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WirelessHART(IEC 62591) 무선기술 현황과 전망
2012. 11. 25.
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I. 요구사항 다양한 산업에 걸쳐 전 세계의 기술자들은 자동화 비용 절감, 설비 성능 개선, 그리고 운영 및 유지보수 비용의 절감을 위해 혁신적 어플리케이션에서 국제적으로 IEC의 승인을 받은 WirelessHART 표준에 기반한 계장을 사용하여 이미 자사 설비에 부가가치를 추가하고 있다. WirelessHART는 공정 어플리케이션을 위한 고유한 설계에 의해 전력망, 공장, 건물 또는 홈오토메이션을 위한 여타 무선프로토콜과 다르다. WirelessHART는 2004년에 최종사용자들에 의해 정의되고 2009년에 바스프(BASF)사의 루트비히스하펜 설비에서의 멀티벤더 시험에서 NAMUR에 의해 추후 검증된 요구사항에 기반하여 공정산업의 요구에 따라 개발되었다. 따라서, 선도적인 계장 및 제어 공급업체들이 WirelessHART에 기반한 제품들을 신속하게 개발하고 있으며, 설비들이 자사 공정에 이를 적용하고 있는 것이다.
II. 주요 특징 상호운용성 : 국제표준 WirelessHART는 공정 어플리케이션을 위한 무선센서 네트워킹에 대한 유일한 국제표준이며 IEC 62591로도 알려져 있다. IEC 62591을 준수하는 장치들을 정의함으로써 설비들은 이들이 상호 운용되어 자체조직화 메쉬망을 구성하여 완전한 장치 기능성에 대한 접근을 제공할 것을 확신할 수 있다. 단일의 네트워크 인프라가 설비의 모든 무선측정 요구를 지원하여, 복수 통신 프로토콜과 게이트웨이가 필요하지 않다. 여러 생산업체들은 유량, 액위, 밸브위치, pH, 전도성, 이산, 진동, 온도, 복수 온도지점 그리고 압력을 위한 WirelessHART 송신기들을 공급하고 있다. 액위 스위치 및 밸브 위치 모니터링은 물론, 하드와이어 장치를 위한 무선 어댑터도 공급 가능하다. 보다 많은 생산업체들이 신제품을 발표하면서 신규 어플리케이션들이 가능해지고 있다. - 1 -
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이들 장치는 동일한 네트워크에 혼합하여 이 공통의 표준에 기반한 상이한 공정 어플리케이션 요구사항에 대응할 수 있다. 상호운용성 : 공통 어플리케이션 프로토콜 모든 WirelessHART 장치들은 동일한 명령(유선 HART와 동일 명령)인 IEC 61784-1 CPF 9 / IEC 61158 Type 20을 사용한다. 즉 복수 프로토콜을 위한 게이트웨이와 드라이버를 통합할 필요가 없다. 네이티브(native) WirelessHART 지원기능을 포함한 자동화 시스템들은 게이트웨이와 데이터 매핑에 대한 필요성을 완전히 제거한다. 이는 배치와 유지가 용이한, 깨끗하고 원활한 솔루션으로서, 상호운용성에 추가하여 기본수준의 상호 교환성을 제공한다. WirelessHART는 지난 20년간 유선 HART 장치에서 사용되어 생산업체들과 사용자들에 의해 공히 신뢰받는 것과 동일한 명령어들을 사용한다. 이에는 공정변수(PV)에 대한 접근, 식별, 가동준비, 교정, 설정, 그리고 진단 등 이미 기술자들이 익숙한 명령들이 포함된다. PV의 통합과 장치의 식별, 가동준비, 교정, 설정과 문제해결을 위한 상이한 방법을 배울 필요가 없다. 하드와이어 HART와의 중요한 차이는, WirelessHART가 실시간 측정정보 전달을 위해 폴응답(poll-reponse)이 아닌 스케줄 버스트방식(burst mode)을 사용한다는 점이다. 설비들은 상이한 기능에 대해 상이한 생산업체들의 WirelessHART 장치들을 혼용하고 일치시킬수 있으며, 이들이 상호 메쉬망을 구성하며, 시스템 및 소프트웨어와 통합되며, 기본적으로 동일한 방법으로 운용 유지되는 것을 보증할 수 있다. 