- Process 계장 시스템의 New 국제표준(2022년 IEC 발표 예정)

용이한 채택, 원활한 통합, 간단한 설치, 광폭의 범위, 귀중한 데이터로 연결한다는 의미가 담긴 Ethernet-APLTM은 프로세스 계장 분야가 기존의 Analog 체계에서 Digital 체계로 전환됨을 의미하며, 공장의 프로세스 계장 분야의 종사자 또는 계측제어부, 공무부, 계전과, 계기과에 종사하는 엔지니어는 물론 프로세스 계장 엔지니어링 회사의 계측제어 부서 요원들이라면 반드시 알아야 할 기술이며,
2022년에 발표될 IEC 프로세스 계장 단일 표준인 “IEC TS 60079-47” Ethernet-APL(Advanced Physical Layer = 이더넷 고급물리계층)에 대한 구체적으로 본고에서 설명하였다. 서두에 국내 현황에 대해서는 필자의 의견도 제시하였으며, 백서는 ODVA(www.odva.org)에서 자료를 직접 제공받았음을 밝힌다.
필요하다면, ODVA 웹사이트에서 영문판/일본판을 다운받아 볼 수 있다.

12. 시제품 제작 및 엔지니어링

이더넷 지원 소프트웨어 및 도구에 기반한 작업 습관과 절차는 프로세스 공장 분야에서 엔지니어링에 고도의 자동화 기능을 제공한다. 현재 및 차세대 엔지니어는 기술을 쉽게 습득한다.  Ethernet-APL을 통해 이러한 기능을 프로세스 공장 현장에 쉽게 통합할 수 있다. 이를 통해 엔지니어는 많은 작업의 자동화를 통해 프로젝트 일정을 충족할 수 있다.
소프트웨어 도구 간소화 또는 자동화는 다음과 같다.
• 네트워크 계획
• 일반적인 제어 루프의 생성 및 설계
• 계측기에 저장된 모든 세부 정보
- 장치 드라이버 및 설명(예 : FDI 패키지)
- 매뉴얼(Manuals)
- 인증(Certification)
• 계측기 매개변수화 및 구성
• 작동 중 계측기 진단

프로토콜 변환기와 게이트웨이의 엔지니어링과 유지보수는 쓸모없게 될 것이다. 스마트폰이나 컴퓨터에서 실행되는 앱 지원 업무 절차는 새로운 직원의 기대를 충족시키며, 요즘 디지털 세대에게는 쉽게 접근이 가능하다. Ether net-APL 프로젝트에 참여하는 SDO 및 공급업체의 개발자 및 전문가는 계획 및 설치를 위한 지침과 모범 사례를 개발하는 과정에 있다. 이를 통해 조기 채택을 위한 지식을 쉽게 이행할 수가 있다. Ethernet-APL의 경우 표준 이더넷 진단 툴은 새로운 또는 숙련된 계측기 기술자와 엔지니어가 일상적인 작업에 도움을 주어 얕은 학습 곡선을 제공한다. 모든 표준과 지침을 이용할 수 있으면, 광범위한 공급업체가 기기 또는 기타 제품 구매에 Ethernet-APL을 채택할 수 있다. 공급업체와 사용자에게 엔지니어링 서비스를 제공하는 기업들은 새로운 시장 오픈에 많은 관심을 보이고 있으며, 강력한 생태계가 진화될 것으로 예상된다.

13. 필드 설치

많은 플랜트가 프로세스 계장 오토메이션 시스템에서 보다 많은 데이터에 액세스하고 추출하기 위해 네트워크의 업그레이드화를 도입할 것으로 기대된다. 이를 업그레이드하면 신세대 전기기사 및 계측 기사가 필요로 하는 네트워크 기술을 습득할 수 있다. 유선식 또는 무선식 인지에 관계없이 이더넷은 가정이나 사무실, 플랜트에서의 일상 업무의 일부가 된 바 있다. Ethernet-APL과의 통합으로 라우터, 스위치 및 무선 액세스 포인트에 대한 유일한 추가 기능은 2선식 물리 계층뿐이다. 그 중에는 필드 기사 및 계측 제어 기사에게 친숙한 설치 및 보호 규칙과 같은 규약을 제공하는 본질안전 방폭 보호 기술도 포함되었다. 또 계기는 간섭이 허용되지 않으며, 피어 투 피어(Peer To Peer) 형태로만 구성된다. 극성 보호나 디바이스 내의 종단기를 필수로 하는 기능과 함께, 테크놀로지는 스무스(Smooth)하게 단기간 내에 습득이 가능하다.

