)

• M8 및 M12 접속(M8 and M12 connector)

 

차폐(shielding)성이 있는 간단한 2-와이어 케이블은 연결을 보장하기 위한 드라이버와 자동설치의 나머지 부분에 물리적 연결을 위한 관련 와이어 준비도구가 필요하다. 이더넷-APL은 필드버스 케이블 유형 A(100Ω 저항, +/- 20Ω 공차), IEC 61158-2를 AWG 클래스 26–14, 배선 단면 0,324 … 2.5mm2로 지정한다. 이를 통해 본질안전 방폭의 서포트를 포함한 기존의 필드버스로부터의 이행이 간단해진다.

 

이더넷-APL은 부설 중인 배선 미스를 막기 위해서 필드 디바이스 단에서는 무극성 접속을 지정하고 있다. 제어실의 운전직원(오퍼레이터)과 협력하여 유지보수 및 엔지니어링 팀은 재빠르게 기기를 설치, 교환, 재접속 및 커미셔닝(commissioning, 원자로를 예로 들면 원자로가 최초로 핵연료를 장전하여 임계에 도달한 후 각종의 테스트 및 시운전을 해가면서 출력을 상승시켜가는 전 과정을 커미셔닝이라고 말하며, 상업 운전에 들어가기까지의 모든 과정을 의미하는 용어로 다른 공장의 예도 동일하게 적용하는 시운전 용어이다)을 할 수 있다. 기존 아날로그신호 체계가 아닌 디지털 신호체계이므로 가능한 것이다.

 

각 SDO의 설치지침에서는 일반기사 및 계측제어기사를 위한 상세사항과 안내가 제공되고 있다. 설치 가이드에서는 케이블 타입, 케이블 길이 및 고려해야 할 파라미터의 계획과 선택 등이 망라되어 있다.

 

모든 이더넷 기반 테크놀로지와 마찬가지로 설치 후 거동을 감시하고, 검증하며, 시험하기 위한 소프트웨어 및 하드웨어 도구가 차폐되어 있는 2선 케이블의 심플한 접속성에 필요한 것은 드라이버와 지금까지 기존에 시행하던 케이블의 준비와 거의 동일하다고 보면 된다.

 

기존 공장의 공무부 계전과 혹은 보전부 보전과나, 계측제어부 계기과 또는 건설을 위임 받은 기술부나 신설 공장의 경우, 태스크 포스로 지정되는 건설/기계/전기/계기/공무팀, 종합 건설 사나 엔지니어링 회사의 계측제어부서 엔지니어들의 설계에 도움이 되도록 이더넷-APL의 기획을 맡은 워킹그룹의 담당자들은 세계 표준 전문가들로써 실무 경험이 많은, 실제 이 분야의 수많은 각 분야 실무자(HW, SW, Instrumentation & Control Specialist)들이 총망라되어 기존 공장의 건설에도 도움이 되도록 공동 사양을 만드는 데 최선을 다하고 있다. (다음 호에 계속)