[기고] 급부상하는 태풍의 눈 ‘APL’ (3)PROCESS 계장 틀을 완전히 바꾸다

2020-09-07
글 / I. Y. Cho, ODVA TAG KOREA Activity Manager

1940/1960년대 이후 60~80년 만에 바뀌는 세계 프로세스(PROCESS) 계장산업 표준과 2022년부터 활짝 열리는 거대한 세계 프로세스 계장시장의 면모를 알아본다.

4-1 APL의 공통변수



“ETHERNET-APL”(고급물리계층)은 그 특징이 이더넷의 순수성에 있다. 설명이 좀 이상 하지만 사실이다. 인터넷이라고 다 같은 게 아니다. 다시 말하면, 변종 이더넷이 아니어야 한다는 말이다. 속도를 고속으로 만들기 위해 IP프로그램을 변경하거나 손을 대서는 안 된다는 말이다. ETHERNET-APL 개발팀은 이를 위해 IEEE가 제정하고 ODVA의 EtherNet/IP가 채용한바 있는 IEEE 802.3을 검토했다.

그 이유는 IEEE 802.3 이더넷은 변종이 아닌 순수한 이더넷이기 때문이다. 이번 프로젝트에서는 정확히 IEEE 802.3cg를 선택하여 개발에 착수한다. ABB, 지멘스, 에머슨, 요코가와를 비롯 12개 PROCESS 계장 메이커를 비롯하여, 세계3대 프로토콜 표준기관인 필드컴그룹[FeildComm Group:Hart-IP], 오디브이에이[ODVA:EtherNet/IP], 피아이 인터내셔날[PI:PROFIBUS & FROFINET] 등 3기관이 포스로 전면에 등장했다.

2019년 11월 독일 ACHEMA FAIR 전시회에서, 이들 3개 기관은 전세계 PROCESS 계장메이커들 앞에서 기자회견 형식으로 ETHERNET-APL 개발 백서[APL의 기본 스펙이 담긴 매뉴얼]를 발표하였는데 그것은 바로 ‘Ethernet to the Field’라는 이름의 개발 방향과 시스템 구조가 명시된 개발 가이드라인이다. 세계인들 앞에 기술 방향을 발표한 이들은 각자 나름대로의 필드버스를 가지고 있는 기관들이다.

그런데, 하나도 아닌 3개 기관이 일시에 의기투합을 한 것은 하나의 표준을 만들기 위해 3개 기관이 함께 참여함으로써 통합에 시간과 노력을 줄이고, 아이디어를 폭 넓게 창출할 수 있으며, 최단기간에 최소의 개발비로 새로운 표준을 완성할 수 있기 때문이다. ETHERNET-APL 개발완성이 된 이후에 전세계 PROCESS 계장 분야는 오직 하나의 유일한 국제 표준을 쓰게 됨으로 기술의 발전도 비약적으로 빨리 전개 될 것이다.



MS제품이 PC계의 세계유일의 표65준이 되어 ETHERNET-APL은 이제 세계 PROCESS 계장 계의 유일한 표준이 된 매우 뜻 깊은 사건이 될 것이다. 이후 장기간에 걸쳐 세계 PROCESS 계장산업분야에 직/간접영향을 미칠 것이다.

4-2 ETHERNET-APL의 공통부문 구성도에 담긴 의미

상기 구성도[Configuration]는 ETHERNET-APL의 대표적인 구성도의 메인이며, 상징성을 갖고 있기 때문에 PROCESS 계장기술자들의 뇌리에 항상 그려져 있어야만 한다고 본다. 그 이유는 ETHERNET-APL의 하드웨어 구성도이기 때문이다. 일반 필드버스통신은 OSI 7 Layer중 물리계층에서 주로 사용 되었다. APL역시 물리계층을 사용하지만, 일반 필드버스와는 용도가 좀 다르다.

일반 필드버스는 상기 필드버스약사에서 보듯이 한국에서 KS표준으로 최종 낙점한 산업용 이더넷[필드버스] 표준의 종류가 1개가 아니고 6개나 되며, 기표원에서 산업용 이더넷[필드버스] 표준을 KS 표준규격으로 승인하기까지 약 20년 이상의 시간이 소요되었다. 엄밀하게 말하면, 단일표준이 아닌 멀티 표준이란 이야기다. 표준은 단 하나의 유일표준이어야 그 가치가 높다.

