기술기고문
이더넷-APL: 유용한 통찰을 활용한 프로세스 자동화 최적화
모리스 오브라이언(Maurice O’Brien), 전략 마케팅 매니저(Strategic Marketing Manager), 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)
이더넷-APL(advanced physical layer)은 장치 산업으로 센서와 엑추에이터로 이더넷 통신을 적용하는 것에 관해서 정의한 것으로서, IEC 표준으로 발표될 예정이다. 2019년 11월 7일에 승인된 10BASE-T1L(IEEE802.3cg-2019) 이더넷 물리 층 표준을 기반으로 하며, 위험한 장소에서 사용할 때의 구현과 방폭 기법을 포함한다. 프로세스 자동화 분야의 주요 기업들이 PI(PROFIBUS and PROFINET International), ODVA, FieldComm Group에 속해서 산업용 이더넷 프로토콜로 이더넷-APL을 사용할 수 있도록 하고 이 표준을 보급하기 위해서 애쓰고 있다.
그렇다면 이더넷-APL이 왜 중요할까? 이더넷-APL은 높은 대역폭을 제공하고 필드 디바이스로 매끄러운 이더넷 연결을 가능하게 하므로, 프로세스 자동화 분야로 근본적인 변화를 가져올 것으로 기대된다. 이더넷-APL을 사용함으로써, 지금까지 이더넷의 사용을 필드로만 제한했던 여러 제한점들을 극복할 수 있다. 이러한 제한점들로서 전력, 대역폭, 케이블, 거리, 위험한 장소에서의 사용을 들 수 있다. 브라운필드 업그레이드로든 새로운 그린필드 설치로든 이더넷-APL을 사용해서 이러한 제한점들을 극복함으로써 이전에 가능하지 않던 새로운 통찰을 제공할 수 있다. 예를 들어서 프로세스 변수, 이차적 파라미터, 자산 건전성 피드백을 결합하고 이것들을 제어 층으로 매끄럽게 통신할 수 있다. 이와 같이 더 많은 데이터를 활용해서 데이터 분석으로 새로운 것들을 할 수 있고, 운영 상의 유용한 통찰을 도출하고, 필드에서부터 클라우드까지 융합적인 이더넷 네트워크를 통해서 생산성을 향상시킬 수 있다(그림 1).
그림 1: 프로세스 자동화로 이더넷-APL을 사용한 매끄러운 이더넷 연결
프로세스 자동화 애플리케이션으로 이더넷-APL을 사용해서 4mA-20mA나 필드버스 통신(파운데이션 필드버스 또는 PROFIBUS PA)을 대체하기 위해서는, 센서와 엑추에이터로 전원과 데이터를 모두 제공해야 한다. 프로세스 자동화 애플리케이션으로 필드 디바이스와 제어 시스템 사이의 거리가 중요한 해결 과제였다. 기존의 산업용 이더넷 물리 층 기술로는 거리가 100미터로 제한되었기 때문이다. 프로세스 자동화 애플리케이션으로 최대 1킬로미터에 이르는 거리가 요구되고 0종 장소(본질 안전) 애플리케이션에 사용하기 위해서 극히 낮은 전력과 견고한 필드 디바이스가 요구됨으로써, 프로세스 자동화 용으로 이더넷 물리 층 기술을 구현하기 위한 새로운 접근법이 필요하게 되었다. 이러한 새로운 접근법으로서 개발된 것이 이더넷-APL이다.
이더넷-APL은 10BASE-T1L 물리 층의 전이중, dc 밸런싱, 점-대-점 통신을 기반으로 하며, 7.5MBd 심볼 레이트에 PAM 3 변조 방식과 4B3T 코딩을 사용한다. 또한 두 가지 진폭 모드를 지원한다. 최대 1000미터 케이블로 2.4V 피크를 사용하는 것과 축소된 거리로 1.0V 피크를 사용하는 것이다. 1.0V 피크 진폭 모드를 지원하므로, 이 새로운 물리 층 기술을 방폭 시스템(Ex) 환경에도 사용할 수 있고 엄격한 최대 에너지 제한을 충족할 수 있다. 10BASE-T1L은 단일의 차폐 꼬임쌍 케이블을 통해서 2와이어 기술로 전원과 데이터 모두를 긴 거리로 전송할 수 있다.
