접근이 어려웠던 현장의 데이터를 최신 무선 테크놀러지를 통해 더욱 쉽게 수집하고 전달할 수 있기 때문에 이제는 플랜트에서 좀 더 넓은 시야를 확보할 수 있게 되었다. 국내외적으로 이러한 플랜트에서의 무선 솔루션 도입은 우리가 생각하는것보다도 빠르게 진전되고 있다.
무선 필드 통신 시스템의 등장 덕분에 플랜트 현장 및 주변 환경에서 좀더 많은 정보를 수집하는데 있어서 겪게되는 실질적이고 경제적인 장벽이 크게 감소되었다. 이제는 기존의 컨트롤 시스템을 갖고 있는 플랜트에서 조차도 독립적으로 떨어져 있는 장비에서 정보를 전송시키는 기술을 활용할 수 있게 되었다. 즉 예전에는 접근이 어렵거나 가능하지 않았던 정보를 현재에는 수집이 용이해져 무선 디바이스에서 플랜트 컨트롤 시스템까지 전송시킬 수 있다. 결국 담당자에게 자산 건전성과 프로세스 상황 데이터를 빠르고 지속적으로 전달해줌으로써 다음과 같은 결과가 나타난다.
o 자산 유지보수 개선
o 장비 신뢰성 강화
o 플랜트 downtime 감소
o 프로세스 컨트롤 개선
o 안전성 향상
o 환경 관련 규정을 확실히 준수
o 대체적으로 유선 시스템보다 낮은 비용으로 설치 가능
이러한 무선 시스템은 전형적인 플랜트 환경에서 작동하는 다른 무선 네트워크와 공존하고 이를 보완해 줍니다. 예를 들면 기존의 IEEE 802.11 Wi-Fi 광대역 무선 이더넷과 TCP/IP 표준은 산업 플랜트 내부나 주변에서 사용되는 수천 개의 제품에 이미 장착되어 있다. 
산업 등급의 Wi-Fi 인프라를 사용해서 새로운 솔루션을 찾고 새로운 모범 사례를 도입할 수 있다. 현장 작업자들은 개인 컴퓨터의 어플리케이션에 쉽게 접근하고, 사무용 PC에서도 작업을 수행할 수 있다. 이 작업에는 위급사항 검토 및 대응, 프로세스 관찰 그리고 작업 내용 검색 등이 포함된다. 개인 통신 방식 덕분에 작업자들은 통제실에서 벗어나 있더라도 더욱 생산적으로 장비를 확인할 수 있다.
변화의 도전
제어에 대한 필요 요건과 주변 환경은 시간에 따라 변한다. 이에따라 컨트롤 시스템도 변하거나 애초 필요했던 것보다 더 많은 정보를 소화해야 할 필요가 있다. 예를들면 현재 많은 국가에서는 건강, 안전성 그리고 환경(HSE)에 관해 새롭거나 더욱 엄격한 규정들이 시행되고 있다. 이런 규정들 때문에 플랜트 주변의 Safety shower 상태를 지속적으로 모니터링해 도움이 필요할 때 지원해야 할 상황이 생길 수 있다. 마찬가지로 수동밸브의 경우, 오작동에 의해 사고가 발생하는 일을 피하기 위해 이 밸브 상태를 반드시 알고 있어야 하는 경우가 발생할 수 있다. 또한 새는 곳이 있는지 확인하기 위해 Safety Relief 밸브를 체크해야 할 경우가 발생할 수도 있다.
무선 플랜트 네트워크
인력을 줄이거나 혹은 더 자주 업데이트를 해야 할 경우 플랜트 현장을 다니는 작업자들의 육안검침에만 의지한다는 건 거의 불가능하다. 혹은 실수할 가능성이 있거나 개인적인 부상 위험이 있는 현장에서는 수작업 측정을 줄이는 편이 나을 수 있다. 다운타임을 줄이려면 펌프, 모터와 같은 자산을 지속적으로 체크하는 것이 오히려 현명한 판단일 것이다.
