프로세스 산업을 위한 디지털화

NOA, Ethernet-APL 및 MTP를 통한 미래 지향적 시스템 자동화

Sebastian Böse, 프로세스 산업 관리, Beckhoff Automation

"Ethernet-APL은 사용자에게 무한한 가능성을 열어줍니다. 이 기술을 빠르게 구현하려면 기존 설비에 통합할 수 있어야 하며, ELX6233 EtherCAT 터미널은 이를 위해 필요한 유연성, 모듈성, 확장성 및 보안을 사용자에게 제공합니다." © Beckhoff

프로세스 자동화에서 안정적이고 효율적인 생산 프로세스는 경제적인 플랜트 운영의 필수 조건이다. 최신 시스템 개념은 유지보수를 지원하고 프로세스 흐름을 최적화한다. Beckhoff는 NOA, Ethernet-APL, MTP를 구현하여 기존 시스템과 그린필드 시스템 모두를 위한 미래 지향적인 솔루션을 제공한다.

인더스트리 4.0 및 사물 인터넷과 같은 개념은 모든 플랜트 운영 데이터를 수집하고 이를 다양한 어플리케이션에서 사용할 수 있도록 하는 데 중점을 둔다. 이 데이터는 분석 도구에서 평가되어 필드 디바이스의 장애를 조기에 발견하는 등 사전 조치를 취할 수 있도록 지원한다. 또한 프로세스를 최적화하고 생산성을 높이는 데에도 사용할 수 있다.

프로세스 산업의 디지털화를 위한 PC 기반 제어 © Beckhoff

NOA를 통한 플랜트 모니터링 및 최적화

NAMUR 권장사항 NE175에 설명된 NOA (NAMUR 개방형 아키텍처) 개념은 기존 제어 시스템을 변경하지 않고도 자동화 아키텍처를 확장할 수 있다. 따라서 NOA의 핵심 역할은 필드 디바이스를 모니터링하고 프로세스를 최적화하기 위해 필드 레벨에서 상위 어플리케이션에 정보를 제공하는 것이다(모니터링 및 최적화 – M+O). 필드 레벨에서 전달되는 데이터 유형은 사용되는 필드 디바이스와 각 분석 도구에 따라 다르다. 여기서는 디바이스 상태 또는 프로세스 품질에 대한 정보를 포함한 주기적으로 판독해야 하는 매개변수에 중점을 둔다.

프로세스 자동화 분야에서는 다양한 프로토콜과 통신 기술이 사용된다. NOA 개념의 초기 구현을 위해 Beckhoff는 HART 프로토콜을 선택했다. 이 프로토콜은 널리 사용되며 여러 제조업체의 다양한 필드 디바이스에 구현되어 있다. 실제 4~20mA 측정 값에 디지털 신호를 중첩시킴으로써 필드 디바이스 상태와 같은 추가 데이터를 쉽게 전송할 수 있다. 또한 이미 많은 플랜트에서 자동화 아키텍처의 일부를 구성하고 있는 특수 공급 차단기를 사용하여 최소한의 노력으로 두 번째 채널을 열 수 있다. 즉, 필드 디바이스에 대한 연결이 4~20mA 신호, HART 통신 및 공급 전압으로 분리되어 있어 프로세스 제어 시스템과의 기존 연결이 중단되지 않는다. 따라서 두 번째 채널을 통해 데이터를 수신하고 M+O에 사용할 수 있다.

Lennart Winkler, 프로세스 산업 관리, Beckhoff Automation

”모든 플랜트에서 데이터에 액세스할 수 있도록 하는 것은 프로세스 자동화 분야에서 여전히 가장 큰 과제 중 하나입니다. 프로세스 플랜트가 상호 연결된 거대한 시스템 네트워크로 발전함에 따라 필드 디바이스에서 얻는 정보의 상당 부분을 액세스할 수 없게 되었습니다. NAMUR 오픈 아키텍처는 필드의 모든 정보에 표준화된 인터페이스를 제공하여 데이터에 빠르고 쉽게 액세스할 수 있도록 개발되었습니다. 콤팩트하고 확장 가능한 NOA 엣지 디바이스는 오래된 시스템을 업그레이드하여 미래에 대비한 운영을 보장합니다." © Beckhoff