이는 게이트웨이에 대해 독립적으로 생산업체와 장치유형을 선택할 수 있도록 한다. 표준 명령들을 이용하여 기존 또는 신규 하드와이어 HART 장치들은 간단한 무선 어댑터를 설치하여 복잡한 설정 없이 WirelessHART 네트워크에 연결할 수 있다. 자산관리 솔루션의 일부인 지능형 장치관리 소프트웨어는 이제 설정, 교정, 진단 등을 위해 장치에 접근할 수 있다. 많은 유선 HART 장치들은 풍부한 진단 및 공정데이터를 보유하지만, 기존의
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시스템들이 HART 통신을 수신하도록 장치되지 않아 이 가치 있는 정보가 활용되지 못하고 있다. 기존의 유선 수단을 이용하여 이 데이터에 접근하도록 하는 것은 비용과 복잡도가 과도한 경우가 많지만, 무선 어댑터를 이용한 장치의 업그레이드는 가치 있는 진단 및 공정정보를 관찰하기 위한 용이하며 경제적인 방법이다. 용이한 유지보수 : 표준 전선단자 모든 WirelessHART 장치들은 유선 HART 도구들과 호환되는 유선 HART 포트를 보유하고 있다. 이미 기술자들이 익숙한 기존의 휴대용 현장통신기 또는 일반적인 HART 인터페이스와 노트북 소프트웨어를 가동준비 또는 유지보수 시점에서 로컬 설정 및 장치관리를 위해 일시적으로 유지보수 포트에 연결 가능하다. 문서화 기능의 현장교정기 역시 하드와이어 포트를 통하여 연결 가능하다. 안전한 가동준비 WirelessHART 장치의 가동준비를 위해서는 네트워크 ID와 결합키(비밀번호)가 무선통신이 아니라 모든 장치상에 사용가능한 유선 HART 유지보수 포트를 통하여 할당된다.
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이는 외부자가 감청을 통하여 결합키(비밀번호)를 사용할 수 없도록 한다. 이는 무선장치의 안전한 가동준비를 위한 방법이다. 기술자는 모든 유무선 HART 장치의 가동준비에 동일한 휴대용 현장 통신기 또는 노트북 소프트웨어를 사용한다. 용이한 배치 : 자기조직화 완전한 메쉬망 형상의 경우 모든 장치들은 데이터 패킷 라우팅 기능을 지원하여, 원격 센서의 복수 용장성 데이터 경로들이 게이트웨이로 전달되는 것이 보증된다. 설비 전반에 걸쳐 복수의 전원공급을 받는 무선 액세스포인트를 설치할 필요가 없으며, 단일의(또는 용장성) 게이트웨이면 충분하다. 복수의 “홉(hop)”이 가능하므로 데이터를 장거리로 전달할 수 있다. 경로 중 하나가 방해, 간섭 받거나 여타 원인으로 고장이 발생하면 데이터는 간단히 다른 경로를 통해 전달된다. WirelessHART 네트워크 관리는 장치들간의 라우팅 경로와 백업을 자동적으로 형성, 유지한다. 장치를 추가하기 위한 수동설정이 필요하지 않으며, 신뢰성 뿐만 아니라 임의로 신규 장치를 추가하거나 교체하기도 쉽다. 인터넷 주소 공간 하드와이어 HART와 여타 필드버스 장치들의 경우와 같이 WirelessHART 장치들은 IP(인터넷 프로토콜) 주소가 없으므로, 보안이 향상되었을 뿐만 아니라 IT부서로부터 독립적이다. WirelessHART는 IEEE 802.15.4 무선을 사용하므로 게이트웨이는 반드시 Wi-Fi (IEEE 802.11) 무선을 사용할 필요는 없으며, 직접적인 IP 어드레싱을 지원하지는 않는다. 따라서, 계장 및 엔지니어링 책임은 IT 책임으로부터 명확하게 분리되어 있으며, 이제 I&E 부서는 IT부서와의 조정 없이 신규 장치를 배치하며 네트워크를 임의로 확장할 수 있다. 반대로 IT 부서는 자체의 표준에 따라 Wi-Fi 및 IP 장비의 요구사항을 자체적으로 제어할 수 있다. 또한 자체적인 IP어드레싱이 없으므로, 데이터가 네트워크 계층구조상에서 상위 및 하위 계층간에 라우팅되지 않아 보안상 이점이 있다.