4-3 Ethernet-APL이 단일 표준이기에 야기되는 국내외 빅-PROCESS 계장시장

ETHERNET-APL은 자동화 분야의 일반필드버스와는 달리 오직 프로세스계장 분야 한 곳에서만 유일하게 사용되며, 처음시작부터가 하나의 표준을 목표로 출범함으로써 IEC 국제표준으로써 헷갈릴 일이 전혀 없다. 세계적으로 유일한 표준으로 시작한 ETHERNET-APL 표준은 표준이 폐기되는 그날까지 유일하게 사용해야만 하는 책임과 의무가 따른다. 어찌 이것이 6종이나 되는 산업용 이더넷[필드버스] KS멀티표준과 비교가 될 것인가? 출발자체가 전용 통신으로 PROCESS 계장만을 위한 세계에서 하나 밖에 없는 산업용 이더넷 표준인 것이다. 필드버스에서 진일보한 것 이 바로 ETHERNET-APL 표준이다.



APL을 요약하면, 순수한 이더넷 기능에 몇 가지 장점을 얹어 놓은 기술로 보면 이해가 간단해진다. 특히 IEEE가 주도하는 802.3cg를 기반으로 하기로 모두 합하여 결정했다. PROCESS 계장 현장의 온도/압력/유량/레벨/중량 등의 센싱에서부터 시작하여 마지막 상위 쪽에는 클라우드에 이르기까지 사용이 가능한 프로세스 산업의 요구 사항을 위해 특별히 2022년 까지 약 2년 간의 개발 기간이 필요하고, ABB, SIEMENSE, Rockwell Automation, EMERSON, YOKOGAWA 등 아래에 LOGO-LIST에 소속된 세계 12개 DCS 및 Field Instrument Maker들이 한데 뭉쳐 21세기 PROCESS 계장분야가 2022년부터 약 1,000억 달러[$]의 세계시장의 오픈과 더불어 1조원 대에 달하는 한국의 PROCESS 계장시장이 활짝 열림에 우리는 목격자가 되어야 하며, 모두 이 시장에 뛰어들 준비를 지금부터 해야만 한다.

4-4 물리계층이 갖추어야 할 고급조건 8개 항목

1) ETHERNET-APL은 프로세스계장 산업에서 잘 알려진 트렁크 및 스퍼 토폴로지를 사용하며 트렁크 최대 길이는 Zone 1, Div 2 지역에서는 1000미터[m] 장거리 통신이 가능하며, 최대 스퍼 길이는 Zone 0, Div 1지역에서 200m로 지정된다.

2) APL은 IEEE 802.3cg에 정의된 10BASE-T1L 기반의 특정 단일 쌍 이더넷 이며 고속의 장거리 통신이 가능하고, 통신거리는 1,000m이어야 한다. 단일 트위스트 페어(2선) 인터넷 케이블로 전원과 이더넷이 동시에 공급되는 인터넷 케이블이어야 한다(현재의 인터넷 선은 전원 따로 파워 따로 공급되는 형태이다. 인터넷선과 파워 선이 분리되어 있는 형국. APL은 인터넷선과 전원 선이 하나의 동 축에 들어 있다는 것. 다시 말하면, 인터넷선 한 가닥에 파워와 이더넷이 함께 들어 있는 통합선이라는 의미).

3) ETHERNET-APL 통신은 트위스트 페어 케이블을 통해 전송되는 10Mbit/s의 전 이중 통신망이다.

4) 폭발-위험지역[Hazardous Area]내 전원 및 통신신호를 공급해야 하므로 Area 2 및 Class 1 div. 2 /인증을 반드시 받아야 함.



5) 본질 안전[Intrinsic Safety]인증도 받아야 함. 사용 승인을 위한 보호 조치로 몇 가지 고급 사양이 추가된 모양세다. ETHERNET-APL은 까다로운 산업응용 분야를 위해 특별히 설계된 이더넷 표준의 일부이기 때문에 높은 수준의 견고성을 제공해야 하며 안정성에서도 높은 수준의 유지가 필수이다. 특히 PROCESS 계장시설이 2백만~3백만 평의 넓은 지역에 분산되어 있어 폭발 위험이 내재된 석유 또는 석유화학공장 같은 곳은 완벽한 본질안전 조건이 각 요소요소에 내재되어 있어야만 안전을 담보할 수 있다.

