Ethernet-APL 기술은 현실로 다가왔다. Ether net-APL은 국제 표준화된 2선 솔루션으로 위험 지역의 필드 디바이스까지 이더넷 액세스를 제공한다. 기존 이더넷 기술은 구리 케이블을 사용할 경우 최대 거리 100m에 불과하지만, Ether net-APL은 IEEE 802.3 표준 10BASE-T1L을 기반으로 10Mbit/s에서 최대 1,000m까지 거리를 연결할 수 있다.

또 필드 디바이스에 동시에 전원을 공급하며, 프로세스 산업의 광범위한 시스템에서 필수적인 장점이다. 추가로 필드 디바이스는 산업 분야에서 선호되는 종류의 보호인 본질 안전 방식으로 작동될 수 있다.

일관된 이더넷 인프라는 설계, 시운전 및 문제 해결에 많은 이점을 제공한다. 변경 및 수정뿐만 아니라 NAMUR 오픈 아키텍처(NOA) 또는 개방형 프로세스 자동화 표준(O-PASTM)과 같은 새로운 개념도 일반적으로 이기종 설치보다 훨씬 빠르고 유연하게 구현할 수 있다.

필드 스위치의 많은 작업

예를 들어 이더넷 APL 세그먼트의 계획 및 설치는 기존 필드버스 설치보다 복잡하지 않다. 따라서 계획자, 통합자 및 설치 기술자들이 처음부터 지원을 받을 수 있도록 기술 사양과 동시에 계획 및 케이블 관련 사항과 방폭에 대한 내용을 포함하는 종합 엔지니어링 가이드가 작성되었다.

Ethernet-APL 네트워크를 구축하고 필드 디바이스를 포함하려면 필드 스위치라고 불리는 장치가 필요하다. 필드 스위치는 모든 이더넷 설치에 필요하다. 데이터 스트림을 분배 및 연결하는 것 외에도 Ethernet-APL에 대한 추가 작업을 수행한다. 연결된 필드 디바이스에 스퍼 라인 또는 ‘스퍼’를 통해 본질적으로 안전한 보조 전원을 공급한다. 스퍼의 길이는 200m로 제한되어 필드 디바이스의 설치 위치를 필드 스위치 근처로 제한한다.

공급업체에 따라 필드 스위치는 제어실, Zone 2 또는 Zone 1에 설치할 수가 있다. 마지막 필드 스위치 적합성 테스트가 진행 중이며, 기기들은 연말쯤 시장에 출시될 예정이다. 해당 장치는 시장에 출시되었거나 출시를 앞두고 있다. R. STAHL 필드 스위치는 적합성 테스트를 통과했으며, 테스트 설치에 사용할 수 있다.

스타 토폴로지 및 트렁크/스퍼 기술 과제

기본적으로 Ethernet-APL은 네트워크에 두 가지 옵션을 제공한다. 한 가지 방법은 Ethernet -APL을 일반적으로 이더넷에 사용되는 스타 토폴로지에 설치하는 것이다. 즉, 필드 스위치는 최대 100m 거리에서 4-와이어 이더넷(예 : 100 BASE-TX)에 직접 연결된다. 대부분의 필드 스위치에서 선택적으로 지원되는 광섬유를 사용하는 경우 더 긴 거리(2~20km)도 연결할 수 있다. 설치에는 세 가지 주요 장점이 있다. 첫째, 계획이 매우 간단하며 케이블 길이만 고려하면 된다. 둘째, 필드 스위치에 별도로 전원이 공급되기 때문에 네트워크당 최대 250개의 필드 디바이스를 연결할 수 있다. 셋째, 필드 스위치는 시스템 가용성을 더욱 높이기 위해 PROFINET MRP와 같은 링에서도 작동할 수 있다.
대안으로 필드버스 세계에서 잘 알려진 트렁크/스퍼 토폴로지를 사용할 수 있다. 이 경우 100BASE-TX 또는 100BASE-FX 네트워크에서 네트워크 전환은 전원 스위치를 통해 발생하며, 전원 스위치 역시 보조 전원이 필요하다. 전원 스위치는 4-와이어 네트워크를 2-와이어 네트워크로 변환한다. 또한 트렁크 라인을 통해 Ethernet-APL 네트워크에 전원을 공급한다. 필드 스위치는 전원 스위치에 연결되고, 필드 디바이스에 본질적으로 안전한 전원을 제공한다. 필드 스위치는 Zone 1까지 설치할 수 있지만, 전원 스위치는 일반적으로 제어실 또는 Zone 2에 위치한다. 트렁크 라인은 최대 1,000m에 도달할 수 있으며, 광범위한 프로세스 산업 시스템에 적합하다. 하지만 전압 강하로 인해 세그먼트당 약 50개의 필드 디바이스만 연결할 수 있으며, 선형 구조가 필요하다. 일반적으로 트렁크/스퍼 기술은(구리 케이블 네트워크가 긴 경우) 네트워크 엔지니어링과 정교한 차폐/접지 개념이 필요하다.

