당분간 4-20mA, 필드버스, 무선 통신기술 종합적 사용
WirelessHART 및 ISA100 무선 통신 표준을 채택한 설비 운영업체는 필드 데이터 전송용의 2가지 추가적인 통신 솔루션을 선택할 수 있다. 이러한 이유로 많은 사용자들은 어떤 유·무선 통신 프로토콜이 효율적이고 안전한 미래형 기술인지 정의를 내리지 못하고 있다.
필드 신호는 필드버스, 무선 통신이나 전통적인 4-20mA 기술을 통해 프로세스 제어시스템(PCS)에 연결할 수 있다. 기술을 선택할 때는 적용 분야와 그 분야의 구체적인 요건을 반드시 고려해야 한다. 필드 디바이스를 프로세스 제어시스템에 연결하는 무선 통신의 사용 여부는 매스컴, 컨퍼런스 및 무역 박람회 등에서 주요 논제로 채택되고 있다.
그러나 무선 통신은 새로운 기술이 아니다. 1990년대에도 데이터는 무선으로 컴퓨터 시스템에 전송됐다. 그 당시에도 사설 이동 통신기와 주파수 공용 통신 시스템의 서비스는 1km 이상의 거리 문제를 극복하는 가교 역할을 했다. 최근 몇년전만 해도 이 같은 응용 분야에 GHz 주파수 대역이 할당돼 피닉스컨택트의 트러스티드 무선 기술처럼 다수의 독점 무선 시스템 개발에 영향을 끼쳤다. WirlessHART 및 ISA100은 설비 운영업체가 장비를 선택할 때 제조업체에 구애 받지 않아도 되는 무선 통신 표준이다.
프로세스 제어 기술과 필드버스 시스템
다양한 필드버스 시스템을 이용해 필드 디바이스를 프로세스 제어시스템에 직접 연결할 수 있다. FOUNDATION fieldbus FF-H1와 PROFIBUS PA는 프로세스 엔지니어링 표준으로 입지를 굳혔다(그림 1). 이 2가지 표준에는 동일한 물리학, 즉 작동 전압 용도로 2선 기술과 데이터 변조 방식이 사용된다. 그러나 2가지 표준은 데이터 통신, 차폐 설계 및 버스 종단 방식에서 서로 차이가 있다. 그래도 필요한 설치 재료, 케이블 및 연결 기술은 동일하기 때문에 필드버스 시스템으로 사용할 수 있다. 모듈 방식으로 조립된 활성 필드버스 분배기가 등장함에 따라 작동 상태를 유지한 채 확장이나 오류가 발생하더라도 교체할 수 있다. 필드 디바이스에 도달하는 최대 전류는 소모량에 따라 조정 가능하므로 필드버스를 더욱 효율적이고 안전하게 운용할 수 있다. 설비의 가용성도 높일 수 있다(그림 2).
<그림 1. FOUNDATION fieldbus FF-H1 또는 PROFIBUS PA용 모듈 방식 필드버스 인프라.>
<그림 2. 필요에 따라 조정할 수 있는 FOUNDATION fieldbus 또는 PROFIBUS 디바이스 연결 전류.>
프로세스 제어 엔지니어링용 필드 디바이스와 인터페이스 구성 요소는 버스 호환성을 보장하지 않으므로 사용자는 반드시 필드버스 시스템을 선택해야 한다. 많은 PCS 제조업체는 FOUNDATION fieldbus FF-H1 및 PROFIBUS PA 표준을 통합할 수 있기 때문에 프로세스 제어시스템을 기준으로 필드버스 시스템을 선택하는 경우가 많다. 그러나 일반적으로 시스템에 대한 전문 지식을 갖춰야 툴 및 기능성, 통합 측면에서 보다 나은 지원이 이뤄지는 시스템을 선택할 수 있다. 이런 이유로 프로세스 제어시스템이 버스시스템 선택을 좌우한다.
전통적인 4-20mA 기술
많은 설비 운영업체는 전통적인 4-20mA 필드 신호를 설치한다. 그러나 필드버스 기술과 달리, 4-20mA 기술은 신호당 하나의 필드 변수만 전송할 수 있다는 단점이 있다. FOUNDATION fieldbus FF-H1 및 PROFIBUS PA를 이용하면 필드 디바이스당 여러 개의 변수를 연결할 수 있다(예 : 유동률 및 온도). 게다가 HART 기능을 이용해서 4-20mA 필드 디바이스의 파라미터를 변경하는 일은 시간 소모적이고 제약도 많다. 필드 디바이스를 이용하면 파라미터 변경 절차가 더욱 간단하고 빠르며 원하는 경우 자동화도 가능하다. 그럼에도 불구하고 4-20mA 디바이스와 필드버스 디바이스의 가격차는 비교적 적다. 일부 환경에서는 비용이 사실상 비슷한 경우도 많다.
4-20mA 기술의 유일한 장점은 필드 분배기, 케이블 및 I/O 시스템과 같은 설치 기반이 모두 유사한 방식을 유지한다는 점이다. 그러나 필드버스 기술 사용자가 운용 프로세스를 더 효율적으로 조정하고 더 빠르게 재구성할 수 있다고 느끼기 때문에, 4-20mA 기술은 중장기적으로 경쟁력이 떨어질 수밖에 없다. 마찬가지로 정비 인력이 더는 버스 시스템에 익숙하지 않다는 주장도 설득력을 얻는다. 설치, 정비 및 운용 작업을 수행하는 다수의 젊은 직원들은 휴대전화와 PC를 사용하면서 자란 세대이므로, 필드버스 기술 및 관련 소프트웨어 툴을 이용한 작업이 생소하기만 하다.
