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WirelessHART: 공정 엔지니어링 부문의 주파수 기술

현실로 이루어진 요구사항

필드버스의 기술적 진보에 이어 필드 커뮤니케이션에서 다음 개발 단계는 무선 주파수 기술 관련 솔루션 개발입니다. 한동안 독점 솔루션이 시판되고 있지만 무선 주파수 기술에 대한 확신의 결여 그리고 통합 시스템의 부재 때문에 더 폭넓은 어플리케이션이 날개짓을 할 준비를 하고 있습니다. 무선 주파수 기술은 '일률적'으로 쓸 수 있는가? 그렇다면 그 시기는?


안전에 치명적인 데이터 및 공정 제어와 직접 연관된 데이터의 측정값을 전송하는 경우 케이블은 현재 최상의 신호 전송법을 대표한다는 점을 먼저 정립해야 합니다. 작업에 결정적인 제어 어플리케이션에 적용되는 무선 주파수 솔루션에는 항상 케이블 기반 솔루션을 우선적으로 써야 합니다. 하지만 공장 구조상 나머지 결정적이지 않은 어플리케이션 때문에 케이블 설치 근거가 없는 경우 무선 주파수 기술이 이 역할을 맡습니다.


어떤 상황에서 케이블을 제거할 수 있을까요?

케이블 솔루션은 규모가 작은 공장 그리고 중간 자재가 보관되어 있고 아무런 설비가 없어 보관 수준을 피드백하지 않는 물류 사업장에는 필요하지 않습니다. 제어 시스템과 공장 자체 사이에 장애물이 있어 경제성 때문에 케이블 솔루션의 가치가 절하되는 경우도 있습니다. 현재 수작업으로 진행하는 레벨 측정은 무선 제어법을 써서 손쉽게 대체할 수 있습니다. 여기서 실시간으로 전송할 필요는 전혀 없으며 레벨 값이 짧은 시간에 전송하지 못하는 경우 공장 가동에 피해를 주지는 않습니다.

환경 모니터링 부문에도 새로운 가능성이 있습니다. 한 가지 예는 Pepperl+Fuchs의 CorrTran® MV를 이용한 부식 측정입니다. 부식 측정은 저장용기나 파이프라인 등 결정적인 부문에 적용됩니다. 이들 위치는 접근하기 극히 어렵거나 제어실에서 멀리 떨어진 경우가 적지 않습니다. 폭넓게 배선하지 않고도 무선 CorrTran® MV를 최적으로 설치할 수 있습니다. 여기서 전송 보안은 결정적 어플리케이션이 아니며 부식은 극히 느리게 진행되는 프로세스이므로 시간에 크게 좌우되지 않습니다.

또다른 가능성은 볼 밸브 등 필드에서 가동되는 운용 소자의 모니터링입니다. 과거 직원들이 실시하는 순회 검사를 통해 이런 밸브의 상태를 육안으로 모니터링하였습니다. 하지만 볼 밸브 위치를 무선 전송하게 되면서 제어실에서 언제든 그 상태를 확인할 수 있게 되었습니다. 공장 시동 전에 정기 순회 검사를 하여 밸브의 정확한 위치를 파악할 필요가 더 이상 없습니다. 따라서 인건비를 몇 유로 줄여줄 뿐 아니라 공장 시동 시간이 단축되고 생산률은 높아집니다. 물론 동일 사항이 압력과 온도 등 수작업으로 상태를 점검하는 다른 매개변수에도 모두 적용됩니다.

무선 전송은 품질 보증 그리고 중요한 공정 매개변수 최적화에도 쓸 수 있습니다. 이들 매개변수는 보통 공정 제어에 그다지 결정적 요소가 아니기 때문에 예를 들어 결함 격리 상황에서 그리고 부피 요건이 낮고 제품 교체가 빈번한 한시적 공장 설비에서 한시적으로 모니터링되는 경우가 적지 않습니다.

이들 어플리케이션에서 무선 기술은 공장 상태 정보, 자재 흐름 그리고 공정 시퀀스를 개선시킵니다. 무선 기술은 시퀀스 및 공정 최적화, 자산 관리 및 예방 정비 관련 의사결정의 토대가 됩니다. 무선 기술은 공정 플랜트의 경제성을 개선합니다.



기존 인프라에 WirelessHART를 설치할 수 있습니다.


WirelessHART를 쓰면 기존 어플리케이션 활용률이 향상될 수 있습니다.

무선: 이미 여러분 곁에 있습니다.

다양한 공급업체가 수 년 동안 무선 연결 제품을 공급하고 있습니다. 하지만 이 솔루션은 기존 공장 구조에 통합하기에는 값이 비쌉니다. 상황에 따라 두 지점 사이에만 또는 단 방향 통신에만 연결이 가능한 경우도 있습니다. 또한 이들 제품에서 다양한 제조업체가 공급하는 필드 디바이스들 사이의 호환성은 없습니다. 물론 사용자의 특수한 요건에 맞춘 솔루션이 제공되지만 이 솔루션은 상대적으로 고가입니다. 사용자는 다음과 같은 무선 시스템을 요구하고 있습니다.
  • 편리하고 사용하기 쉬움
  • 많은 제조업체에서 표준 형태로 공급받을 수 있음
  • 전송 및 범위 신뢰성 면에서 공정 기술의 필요를 충족시킴

이제 이런 시스템을 WirelessHART 형태로 HART 통신 파운데이션에서 구할 수 있습니다.


WirelessHART – 이제 사용 가능합니다.

