공정 자동화에 최적화된 ‘이더넷-APL’

[테크월드=선연수 기자] 이더넷-APL(Advanced Physical Layer)은 프로세스 산업용으로 센서와 엑추에이터에 이더넷 통신을 적용하는 것에 관해 정의한 것이다. 이는 IEC 표준으로 발표될 예정이며, 2019년 11월 7일에 승인된 10BASE-T1L(IEEE802.3cg-2019) 이더넷 물리층(Ethernet physical layer) 표준에 기반해 위험한 장소에서 사용 시의 구현과 방폭 기법을 포함한다.

공정 자동화 분야의 주요 기업들은 PI(PROFIBUS and PROFINET International), ODVA, 필드컴 그룹(FieldComm Group)에 속한 산업용 이더넷 프로토콜로 이더넷-APL을 사용할 수 있도록 하고, 이 표준을 보급하기 위해 노력하고 있다.

필드 제한 뛰어넘는 이더넷-APL

이더넷-APL이 중요한 이유는 무엇일까? 이더넷-APL은 높은 대역폭을 제공하며 필드 디바이스로의 매끄러운 이더넷 연결을 지원해, 프로세스 자동화 분야에 근본적인 변화를 가져올 것으로 기대된다.

이더넷-APL를 사용해 지금까지 이더넷의 사용을 필드로만 제한했던 여러 제한점도 극복할 수 있다. 제한된 항목으로는 전력, 대역폭, 케이블 연결, 거리, 위험한 장소에서의 사용 등이 있다. 브라운필드 업그레이드를 위해서든 새로운 그린필드 설치를 위해서든, 이더넷-APL로 이런 제약을 극복함으로써 새로운 통찰력을 얻을 수 있게 된다[그림 1].

이를 통해 공정 변수, 이차적 파라미터, 자산 건전성 피드백을 결합하고 제어 층으로 매끄럽게 연결할 수 있다. 더 많은 데이터를 활용해 새로운 분석을 시도할 수 있고, 운영을 위한 유용한 정보를 도출하고, 필드부터 클라우드까지 융합된 이더넷 네트워크를 통해 생산성을 높일 수도 있다.

공정 자동화에 이더넷-APL 적용하기

공정 자동화 애플리케이션에 이더넷-APL을 사용할 경우, 4~20mA나 필드버스 통신(파운데이션 필드버스 또는 PROFIBUS PA)으로 대체하기 위해 전원과 데이터 모두를 센서와 엑추에이터에 제공해야 한다.

공정 자동화 애플리케이션에서 필드 디바이스와 제어 시스템 간 거리는 중요한 해결 과제 중 하나였다. 기존 산업용 이더넷 물리층 기술은 거리가 100m로 제한적이었기 때문이다. 공정 자동화 애플리케이션에서 최대 1km에 이르는 거리가 요구되면서 제로존(0 Zone, 본질적으로 안전한) 애플리케이션에 사용하기 위해 극히 낮은 전력과 견고한 필드 디바이스가 필요하게 됐다. 이로 인해 공정 자동화용 이더넷 물리층 기술을 구현하기 위한 새로운 접근법으로써 이더넷-APL이 개발됐다.

이더넷-APL은 10BASE-T1L 물리층의 풀 듀플렉스(Full-duplex, 전이중), DC 균형(dc-balanced), 점-대-점 통신 체계에 기반하며, 이는 7.5MBd 심볼 레이트와 4B3T 코딩에서 PAM 3 변조 방식을 사용한다. 공정 자동화에 이더넷-APL을 적용함으로써 얻을 수 있는 장점을 하나씩 살펴보자.

통신 거리 연장

최대 1000m 케이블로 2.4V 피크를 사용하고, 축소된 거리로 1.0V 피크를 사용함으로써 2가지의 진폭 모드를 지원한다. 1.0V 피크 진폭 모드를 통해 방폭 시스템(Ex) 환경에 적용할 수 있고 까다로운 최대 에너지 제한도 충족할 수 있다. 10BASE-T1L은 단일 차폐연선 케이블을 통해 2와이어 기술로 전원과 데이터 모두 장거리 전송이 가능하다.

필드 공급 전력 확대

필드 장치로 전력을 공급함에 있어, 이더넷-APL은 제로존 애플리케이션에서 최대 500mW를 공급할 수 있다. 이는 오늘날 4~20mA 시스템에서 제공하는 36mW와 확연한 차이를 보인다.

비본질적인(Nonintrinsically) 안전 애플리케이션에서는 케이블에 따라 최대 60W의 전원 공급이 가능하다. 네트워크 엣지에서는 4~20mA의 제한이나 필드 버스 전력 제한이 더 이상 적용되지 않기 때문에 더 많은 전력을 사용할 수 있다. 이로 인해 기능과 성능을 높인 새로운 필드 디바이스를 사용할 수 있게 된다.

이런 추가 전력을 활용하면, 측정 성능을 높이고 엣지상에서의 데이터 처리 성능을 향상시킬 수 있다. 이를 통해 프로세스 변수에 대한 가치있는 통찰력을 확보할 수 있고, 이는 필드 디바이스(필드 자산)에서 실행되는 웹 서버를 통해 접근(Access)할 수 있다. 궁극적으로는 프로세스의 흐름과 자산 관리를 개선하고 최적화할 수 있게 된다.