필드 디바이스로 전원 공급을 보면, 이더넷-APL은 0종 장소 애플리케이션으로 최대 500mW를 제공할 수 있다. 이와 비교해서 4mA-20mA 시스템은 약 36mW를 제공할 수 있다. 비-본질 안전 애플리케이션으로는, 사용하는 케이블에 따라서 최대 60W의 전력이 가능하다. 네트워크 에지로 훨씬 더 높은 전력을 사용할 수 있으므로, 기능과 성능을 높인 새로운 필드 디바이스를 사용할 수 있다. 더 이상 4mA-20mA 및 필드버스의 전력 한계로 제한되지 않기 때문이다. 예를 들어서 이와 같은 추가적인 전력을 사용해서 더 높은 성능의 측정과 향상된 에지 데이터 프로세싱이 가능하다. 그러면 프로세스 변수들에 대해서 더 많은 데이터를 얻을 수 있고 이것을 필드 디바이스(필드 자산)로 실행되는 웹 서버를 통해서 액세스할 수 있다. 그러므로 궁극적으로 프로세스 흐름과 자산 관리를 최적화하고 향상시킬 수 있다.
더 풍부한 데이터셋을 활용해서 새로운 통찰을 이끌어내기 위해서는 이러한 새로운 필드 디바이스로부터 프로세스 설비를 거쳐서 플랜트 인프라나 클라우드로까지 데이터셋을 전송하고 처리하기 위해서 더 높은 대역폭의 통신 링크가 필요하다. 이더넷-APL은 복잡하고 전력 소모가 심한 게이트웨이를 제거할 수 있으며 IT(information technology)와 OT(operational technology) 영역들 간에 융합적인 이더넷 네트워크를 형성할 수 있다. 이러한 융합적인 네트워크는 설치를 간소화하고, 디바이스 교체를 용이하게 하고, 네트워크 커미셔닝과 구성을 빠르게 할 수 있다. 그러므로 소프트웨어 업데이트를 빠르게 하고 원인 분석과 필드 디바이스 유지보수를 간소화할 수 있다.
현재까지 프로세스 자동화 애플리케이션에는 표 1에서 보는 것과 같은 레거시 통신 표준들이 주로 사용되어 왔다. 새로운 10BASE-T1L 이더넷 표준을 사용함으로써 이들 표준의 한계점을 극복할 수 있다. 10BASE-T1L은 기존에 설치된 일부 케이블을 재사용할 수 있으며, 10BASE-T1L 물리 층에 기반한 이더넷-APL을 사용해서 프로세스 자동화 설치의 브라운필드 업그레이드가 가능하다.
표 1: HART를 사용한 4mA-20mA, 필드버스, 10BASE-T1L 통신 비교
이더넷-APL 가능 디바이스와 통신하기 위해서는 매체 액세스 제어(MAC) 기능을 통합한 호스트 프로세서나 10BASE-T1L 포트를 갖춘 이더넷 스위치가 필요하다(그림 2).
그림 2: 10BASE-T1L PHY를 사용한 이더넷-APL 필드 디바이스의 데이터 연결
그림 3은 이더넷-APL 용의 제안 네트워크 토폴로지를 보여주는 것으로서, 트렁크 및 스퍼 네트워크 토폴로지라고 한다. 트렁크 케이블은 길이가 최대 1킬로미터까지 가능하고, 2.4V 피크 PHY 진폭을 사용하고, 1종 장소, 2종 부문에 사용된다. 스퍼 케이블은 길이가 최대 200미터까지 가능하고, 1.0V 피크 PHY 진폭을 사용하고, 0종 장소, 1종 부문에 사용된다. 전원 스위치는 제어 측에 상주하며, 이더넷 스위치 기능을 제공하고 케이블로 전원을 제공한다(데이터 라인을 통해서). 필드 스위치는 필드 측에서 위험한 장소에 상주하고 케이블로부터 전원을 공급받는다. 필드 스위치는 이더넷 스위치 기능을 제공하고, 스퍼의 필드 레벨 디바이스를 트렁크로 연결하고 필드 레벨 디바이스로 전원을 전달한다.
