2.2 프로세스 자동화(PLC+HMI, DCS)(2)

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

2.2.3 PLC/ DCS 기술동향과 전망

1960년대부터 프로세스 제어 분야에 컴퓨터가 이용되면서 초기 제품으로는 DDC(Direct Digital Control, 집중제어방식)가 등장하여 1970년대 중반까지 프로세스 제어에 사용되었다. 하지만 한 대의 컴퓨터가 전 분야의 프로세스를 담당하면서 컴퓨터 자체에 이상이 생기면 전체적인 타격을 받기 때문에 신뢰성이 떨어진다는 단점이 있었다. 반도체 기술의 발전으로 DDC의 단점을 보안할 수 있는 DCS가 1975년에 탄생하게 되었다.

DCS는 각종 산업플랜트(화공, 발전, 철강, 제지 및 시멘트) 전반에 적용되어 설비의 감시, 조작 및 프로세스 제어를 가능케 하는 첨단 제어시스템으로서, 프로세스 제어 기능을 분산시키고 프로세스 정보처리 및 운전조작을 집중화시켜 전체 시스템의 신뢰성을 향상하고 데이터 관리를 원활하게 했다.

 

철강 공정의 수처리 및 가열로, 고로의 온도, 습도 입력제어에 많이 사용되며, 석유화학 공장에서도 석유비축기지의 자동출하시스템 제어 및 환경 분야의 소각로시스템 제어 등에 많이 활용되고 있다.

 

DCS는 특정 역할을 수행하는 여러 모듈로 구성

 

운전용 콘솔

운전원이 화면을 통해 공정을 감시하고 필요한 조치를 현장에 미치도록 수행하는 MMI 모듈이다. 보통 하나의 공정 조정실에 여러 대가 설치되어 있어 동시에 현장을 전체적으로 감시할 수 있고, DCS 모듈 자체의 상태를 감시할 수 있다.
 

제어기(Controller)

공정을 직접적으로 운전하는 설비로서, 현장으로부터 발생(Transmitter & Control Valve)되는 신호를 수집하여 운전원에게 알리고, 운전원이 미리 지정해 둔 시소(seesaw)와 같은 원리로 동작되는 PID 제어에 따라 현장 Valve를 조절한다. 이외에도 제어기는 실시간(0.25~0.5 sec) 단위로 공정을 감시하면서 각종 경보상태 등을 운전원에게 알려준다.
 

애플리케이션 모듈

Engineering Work station이라고도 하는데 기본적인 Controller 기능으로 다양한 제어 수행이 어려울 경우 복잡한 수식의 연산이나 상위 네트워크와의 통신 보조기능, 프로그래밍 기능을 수행한다.
 

기타 통신 모듈, 데이터 보관 모듈 등

과거에는 PLC가 소규모 시스템의 시퀀스제어에 국한된 자동화 기능을 수행한 반면, 대용량의 연속공정에는 효율적인 제어를 위해서 루프제어에 적합하도록 설계된 DCS를 주로 이용했다. 이들은 각각의 고유영역을 유지하면서 발전해 왔으나, 최근 들어 반도체 기술의 향상에 따라 PLC의 기능과 성능이 DCS의 영역까지 넘나들기 시작했다.

 

2008년 이후 PLC/ DCS통합형 제품들이 출시되면서 PLC와 DCS 간의 구분은 점차 모호해져 가고 있으며 이러한 현상은 앞으로 지속될 것으로 예상된다. PLC와 DCS는 서로 다른 목적에 따라 개발된 만큼 근본적으로 여러 차이점을 가지고 있다. PLC의 경우 ON/ OFF 방식의 논리제어를 빠르게 처리해야 하기 때문에 속도가 제품 선택에 중요한 요인으로 작용한다.

 

또한 용량에 따라 확장과 축소가 용이해야 하므로 가격도 중요하게 여겨진다. 이에 비해 DCS는 대용량의 연속제어를 효과적으로 처리하면서, 신뢰성과 가동성을 높여야 하므로 상대적으로 가격이 제품 선택에 미치는 영향이 적다. 지금까지의 DCS는 체계적이면서 일관성 있게 대규모 시스템을 운영해 왔기 때문에 기능, 성능, 용량 면에 있어서 PLC와는 비교가 되지 않는다고 보는 시각이 지배적이었다.

