2.1 자동화와 제어시스템(2)(산업용 제어시스템/ PLC와 PC제어)

제조실행시스템(MES)은 제조 현장의 생산 프로세스를 실시간으로 모니터링하고 제어하는 소프트웨어 기반 시스템입니다. 생산 계획, 작업 지시, 자재 관리, 품질 관리, 생산 실적 분석 등 다양한 기능을 제공하여 제조 효율성을 높이고 생산 비용을 절감하는 데 도움을 줍니다.

제조실행시스템

2.1.2 산업용 제어시스템

제조과정에서 제어 기능이 적용되는 형태는 산업 유형에 따라 큰 차이를 보인다. 공정과 장비가 다르기에 센서와 액추에이터의 종류가 다르다. 화학장치 산업의 연속제어에서는 온도, 압력, 유량을 통하여 히터, 펌프를 제어하고, 전자제조 산업의 이산제어에서는 위치, 속도, 가속도, 힘을 통하여 모터나 실린더를 제어하게 된다. 산업유형뿐만 아니라 자동화 계층에 따라서도 제어의 형태가 달라진다.

 

장치 레벨

CNC 기계의 한 축이나 산업용 로봇의 하나의 조인트를 위한 피드백 제어루프를 들 수 있는데 자동화 체계에서 가장 낮은 레벨이고 액추에이터, 센서, 기타 하드웨어 요소를 포함한다. 
 

기계 레벨

장치 레벨의 하드웨어가 개별 기계로 결합한 것이다. CNC 공작기계나 산업용 로봇, 동력 컨베이어, AGV를 들 수 있다. 
 

셀 또는 시스템 레벨

MES(Manufacturing Execution System)에 의해서 관리되는 대상으로 생산(계획) 시스템으로부터 명령을 받아 임무를 수행한다. 주요 기능으로는 작업지시, 생산실행(tracking), 설비엔지니어링, 생산분석, 품질분석, 물류제어, 설비제어 등이 포함된다.
 

공장 레벨

SCM, ERP 레벨을 의미하며 생산에 반영하기 위한 자원운영계획을 수립한다. 수요예측, 납기약속, 구매, 제조, 물류, 판매기능이 포함된다.

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2.1.3 PLC와 PC를 이용한 공정제어

디지털 컴퓨터를 공정제어에 처음 사용한 것은 1950년대 후반 미국 텍사스 주 포트 아서의 Texaco 정유공장이다. 그 이전에는 연속공정 제어에 아날로그 컴퓨터가 사용되었으며, 이산제어에는 릴레이 시스템이 사용되었다. 1968년 리처드 몰리에 의해 공작기계 제어에 사용된 릴레이를 마이크로컴퓨터로 교체하면서 Program-mable Controller에 대한 개념이 고안된 후 PLC에 의한 일련의 규격들이 개발되었다.

 

유접점 시퀀스나 무접점 시퀀스, 그리고 공기압 시퀀스 등은 제어조건에 따라 회로를 설계하고 각종 반도체 소자를 프린트 기판 위에 실장하고 납땜 작업이나 결선 또는 배관작업을 거쳐야 제어장치에 이용할 수 있다.
 
이에 비해 PLC는 소프트웨어적으로 처리함으로써 프로그램의 변경이 자유자재라는 큰 장점이 있다. 초기 PLC의 성능은 대체품인 릴레이 제어기의 성능과 유사하고, On/Off 제어에 국한되었다. 오늘날은 많은 고정배선 제어기가 PLC로 대체되어 생산성과 신뢰성 수준이 상당히 향상되었다.
 
회학장치 산업에서는 여전히 PLC(혹은 분산제어시스템이라 불리는 DCS)가 많이 사용되고 있지만 1990년대 초부터 PLC가 사용되던 응용분야를 PC가 잠식하기 시작했다. 오늘날 실질적으로 모든 생산공정들이 마이크로컴퓨터 기술에 기반을 둔 디지털 컴퓨터에 의해 직접 제어되고 있다.
 
이산제어, 연속제어 등의 제어 형태와 관계없이 제어용 컴퓨터(real-time controller)는 일반적으로 공정과 실시간 통신이 필요하다. 폴링, 인터락, 인터럽트, 예외처리 기능을 활용하여 공정에서 발생되는 신호에 즉시 응답할 수 있어야 하며 정해진 주기마다 특정 동작을 취할 필요가 있다. 또한 잘못된 공정을 수정하기 위해서 공정에 신호를 보낼 수 있어야 하며 작업자로부터 입력을 받을 수 있어야 한다.
 

폴링(샘플링)

시스템의 상태를 파악하기 위해 주기적으로 관련 데이터를 수집하는 것을 말한다. 트랜잭션 수를 줄이기 위해 이전 폴링 시점 이후의 변한 데이터만을 수집할 수도 있다.
 

인터락

둘 이상의 장치가 연동될 때 장치들 사이에 간섭이 일어나지 않도록 하는 안전장치다. 설비에 이상이 발생하면 그 정보를 활용하여 앞뒤 공정에 인터락을 발생시켜 품질 불량을 사전에 예방한다.
 

인터럽트

인터락과 깊은 관계가 있는 시스템으로서 더욱 긴급한 상황을 처리하기 위해 공정이나 작업자가 통상적인 제어동작을 중지시켜야 할 경우가 있다. 현 프로세스가 진행 중이고 이보다 높은 우선권을 갖는 사건이 발생되었을 때 이를 처리하기 위해 현 프로세스를 잠시 중단할 수 있는 제어 기능을 말한다.

 

인터럽트 신호가 들어오면 컴퓨터시스템은 해당 인터럽트를 처리하기 위해 사전 정의된 서브루틴으로 이동한다. 중단된 프로그램 상태는 기억되었다가 인터럽트 처리 서브루틴이 끝나면 실행이 재개된다.

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2.1.4 공정감시와 공정제어

공정제어용으로 컴퓨터를 사용하는 용도는 크게 공정감시와 공정제어 2가지를 들 수 있다. 공정감시는 공정데이터, 설비데이터, 제품데이터를 컴퓨터를 이용하여 수집하고 작업자가 수집된 데이터를 이용하여 공정을 관리하고 조작한다.

 

이에 비하여 공정제어는 공정으로부터 수집된 데이터를 활용하여 피드백이나 인터락 방법으로 공정을 조정한다. 일부 공정제어 시스템에서는 제어용 컴퓨터가 공정데이터를 피드백하지 않는 시퀀스제어도 있다.
 

공정데이터

공정의 성능을 나타내는 입력 파라미터와 출력 변숫값을 측정한 것이다.
 

설비데이터

작업장 내의 설비의 상태를 나타낸다. 이것은 설비의 가동률 감시, 설비부품(spare parts) 교환계획, 고장 방지 및 오작동 진단, 예방보전 등에 활용된다.
 

제품데이터

국내에서는 2002년부터 시행에 들어간 「제조물책임법(PL 법)」에 따라, 특히 제약회사 및 의료용품 제조회사에서는 제품에 대한 제조정보를 수집해서 보관하는 것을 의무화하고 있다. 또한 OEM 방식에 의해 제품을 생산할 경우 고객사에서 제품의 제조과정 중에 수집된 데이터를 의무적으로 요구하는 경우도 있다.