무선 통신 특징
필드버스 기술과 무선 통신 기술은 저마다 나름대로의 장단점을 가지고 있다. 예를 들어, 무선 통신은 배터리를 교체해야 할 경우, 구매 및 유지보수에서 더 많은 비용이 소요된다. 유선 또는 무선 통신 기술을 선택할 때는 다음과 같은 여러 가지 무선 통신 솔루션 사용자의 경험을 고려하는 게 유용하다.
● GHz 범위의 전파는 단파의 특성을 보이기 때문에 광파와 유사하게 준광파(Quasi-Optical) 방식으로 전파되는 경향이 있다. 송·수신 안테나 사이 가시선에 장애물이 있을 경우, 전파가 최적의 상태로 수신되지 않는다.
● 데이터는 전자기장의 도움으로 안테나를 통해 전송된다. GHz 범위에서는 전자기장만 사용할 수 있다. 그런데 건물, 파이프나 탱크가 전자기장을 반사하기 때문에 신호 강도가 증폭, 약화, 심지어 아예 소멸되기도 한다.
● 간섭을 최소화하고 보다 높은 송수신 신호 품질을 유지하려면 적합한 안테나를 선택해서 제대로 설치하는 것이 중요하다. 안테나는 가급적 높고 수신 안테나와의 가시선이 유지되는 곳에 설치해야 반사를 줄일 수 있다.
● 고정 설치 기반을 변경하기 전에 시험 가동을 통해 전파의 강도와 최적의 안테나 위치를 파악할 것을 권장한다.
● 무선 연결의 품질은 환경의 영향으로 품질이 달라지기도 한다. 따라서 장비를 변경하거나 새로 설치하면 기존의 무선 통신 품질이 저하될 수 있다.
합리적인 수준의 비용 및 인력 투자를 통해 유선 통신을 설치할 수 있는 경우라면 무선 통신을 지양하는 게 좋다. 그 밖의 경우라면 무선 데이터 전송이 효과적인 대안이 될 수 있다.
한정된 범위의 WirelessHART, ISA100.11A
프로세스 엔지니어링 사용에 적합한 무선 시스템은 많다. WirelessHART 표준과 ISA100.11A 표준을 비교해보면 두 시스템이 동일한 성능을 보장한다는 사실을 알 수 있다. 두 표준의 차이점은 기존의 인프라 통합시 확실히 나타난다. HART 통신은 이미 다양한 4-20mA 필드 디바이스의 필수 요소로 자리잡았기에 WirelessHART 기술은 더 빠르게 시장 기반을 마련할 것으로 보인다. 그러므로 WirelessHART 기술을 지원하는 디바이스는 무선 데이터 어댑터를 이용해 무선 네트워크에 통합할 수 있다. 지금도 4-20mA 신호를 통해 필드 변수를 전송할 수 있다. 새로 출시되는 무선 필드 디바이스들은 변수를 무선으로 전송하는데 필요한 안테나와 배터리를 갖추고 있다. 필드 디바이스의 안테나는 하우징에 단단히 고정되기 때문에 가장 적절한 쪽으로 방향을 바꾸거나 더 효과적인 위치에 설치하는 건 불가능하다. 그러므로 사용자가 설치 장소에서 전계 강도를 측정한 후 디바이스를 설치해야 한다.
WirelessHART 기술을 이용하려면 대규모 무선 인프라를 설치해야 한다. 무선 필드 디바이스나 무선 어댑터와 프로세스 제어시스템 간의 인터페이스 기능을 수행하는 무선 게이트웨이가 이런 용도로 현장에 설치된다. 무선 게이트웨이에는 필드 디바이스와 데이터를 교환하는데 필요한 안테나가 부착된다. 무선 게이트웨이는 프로세스 제어시스템의 LAN 연결용 이더넷 커넥터를 갖추고 있다. 피닉스컨택트의 WirelessHART 게이트웨이는 LAN 인터페이스와 WLAN 인터페이스를 모두 갖추고 있어서 LAN 케이블을 별도로 설치할 필요가 없다(그림 3). 그러나 WirelessHART 및 ISA100.11A 기술은 송파 전력이 10mW로 한정되는 범위 제약의 단점이 있다. 최대 3km의 범위를 보장 받으려면 100mW의 송파 전력을 지원하는 트러스티드 무선 기술과 같은 독점 무선 솔루션을 사용해야 한다.
<그림 3. WirelessHART 게이트웨이에 AN, WLAN, WirelessHART 연결.>
유무선 통신 향후 전망도
무선 통신 기술은 4-20mA 필드 디바이스나 필드버스 기술을 대체하지 못할 것이다. 다년간 진화해온 설비에는 일반적으로 이 3가지 솔루션이 종합적으로 사용된다. 향후 새로 선보일 설비에는 4-20mA 기술 대신 필드버스 기술이 사용될 전망이다. 무선 시스템은 케이블을 설치하기 어려운 분야에 주로 사용된다.