6) 모든 IT 네트워크에 대한 투명한 연결을 추진한다.

7) 기존 2 선식 필드버스 케이블을 재사용이 가능 하도록 한다.

8) NAMUR Open Architecture(독일의 프로세스자동화 유저그룹)에서 인정하는 산업사물인터넷(IIoT)이 가능해야 하며, 평가는 제어실(CCR룸)과 현장을 포함하여 이더넷 통신이 가능해야 한다.

4-5 APL의 구조

ETHERNET-APL은 물리적 계층이기 때문에 다른 프로토콜 또는 통신-스택과는 독립적이며 PROCESS 계장에서 광범위하게 적용되도록 설계가 되었다. 다음은 APL[Advanced Physical Layer]의 구조이다. 여기에 ODVA의 EtherNet/IP, HART-IP, OPC-UA, PROFINET, http…… OSI 7 Layer 중 프리젠테이션 영역에 들어있다. 맨 밑, Physical Layer 좌측에는 일반 Ethernet, FAST Ethernet, Gigabit Ethernet, WLAN과 우측의 PROTOCOL 난에는 ETHERNET-APL이 물리적 계층에 들어있는 구조이다.

4-6 APL을 기본으로 한 이더넷

4-5에 8개 항목으로 설명을 했으나, 다시 자세히 설명을 부연하자면, ETHERNET-APL은 IEEE 802.3cg에 정의된 10BASE-T1L 기반의 특정 단일 쌍 이더넷이며[인터넷과 파워가 동시에 공급되는] PROCESS 계장 산업에 대한 추가 조항이 있다. 따라서 ETHERNET-APL 통신은 IEEE 802.3 이더넷 사양의 일부이며 IEEE 802.3은 ODVA의 프로토콜이다. 따라서 ETHERNET-APL과는 완전히 호환된다.

Ethernet-APL 통신은 트위스트 페어 케이블을 통해 전송되는 10Mbit/s 전 이중 통신이다. PROCESS 계장 산업에서 널리 사용되는 잘 알려진 트렁크 및 스퍼 토폴로지를 포함하여 모든 주요 네트워크 토폴로지를 지원할 수 있다. Ethernet-APL은 특히 PROCESS 계장 및 기타 산업의 까다로운 요구 사항에 따른 여러 가지 향상된 기능을 67통합하고, 아울러 본질 안전[Intrinsic Safety] 전원 공급 장치와 위험지역 보호를 위한 포트 프로파일을 추가했다.



4-7 본질 안전 및 포트 프로파일 사양


본질안전[Intrinsic Safety]은 프로세스 계장의 필수 조건으로 프로세스가 있는 현장의 폭발을 방지할 수 있는 유일한 대책이다. 점화 원인이 되는 에너지, 전기 및 열을 제한하여 위험한 지역에서 전기 장비를 안전하게 작동하기 위한 보호 기술이다. 저 전류 및 전압으로 작동할 수 있는 신호 및 제어 회로에서 본질 안전 접근 방식은 회로를 단순화하고 다른 보호 방법에 비해 설치 비용을 줄일 수 있다.

석유 화학공장 및 광산과 같은 응용 분야에서 위험한 가연성 가스 또는 먼지가 집중된 영역에서 안전성을 위협한다. 폭발 위험 지역에서 장비를 안전하게 사용하기 위한 여러 가지 방법 중 본질 안전(ATEX 및 IECEx 폭발 분류에서 "i"로 표시)은 전기 장비에 사용할 수 있는 몇 가지 방법 중 하나라고 말할 수 있다.

본질 안전은 화학/석유화학공장 등의 폭발 위험 지역에서 현장 계측기를 제어하고 전력을 공급하기 위해 요구되는 전 세계 프로세스계장 산업에서 특히 중요한 비중을 차지한다. 이러한 이유로 옵션의 본질 상 안전은 Ethernet-APL 통신 표준의 정의에 완전히 부합된다. 기술 사양 IEC TS 60079-47 ED1에서 본질 안전 2, 와이어 이더넷을 정의해야 한다. Ethernet-APL표준의 일부에는 다양한 응용 시나리오에서 상호 운용 성을 위한 포트 프로파일 정의가 포함된다.