컨트롤 룸으로 보고할 수 있는 현장 계기로 이 모든 일들을 완수할 수 있다. 그러나 기능을 새로 추가하기 위해 유선 트랜스미터를 설치하는 일은 일반적으로 엄청난 비용이 수반된다. 플랜트에서 새로이 유선 Signal, 트레이 공간, DCS I/O 포인트를 추가하는 것은 실제로 쉽지 않은 일이다.
심지어는 새 플랜트에서도 유선이나 케이블로는 현실적으로 접근할 수 없을 만큼 멀리 떨어진 현장도 많이 있다. 게다가 효율적인 문제 해결을 위해서는 플랜트 곳곳의 기능에 대한 더 많은 정보가 컨트롤 룸으로 전달되어야 한다. 결과적으로 이런 도전과제는 물론 그 이상을 해결하기 위해 수천 개의 플랜트는 새로운 무선 인프라를 의지하게 될 것이다. 예를 들면 어느 시스템과도 유선으로 연결되지 않고 어디에 설치되었건 상관없이 반드시 수동으로 검침을 해야 했던 압력측정기와 온도 측정기, 진동지역 유량계 그리고 레벨 사이트글라스 등도 이제 무선으로 연결시킬 수 있다.
무선 플랜트 시스템은 새로운 솔루션을 제공하고 장착이 빠르다는 점을 포함해서 이미 인상적인 성과를 내고 있습니다. 사용자들이 사용하고 있는 혁신적인 무선 솔루션에 대한 내용은 최근 도입된 무선 솔루션 표( 표 1. 참조)에 요약되어 있다.
HART에서 WirelessHART로
무선 트랜스미터가 상대적으로는 새롭지만 생산 및 사용에 대한 기준은 이미 시행되고 있다. WirelessHART는 전체 디지털 무선 프로토콜로서 2007년 컨트롤 산업 표준에서 승인 받았다. 따라서 무선 테크놀러지 도입을 원하는 기업들은 단 한 명의 생산자가 제공하는 한정된 수량의 제품만을 믿고 있을 필요가 없다. 다수의 납품업체가 제공하는 디바이스는 이 표준에 맞게 생산되기 때문에 쉽게 호환이 가능하기 때문이다.
WirelessHART 트랜스미터는 Wi-Fi와 동일한 공간에서 상생할 수 있도록 해주는 IEEE 802.15.4 표준을 활용한다. 유선 HART 디바이스에 사용되는 같은 IEC 61158 어플리케이션 레이어가 가장 위에 사용되기 때문에 기존의 디바이스 관리 소프트웨어와 쉽게 통합될 수 있다. IEEE 802.15.4는 종종 ZigBee와 같은 뜻으로 사용되지만 사실은 그렇지 않다는 것에 주시해야 할 필요가 있다. ZigBee는 단지 IEEE 802.15.4의 물리적 레이어와 데이터 링크 레이어 프로토콜을 사용하는 여러개의 네트워크와 어플리케이션 레이어 프로토콜 중 하나에 불과하다. WirelessHART는 IEEE 802.15.4를 사용하지만 ZigBee와는 다르다. 블루투스(Bluetooth)는 IEEE 802.15.1이고, ZigBee 보다 전력 소모량이 더 크며 좀 더 짧은 거리에서 작동하고 메쉬(mesh) 토폴로지가 없기 때문에 무선 현장 네트워크에서는 사용되지 않는다.
WirelessHART 표준을 따르는 디바이스는 어떤 형태의 센서라도 지원할 수 있기 때문에 오늘날 모든 HART 제품처럼 컨트롤이 목적이건 혹은 모니터링이 목적이건 상관없이 이런 디바이스는 거의 모든 산업 어플리케이션에서도 작동이 가능하다. 이미 수많은 제조업체들이 WirelessHART 표준을 만족시키는 트랜스미터와 게이트웨이를 제공하겠다고 발표했다.
인프라 결정
신규 플랜트에 설치되거나 업데이트가 진행 중인 플랜트에 설치되어도 무선 인프라는 수년 동안 사용이 가능하다. 따라서 무선에 대한 결정은 컨트롤 시스템에 대한 결정과 마찬가지로 매우 중요하다. 산업 무선 네트워크 상 주요 고려 요인은 신뢰성과 보안이며 WirelessHART는 두 가지 요인을 모두 만족시킨다.