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WirelessHART가 사용하는 표준 IEEE 802.15.4 무선은 직접순서 분산스펙트럼(DSSS) 기술을 이용하는데, 이는 채널도약과 옵션 채널차단과 함께 통신이 간섭의 영향을 받지 않게 하며 다른 무선기기와의 간섭이 발생하지 않는다. WirelessHart와 사용되는 무선장치는 소비전력이 매우 낮으므로 수 년간의 전지 사용시간이 실현된다. 일부 장치들은 위험한 장소에 설치할 수 있는, 내재적으로 안전한 “전력모듈”을 사용한다. 상호운용성: 어플리케이션 프로파일 하드와이어 HART 장치의 경우와 마찬가지로 모든 WirelessHART 장치들은 TDMA(시분할다중접근), 10ms 시간슬롯, 보안 사용, 게이트웨이 내 네트워크 관리자 등 공통의 통신설정을 보유하고 있다. 설비 인력이 이러한 고급 설정을 실행할 필요가 없다. 이는 장치들을 잘못 설정할 가능성을 최소화한다. 따라서 WirelessHART 장치들의 상호운용이 용이한데, 네트워크 ID와 결합키(비밀번호)만 설정하면 된다. 항상 보안 가동 암호화, 키순환, 인증, 접근제한목록, 순서번호 등의 보안대책은 시스템 내에서 가동중인 경우에만 유효하다. WirelessHART에 있어 이 모든 보안기능은 정지시킬 수 없으며, 보호를 위해 항상 가동중이다. 보안기능을 부주의하게 정지시켜 침입에 노출되도록 할 가능성이 없다.
II. 제 언 WirelessHART는 프로젝트 비용을 줄이고, 품질과 산출을 증가시키며, 가동중단시간을 감소시키며, 운전 및 유지보수 비용을 절약한다. 보건/안전/환경(HSE) 준수비용을 감소시키며, 에너지 소모를 줄이며, 폐기물과 재작업물을 줄인다. 이는 현장지능의 역량을 이용하여 설비 성능을 개선하는 디지털 설비 아키텍처의 또 다른 예이다. 대부분의 프로젝트에 있어 현장장치의 형식과 수량은 기술자들이 세부 - 5 -
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자동화 설계를 개시할 때 여전히 평가 중에 있다. WirelessHART 장치와 네트워크는 프로젝트에 유연성을 추가한다. WirelessHART는 배선의 제거를 통해 수납함, 배선, 종단, 케이블 트레이 설계, 연결과 설치도면 등을 제거하여 많은 설계활동을 단순화할 뿐만 아니라, 장치 추가, 위치 변경 등의 변경사항을 유선장치들에 비해 훨씬 용이하게 수용하게 한다. 무선계장에 대한 변경은 프로젝트의 후기 단계까지 지속가능하다. WirelessHART를 자동화 설계의 내장된 부분으로 포함하여, 프로젝트의 시간지연과 이에 수반된 비용초과를 예방할 수 있다. 많은 신규 프로젝트에 있어 현재 P&ID 상의 모든 것이 유선으로 연결되어 있으나, 이제 설비들은 WirelessHART를 이용하여 P&ID를 넘어서고 있다. 예를 들어 펌프와 같은 소규모 자산의 진동 모니터링, 일반적으로 DCS에 연결되어 있지 않은 수동 게이트밸브상의 전동기 권선온도와 위치 모니터링 등은 현재 자동화 중인 P&ID에 포함되어 있지 않다. 이러한 정기적인 측정들은 무선 모니터링으로 이어지게 된다. 대부분의 설비들은 실행에 필요한 최소한의 유선계장을 포함하여 설계되어 있다. 그러나, 설비의 신뢰성과 에너지효율 그리고 가동률 계획 개선에 대한 중점을 강화하면서 설비를 가동하기 위해서는 추가적인 측정이 필요하다. 이들은 제어전략의 일부가 아니므로 DCS에 내장할 필요는 없으나, 자산최적화의 자동화를 위해 필요하다. 이들 지점에 대해서는 WirelessHART가 이상적이다. 또한, 설비들은 예상치 못한 추후 어플리케이션에 대해 무선장치를 임의로 추가할 수 있도록 WirelessHART 인프라를 배치하고 있다. 이제 IEC 62591에 따라 승인된 WirelessHART를 통하여 무선센서망을 위한 국제표준이 존재하므로, 확신을 갖고 설비의 운영을 최적화할 수 있다.
* 작성: 아이씨엔 www.icnweb.co.kr
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