Beckhoff는 EL3182 아날로그 EtherCAT 입력 터미널을 통해 HART 프로토콜로 두 개의 필드 디바이스를 매우 작은 설치 공간에서 연결할 수 있는 방법을 제공한다. CX8110과 같은 임베디드 PC와 TwinCAT 자동화 소프트웨어를 결합하면 별도의 하드웨어 개발 없이도 모듈식 확장형 엣지 디바이스를 구축할 수 있다. 엣지 디바이스에는 세 가지 주요 기능이 있다:

– HART 프로토콜을 통한 활력 데이터 수신

– 데이터 변환 및 해석

– 상위 레벨의 분석 도구에 정보 제공

HART 프로토콜을 통해 활력 데이터를 읽을 수 있도록 엣지 디바이스에서 명령을 전송해야 한다. 판독되는 데이터와 이를 필드 디바이스에 저장하는 데 사용되는 명령은 디바이스 유형(pH, 산소, 온도 등) 및 제조업체에 따라 다르다. Beckhoff는 활력 데이터를 판독하는 데 필요한 정보를 저장하는 데이터베이스를 개발했다. 해당 파일을 TwinCAT으로 읽어들여 데이터베이스에 저장된 모든 필드 디바이스와의 통신을 용이하게 한다. 필드 디바이스가 엣지 디바이스에 연결되면 자동으로 감지되어 관련 HART 명령이 전송되고, 수신된 데이터는 저장된 변환 테이블과 TwinCAT 기능을 통해 변환된다.

그 시점에서 PLC에 저장된 활력 데이터는 다음 단계의 추가 분석 어플리케이션에 사용될 수 있어야 한다. NAMUR은 이를 위해 OPC UA를 사용할 것을 권장한다. Beckhoff의 포트폴리오는 TwinCAT OPC UA Server를 비롯한 여러 제품을 제공한다. 이는 저장된 정보 모델을 기반으로 하며 PLC에서 직접 활력 데이터로 채워진다. 이 정보 모델은 PA-DIM(프로세스 자동화 - 디바이스 정보 모델)을 기반으로 하지만, 사용자가 추가 매개변수를 사용하여 확장할 수도 있다. 감지된 필드 디바이스 유형에 따라 개별 OPC UA 노드를 자동으로 제거하거나 추가할 수 있다.

IP67 보호 등급의 EP 시리즈 I/O 박스 모듈을 필드에 직접 설치하여, 진동 또는 온도 측정과 같은 추가 센서로 수집된 진단 데이터를 기존 필드 디바이스의 데이터와 함께 캡처할 수 있다. 여러 개의 센서가 하나의 모듈에 연결되고 신호는 하나의 케이블을 통해 엣지 디바이스로 일괄 전송된다. 이 방식은 케이블 라우팅 작업을 줄이면서 컨트롤 캐비닛에 필요한 공간도 줄여준다.

검증된 자동화 피라미드와 함께 연결 요소로서의 NOA © Beckhoff

Ethernet-APL을 통한 완벽한 데이터 수집

NOA 개념은 플랜트 설계 단계에서 센서를 추가하여 모니터링 및 최적화를 위한 더 많은 데이터를 제공할 수 있다는 점에서 그린필드 플랜트에도 이점을 제공한다. Ethernet-APL과 같은 새로운 기술을 사용하면 구현이 더욱 간단해진다.

이 새로운 통신 기술은 최대 1,000미터의 케이블 길이와 10 Mbit/s의 전송 속도를 지원하는 10BASE-T1L 이더넷 표준을 기반으로 한다. 전원과 데이터는 Ethernet-APL을 통해 동일한 한 쌍의 전선(싱글 페어 이더넷)을 통해 전송된다. 폭발성 대기 환경의 모든 구역에서 전원 공급 제한은 IEC 60079-47 (2-WISE) 사양에 의해 정의된다. 설치를 간소화하고 사용되는 디바이스의 연결성을 개선하기 위해 프로젝트 그룹은 TS10186 기술 사양에 포트 프로파일을 정의했다. 포트 프로파일에는 연결 및 세그먼트 수준에 대한 정보 외에도 각 디바이스 연결에 대한 방폭(Ex) 승인을 포함한다.