WirelessHART는 2천만 개 HART 호환 필드 디바이스가 입증하고 있듯이 널리 쓰이는 HART 표준을 토대로 하고 있습니다. HART는 원래 일반 4...20mA 전류 루프의 확장판으로서 더 많은 기능을 갖춘 필드 디바이스를 공급하기 위해 고안되었습니다.

이제 HART 발전의 다음 단계에 도달하였습니다. 2007년 9월 발표된 WirelessHART 표준HART 프로토콜에 직접 기반을 두고 있으나 물리 전송 경로에서 자유롭습니다. HART는 무료 라이센스이며 세계적으로 쓰이고 있는 2.4 GHz 대역을 WLAN, 블루투스, ZigBee를 비롯한 몇 가지 무선 주파수 기술의 전송 매체로 쓰고 있습니다. 2.4GHz 주파수 대역 내 충돌을 피하기 위해 WirelessHART는 이 주파수 대역 내에서 미사용 채널을 특수 검색하여 무선 기술의 상호 간섭을 점검합니다.


기술의 진화

WirelessHART는 모든 무선 스테이션이 네트워크를 이루어 거기에 참여하는 스테이션이 동시에 신호 소스이자 리피터 역할을 하는 Flat Mesh 네트워크를 사용합니다. 최초 송신자는 가장 가까운 이웃에게 메시지를 전송하고 이 과정은 메시지가 베이스 스테이션과 실제 리시버에 이를 때까지 반복됩니다. 이 방식으로 네트워크는 넓은 지역을 다룹니다. 또한 초기화 단계에 대체 경로가 설정됩니다. 예를 들어 장애물이나 리시버 결함 때문에 메시지가 특정 경로를 타고 전송되지 못하는 경우 메시지는 자동으로 대안 경로를 타고 전송됩니다. 넓은 지역을 처리하는 것 외에도 전송 신뢰성이 향상됩니다.



WirelessHART 네트워크는 대체 및 반복 전송 경로를 통해 전송 보안 수준을 높입니다.

WirelessHART는 많이 쓰여 검증을 거친 HART와 새로운 무선 주파수 기술-적어도 공정 기술 부문에서는 새로운 기술-이 공생하는 시스템입니다. 익히 알려진 장치 매개변수 표시용 HART 어플리케이션 외에도 HART는 이미 다음 용도로 널리 쓰이고 있습니다.

  • 장비 및 환경 값 모니터링
  • 자산 관리 및 최적화
  • 예방 정비
  • 성능 모니터링
  • 에너지 관리

가용성, 전송 경로 및 속도 면에서 이들 어플리케이션의 요건은 무선 주파수 기술로 달성할 수 있는 성능 수준과 필적합니다. 그리고 WirelessHART는 새로운 구조에 대한 개방성을 지님과 동시에 기존 인프라에 무리없이 통합됩니다.


이론에 그칠 뿐인가, 실현 가능한 컨셉인가?

현재 Pepperl+Fuchs는 다음 장치들을 개발하고 있습니다.

무선 네트워크를 관리하고 필드 버스를 통해 무선 네트워크를 SCADA 시스템에 연결하는 WirelessHART 게이트웨이. 필드 디바이스의 신호는 필드 버스에 있는 관련 버스 프로토콜을 통해 송수신됩니다.

통신 경로의 맞은편 끝을 이루는 WirelessHART 어댑터. 기존 필드 디바이스를 이 어댑터에 설치할 수 있습니다. 세 가지 버전을 준비 중입니다.

  • Loop-fed 어댑터는 기존 루프에 간단히 루핑 처리되어 거기서 운용 에너지를 추출합니다. 기존 배선은 관례적인 4-20mA 신호 전송에 쓰입니다. HART는 어댑터를 통해 무선으로 전송됩니다. 무엇보다 이는 설치 베이스의 필드 디바이스 내 HART의 성능을 위험도가 낮은 상태로 사용할 수 있게 하려는 대안입니다.
  • 전지 구동방식 어댑터는 전지를 통해 필드 디바이스를 공급합니다. 매개변수 표시가 가능한 시간 간격으로 필드 디바이스는 "전원이 켜지며" 측정값 질의를 하고 난 후 필드 디바이스 전원이 꺼집니다. 자동 측정 스테이션이 가능합니다. 선택한 시간 간격에 따라 전지 수명을 수 년간 연장할 수 있습니다.
  • 외부 전원 공급 버전은 필드 디바이스와 어댑터에 필요한 에너지를 확보합니다. 예를 들어 펌프와 밸브 전원 공급 등 필드에서 외부 전원 공급 방식 연결이 가능한 경우가 많습니다. 필드 디바이스가 전혀 연결되지 않은 경우 이 버전은 라우터 역할을 하여 무선 네트워크의 밀도를 높이거나 더 먼 거리를 중개합니다.

종합

무선 주파수 기술을 쓰면 기존 어플리케이션 활용도를 높이고 과거에는 불가능했던, 경제성 있는 새 어플리케이션을 확보할 수 있습니다. WirelessHART는 독점 솔루션에서 공정 기술 전반에 표준이 되는 솔루션, 시스템 붕괴 없이 무선 주파수 기술을 쓸 수 있게 하는 솔루션으로 이행하는데 필요한 단계를 제공합니다. WirelessHART는 품질과 공장 모니터링을 개선하고 공장과 공정을 최적화할 새로운 가능성의 문을 열어줄 것입니다. 이는 공정 플랜트를 경제적으로 운영하는데 가치있는 기여입니다.