HART 통신과 IIoT 핵심 정보

4–20 mA/HART 계기로 운영되는 프로세스 플랜트에서는 진단 기능이 간과될 경우 예기치 않은 상황이 발생하고 빠르게 악화될 수 있습니다. 다음 사례는 전형적인 유지보수 상황을 보여줍니다.

폭우가 내리는 날을 상상해 보세요. 유지보수 팀은 최소한의 개입으로 일상적인 운영이 가능할 것으로 기대합니다. 하지만 여러 가지 문제가 동시에 발생하면서 즉각적인 대응이 필요해집니다. 팀은 갑작스럽게 중요한 레벨 측정 문제에 직면합니다.

한 작업자가 레벨 트랜스미터가 불안정한 측정값을 제공하고 있으며, 신뢰할 수 있는 레벨 정보 없이 프로세스가 운영되고 있다고 보고합니다. 해당 트랜스미터는 작업장과 멀리 떨어진 플랜트의 외진 곳에 설치되어 있어 악천후 속에서 접근해야 합니다.

계기에 도착한 기술자는 로컬 설정이 불가능하다는 사실을 깨닫게 됩니다. 문제를 진단하기 위해서는 필드 컨피규레이터가 필요하지만, 배터리가 방전되어 있습니다. 이로 인해 기술자는 필드 컨피규레이터를 충전하기 위해 되돌아갔다가 다시 계기로 와야 합니다. 이 시간 동안 프로세스는 정확한 레벨 측정 없이 계속 운영되며, 작업자들은 레벨이 과도하게 상승했다는 사실을 인지하지 못하게 됩니다.

결국 포인트 레벨 스위치가 작동하여 프로세스가 정지되고 생산이 중단됩니다. 안전 시스템은 의도한 대로 작동했지만, 이 사건은 중요한 취약점을 드러냅니다. 즉, 진단을 위해 즉각적으로 접근하지 못할 경우 문제 해결 시간이 길어지고 불필요한 가동 중단이 발생하게 된다는 사실을 이 사례를 통해 알 수 있습니다.

앞의 사례가 익숙하게 느껴지시나요? 이러한 상황은 현장에서 직접 계기 데이터에 접근하면 신속하게 해결될 수 있는 경우가 대부분입니다. 현장 계기가 4–20 mA 아날로그 신호에 의존하더라도 대부분은 HART 통신 프로토콜을 탑재하고 있지만, 불행히도 이 사례에서는 활용되지 못했습니다.

대부분의 사람이 알고 있듯이 HART는 새로운 기술이 아닙니다. 전 세계 산업 전반에 걸쳐 수백만 대의 HART 지원 계기가 설치되어 있음에도 불구하고 아직도 그 기본 원리가 모든 사람에게 완전히 이해되고 있지는 않습니다.

HART는 Highway Addressable Remote Transducer의 약자이며, 이 프로토콜은 1980년대 중반에 도입되었습니다. 처음에는 독점 기술이었으나 1986년에 개방형 표준이 되었습니다.

HART는 기존의 4–20 mA 아날로그 신호에 디지털 신호를 중첩하는 하이브리드 프로토콜입니다. 이 표준은 수십 년 동안 사용되어 왔고 오늘날에도 많은 플랜트에서 여전히 널리 사용되고 있습니다.

기술적인 관점에서 HART는 Bell 202 표준을 기반으로 1200 bps에서 주파수 편이 변조(Frequency Shift Keying, FSK)를 사용합니다. 두 개의 주파수가 이진 값을 나타내는데, 1200 Hz는 "1"을, 2200 Hz는 "0"을 의미합니다. 이 방식은 아날로그 신호를 방해하지 않으면서 마스터와 슬레이브 계기 간의 통신을 가능하게 합니다.

HART 지원 현장 계기는 완전한 디지털 계기에 필적하는 수준의 진단 및 운영 데이터를 제공합니다. 핵심적인 차이는 이 데이터에 접근하는 방식에 있습니다. 디지털 계기는 정보가 실제로 사용되는지 여부에 관계없이 연속적으로 정보를 통신합니다. 반면, 많은 HART 계기는 가치 있는 데이터가 내부에 있는 상태로 현장에 남아 있습니다.

HART 통신 프로토콜을 사용하는 모든 계기는 PROFIBUS, FOUNDATION Fieldbus 및 기타 디지털 기술에서 제공하는 것과 유사한 지능형 계기 관리(IDM)를 지원합니다. HART는 여러 계기의 데이터를 읽기 위한 멀티드롭 모드를 제공하지만, 이 방식은 속도가 느려 널리 채택되지는 않았습니다. 다행히도 멀티드롭 구성에 의존하지 않고도 이러한 중요 정보를 추출할 수 있는 대안 솔루션이 존재합니다.