여기에는 세그먼트 유형, 트렁크~트렁크 포트(trunk-to-trunk port)와 스퍼-투-스퍼 포트(spur-to-spur port)를 구별하는 것이 포함된다. 다른 사양은 차별화 된 전력 특성을 나타낸다. 즉, 소스 투 로드(source-to-load) 및 비 전원 대 비 전원 포트(unpowered-to-unpowered ports.)처럼 또 다른 조항은 전력 등급의 정의이다. 여기에는 본질 안전 전원 공급 장치의 최대 공급 전압(intrinsically safe power supply) 및 공급 전류 제한이 포함된다. 포트 프로파일 사양에 지정된 추가 주제는 배선 규칙, 터미널 및 커넥터에 대한 핀 할당, 차폐 및 접지 규칙이다.

5. APL의 IEC 국제표준 발표 약속

국내의 PROCESS 계장의 미래시스템 장벽을 해결하기 위한 개념에 대해 프로세스 산업의 요구사항은 아주 명확하다. 모든 요구 사항을 충족하려면 몇 가지 사양을 향상시켜야 주어야 한다. 이러한 요청이 해당 관련 조직인 IEC에 제기가 되었다.

5-1 IEC 60079-47 프로젝트 팀 - IEC SC31G WG

Zone0/Class1 Division1까지의 위험지역의 루프전원 공급장치 및 별도의 전원 공급장치에 대한 본질안전(intrinsic safety) 요구사항을 충족하기 위해 기술위원회인 IEC PT 60079-47 프로젝트 팀의 IEC SC31G는 IEC60079의 2-WISE 본질안전 이더넷(2-WISE)에 초점이 된 점화 및 보호(ignition protection)에 대한 개념을 확립하였다.

한편 실무 그룹에서는 필드버스 본질안전 개념(FISCO)에서 정의 된 보안 주체가 새로운 물리계층에 대한 일부 적용을 포함하여 2-WISE기술 사양에도 적합하다는 데 동의를 받아냈다. 이러한 인식은 데크라테스트 및 인증(DEKRA Testing and Certification GmbH)에서 성공적으로 수행된 테스트를 통해 지원 받고 있다.

5-2 APL 최종기술 표준규격(IEC TS 60079-47) 발표

2021년 말까지 IEC 국제표준규격으로 발표가 될 예정이다. APL의 유일한 IEC 국제 표준은 이미 최종기술 표준규격(IEC TS 60079-47)으로 확정되었고 이변이 없는 한 개발 프로젝트가 중간 완성되는 2021년 말까지는 IEC가 국제규격으로 완성되는 APL 최종기술 표준규격은 (IEC TS 60079-47)이다. 따라서 이 글을 읽는 PROCESS 계장기술자들은 최소한 ETHERNET-APL의 국제표준번호 ‘IEC TS 60079-47’ 정도는 2022년부터는 머리에 항상 암기하고 있어야 할 것이다.

5-3 조직의 사양관리

마지막으로 세계 3대 공동 개발조직인 FCG, ODVA 및 PI 조직이 관련 사양에서 ETHERNET-APL에 대한 정의를 내려야 하며 이 개발 프로젝트는 2020년 말에 완료될 예정이다. ODVA내에서 사양의 향상은 ODVA의 Volume 2 “EtherNet/IP 적용(Adaption) CIP”의 EtherNet/IP 물리계층 특별위원회(SIG)을 통해 수행을 하기로 했다. 또한 EtherNet/IP 미디어 계획 및 설치 지침은 APL 프로젝트의 공동 작업에서 수행되는 설치 지침에 따라 갱신되어야 한다.

5-4 Ethernet-APL/ ISO OSI 모델의 기본 정의 ISO OSI model

이더넷 고급 물리계층 ETHERNET-APL은 IEEE 802.3cg를 기반으로 하는 물리 계층이다. 따라서 ODVA의 EtherNet/IP와 같은 산업용 이더넷 프로토콜은 물리계층과 독립적으로 작동하므로 기능의 향상효과를 가져오게 된다. ISO OSI 모델의 구성도는 다음과 같다.