Ethernet-APL 개념은 필드 레벨에서 상위 제어 시스템에 이르기까지 프로세스 기술 플랜트의 전체 통신을 이더넷 기반으로 구현하는 것을 목표로 한다. 이는 순수한 프로세스 데이터뿐만 아니라, 특히 필드 디바이스의 상태 정보에도 중점을 둔다. 필드버스 시스템에 비해 전송 속도가 향상되어 웹 서버를 매개변수화하거나 필드 디바이스에서 직접 데이터 시트 또는 인증서를 다운로드하는 데 사용할 수 있다.

콤팩트하고 확장 가능한 NOA 엣지 디바이스 © Beckhoff

사용자들은 구현 과정에서 여전히 여러 가지 문제에 직면한다. 앞서 언급된 이점을 전반적으로 즉시 활용하려면 APL을 지원하는 필드 디바이스가 필요하다. 그러나 이 기술은 아직 초기 단계에 있기 때문에 시장에는 광범위한 포트폴리오가 제공되지 않고 있다. 기존 플랜트에서는 스위치와 같은 추가 인프라 구성 요소를 설치할 공간도 부족하다. 이더넷 기반 통신 기술을 필드 레벨까지 구현하려면 IT 및 OT 보안을 위한 새로운 기능과 정책도 필요하다.

사용자들이 Ethernet-APL을 플랜트에 통합하고 현재 제공되는 여러 이점을 활용하려면 어떻게 해야 할까? 한 가지 해결책은 새로운 기술을 HART 프로토콜과 같은 검증된 표준과 결합하는 것이다. 따라서 기존 플랜트는 새로운 APL 디바이스로 점진적으로 디지털화될 수 있으며 완전한 전환의 장벽을 극복할 수 있다.

이러한 이유들 덕분에 Beckhoff는 이미 Ethernet-APL 기술을 모듈형 터미널 포트폴리오에 통합했다: ELX6233 EtherCAT 터미널은 Ethernet-APL을 위한 2채널 통신 인터페이스를 제공한다. 전형적인 필드 스위치 개념과 달리 APL 필드 디바이스를 통합할 수 있는 대안을 제공한다. 모듈형 시스템을 사용하면 컨트롤 캐비닛에 필요한 Ethernet-APL 채널의 수를 정확하게 설치할 수 있으므로 소중한 공간을 절약하고 어플리케이션을 유연하게 확장할 수 있다.

ELX6233의 확장성은 소규모 테스트 설정뿐만 아니라 대규모 프로세스 플랜트에서 Ethernet-APL 필드 디바이스를 통합하는 데 효율적인 솔루션을 제공한다. EtherCAT 터미널 시스템의 일부인 ELX6233은 다른 디지털 및 아날로그 I/O와 결합되어 Ethernet-APL 외에도 표준 전기 신호 또는 통신 프로토콜을 통합할 수 있다. CX 임베디드 PC에 직접 연결하면 여러 가지 이점이 있는데, 그 중 하나는 NOA 어플리케이션이 필드에서 데이터를 처리하고 필터링한 후 추가로 공유할 수 있다는 점이다.

ELX6233 2채널 통신 인터페이스를 사용하면 Ethernet-APL 필드 디바이스를 콤팩트한 모듈 방식으로 제어 아키텍처에 통합 가능하다. © Beckhoff

Beckhoff 포트폴리오의 많은 EtherCAT 터미널처럼 ELX6233은 위험지역 Zone 2에 설치할 수 있으며 Zone 0에서 Ethernet-APL 필드 디바이스를 연결할 수 있다. 이 인터페이스는 IEC 60079-47의 사양을 준수하고 SPAA 포트 프로파일을 따른다.