트렁크 케이블로 다중의 필드 스위치를 연결하면 네트워크로 다수의 필드 레벨 디바이스를 연결할 수 있다.
그림 3: 이더넷-APL과 10BASE-T1L을 사용한 매끄러운 에지-대-클라우드 연결
Chronous™는 아나로그디바이스(Analog Devices)의 산업용 이더넷 솔루션 포트폴리오로서, 이들 제품을 사용해서 산업용 이더넷 네트워크를 빠르게 구축할 수 있다. 이들 제품에 관한 더 자세한 정보는 analog.com/chronous에서 볼 수 있다.
이더넷-APL(advanced physical layer)은 장치 산업으로 센서와 엑추에이터로 이더넷 통신을 적용하는 것에 관해서 정의한 것으로서, IEC 표준으로 발표될 예정이다. 2019년 11월 7일에 승인된 10BASE-T1L(IEEE802.3cg-2019) 이더넷 물리 층 표준을 기반으로 하며, 위험한 장소에서 사용할 때의 구현과 방폭 기법을 포함한다. 프로세스 자동화 분야의 주요 기업들이 PI(PROFIBUS and PROFINET International), ODVA, FieldComm Group에 속해서 산업용 이더넷 프로토콜로 이더넷-APL을 사용할 수 있도록 하고 이 표준을 보급하기 위해서 애쓰고 있다.
그렇다면 이더넷-APL이 왜 중요할까? 이더넷-APL은 높은 대역폭을 제공하고 필드 디바이스로 매끄러운 이더넷 연결을 가능하게 하므로, 프로세스 자동화 분야로 근본적인 변화를 가져올 것으로 기대된다. 이더넷-APL을 사용함으로써, 지금까지 이더넷의 사용을 필드로만 제한했던 여러 제한점들을 극복할 수 있다. 이러한 제한점들로서 전력, 대역폭, 케이블, 거리, 위험한 장소에서의 사용을 들 수 있다. 브라운필드 업그레이드로든 새로운 그린필드 설치로든 이더넷-APL을 사용해서 이러한 제한점들을 극복함으로써 이전에 가능하지 않던 새로운 통찰을 제공할 수 있다. 예를 들어서 프로세스 변수, 이차적 파라미터, 자산 건전성 피드백을 결합하고 이것들을 제어 층으로 매끄럽게 통신할 수 있다. 이와 같이 더 많은 데이터를 활용해서 데이터 분석으로 새로운 것들을 할 수 있고, 운영 상의 유용한 통찰을 도출하고, 필드에서부터 클라우드까지 융합적인 이더넷 네트워크를 통해서 생산성을 향상시킬 수 있다(그림 1).
그림 1: 프로세스 자동화로 이더넷-APL을 사용한 매끄러운 이더넷 연결
프로세스 자동화 애플리케이션으로 이더넷-APL을 사용해서 4mA-20mA나 필드버스 통신(파운데이션 필드버스 또는 PROFIBUS PA)을 대체하기 위해서는, 센서와 엑추에이터로 전원과 데이터를 모두 제공해야 한다. 프로세스 자동화 애플리케이션으로 필드 디바이스와 제어 시스템 사이의 거리가 중요한 해결 과제였다. 기존의 산업용 이더넷 물리 층 기술로는 거리가 100미터로 제한되었기 때문이다. 프로세스 자동화 애플리케이션으로 최대 1킬로미터에 이르는 거리가 요구되고 0종 장소(본질 안전) 애플리케이션에 사용하기 위해서 극히 낮은 전력과 견고한 필드 디바이스가 요구됨으로써, 프로세스 자동화 용으로 이더넷 물리 층 기술을 구현하기 위한 새로운 접근법이 필요하게 되었다. 이러한 새로운 접근법으로서 개발된 것이 이더넷-APL이다.
