최근 몇 년간 산업용 무선 기술에 대해 많은 언급이 있었으나, 실제로 산업용 신기술은 아니다. 예를 들어 해상 석유 및 가스 시추선의 기계 상태 정보를 육상의 통제실에 전달하는 과정에 있어, 지난 수십 년간 레이더와 위성 시스템이 사용돼 왔다. 그러나 초기의 산업용 무선 기술은 전용 기술의 성격이었으며, 지난 몇 년간 산업용도의 무선 플랫폼에 대한 표준화 활동이 관련 논의를 촉진해 왔다. 동시에 현재 소비자 무선 기술의 시장 진출이 우세해짐에 따라 무선 기술 전반에 대한 신뢰를 촉진해 산업용으로도 어느 정도 실험적으로 설치되고 있다.
필자 : Flow Control 편집장 Matt Migliore(Matt@GrandViewMedia.com)
[ConocoPhillips에서 기존 제어 시스템과 Coriolis 유량계로부터 고급 진단 기능에 대한 접근을 제공하는 에머슨의 Smart Wireless THUM 어댑터.]
※ 출처 : ConocoPhillips(conocophillips.com)
더 많은 옵션 제공하는 표준화
최종 사용자 입장에서 고려대상이 될 만한 2개의 표준은 ISA100과 Wireless HART다. ISA100(isa.org/isa100)은 일련의 애플리케이션 요구사항들을 위한 무선 표준의 체계를 개발하기 위해 진행 중인 전반적인 활동이다. Wireless HART는 국제적으로 승인된(IEC 62591) 무선 표준으로서 현재 HART Communication Foundation (hartcomm.com)에 의해 공급되는 HART 7 통신 프로토콜의 일부로 제공된다.
표준화 움직임은 장치 생산업체들이 다양한 감독 제어 시스템들과 상호운용이 가능한 무선 기술들을 경제적으로 개발할 수 있도록 했다. 이는 다시 최종 사용자들이, 상당히 광범위하며 입증된 기술 기반 중에서 선택하면서 해당 장치가 기존 시스템과 원활하게 통합된다는 일정 수준의 확신을 유지할 수 있게 됐다. 이에 대해 에머슨 프로세스 매니지먼트(www.emersonprocess.com/smartwireless)의 무선 판매 및 마케팅 담당이사인 Lara Kauchak은 “기술자들은 무선을 채택하고자 할 때 이제 최적화되지 못한 기술을 선택할 필요 없이 가장 선호하는 유선 장치에 대해 무선 옵션을 활용할 수 있다”고 말했다.
Kauchak에 의하면 특히 액체 취급 분야의 경우 에머슨에서 배터리 동작형 무선 차압 유량계와 WirelessHART 어댑터를 개발하기 위한 WirelessHART 사양을 채택했는데, 이는 유선 와류 유량계, 자기 유량계, Coriolis 유량계에 추가돼 유량 변수와 고급 진단 정보를 제어 시스템에 반송하는데 사용이 가능하다. 설비가 HART 진단을 위한 기능을 내장하지 않은 이전의 제어 시스템을 사용하는 경우 WIrelessHART 어댑터들은 유선 유량계들과 함께 사용해 진단 정보를 자산 관리 시스템으로 송신하며, 4-20mA 유량 변수는 원래의 배선을 통해 계속적으로 제어 시스템에 송신된다는 것이다.
2개의 산업용 무선 표준 활동(즉, ISA100과 WirelessHART)이 존재한다는 사실은 일부 최종 사용자, 장치 생산업체 그리고 각각의 표준 자체에 관여하는 당사자들에게 논란이 됐다. 그리고 양 표준 간의 일정 수준의 상호 운용성을 개발하기 위한 어느 정도의 논의가 있었으나, 이에 대한 진전은 늦어지고 있다.
궁극적으로 ISA100 또는 Wireless HART이건 이들의 조합이건 간에 무선 시스템에 대한 표준 기반 플랫폼으로의 이동은 여러 가지 방면에서 유익한 것이다. 이에 대해 GE Energy(ge-energy.com)의 SMART 제품 관련 글로벌 마케팅 관리자인 Sandro Esposito는 다음과 같이 언급했다. “이는 업계에 대해 장치 생산업체들이 제품들을 경제적으로 개발할 수 있도록 하는 개방형 표준들을 제공한다. 이는 주어진 애플리케이션에 대해 하나 이상의 가용한 무선 장치가 존재하며, 다양한 벤더들의 장치들이 조화된 백본(Backbone) 내에서 상호 운용이 가능하다는 것을 알게 돼 사용자들의 FUD(공포, 불확실성과 의심)를 제거한다. 결과적으로 최종 사용자의 요구는 보다 많아지고 벤더의 추진력이 될 것임이 분명하다.”
에머슨의 Kauchak의 입장은 다음과 같다. “표준의 미래는 시장에서 고객사들에 의해 결정될 것이다. 그러나 무선의 이점은 최종 사용자들에게 있어 너무 크기 때문에 아무도 컨버전스(Convergence)를 기다리고 있지 않다. 표준에 의해 17여 개의 주요 계장 벤더들이 무선 제품을 도입할 수 있게 됐다. 이것이 없었다면 사용자들은 상호 운용성이 없는 프로토콜을 사용해야 했을 것이다.”