대역폭 확장

더 많은 데이터셋을 활용해 새로운 통찰을 끌어내기 위해서는 필드 디바이스로부터 프로세스 설비를 거쳐 플랜트 인프라나 클라우드로 데이터셋을 전송해야 한다. 이를 전송·처리하기 위해서는 더 높은 대역폭의 통신 링크가 필요하다.

IT·OT 영역 융합

이더넷-APL은 복잡하고 전력 소모가 심한 게이트웨이 없이도, IT(Information Technology)와 OT(Operational Technology) 영역이 융합된 이더넷 네트워크를 형성할 수 있다. 융합 네트워크는 설치를 간소화하고, 디바이스 교체를 쉽게 만들며, 네트워크 커미셔닝과 구성을 빠르게 돕는다. 이를 통해 원인 분석과 필드 디바이스의 유지 보수를 간소화함으로써 소프트웨어 업데이트 속도도 높여준다.

이더넷-APL을 사용해 네트워크를 융합하게 되면, 복잡하고 전력 소모가 많은 게이트웨이를 없앨 수 있다. 이를 통해 레거시 설치 비용과 복잡성을 크게 절감할 수 있다. 또한, ‘데이터 섬’과 같이 데이터에 대한 접속을 필드 레벨 디바이스 내로 제한하는 극히 파편화된 필드 버스 인프라에서 벗어나도록 해준다.

[표 1] HART를 사용한 4mA-20mA, 필드버스, 10BASE-T1L 통신 비교

기존의 공정 자동화 애플리케이션에는 [표 1]과 같은 레거시 통신 표준들이 주로 사용됐다. 새로운 10BASE-T1L 이더넷 표준을 사용하면 기존 표준의 한계점을 극복할 수 있다. 10BASE-T1L은 기존에 설치된 일부 케이블을 재사용할 수 있으며, 10BASE-T1L 물리층에 기반한 이더넷-APL을 사용해 공정 자동화 설치의 브라운필드를 업그레이드할 수 있다.

이더넷-APL 구현이 가능한 디바이스와 통신하기 위해서는 MAC(Media Access Control) 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 특정 전송 매체(케이블)를 정의하지 않지만, 채널 모델(리턴 손실과 삽입 손실 요구)은 정의하고 있다. 이 채널 모델은 오늘날 PROFIBUS PA와 파운데이션 필드버스에 사용되는 필드버스 타입 A 케이블에 적합하다. 이로 인해 설치된 일부 4~20mA 케이블을 이더넷-APL에 재사용할 수 있다. 단일 연선 케이블은 좀더 복잡한 케이블에 비해 가격이 저렴하고, 크기가 더 작고, 더 손쉽게 설치할 수 있다는 이점을 가진다.

[그림 3] 이더넷-APL과 10BASE-T1L을 사용한 매끄러운 에지-대-클라우드 연결

[그림 3]은 이더넷-APL용도로 제안된 네트워크 토폴로지를 나타낸다. 이를 트렁크·스퍼 네트워크 토폴로지라고 한다.

트렁크 케이블은 최대 1km까지 가능하고 2.4V 피크 PHY 진폭을 사용하며, 퍼스트존(Zone 1)과 디비전 2(Division 2)에 사용된다. 스퍼 케이블은 최대 200m까지 가능하고 1.0V 피크 PHY 진폭을 사용하며, 제로존(Zone 0)과 디비전 1(Division 1)에 사용된다.

전원 스위치는 제어 측에 상주하며, 이더넷 스위치 기능을 제공하고 전원을 케이블로 공급(데이터 라인을 통해)된다. 필드 스위치는 필드 측에서 위험한 장소에 상주하며 전원을 케이블에서 공급받는다. 필드 스위치는 이더넷 스위치 기능을 제공하고 스퍼의 필드 레벨 디바이스를 트렁크로 연결하며 필드 레벨 디바이스로 전원을 공급한다.

또한, 다중 필드 스위치를 트렁크 케이블로 연결하면, 네트워크로 다수의 필드 레벨 디바이스를 연결할 수 있다.

이더넷-APL 디바이스가 여는 새로운 기회

식품, 제약, 석유가스 설비와 같은 환경에 이더넷-APL을 사용하면, 필드부터 클라우드까지 매끄럽게 연결된 공정 자동화를 구현할 수 있다. 이더넷-APL은 기존보다 훨씬 높은 전력을 공급할 수 있어 기능과 성능이 향상된 새로운 필드 디바이스를 지원할 수 있다. 새 디바이스들로부터 풍부한 데이터셋을 얻을 수 있고, 클라우드 컴퓨팅을 활용해 강력한 데이터 분석을 수행할 수 있다. 이를 바탕으로 실행 가능성이 뒷받침되는 통찰을 이끌어내고 프로세스를 최적화할 수 있다. 이는 프로세스 산업용의 새로운 사업 모델을 가능하게 만들고 더 복잡한 제조 플로우를 지원하며 새로 얻은 통찰력으로부터 유용한 가치를 창출하게 돕는다.

글: 모리스 오브라이언(Maurice O’Brien) ADI 전략 마케팅 매니저
자료제공: 아나로그디바이스

- 이 글은 테크월드가 발행하는 월간 <EPNC 電子部品> 2020년 11월 호에 게재된 기사입니다.

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