케이블 살펴보기

Ethernet-APL 네트워크의 케이블링은 특별한 주의가 필요하다. 지금까지 필드버스 설비에 사용되었던 타입 A 케이블(IEC 61158-2)을 계속 사용할 수는 있지만, 기존 시스템에서 교체하는 것은 많은 비용이 든다. 하지만 기존 설비에서 사용하던 31.25kbps 필드버스에 비해 데이터 전송 속도가 10Mbps로 상당히 높아졌으므로 케이블의 품질을 철저히 검토한다. 일반적으로 필드버스 타입 A 케이블을 사용하는 경우 차폐 요구 사항, 도체 길이 및 단면적과 관련해 Ethernet -APL에 맞게 조정되므로 사용자는 항상 안전하게 사용할 수 있다. 연결 유형은 기존 방식과 동일하게 나사 또는 스프링 클램 단자, M12 또는 M8 플러그를 사용하며, 연결 기술은 장치에 따라 결정된다.

설치를 간소화하고 변형의 수를 제한하기 위해 포트 분류가 도입되었다. 현재 세 가지 전원 클래스가 있다.
•타입 A는 0.54W의 출력을 가지며, Zone 1 장치용으로 설계되었다.
•타입 B는 계획 중이며, 출력이 1.17W인 고출력 Zone 1 장치에 적용된다.
(예 : R. STAHL 필드 스위치는 12개의 타입 A 및 4개의 타입 B 장치를 작동할 수 있는 옵션을 제공)
•타입 C는 출력이 1.11W인 Zone 2 장치에 적합하다.

실용 사례

다음 시나리오는 Ethernet-APL 네트워크 전환 또는 설정 방법을 보여준다. 여기서는 계산 시 APL 필드 디바이스의 최대 전류 소비량을 50mA로 가정한다. 미래 필드 디바이스의 실제 값은 훨씬 낮을 것으로 예상된다(약 30~35mA). 실제로는 거리가 약간 더 멀어지고, 가용성이 다시 검증될 것이다.

PA 시스템 마이그레이션

•시나리오 1 : 이 시나리오는 개별 필드 디바이스 커플러(FF H1 또는 PA)가 사용되고, 세그먼트당 최대 12개의 디바이스가 연결된 필드버스 설치를 기반으로 한다. 이 경우 필드버스 커플러에 대한 스퍼 라인은 최대 90m이다. 이를 16포트 예시와 같은 Ethernet-APL 필드 스위치와 트렁크 트랙 토폴로지로 교체하면 최대 800m까지 트렁크 길이가 가능하다. 스타 토폴로지와 광섬유 케이블을 사용하면 훨씬 더 긴 거리(수 킬로미터)가 가능하지만, 필드 스위치에 대한 로컬 보조 전원이 필요하다.

•시나리오 2 : 설비 구역에는 최대 12개의
필드버스 디바이스가 있으며, 사용 가능한 세 개의 필드 디바이스 커플러에 연결된다. 구성을 Ethernet-APL로 이전하려면 세 개의 Ethernet-APL 필드 스위치를 Ethernet-APL 전원 스위치에 연결한다. 스퍼의 길이는 각각 80m로 유지된다. Ethernet-APL
필드 스위치 간 거리는 100m이다. 각 필드 스 단위 스위치에는 4개의 Ethernet-APL 필드 디바이스가 연결된다. 구성의 경우, Ethernet-APL 전원 스위치와 첫 번째 Ethernet-APL 필드 스위치 간 거리는 트렁크 케이블 단면적이 1.5mm² (16 AWG)인 경우 600m, 단면적이 2.5mm² (14 AWG)인 경우 1,000m까지 가능하다.