오늘날의 계측 제어 현장 보수 요원(계전과 혹은 계기과나 보전과 직원을 말함)들은 설치 전에 Analog 필드 장치를 교정(Calibration), 구성 및 준비하는 데 시간이 많이 걸릴 수 있으나, Digital 필드 장치를 준비하는 데 소요되는 시간은 그에 비하면 매우 짧은 시간이 소요되므로 Digital 필드 장치의 장점을 경험한다. 디지털 시대를 살아가는 요즘의 세대들에게는 핸디한 측면이 있다. 또한 지원 기술 중에는 필드 디바이스가 설치 접속되고, 즉시 이루어지는 자동 네트워크의 설정, 디바이스의 탐색, 구성(Configura tion), 실증화(Instantiation)를 위한 앱과 마법사(Apps and wizards)가 포함된다. 2선식 Ethernet-APL 케이블에서는 설치를 단순화해주는 보다 고속의 데이터 전송 속도 사용이 가능하여, 기사는 짧은 시간 내에 자신 있게 작업을 완료할 수 있다. 스크류 드라이버와 함께 휴대용 데이터 장치(휴대폰 등)나 라인 테스터 및 향상된 인프라를 갖추며, Analog에서 Digital 필드 기기로의 전환 과정에서 계측기기 정비 요원(계전과 직원)의 툴박스에는 아날로그 장비 대신 디지털 장비가 추가로 담겨 있음을 알게 된다. 계측 제어 현장에 작은 변화가 생긴다는 이야기다.

14. 프로젝트 범위, 타임라인 및 결론

2 와이어에서 높은 대역폭으로 전력과 데이터를 제공하는 기술의 고려는 개발자들에게 프로세스 공장의 요구를 충족시키는 공통으로 고급물리계층을 개발하도록 영감을 불어넣어 주었다. 전문가들은 “이더넷 투 더 필드(Ethernet to the Field)”라는 프로세스 계장 분야의 새로운 비전을 만들어 발표했다. 이더넷용 고급물리계층으로 명명된 Ethernet-APL 평가 프로젝트는 2011년 계측기기 공급업체의 그룹(ABB, 에머슨 포함 12개 메이커)에 의해 시작되었다. 평가 프로젝트의 목적은 애플리케이션 계층의 프로토콜과 기존의 산업용 이더넷 프로토콜에 영향을 미치지 않는 프로세스 계장 자동화의 까다로운 요구사항에 맞는 솔루션을 정의하는 것이다.

2016년의 평가 프로젝트는 성공적으로 종료되었으며, 관련 사양이 개선되었다. Ethernet-APL 개발 프로젝트는 인포그래픽(Infographic.)에서 볼 수 있는 첫 번째 이정표를 달성하였다. IEEE의 10BASE-T1L 규격의 발표와 함께, 2-WISE(2-Wire Intelligently Safe Ethernet) 및 전원 포트 프로파일에 대한 IEC 사양의 진행은 본 궤도에 올랐다. 최종 PHY 칩은 2021년에 출시되고, 첫 현장 소자와 인프라 구성품을 구입할 것으로 예상된다. Ethernet-APL 시스템 설치의 경우 엔지니어링 지침을 제때에 사용할 수 있다. 독일에서 Ethernet-APL 프로토타입(Proto type)을 사용한 첫 번째 파일럿 프로젝트는 기술의 작동 원리와 이점을 현장에서 즉시 입증해주었다.

이더넷 고급물리계층(Ethernet-APL)은 다음 단계로 이동(공장 분야 이더넷으로)한다.
• 2015 : IEC TS 60079-47에 표시된 첫 번째 개념 증명
• 2018 : 공식 APL 시작 프로젝트 진행
• 독일 BASF에서의 Ethernet-APL 프로토타입을 이용해 최초의 파일럿 프로젝트가 동작 원리와 테크놀로지의 장점인 메리트를 확실하게 실증해주었다.
• 모든 측정 타입의 액추에이터 및 센서에 대한 2선식(SPE) 이더넷 필드 디바이스 프로토콜 도입으로 인해 필드 디바이스 설치의 단순화(Simplification),
프로세스 계장 오토메이션 시스템으로의 통합(Integration) 및 필드 디바이스 데이터로의 병행 접속이 마침내 성공하여 실질적으로 파일럿 공장에서 이를 실현하게 되었다.