이더넷-APL은 10BASE-T1L 물리 층의 전이중, dc 밸런싱, 점-대-점 통신을 기반으로 하며, 7.5MBd 심볼 레이트에 PAM 3 변조 방식과 4B3T 코딩을 사용한다. 또한 두 가지 진폭 모드를 지원한다. 최대 1000미터 케이블로 2.4V 피크를 사용하는 것과 축소된 거리로 1.0V 피크를 사용하는 것이다. 1.0V 피크 진폭 모드를 지원하므로, 이 새로운 물리 층 기술을 방폭 시스템(Ex) 환경에도 사용할 수 있고 엄격한 최대 에너지 제한을 충족할 수 있다. 10BASE-T1L은 단일의 차폐 꼬임쌍 케이블을 통해서 2와이어 기술로 전원과 데이터 모두를 긴 거리로 전송할 수 있다.
필드 디바이스로 전원 공급을 보면, 이더넷-APL은 0종 장소 애플리케이션으로 최대 500mW를 제공할 수 있다. 이와 비교해서 4mA-20mA 시스템은 약 36mW를 제공할 수 있다. 비-본질 안전 애플리케이션으로는, 사용하는 케이블에 따라서 최대 60W의 전력이 가능하다. 네트워크 에지로 훨씬 더 높은 전력을 사용할 수 있으므로, 기능과 성능을 높인 새로운 필드 디바이스를 사용할 수 있다. 더 이상 4mA-20mA 및 필드버스의 전력 한계로 제한되지 않기 때문이다. 예를 들어서 이와 같은 추가적인 전력을 사용해서 더 높은 성능의 측정과 향상된 에지 데이터 프로세싱이 가능하다. 그러면 프로세스 변수들에 대해서 더 많은 데이터를 얻을 수 있고 이것을 필드 디바이스(필드 자산)로 실행되는 웹 서버를 통해서 액세스할 수 있다. 그러므로 궁극적으로 프로세스 흐름과 자산 관리를 최적화하고 향상시킬 수 있다.
더 풍부한 데이터셋을 활용해서 새로운 통찰을 이끌어내기 위해서는 이러한 새로운 필드 디바이스로부터 프로세스 설비를 거쳐서 플랜트 인프라나 클라우드로까지 데이터셋을 전송하고 처리하기 위해서 더 높은 대역폭의 통신 링크가 필요하다. 이더넷-APL은 복잡하고 전력 소모가 심한 게이트웨이를 제거할 수 있으며 IT(information technology)와 OT(operational technology) 영역들 간에 융합적인 이더넷 네트워크를 형성할 수 있다. 이러한 융합적인 네트워크는 설치를 간소화하고, 디바이스 교체를 용이하게 하고, 네트워크 커미셔닝과 구성을 빠르게 할 수 있다. 그러므로 소프트웨어 업데이트를 빠르게 하고 원인 분석과 필드 디바이스 유지보수를 간소화할 수 있다.
이더넷-APL 솔루션의 이점
이더넷-APL을 사용해서 네트워크를 융합함으로써 비싸고 복잡하고 전력 소모가 심한 게이트웨이를 제거할 수 있다. 또한 극심하게 분열적인 필드버스 인프라로부터 이전할 수 있다. 이러한 분열적인 특성 때문에 데이터 섬이 발생되고, 이 때문에 필드 디바이스 내의 데이터로 접근이 제한되어 왔다. 게이트웨이를 제거함으로써 이러한 레거시 설치의 비용과 복잡성을 크게 낮출 수 있고 데이터 섬 문제를 제거할 수 있다.현재까지 프로세스 자동화 애플리케이션에는 표 1에서 보는 것과 같은 레거시 통신 표준들이 주로 사용되어 왔다. 새로운 10BASE-T1L 이더넷 표준을 사용함으로써 이들 표준의 한계점을 극복할 수 있다. 10BASE-T1L은 기존에 설치된 일부 케이블을 재사용할 수 있으며, 10BASE-T1L 물리 층에 기반한 이더넷-APL을 사용해서 프로세스 자동화 설치의 브라운필드 업그레이드가 가능하다.