WirelessHART의 고유한 특징은 자가 구성형태(Self-organizing)의 메쉬를 기반으로 한 네트워크로서 방해물에 의한 통신 장애가 발생할 경우 이 주변의 다른 루트를 통해 메시지를 전송함으로써 신뢰성을 제공한다는데 있다. 프로토콜의 구성 데이터는 ‘상태와 값’ 데이터가 포함된다. 이로 인해 사용자들은 보고된 측정 값이 정확한지 확인하고 측정 방법의 타당성에 대한 통찰력을 갖게된다. 무선망 네트워크의 자가 구성 능력은 기중기와 같은 방해물이 나타나거나 트럭이 기존 신호 경로를 일시적으로 막을 경우에 그 능력이 발휘되는 것을 볼 수 있다.
네트워크상의 신호가 게이트웨이까지 도달할 수 있는 대체 경로를 스스로 간단하게 알아낸다. 따라서 메쉬 네트워크는 더욱 강력 할 수 밖에 없는 것이다.
WirelessHART의 메쉬 네트워크의 자가 구성(Self-organizing)은 기 구축된 신호 경로가 막힐 경우에 다른 경로를 바로 찾도록 작동된다. 또한 망 프로토콜은 모든 디바이스가 트랜시버(Transceiver) 같이 작동하기 때문에 게이트웨이(트랜스미션 리시버 ) 수를 줄여 주고, 게이트웨이의 통신라인에서 빠진 다른 디바이스에서 받은 메시지를 연결할 수 있다. 일반적으로 이러한 통신 시스템에서는 필요한 현장 조사가 빠질 수 있기 때문에 무선 필드 네트워크는 설치가 용이하다. 채널 노이즈에 대한 대응 방안으로는 채널 호핑, 노이즈 채널 블랙 리스트 작성 그리고 '스프레드 스팩트럼' 전송이 포함된다. 보안 대응에는 암호화, 연결 인증 그리고 메시지 확인이 포함된다.
대부분 플랜트에서는 보안 디바이스에 유선의 HART, 컨트롤 장치로는 Foundation fieldbus 그리고 모터 스타터와 드라이브에는 Profibus-DP와 같은 프로토콜을 혼용하여 사용하는 것이 일반적인 경향이다. 이들은 컨트롤 및 디바이스 관리 시스템으로 통합되어 모든 디바이스가 정확하고 실행 가능한 정보를 시기 적절하게 담당자에게 전달해 줄 수 있기 때문에 이 부분에서 차이가 생긴다. 무선 장치는 새롭기 때문에 기존과 다른 요구조건들이 무선 필드 네트워크에 적용된다. 이런 내용은 새로운 시스템을 설계하거나 업그레이드할 때 명확하게 정의되어야 한다.
기존 시스템의 Wireless 확장 및 호환성
얼핏 보면 플랜트에 있는 분산 제어 시스템( DCS )이 무선을 지원하기에는 너무 오래 되었다고 생각될 수 있다. 그렇지만 새것이거나 오래됐거나 상관없이 기존 시스템과 통합될 수 있는 필드 디바이스인 ‘무선 게이트웨이’를 사용하면 이런 분명한 장애물도 극복될 수 있다. 사실, WirelessHART를 지원하지 않는 통제 시스템에도 WirelessHART 게이트웨이를 부착할 수 있다.
무선 게이트웨이는 Modbus/RTU, Modbus/TCP 그리고 OPC를 지원한다. 따라서 태생적으로는 무선지원 기능이 부족했던 DCS로 무선 트랜스미터에서 받은 프로세스 변수들을 제공하면서, 기존의 컨트롤 시스템으로 연결될 수 있다. 더불어 무선 게이트웨이에 내장된 HTTP Web서버 덕분에 컨트롤 시스템 지원 없이도 일반 웹 브라우저에서 WirelessHART 네트워크 셋업이 가능하다.
모든 디바이스 관련 정보가 필드 장치와 디바이스 관리 소프트웨어 사이를 효율적으로 통과하면서 기존 통제 시스템과 함께 지능형 디바이스 관리 소프트웨어를 설치할 수 있다. 따라서 오래된 플랜트라도 무선과 디바이스 관리의 장점을 함께 누릴 수 있다.