무선 모니터링 vs. 제어
일반적으로 현재까지 액체 취급 분야를 위한 무선 시스템들은 제어보다는 모니터링에 사용돼왔다. 또한 WirelessHART와 ISA100 모두 제어 기반 애플리케이션들을 지원할 수 있다고 주장되지만, 최종 사용자들은 무선 전략을 일반적인 모니터링 형태 용도 이상으로 확장하는 것을 주저하는 부분이 있다.
이에 대해 GE Energy의 Esposito는 다음과 같이 말한다. “액체의 순수한 측정 및 모니터링 관점에서 무선을 이용해 여러 애플리케이션을 구현할 수 있으며, 지난 수년간 여러 고객사들이 그렇게 해왔다. 그러나 무선 트랜스미터에서 입력되는 신호를 이용한 PID 제어와 제어 밸브 포지셔너에 대한 명령 신호의 무선 송신은 완전히 다른 문제이며, 제 입장에서는 최종 사용자들이 견실하고, 신뢰할 수 있으며 유지 가능한 설치를 구현하는 데에 필요한 기술은 아직 제공되지 않고 있다.”
Esquito에 의하면, ISA100 계열의 최초 표준인 ISA100.11a와 WirelessHART 프로토콜들은 강력한 보안 기능을 내장하고 있으나, 무선 제어와 관련된 최종 사용자들의 1차적인 고려사항은 사이버 보안과 해커들이 통제권을 장악할 수 있다는 위험성에 대한 것이다. 또한 속도 문제도 고려돼야 한다. 일부 제어 루프들은 예를 들어 1초 이내에 측정을 처리하고, 이를 설정지점과 비교하며, 제어 밸브에 대해 명령을 송신해야 하기 때문이다. 이러한 구현의 경우 배터리 동작형 장치들의 사용시간은 1년 미만일 것이다. 따라서 최종 사용자들은 현장 장치 내에서 이중화와 내장 무선 제어 등의 기능이 지원될 때까지는 무선 애플리케이션의 채택에 신중해야 한다는 것이다.
반면, Esposito는 최종 사용자들이 공정의 개선을 위해 무선을 배치할 때, 현실적으로 예상할 수 있는 분명한 자연적 애플리케이션이 있다면서, “액체의 취급에서 무선을 가장 경제적으로 활용할 수 있는 분야는 분산제어시스템의 네트워크에서 원격 또는 고립돼 있으며, 이전 공정 제어기에 연결된 제어 밸브의 상태를 모니터링하는 애플리케이션”이라고 말했다. “이러한 애플리케이션의 경우 최종 사용자는 액위, 압력, 유량, 온도, pH 등등의 측정을 실행해 해당 정보를 경제적인 방법으로 감독 시스템에 전달할 수 있다”는 것이 그의 설명이다. 예를 들어, 원격 배관상의 무선 트랜스미터들은 배선 없이 인접 감독실(Monitoring Station)로 유량과 압력을 전달할 수 있다는 것이다. 그런 다음 감독실에서는 이 정보를 위성통신, 무선 신호 등을 이용해 전송할 수 있다. 이는 직접 배선 또는, 배관상의 공정 성능 데이터의 수동 기록을 위해 운전자를 배관으로 이동시키는 데에 필요한 시간과 노력을 절약한다. 제어 밸브 모니터링에 있어 무선 기술은 일반적인 디지털 밸브 포지셔너 내에 포함된 정보를 판독하지 못하는 기존 제어 시스템의 단점을 보완한다.
[기존 4-20mA 명령 신호로부터 전원을 공급받는, WirelessHART 어댑터를 실장한 제어 밸브.]
※ 출처 : GE Energy(ge-energy.com)
Esposito는 밸브 애플리케이션에 대해 ‘전면적’ 무선 제어가 아직은 어렵다는 반면, 에머슨의 Kauchak은 보다 가까운 미래에 제어 애플리케이션이 가능하다는 입장이다.
Kauchak은 “모든 신기술의 경우와 같이 가장 필수적인 애플리케이션과 제어에서 시험하지는 않을 것이지만, Wireless HART는 처음부터 제어를 지원하도록 개발됐다”며 “최종 사용자인 기술자들이 이 기술의 능력에 대해 보다 많은 경험을 축적하면서 이는 대단히 자연스럽게 제어 애플리케이션으로 이전하고 있다”고 말했다.
Kauchak은 WirelessHART가 보다 고속의 업데이트 속도, 시스템 이중화 그리고 개선된 보안 기능을 통해 일정한 무선 제어 기반 시나리오를 구현한다고 언급했다. 유량 애플리케이션의 경우 무선은 증기선(Steam Line)과 냉각수 같이 유속이 시간에 따라 급변하지 않는 연속흐름에 적합한 점을 예로 들 수 있다. Kauchak은 무선이 이중화 구성에 있어 2차 측정이 필수적인, 필수 애플리케이션에도 적합하다면서 이러한 경우에 대해 다음과 같이 언급했다. “유량계의 전선이 외란의 영향을 받거나 아날로그 측정치가 불량한 경우 WirelessHART는 2차 수준의 백업을 위해 시스템으로 재판독이 가능하다.”