5-5 토폴로지

ETHERNET-APL에 의해 이미 확립 된 토폴로지가 실현될 수 있다. 여기에는 최대 500mW의 필드 장치를 최대 50개까지 구동할 수 있는 검증된 필드버스 인프라의 트렁크 및 스퍼 토폴로지(trunk-and-spur topology)가 포함된다. 본질 안전이 되는 위험지역에 APL 필드 스위치와 APL 필드 장치를 모두 설치한다.

5-6 고객 관점에서의 장점

ETHERNET-APL은 고객에게는 장점이 그다지 많지 않으나, 엔지니어 및 유지 보수 직원에게는 많은 장점을 제공하는 PROTOCOL이다.

5-7 시스템 설계 및 통합 시간 단축

필드레벨과 제어레벨 사이에는 하나의 광범위한 통신기술이 있으므로 ETHERNET-APL 시스템 인프라 구조에서는 서로 다른 통신프로토콜을 변환하는 게이트웨이 및 프록시(proxies)가 필요하지 않다. 최대 60W의 전원공급장치 출력으로 인해 전원공급장치 1대 당 더 많은 장치를 추가 할 수 있어 세그먼트 수는 감소한다. 잘 알려진 트렁크 및 스퍼 토폴로지는 Ethernet-APL 시스템으로 조정할 수 있다. 또한 필드버스 케이블을 재사용하여 기존의 설비를 쉽게 교체할 수가 있다. 전체적으로 는 시스템 설계의 복잡성이 줄어든다고 본다.

5-8 스타트업 노력의 감소

ETHERNET-APL 인프라를 설치하는 동안 극성의 독립성(polarity independence)과 공통 트렁크 및 스퍼 토폴로지로 인해 설치상의 오류가 감소한다. 설치 후 ETHERNET-APL 인프라의 물리계층은 늘 동일하므로 테스트 노력도 대폭 줄어든다. 교육에 있어서도 네트워크 통신망은 단 하나이므로 교육이 매우 단순해진다. 자동 인스턴스화(auto-instantiation)가 지원되는 IP 기반 통신의 표준수단을 통해 IT에서 OT의 수직 통합화가 매우 쉬워진다. 기존 시스템보다 속도는 최대 300배 이상 빠르므로 높은 데이터 전송속도가 가능한 장치 구성할 수 있다.

5-9 타임 라인

이미 설명한 바와 같이, 모든 관련 사양은 2020년 말에 완결 및 릴리스 될 것으로 예상된다. 1차 목표는 2021년 6월 독일 프랑크푸르트의 ACHEMA FAIR 에서 완전한 네트워크 인프라의 실제 제품으로 ETHERNET-APL을 시연할 것이다. 출시 된 제품은 박람회 직후에 전 세계에 제공될 예정이다.

5-10 첫 고객 경험

2019년 ETHERNET-APL 기술은 독일의 화학 공장 중 필름원료 메이커로 유명한 BASF에서 첫 번째 프로토타입을 기반으로 평가가 되었다. 평가 프로젝트의 초점은 이미 설명 된 프로세스계장산업의 아래 요구 사항이다.

• 모든 응용프로그램을 위한 하나의 이더넷 프로토콜이어야 하며
• 모든 자동화 레벨에서 강력한 이더넷 통신이 되어야 하며
• 동일한 2가닥 케이블을 통한 데이터 통신이 가능하고 동시에 전원 공급도 함께하는 장치이어야 하며, 기존의 산업용 필드버스 케이블의 재사용도 가능해야 한다.
• 위험지역(hazardous area)에서의 사용이 가능해야 하며,
• NAMUR Open Architecture(독일의 프로세스자동화 유저그룹)에서 인정하는 산업사물인터넷(IIoT) 이 가능해야 하며, 평가는 제어실(CCR룸)과 현장을 포함하여 이더넷 통신이 가능해야 한다.

이 경험의 첫 번째 결과가 지난 2019년 11월 NAMUR 총회에서 발표되었다. 결과는 대 성공이었으며 기술은 기대했던 모든 이점을 제공하였다.


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