또한 유선 HART 디바이스 역시 무선과 함께 확장될 수 있습니다. 수천개의 플랜트는 유선 HART 디바이스를 사용하지만 이 컨트롤 시스템에는 HART 인터페이스가 부족하다. 유선형 트랜스미터와 밸브 포지셔너는 ‘무선 어댑터’와 조화를 이뤄서 디바이스 관리 소프트웨어에서 이들의 진단을 위해 접근할 수도 있고, 구성될 수 있다. 이런 기능을 일상적인 업무 관행과 잘 통합시킴으로써 기존 자산의 수명과 가치를 증대시키고 연장시킬 수 있다. 또한 무선 인프라 노화에 대해 생각해보자. 이는 일반 컨트롤 시스템처럼 약 15년 정도 사용할 수 있다. 오늘 구입한 디바이스 관리 소프트웨어가 앞으로 플랜트에 도입될 다른 종류와 새로운 버전의 무선 디바이스를 어떻게 구성하고 진단할 수 있을까?
유선 HART, 파운데이션 필드버스(Foundation fieldbus) 그리고 프로피버스(Profibus) 디바이스에 대한 이러한 호환성은 IEC61804-3 표준 EDDL(Electric Device Description Language)을 통해 확보된다. 새 무선 트랜스미터나 새 버전이 플랜트에 시행될 때마다, 디바이스의 EDDL 파일을 시스템에 복사해서 소프트웨어를 지속적으로 업데이트 할 수 있는 것이다. 파일은 디바이스 제조업체의 의도대로 정확하게 디바이스 관리 소프트웨어를 디스플레이 하도록 해주고, 헬프 텍스트와 문장이미지 형태로 노하우를 제공해 줄 수 있게 한다.
처음 단계와 그 이후
이제 무선 인프라는 기존 디바이스 그리고 컨트롤 시스템과 함께 사용하도록 쉽게 설치할 수 있다. 수많은 플랜트는 단일 게이트웨이와 통신할 여러 개의 디바이스로 구성된 무선 필드 네트워크로 작게 시작한다.
트랜스미터 하나를 설치하려면 게이트웨이, 컴퓨터 그리고 소프트웨어 등을 설치해야 하기 때문에 첫 번째 무선 포인트는 불가피하게 가장 비쌀 수 밖에 없다. 그렇지만 일단 이런 인프라가 자리를 잡으면 게이트웨이 하나가 수많은 트랜스미터를 지원하기 때문에 후속 트랜스미터를 설치할 때마다 금액의 추가없이 무선 디바이스 비용만을 지불하면 된다.
이런 첫 번째 무선 네트워크가 구동 되자마자 운영 및 유지보수 담당자들은 플랜트 주변을 대상으로 수많은 다른 어플리케이션을 발견할 수 있다. 그리고 자산 모니터링과 프로세스 데이터 수집에 대해 오랫동안 품고 있던 바람을 충족시키게 될 것이다. 현재 수동으로 수집되고 있거나 또는 전혀 손을 못 대고 있는 측정방식 리스트를 작성해서 여러분의 플랜트에 있는 어플리케이션을 찾아 보자. 모니터링 어플리케이션은 최소한의 리스크도 없이 기술을 평가할 수 있는 좋은 기회를 제공해 줄 것이다.
유지보수 예산으로 Wireless Starter용품 한 셋트를 구입해 보자. 이 용품을 가지고 일단 무선 기술을 체험한 뒤, 모든 부서 - 엔지니어링, 운영, 유지보수 등 - 를 참가시켜 이렇게 빠르게 등장하는 테크놀러지가 어떻게 장비 신뢰성을 제고하고, 플랜트 고장을 줄여주고 프로세스 통제를 개선시키고 결과적으로 더 안전한 작업장을 만들 수 있는지를 모든 이들이 볼 수 있는 기회를 갖도록 하자.
제공_ 한국에머슨프로세스매니지먼트, www.emersonprocess.kr
김철민 기자 (min@icnweb.co.kr)
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