애플리케이션 관련 고려사항과 일반적 오류들
무선 애플리케이션을 개발함에 있어 최종 사용자들이 필수적으로 고려해야 할 요소 중 하나가 소비전력이다. 애플리케이션이 보다 많은 업데이트를 요구할수록 소비전력이 증가한다. 대부분의 무선 트랜스미터들이 배터리 동작형이므로 무선 시스템의 경우 소비전력은 고려돼야 할 사항이다. 가용 전원은 제한돼 있으므로, 최종 사용자들은 항상 필요한 업데이트의 수에 대해 신중하게 고려하며 이들 업데이트를 최소화하도록 노력해야 할 것이다.
이에 대해 Esposito는 “특히 어댑터를 사용하는 애플리케이션들의 경우, 무선 장치의 전원 공급에 대해 주의하지 않는 경우가 많다”며 “이들 어댑터 대부분은 4-20mA 입력 신호로부터 전원을 추출하므로 전압 강하가 발생하게 되는데, 무선 어댑터와 현장 장치의 추가된 전압이 전원 능력을 초과하면 장치는 동작하지 않게 된다”고 설명했다.
Esposito는 이러한 시나리오는 밸브 포지셔너가 이전의 제어 시스템에 설치된 아날로그 출력 카드에 있어 일반적이라고 말했다. 이러한 아날로그 출력 채널들은 우선 전압 가용성이 제한돼 있다. 따라서 무선 어댑터를 추가하면 아날로그 출력은 양 장치에 전원을 공급할 수 없게 되는 것이다.
무선 시스템에 있어 또 다른 필수적인 고려사항은 사이버 보안이다. Esposito에 의하면 ISA100.11a와 Wireless HART 모두 견실한 사이버 보안 보호 기능을 내장해 설계됐지만, 최종 사용자들이 여전히 해킹에 대한 가능성을 우려하고 있다는 것이다. 그는 최종 사용자들이 ISA100.11a와 WirelessHART에 포함된 보안 기능들에 대한 이해를 확대하면서 이러한 고려사항들이 완화될 것으로 믿고 있다.
Kauchack은 무선 전략을 계획하는 경우 최종 사용자들이 무선 기술이 상당한 이점을 제공하는 예상하지 못한 장소를 찾아야 한다면서, 상하수도와 에너지 관리 분야가 비용 절약을 위한 좋은 기회를 제공한다고 언급했다. “배선을 제거하는 것은 가장 먼저 생각할 수 있는 것이지만 가장 큰 가치는 아니다. 유량 측정의 경우 배관 변경을 포함한 기존의 유선 유량계의 수분의 1의 시간과 기술작업으로 차압 유량계를 설치할 수 있다는 것은 이전에는 불가능했던 장소에 신규 측정을 추가할 수 있게 됐음을 의미한다.”
무선의 미래
이어서 Kauchak은 산업용 무선 기술은 무선 시스템들이 소비자 시장에서 발전한 것과 유사한 방향으로 진화할 것이라면서 다음과 같이 언급했다. “불과 10년 전에는 핸드폰이 크기만 컸지 디스플레이는 작고 흑백이었으며, 배터리 사용시간은 불과 몇 시간에 지나지 않았다. 웹 검색이나 다른 기능은 없었으나 통화는 가능했다. 산업용 무선 기술도 계속 발전할 것이다. 당시에는 측정할 수 있는 방법이 없어서 누구도 구현하지 않았던 PID 애플리케이션들을 위해 특별히 설계된 신규 측정 유형들이 개발돼, 업데이트 속도가 감소하고 제어가 주류가 될 것이다. 이는 오늘날 무선을 이용한 모니터링이 거의 주류로 채택되는 것과 동일하다.”
Esposito 역시, 생산업체들이 배터리에 대한 필요 없이 무선 장치들에 대한 전원 공급과 관련한 대부분의 제약조건들을 해결할 것으로 예상해, 산업용 무선 기술의 미래를 낙관하고 있다고 했다. 그리고 “이는 최종 사용자들이 무선을 추가적으로 채택, 구현할 수 있도록 할 것이며 대부분의 제어 시스템들은 무선 현장 장치들로부터 입력되는 변수들을 원활하게 통합할 수 있는 수단을 제공해, 무선을 이용한 보다 발전된 애플리케이션들이 제공될 것”이라고 말했다.
Esposito는 또, 무선 시스템 현장 장치들이 무선 게이트웨이에 대한 변수의 송수신과 전달 이상의 기능을 수행할 수 있을 것으로 예상하고 있다. 그는 이 기술이, 현장 장치들이 결정론적인 방법으로 변수들을 상호 교환해 공정 제어를 현장에서 무선으로 취급할 수 있도록 하는 파운데이션 필드버스(www.fieldbus.org)와 유사한 통신 버스가 될 것으로 예상하고 있다.
