어둠을 밝히다

중국 잔장의 BASF 신규 부지는 카이 크뤼닝(Kai Krüning)을 쉴 틈 없이 바쁘게 만들고 있습니다. BASF는 현재까지 최대 규모의 투자 프로젝트로 수십억 유로를 이곳에 투입하고 있습니다. 잔장 통합 생산 단지는 루트비히스하펜과 앤트워프에 이어 글로벌 화학 기업 BASF의 세 번째로 큰 페어분트(Verbund) 생산 단지가 될 예정입니다. BASF의 프로세스 제어 시스템 표준화 프로젝트 총괄 크뤼닝은 "현재 현장 설비를 하나씩 순차적으로 가동하고 있습니다."라고 말합니다. 그에 앞서 센서, 액추에이터 등 다양한 구성요소를 설치하고, 이후에는 기능 및 상호 연동 테스트가 진행됩니다. 프로젝트 참여 공급업체 중 하나인 엔드레스하우저는 수천 개의 센서를 공급했습니다. 그러나 이 프로젝트의 특별함은 규모에만 있는 것이 아니라 전례 없는 수준의 디지털화에도 있습니다.

BASF는 잔장에서 Ethernet-APL(Advanced Physical Layer)을 도입하며 화학 산업을 선도하고 있습니다. 프로세스 산업의 요구사항에 맞춰 개발된 이 기술은 단일 차폐 연선 케이블로 데이터와 전력을 동시에 전송할 수 있는 매우 견고하고 신뢰성 높은 이더넷으로, 방폭 환경에서도 현장의 센서와 액추에이터까지 고속의 본질 안전 디지털 통신이 가능합니다. 엔드레스하우저의 Ethernet-APL 마케팅 총괄 카를 뷔트너(Karl Büttner)는 "현재 많은 사용자들이 Ethernet-APL에 큰 기대를 걸고 있습니다."라고 말합니다.

그렇다면 이 기술이 왜 이렇게 높은 기대를 받고 있을까요? BASF에서 35년 이상 근무한 수석 E&I 엔지니어링 매니저 게르트 니더마이어(Gerd Niedermayer)가 그 이유를 설명합니다. 그의 사무실은 루트비히스하펜에 위치한 BASF의 대규모 페어분트 단지 내에 있습니다. "우리는 자산 관리, 예방 유지보수, 프로세스 최적화 등에 지능형 현장 계기의 데이터를 활용하고자 합니다. 하지만 현재의 프로세스 통신 인프라에서는 이러한 데이터에 대한 접근이 매우 제한적이거나 거의 불가능합니다. Ethernet-APL은 바로 이 문제를 해결합니다."

프로세스 산업에서 현장은 회사 디지털 대시보드의 사각지대인 경우가 많습니다. 이는 마치 데이터 고속도로 중간에 위치한 시골 비포장 도로와 같습니다. 화학 플랜트를 비롯한 많은 분야에서는 여전히 아날로그 신호가 프로세스 제어 표준으로 사용되고 있습니다. 오늘날에도 최첨단 현장 계기조차 4–20 mA 전류 루프 기술을 통해 측정 신호를 제어 시스템으로 전송합니다. 일부 시스템에서는 HART 프로토콜을 활용해 디지털 진단 또는 상태 메시지를 아날로그 측정 신호 위에 얹어 전송하기도 하지만, 데이터 전송 속도는 매우 느립니다. 현장 계기와 디지털 통신을 가능하게 하는 Fieldbus 시스템(예: PROFIBUS PA)은 이미 약 30년 전부터 사용되어 왔습니다. 그러나 낮은 대역폭, 복잡한 토폴로지, 다양한 구성요소 간 상호운용성 문제 등으로 인해 한계가 존재하며, 엔지니어링과 현장 계기 교체 작업이 매우 복잡해집니다.

APL은 Advanced Physical Layer의 약자입니다. 네트워크에서 '물리 계층'은 전기적 또는 광학적 신호가 흐르는 모든 물리적 요소를 의미합니다. 기술적으로 Ethernet-APL은 기존 이더넷을 단순화하면서 프로세스 산업에 맞게 강화한 형태로, 방폭 구역에서도 안전하게 작동합니다.

Ethernet-APL 환경에서는 현장 계기가 가정용 네트워크 라우터처럼 여러 계기를 연결하는 역할을 하는 APL 스위치로 데이터를 전송합니다. 이후 데이터는 게이트웨이 없이 직접 제어 시스템이나 클라우드로 전달됩니다. 이 방식의 장점은 모든 현장 계기의 데이터가 실시간으로 전송되어 예방 유지보수나 정밀 프로세스 분석 등에 활용될 수 있다는 점입니다. 다시 말해, Ethernet-APL은 최신 엔드 투 엔드 산업 통신으로의 전환을 의미하며, 그 영향은 과거의 음향 커플러 모뎀에서 현재의 광통신으로의 전환에 비견될 정도입니다. 이는 차세대 프로세스 자동화를 위한 디지털 기반을 마련합니다.