표 1: HART를 사용한 4mA-20mA, 필드버스, 10BASE-T1L 통신 비교
| 비교 | HART 사용 4mA-20mA |
필드버스 | 10BASE-T1L |
| 데이터 대역폭 | 1.2kbps | 31.25kbps | 10Mbps |
| 상위 수준 이더넷 연결 | 복잡한 게이트웨이 | 복잡한 게이트웨이 | 게이트웨이가 필요 없이 매끄러운 연결 |
| 장비로 전력 공급 | <40mW | 제한적인 전력 | IS: 500mW non-IS는 최대 60W (케이블에 따라 다름) |
| 전문 인력 | 전문 인력 감소 | 전문 인력 감소 | 이더넷 기술은 모든 대학 졸업생들에게 매우 익숙하다. |
이더넷-APL 가능 디바이스와 통신하기 위해서는 매체 액세스 제어(MAC) 기능을 통합한 호스트 프로세서나 10BASE-T1L 포트를 갖춘 이더넷 스위치가 필요하다(그림 2).
그림 2: 10BASE-T1L PHY를 사용한 이더넷-APL 필드 디바이스의 데이터 연결
이더넷-APL 케이블과 네트워크 토폴로지
10BASE-T1L 표준은 특정한 전송 매체(케이블)를 정의하고 있지 않으며, 대신에 채널 모델을 정의하고 있다(리턴 손실과 삽입 손실 요구). 이 채널 모델은 오늘날 PROFIBUS PA 및 파운데이션 필드버스에 사용되는 필드버스 타입 A 케이블과 잘 맞는다. 그러므로 일부 설치된 4mA-20mA 케이블을 이더넷-APL에 재사용할 수 있다. 단일 꼬임쌍 케이블은 좀더 복잡한 케이블에 비해서 가격이 저렴하고, 크기가 더 작고, 더 손쉽게 설치할 수 있다는 이점이 있다.그림 3은 이더넷-APL 용의 제안 네트워크 토폴로지를 보여주는 것으로서, 트렁크 및 스퍼 네트워크 토폴로지라고 한다. 트렁크 케이블은 길이가 최대 1킬로미터까지 가능하고, 2.4V 피크 PHY 진폭을 사용하고, 1종 장소, 2종 부문에 사용된다. 스퍼 케이블은 길이가 최대 200미터까지 가능하고, 1.0V 피크 PHY 진폭을 사용하고, 0종 장소, 1종 부문에 사용된다. 전원 스위치는 제어 측에 상주하며, 이더넷 스위치 기능을 제공하고 케이블로 전원을 제공한다(데이터 라인을 통해서). 필드 스위치는 필드 측에서 위험한 장소에 상주하고 케이블로부터 전원을 공급받는다. 필드 스위치는 이더넷 스위치 기능을 제공하고, 스퍼의 필드 레벨 디바이스를 트렁크로 연결하고 필드 레벨 디바이스로 전원을 전달한다.
트렁크 케이블로 다중의 필드 스위치를 연결하면 네트워크로 다수의 필드 레벨 디바이스를 연결할 수 있다.
그림 3: 이더넷-APL과 10BASE-T1L을 사용한 매끄러운 에지-대-클라우드 연결
새로운 것을 가능하게 하는 새로운 이더넷-APL 디바이스
식음료, 제약, 석유가스 설비 같은 환경으로 이더넷-APL을 사용해서 필드부터 클라우드까지 매끄럽게 연결된 프로세스 자동화를 달성할 수 있다. 이더넷-APL은 훨씬 더 높은 전력을 제공할 수 있으므로 기능과 성능을 향상시킨 새로운 필드 디바이스들을 지원할 수 있다. 이러한 새로운 디바이스들로부터 풍부한 데이터셋을 얻을 수 있고, 클라우드 컴퓨팅을 활용해서 강력한 데이터 분석을 할 수 있다. 이로부터 조치 가능한 통찰을 이끌어내고 프로세스 최적화를 할 수 있다. 그럼으로써 장치 산업으로 새로운 사업 모델이 가능해지고, 좀더 복잡한 제조 플로우를 지원할 수 있고, 새롭게 얻어진 통찰로부터 가치를 창출할 수 있다.Chronous™는 아나로그디바이스(Analog Devices)의 산업용 이더넷 솔루션 포트폴리오로서, 이들 제품을 사용해서 산업용 이더넷 네트워크를 빠르게 구축할 수 있다. 이들 제품에 관한 더 자세한 정보는 analog.com/chronous에서 볼 수 있다.
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