Ethernet-APL은 종단 간 이더넷 통신으로 인해 IT 및 OT 보안 측면에서 추가적인 문제를 가져온다. 많은 PROFINET 아키텍처와 달리, 컨트롤러는 상위 컨트롤러가 아닌 EtherCAT 터미널 내에 직접 위치한다. 이 설계는 사용자가 터미널을 통해 모든 데이터 트래픽을 필터링하고 방화벽을 설치할 수 있는 옵션을 제공한다. 필드 스위치에 비해 터미널은 프로세스 데이터에 무단으로 접근할 수 있는 기회도 줄여준다. 이러한 아키텍처는 어플리케이션의 성능 측면에서도 추가적인 이점을 이끌어낸다. 센서에 대한 점대점(point-to-point) 연결은 기존 PROFINET 네트워크에서 잘 알려진 문제인 원치 않는 교차 트래픽으로 인한 네트워크 과부하 위험을 제거한다. EtherCAT은 다른 필드버스에 비해 프로세스 이미지의 데이터 크기가 더 작기 때문에 시스템 사이클 시간도 단축할 수 있다.

Ethernet-APL은 Beckhoff의 모듈형 EtherCAT 터미널 시스템에서 다른 통신 표준과 원활하게 결합 가능하다. © Beckhoff

일관되게 모듈화된 시스템을 위한 TwinCAT MTP

제약 산업과 같은 프로세스 산업의 많은 업계가 직면하고 있는 새로운 과제 중 하나는 판매 시장 전반의 변동성 증가이다. 이는 가속화된 개발 주기에 따라 더 짧은 시장 출시 시간을 필요로 한다. 제품 수명 주기가 단축되고, 특히 경제적으로 수익성이 높으면서 동시에 개별화된 소량 생산이 요구된다.

점점 더 인기를 얻고 있는 솔루션은 플랜트를 모듈형으로 설계하여 다양한 용도로 모듈을 재사용할 수 있는 옵션을 제공하는 것이다. 이 과정은 플랜트의 전체 프로세스를 개별 하위 프로세스로 세분화하고 모듈을 사용하여 매핑하는 작업이 포함된다. 각 모듈에 대해 별도의 분산형 컨트롤러를 사용하여 전체 플랜트의 모듈화를 달성할 수 있다. 이후 개별 모듈을 상위 레벨의 제어 시스템(예: DCS)에 통합하여 전체 프로세스를 다시 매핑할 수 있다. 그 결과, 개발 작업은 플랜트 엔지니어링에서 모듈 엔지니어링으로 전환되며 현재 요구 사항에 따라 적은 노력으로 플랜트를 유연하게 수정할 수 있다. 플랜트에 모듈을 추가할 수 있고, 이미 통합된 모듈을 재배치하거나 제거할 수도 있다. 대부분의 로직이 개별 모듈에 캡슐화되어 있으므로 완전한 재프로그래밍이 필요하지 않다. 상위 컨트롤러는 모듈과 모듈이 제공하는 서비스의 조정만 처리하므로, 이를 프로세스 조정 계층(POL)이라고 한다.

Franziska Rostan, 프로세스 산업 관리, Beckhoff Automation

"최적의 플랜트 운영을 위해서는 플랜트의 가용성, 효율성, 유연성을 높이는 것이 핵심입니다. 이를 위해서는 혁신적인 디지털 기술이 필요합니다. 원활한 모니터링과 지속적인 프로세스 최적화를 위해서는 대규모 플랜트에서도 필드 디바이스 데이터를 신속하고 완벽하게 전송해야 합니다. 또한 이 시스템을 모듈화하여 기업이 끊임없이 변화하는 시장 요구사항에 유연하게 대응할 수 있도록 할 수도 있습니다. Beckhoff가 제공하는 PC 기반 제어와 NOA, Ethernet-APL 및 MTP용 제품 및 솔루션을 사용하면 이러한 요구 사항을 충족하고 플랜트를 자동화하여 미래에 적합한 플랜트를 만들 수 있습니다." © Beckhoff

실제로 이 개념은 프로세스 모듈 설명을 위한 제조업체 독립적 표준인 모듈 유형 패키지(MTP)에 의해 구현된다. NAMUR과 ZVEI에 의해 시작한 MTP는 서비스, 통신 및 HMI 템플릿 형태의 기능을 포함하여 프로세스 모듈을 모듈식 플랜트에 통합하는 데 필요한 모든 정보를 포함한다. MTP 지침에 정의된 인터페이스는 플러그 앤 프로듀스 동작을 가능하게 하여 플랜트 재사용과 관련된 작업과 비용을 제거한다. 즉, 모듈은 한 번만 개발하면 되며 이후에는 컨트롤러 제조업체 및 POL에 관계없이 다른 플랜트에 통합할 수 있다.