그렇다면 HART와 완전한 디지털 Fieldbus 계기의 실제 차이는 무엇일까요? 계기 상태나 진단 같은 정보의 유형과 품질 측면에서는 사실상 차이가 없습니다. 그러나 HART 계기의 표준 설치에서는 일반적으로 제어 시스템이 4–20 mA 아날로그 신호만을 수신하며, 디지털 네트워크와 달리 모든 계기 데이터가 연속적으로 제공되지는 않습니다.

다행히도 오늘날에는 유선과 무선 모두에서 HART 데이터에 효율적으로 접근하고 이를 실행 가능한 정보로 변환할 수 있는 최신 솔루션이 있습니다. 예를 들어, 엔드레스하우저의 Netilion 같은 IIoT 생태계를 통해 이를 구현할 수 있습니다.

앞서 설명한 레벨 트랜스미터 사례와 같은 상황은 최신 연결 옵션을 사용해 예방할 수 있는 경우가 대부분입니다. 대규모 투자나 광범위한 플랜트 변경 없이도 HART 지원 현장 계기에서 IDM 데이터를 수집할 수 있는 실용적인 방법들이 있습니다.

1. WirelessHART 통합: 무선 방식은 계기 데이터를 수집할 수 있는 가장 간단한 방법 중 하나입니다. 기존 현장 계기에 WirelessHART 어댑터를 추가하면 데이터를 WirelessHART 게이트웨이로 전송할 수 있습니다. 엔드레스하우저의 Fieldgate SWG70 같은 WirelessHART 게이트웨이는 엣지 계기에 연결되어 IIoT 클라우드 플랫폼과의 원활한 통합을 지원합니다. 무선 솔루션은 이미 산업 전반에 걸쳐 널리 보급되어 있고, 수많은 적용 사례를 통해 그 효과가 입증되었습니다.

2. 유선 통합을 위한 HART 게이트웨이: 유선 솔루션을 선호하는 플랜트의 경우 HART 게이트웨이는 4–20 mA 루프에서 데이터를 추출하여 Netilion 같은 IIoT 플랫폼에 연결하는 신뢰할 수 있는 방법을 제공합니다. 이 방식은 무선에 비해 초기 투자 비용이 다소 높을 수 있지만, 일반적으로 몇 개월이면 투자 수익을 실현할 수 있습니다. 예를 들어, 이더넷 기반 HART 게이트웨이인 Fieldgate SFG250은 계기 데이터에 접근하고 이를 클라우드 시스템에 통합하는 간단하고 효율적인 방법을 제공합니다. 이더넷 기반 HART는 일상 운영의 복잡성을 증가시키지 않으면서도 가치 있는 정보를 활용할 수 있는 가장 효과적인 방법 중 하나입니다.

앞의 사례에서 보았듯이 IIoT는 생각만큼 멀거나 복잡하지 않습니다. IIoT 서비스의 이점은 분명하며, 이를 플랜트에 구현하면 상당한 운영상의 이점을 얻을 수 있습니다.

예를 들어, IIoT는 설비 기반에 대한 종합적인 정보를 제공할 수 있습니다. 많은 플랜트에서 전체 자산의 약 30%가 이미 노후화되었다는 사실을 알고 계신가요? IIoT 서비스를 사용하면 계기를 수동으로 또는 엣지 계기를 통해 자동으로 등록하여 디지털 트윈을 생성할 수 있습니다.

연결이 완료되면 Netilion Analytics 같은 디지털 서비스가 직관적인 대시보드와 그래프를 통해 투명한 정보를 제공합니다. 이러한 분석을 통해 계기 가용성이나 수명 주기 상태와 같은 중요 정보를 확인하여 복잡성을 줄이고 유지보수 작업을 효율화할 수 있습니다.

IIoT와 HART 통신 프로토콜을 결합한 또 하나의 강력한 활용 사례는 계기 상태 모니터링입니다. Netilion Health 같은 디지털 서비스는 엔드레스하우저 계기뿐만 아니라 타사 계기의 진단 정보도 제공합니다.

유선 연결을 사용하든 WirelessHART 연결을 사용하든 상관없이, 게이트웨이는 엣지 계기에 연결되어 클라우드와 안전하게 통신할 수 있고, 이를 통해 어디서든 계기 상태 정보에 접근할 수 있습니다.

시스템은 NAMUR NE 107 표준에 따라 계기 상태를 표시합니다. 진단 경보나 고장이 발생하면 상세 정보로 이동하여 근본 원인과 수정 조치를 확인할 수 있습니다. 또한 과거 데이터도 제공되어 이벤트가 언제, 얼마나 자주 발생했는지 확인할 수 있어 시간에 따른 자산 성능을 명확하게 파악할 수 있습니다.

앞서 설명한 레벨 측정 사고 당시 이러한 상태 모니터링 시스템이 구축되어 있었다면 문제를 조기에 감지하여 시간을 절약하고 계획되지 않은 가동 중단을 방지하며 비용을 절감할 수 있었을 것입니다.

요약: IIoT를 통해 더 단순하고, 더 스마트하며, 더 효율적으로 플랜트를 관리할 수 있습니다.