새로운 Ethernet-APL 네트워크

•시나리오 3 : 사용자는 가능한 한 많은 Ethernet-APL 디바이스를 단일 세그먼트에 수용하고자 한다. 스타 토폴로지를 사용하는 경우 필드 디바이스는 해당 수의 필드 스위치에 분산되어야 하며, 필드 스위치는 이더넷 백본에 통합되어야 한다. 이 설치의 한계는 주로 사용되는 控制器(컨트롤러)의 한계, 즉 처리해야 하는 데이터의 양과 속도에 의해 결정된다. 트렁크 레인의 경우 Ethernet-APL 필드 스위치의 개수 및 설치 위치와 Ethernet-APL 필드 디바이스의 수 및 전력 소비를 고려하여 허용되는 최대 트렁크 길이를 도출해야 한다. 16개의 Ethernet-APL 필드 스위치 스퍼 라인을 사용하는 경우 총 약 50~60개의 Ethernet-APL 필드 디바이스를 설치할 수 있다.
트랙 길이는 200m이고, 트렁크 길이는 각각 300m이다.

•시나리오 4 : 사용자는 최대 거리에서 필드 디바이스 수를 확인하고 싶어한다. 이 시나리오는 개별 필드 스위치 간 거리가 1,000m이고, 전원 스위치와 필드 스위치 간 거리도 1,000m라고 가정한다. 단면적이 1.5mm² (16 AWG)인 APL 트렁크 케이블을 사용하면 각 두 개의 Ethernet-APL 스위치에 최대 두 개의 Ethernet-APL 필드 디바이스를 연결할 수 있다. 단면적이 2.5mm²(14 AWG)인 경우 디바이스 수는 Ethernet-APL 필드 스위치당 세 개로 증가한다. 스타 토폴로지의 경우 광섬유 케이블을 사용하고, 로컬 보조 전원을 제공해야 한다. 시나리오 3에서 설명한 것처럼 필드 디바이스 수는 실제로 무제한이다.

본질 안전 검증 더 쉬워져

네트워크 기술은 일부 사용자에게 새로운 영역이지만, Ethernet-APL의 Ex i 검증은 기존 설비보다 훨씬 더 간편하다. 이더넷은 기본적으로 Point-to-Point 또는 포트 간 연결이다. Ether net-APL도 마찬가지다. 정의된 케이블을 통해 정확히 하나의 에너지 소스가 정확히 하나의 에너지 싱크에 연결된다. 프레임워크 조건에서 Ex i 검증은 모든 상호 연결이 가능한 장치에 대해 IEC 60079-25 “본질 안전 시스템”을 기반으로 예시적으로(한 번만) 수행될 수 있다.

따라서 모든 사용자 또는 계획자가 직접 검증을 수행할 필요가 없도록 Ethernet-APL 작업 그룹은 DEKRA 시험과 함께 증명을 제공했으며, IEC TS 60079-47 : “2선 본질 안전 이더넷 개념(2-WISE = 2-Wire Intrinsically Safe Ethernet)”에 문서화했다. 사용자 및 계획자에게 사용되는 모든 장치가 EC 형식 시험 인증서와 장치 자체에 모두 표시되어 있는 2-WISE에 따라 인증된 경우 상호 연결이 본질적으로 안전하다는 것을 의미한다. 앞에서 언급한 타입 A 케이블을 사용하는 경우도 마찬가지다.

장비가 처음 지정된 폭발성 분위기에도 적합한지, 포트가 올바른 유형의 보호(ia, ib 또는 ic)를 가지고 있는지, 설치 위치가 올바른지 여부를 확인해야 한다. 계산이나 케이블 치수는 필요하지 않다. 사용자가 피할 수 없는 한 가지는 Ex i 검증이 방폭 문서에 적절히 문서화되어야 한다는 것. 마지막 부분이 완료되면 Ethernet-APL을 사용한 시스템의 안전한 운영을 위한 길이 열린다.

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