MTP는 산업 부문에서 디지털 전환의 필수 요소로 여겨지고 있다. 일반적으로 MTP를 사용하면 플랜트 KPI가 크게 향상될 것으로 기대한다. 전문가들은 출시 기간을 평균 절반으로 단축하고, 엔지니어링 비용을 70% 절감하며 유연성을 80%까지 증가시킬 수 있을 것으로 예상한다.

결론

프로세스 산업은 NAMUR 오픈 아키텍처와 PA-DIM을 통해 이기종 시스템을 상위 분석 도구에서 표준화되고 구조화된 방식으로 매핑하기 위한 기반을 마련하고 있다. 즉, 기존 플랜트를 즉시 디지털화하여 유지보수 비용 절감 등의 이점을 얻을 수 있다.

PA-DIM과 같은 표준화된 데이터 모델에 대한 아이디어는 NOA와는 별개로 미래에 흥미로운 주제가 될 것이다. 예를 들어, 시스템 섹션은 게이트웨이 어플리케이션에서 결합되어 정의된 정보 모델에서 DCS로 전달될 수 있다. 이로 인해 DCS는 센서의 프로세스 이미지에 의존하지 않게 되어 다양한 제조업체의 필드 디바이스를 원활하게 교환할 수 있다. 또한, 제어 루프를 분산형으로 구현하여 DCS를 완화하고 데이터 트래픽을 감소 시킬 수 있다.

Laurids Beckhoff, 프로세스 산업 관리, Beckhoff Automation

"모듈형 패키지(MTP) 개념의 모듈성은 프로세스 플랜트 설계에 혁신을 가져왔으며, 빠른 출시 기간, 유연성 향상, 경제적인 소량 생산 능력과 같은 이점을 제공합니다. MTP의 표준화된 인터페이스는 특수 모듈을 프로세스 조정 계층에 플러그 앤 플레이(plug-and-play) 방식으로 통합하고 원활한 운영을 가능하게 합니다. TwinCAT MTP는 자동 코드 생성을 통해 모듈을 쉽게 개발할 수 있는 환경을 제공합니다. 이 접근 방식은 사양에 대한 심층적인 지식의 필요성을 최소화합니다. 실제로 모듈 개발을 간소화하고 프로세스 업계의 전문가가 모듈화의 이점을 효율적으로 활용할 수 있도록 지원합니다." © Beckhoff

플랜트가 모듈 기반으로 구조화되는 MTP 개념에서도 유사한 접근 방식을 추구한다. 각 모듈에는 표준화된 인터페이스 설명을 통해 자동화 아키텍처에 통합되는 자체 컨트롤러가 장착되어 있다. 이를 통해 MTP는 사용되는 모듈을 변경하여 시장 상황에 맞게 생산을 유연하게 조정할 수 있다. 또한, 고장 발생 시 개별 모듈을 신속하고 쉽게 교체할 수 있어 다운타임을 줄일 수 있다.

모듈식 접근 방식은 Ethernet-APL을 Beckhoff 포트폴리오에 통합하는 과정에서도 계속 이어진다. 대형 필드 스위치 대신 APL 필드 디바이스는 콤팩트한 EtherCAT 터미널을 통해 통합된다. 예를 들어 디지털 센서와의 통신을 위해 다른 터미널과 유연하게 결합될 수 있다. 컨트롤러와 직접 통합하면 게이트웨이 또는 엣지 어플리케이션에 더 많은 가능성을 제공할 수도 있다. Ethernet-APL과 NOA는 이미 Beckhoff 자동화 기술의 도움으로 원활하게 함께 작동한다.