결과는 대박이었다. 2022년 IEC 표준이 정식으로 발표되면 전 세계 프로세스 계장 분야는 지각변동을 일으킬 것이다. 시장이 빅 찬스이기 때문이다. 전 세계 프로세스 계장 단일 분야만 약 1,000억 달러(120조 원)의 시장이 열릴 것으로 ODVA는 예상하고 있다.
• 기존 플랜트로 쉽게 확장 가능
• 사용 중인 검증된 현장 계측기에 대한 투명성과 개방성, 병렬 액세스를 지원한다.
• 단일 네트워크를 기반으로 상호운용성을 보장한다.
• 폭발 위험 지역에 대한 표준화 문서 및 잘 정비된 절차서가 제공이어야 한다.
• 모든 장치 기능이 단순하고 유연하여 공급업체에 구애받지 않고 사용할 수 있다.

강화된 연결성은 일상적인 운영과 작업에서 복잡성을 감소시키는 강력한 도구를 제공한다. 단일 표준의 네트워크 테크놀로지를 이용할 수 있게 됨으로써 스마트 계장에서의 데이터 액세스를 기반으로 하는 디바이스 제조업자와 플랜트 매니저 모두에게 새로운 비즈니스의 기회를 제공한다.

15. 필자의 결언

본 백서를 번역하여 본지에 게재하면서 개인적으로 국내 시장을 조사한 바 있다. 필자는 석유화학 공단 계기과 출신으로 과거 10년간(2008~2018) 국내에 설치된 계장 설비를 조사해 본 결과 국내 피드백 루프의 수가 약 300만 으로 조사되었으며, 조사 방법은 국내 공장의 프로세스 계장 시설이 있는 곳, 해당 부서에서 집계(해당 공장 계전부, 공무부, 보전부, 계측제어부, 기술부, 설계부에 직접 알아보거나 탐방하여 해당 부서가 준 피드백 루프의 수를 집계)한 정보를 10년간 기록하여 이것을 국내 물가정보에 의해 10년 후 HW 비용을 조사한 결과 액추에이터, 제어기(PLC 기준), 센서+트랜스미터(온도/압력/유량/레벨/중량 전송기만 조사)의 합계 금액은 9,000억 원 정도이고, 여기에 관련된 계장공사 자재+계장공사 인건비 및 여기서 누락된 가스 측정 계기의 대략적 합계를 약 1,000억 원으로 집계하였다. 이를 추가한 총합[계측기 비용(9,000억 원)+기타 비용(1,000억 원)]은 약 1조원이었다. 그러나 어디까지나 개인적인 조사 자료이므로, 유관 기관에서의 정확한 통계가 발표되기를 손 모아 기다리고 있다. 2022년 IEC에서 Ethernet-APL(Advanced Physical Layer) 표준이 발표되면, 각 공장의 본사가 전산실의 운용 비용을 대폭 줄이거나 폐지하고, 클라우드를 선호하려는 분위기인 만큼 서서히 공장의 아날로그 시스템을 디지털 시스템으로 변경하기 시작하면 대략 3년 이내에 기존 시설을 리뱀핑(Re-vamping) 하거나 신규 공장 신축에 국내 종합 건설회사 내지 엔지니어링 회사들이 Ethernet-APL로 스펙을 변경 시, 국내 석유, 석유화학, 일반화학, 정밀화학, 반도체, LCD, 에너지(화력, 수력, 원자력발전, LNG 가스 공장, LPG 공장 등), 철강, 비철금속, 환경(도시 쓰레기 소각로), 정수처리(수자원공사 등), 상하수 처리(각 도, 시 정수/폐수장), 자동차, 철도, 지하철 등 PLC/DCS를 제어기로 사용하는 모든 프로세스 계장 설비가 필요한 곳을 망라하여 Ethernet-APL로 교체하게 될 것이다. 메이커는 외형의 축소로 인해 원가 절감을 하게 될 것이며, 엔드유저에게는 안전 조업의 향상과 계장 공사 비용의 대폭적 절감의 혜택이 있을 것이며, Ethernet-APL을 사용하게 될 상기 엔드유저 회사의 오너들에게는 시스템의 클라우드화를 공장으로부터 시작하여, 고정 유지비(시설물 운용에서 발생하는 비용)를 절감하기 시작할 것으로 전망된다. 프로세스 계장 시스템의 공급자와 소비자 모두에게 Win-Win하는 기회가 프로세스 계장 한 분야에서만 발생하면 국가 발전에 크게 기여할 것이며, 그 귀추를 독자들과 함께 끝까지 지켜볼 것이다. Ethernet-APL(Advanced Physical Layer)를 통해 프로세스 플랜트의 비전이 현실화될 날이 머지않았다.
odva@odva.or.kr