Ethernet-APL 기반의 새로운 접근 방식은 약 10년 전부터 본격적으로 등장하기 시작했습니다. BASF의 게르트 니더마이어는 이 새로운 기술이 프로세스 산업의 국제 자동화 기술 사용자 협회인 NAMUR의 워크숍에서 처음 소개되었을 당시를 생생히 기억합니다. "Ethernet-APL은 수많은 장점 때문에 첫인상부터 강렬했습니다." 이 기술은 프로세스 산업에서 요구되는 견고성과 본질 안전성에 이더넷의 높은 대역폭을 결합한 솔루션입니다. 또한 최대 1킬로미터의 케이블 길이를 지원합니다. "최대 10 Mbit/s의 전송 속도를 제공하는 Ethernet-APL은 HART보다 10,000배, 기존 Fieldbus보다 300배 더 빠릅니다. 따라서 대용량 데이터를 실시간으로 송수신할 수 있습니다."

게르트 니더마이어는 물리적 전송 기술이 시작에 불과하다는 점을 잘 알고 있었습니다. 적절한 통신 프로토콜과 인터페이스 그리고 계기를 제어 시스템에 통합하고 계기 데이터에 대한 접근을 가능하게 하는 표준이 프로젝트에 필요했습니다. BASF는 이러한 요구사항을 하나의 솔루션으로 정리했습니다. "우리는 제어 시스템과 자산 관리 시스템 모두에 고속으로 데이터를 전송할 수 있는 고성능 엔드 투 엔드 통신 솔루션을 큰 추가 비용 부담 없이 구현하기 원했습니다. 새로운 기술은 초기 투자 비용과 운영 비용 측면에서도 이점을 제공해야 했습니다."라고 니더마이어는 말합니다. 이러한 배경에서 BASF는 Ethernet-APL 개발을 추진하는 데 주도적인 역할을 하기로 결정했습니다. "우리는 표준화되고 상호운용이 가능한 솔루션을 원했기 때문에 초기 단계부터 공급업체들과 긴밀히 협력하기로 했습니다." 투명성, 인내 그리고 강력한 추진력이 필요했지만, 그 노력은 결실을 맺었습니다. 측정 계기, 현장 스위치, 제어 시스템 제조업체들과 협력하여 BASF는 단 5년 만에 Ethernet-APL을 상용화 수준까지 끌어올렸습니다. "이는 진정으로 선구적인 성과였습니다."라고 니더마이어는 말합니다.

엔드레스하우저는 핵심 개발 파트너 중 하나였습니다. 두 회사는 오랜 기간 긴밀한 협력 관계를 유지해 왔습니다. 엔드레스하우저의 화학 엔지니어이자 전략적 어카운트 매니저인 우도 날바흐(Udo Nalbach)는 "우리는 수십 년 동안 BASF의 우선 계기 공급업체였습니다."라고 설명합니다. "BASF는 새로운 기술에 매우 개방적이며, 혁신 기술 개발에 초기부터 적극적으로 참여하고, 성과가 확인되면 빠르게 도입합니다." 날바흐는 NAMUR 워크숍 직후 BASF와 엔드레스하우저가 함께 협력했던 시기를 회상합니다. "우리는 Fieldbus 네트워크가 기대만큼 확산되지 못한 이유 등 다양한 문제를 함께 조사했습니다. 그 결과는 Ethernet-APL을 개발하고 표준화하며 성공적인 기술로 만드는 데 중요한 기반이 되었습니다."

실험실의 엔지니어와 기술자들은 단순한 기능 테스트를 넘어 실제 사용성까지 평가했습니다. Ethernet-APL 연결 지원 계기는 사용이 쉬워야 하고 비용 절감 효과도 제공해야 했습니다. 설치, 배선, 통합은 얼마나 빠르고 간단한가? 루프 검사와 시운전은 얼마나 빠르게 진행되는가? 원격 파라미터 설정과 장애 대응은 어떻게 이루어지는가? 플랜트 운영 중 계기 교체는 얼마나 용이한가? 시스템 확장성은 충분한가? PROFIBUS PA 등과의 하이브리드 환경에서도 계기를 사용할 수 있는가? 그리고 무엇보다 중요한 질문은 상호운용성이었습니다. 다양한 공급업체의 계기가 혼재된 프로세스 산업 환경에도 원활하게 통합되는가? 이처럼 수많은 질문과 높은 기대 속에서 Ethernet-APL은 다양한 부하 테스트를 통해 그 강점을 입증했습니다.

엔드레스하우저는 BASF가 정의한 요구사항에 따라 각 제어 시스템당 240개의 계기를 사용하는 부하 테스트를 자체적으로 여러 번에 걸쳐 수행했습니다. 이는 다양한 제조업체에서 공급한 240개의 구성요소로 이루어졌다는 의미입니다. 결과적으로 모든 계기가 원활하게 연동되어 신뢰성과 견고성을 갖춘 Ethernet-APL 기반 시스템을 구성했습니다. "오늘날 세계는 매우 복잡해져서 단일 공급업체만으로는 새로운 기술을 완성할 수 없습니다."라고 우도 날바흐는 전합니다. "따라서 제조업체들은 현장 계기부터 제어 시스템에 이르기까지 엔드 투 엔드로 협력해야 합니다. 핵심은 철저한 표준화입니다." 여기서 중요한 역할을 하는 것이 현장 계기와 프로세스 제어 시스템 간의 통신을 규정하는 PROFINET 프로토콜입니다. 표준화된 계기 프로파일은 시스템 통합을 단순화하고, 계기 교체를 쉽고 번거로움 없이 수행할 수 있도록 지원합니다. 드라이버 모델은 계기를 자산 관리 시스템에 일관되게 연결하고, 센서 데이터는 공급업체에 중립적인 형식으로 구조화됩니다.

BASF는 현재 루트비히스하펜의 신규 플랜트 두 곳을 포함한 여러 사업장에 첫 번째 PROFINET-APL 현장 계기를 설치하고 있습니다. 중국 잔장에 건설 중인 새로운 페어분트 단지에서는 한 발 더 나아가 대부분의 플랜트를 설계 단계부터 APL을 지원하도록 구축했습니다. "이곳의 여러 플랜트를 계획할 당시에는 언제 PROFINET-APL 계기의 전체 포트폴리오를 확보할 수 있을지 확실하지 않았습니다."라고 카이 크뤼닝은 설명합니다. 따라서 BASF는 제어 시스템부터 현장 스위치까지 PROFINET 기술을 사용하는 APL 지원 마이그레이션 전략을 선택했고, 이에 앞서 엔드레스하우저와 협력하여 네트워크의 링 토폴로지를 철저히 테스트했습니다. 이 인프라는 PROFIBUS PA와 PROFINET-APL 계기를 동시에 사용할 수 있도록 지원합니다. 따라서 BASF는 초기에 PROFIBUS PA 계기를 플랜트에 설치하는 유연성을 확보할 수 있었습니다. "앞으로 계기를 교체해야 할 때마다 APL 계기로 전환할 수 있습니다."라고 크뤼닝은 말합니다. 실제로 잔장의 두 플랜트에는 이미 Ethernet-APL 계기가 구축되었습니다. "그중 첫 번째 플랜트는 이미 가동을 시작했습니다."라고 크뤼닝은 덧붙였습니다.

카이 크뤼닝은 플랜트 운영, 유지보수 및 자산 관리에 참여하는 모든 직원을 대상으로 새로운 기술에 대한 교육을 진행했고, 중국 프로젝트 팀의 피드백은 매우 긍정적이었습니다. "Ethernet-APL은 PROFIBUS PA보다 시운전과 루프 검사가 더 빠르게 진행됩니다. 현장 동료들은 이 기술이 훨씬 사용하기 쉽고, 자산 관리 시스템을 통한 파라미터 설정도 더 간단하다고 말합니다." 게르트 니더마이어 역시 이 기술의 효과를 인정합니다. "특히 엔지니어링과 시운전 측면에서 상당한 하드웨어 비용 절감 효과를 보고 있습니다."

Ethernet-APL이 프로세스 산업의 판도를 바꿀 게임 체인저가 될까요? 디지털화의 촉매제가 될 수 있을까요? "기존 설비에서는 아직 몇 가지 과제가 남아 있지만, 신규 설비에서는 충분히 가능합니다."라고 카를 뷔트너는 말합니다. 그의 동료인 우도 날바흐도 동의합니다. "이 기술은 기존 Fieldbus보다 훨씬 더 널리 보급될 것입니다. 이제 4–20 mA 기반 플랜트를 새로 구축할 이유는 거의 없습니다." 잔장에서 BASF의 미래를 실현 중인 카이 크뤼닝은 강조합니다. "우리는 Ethernet-APL을 디지털 전환 프로세스의 다음 단계를 위한 플랫폼으로 보고 있습니다." 그리고 30년 이상 프로세스 산업에 몸담아온 게르트 니더마이어의 결론은 분명합니다. "우리는 이미 첫 번째 이정표를 달성했습니다. 이제 해야 할 일은 이 길을 따라 계속 나아가 Ethernet-APL을 산업 표준으로 확립하는 것입니다."