 

그러나 PLC의 저렴한 가격과 확장이 유연한 구조, 유지보수의 용이성 등은 PLC가 DCS를 앞서며, 이러한 측면에서 PLC와 DCS를 통합한 제품들이 인기를 끌게 되었다. 과거에도 많은 시스템들이 PLC와 DCS를 혼합하여 제어시스템을 구축했는데 DCS에 PLC를 접속해 PLC에서 취득한 정보를 DCS의 모니터링으로 제공하는 방법이 대부분이었다.

 

하지만 이러한 구조는 전체 시스템 규모가 클수록 매우 복잡한 구성이 필요하기 때문에 어려움이 따른다. 반면 PLC와 DCS 통합형 제품은 하나의 시스템이기 때문에 앞에서 지적한 위험성을 근본적으로 해결할 수 있으며 초기 투자비용은 물론 운영관리 및 유지보수 등에서 상당한 이점이 있어 인기를 끌고 있다.

 

PC의 고성능 프로세스와 소프트웨어의 쉬운 접근이라는 장점과 PLC의 견고함과 신뢰성이라는 장점을 통합한 것이다. 산업현장의 센서 측정 및 모터 제어뿐만 아니라 공정제어 및 관리, 분석까지 통합할 수 있고, 기존 시스템에 설치된 다른 시스템과의 연계도 쉽게 할 수 있다.
 
PLC가 도입된 이래로 30년 동안, PLC는 발전을 거듭하여 아날로그 I/O, 네트워크상의 통신, IEC 61131-3과 같은 새로운 프로그래밍 표준을 통합하게 되었다. 그러나 엔지니어들은 80% 이상의 산업용 애플리케이션 대부분을 디지털 I/O, 일부 아날로그 I/O 및 간단한 프로그래밍 기술을 사용하여 작성한다.

<PLCS.net의 전문가들 평가>
■ PLC의 77%는 소형 애플리케이션에 사용됨(128 I/O 미만)
■ PLC I/O의 72%는 디지털
■ PLC 애플리케이션 관련 문제의 80%는 20개의 ladder-logic으로 해결

산업용 애플리케이션의 80%가 기존의 툴을 사용하여 해결되기 때문에, 간단하고 경제적인 PLC에 대한 요구가 높아지고 있다. 따라서 ladder logic을 사용하는 디지털 I/O가 있는 저가형의 마이크로 PLC개발을 부추겼다.

 

그러나 애플리케이션의 80%가 단순하고 저렴한 컨트롤러를 요구하고 20%가 기존 컨트롤 시스템의 기능을 고집하는 이 같은 상황은 컨트롤러 기술의 단절을 불러왔다. 20%에 속하는 애플리케이션은 높은 루프 속도, 고급 컨트롤 알고리즘, 더 많은 아날로그 기능, 기업 네트워크와의 향상된  통합 등을 요구하는 엔지니어들에 의해 구축되었다.
 
PAC, Hybrid DCS라는 용어가 등장하고 꽤 오랜 시간 흘렀지만 DCS는 정유, 발전 등의 플랜트 산업에 강하고, PLC+HMI 시스템은 이산 시스템(Discrete system)에 여전히 우위를 차지하고 있다. DCS는 단일 벤더, 플랫폼과 구성요소 간의 강력한 통합, 상위 시스템과의 확장, 이중화 설계 등의 장점이 있으나, 하위 레벨에서는 확장이 불편하고 초기 도입 비용도 비싸다는 단점이 있다.

 

PLC+HMI는 하위 레벨의 연결은 상대적으로 유연하고 성능이 좋고 속도가 빠른 제품이 시중에 많이 출시되고 가격 또한 저렴하다는 장점에 비해, PLC 제조사와 HMI 벤더가 다른 경우가 많고 상위 레벨로의 연결이 힘들고 이중화 구성이 불편하다. 또한 개발환경이 다양하여 시스템 구축에 많은 노력이 필요하고 아날로그 제어에 대해서는 아직도 믿음이 가지 않고 있다.

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2.2.4 산업용 컨트롤을 위한 PAC

PLC로 대표되는 시퀀스제어는 지난 30년 동안 자동화에 있어서 병렬정보처리, 기억장치의 대용량화, 대용량 I/O 프로세서, 분산제어, 전 공정 간의 통신기능, PC 기반의 프로그래밍 등 시간이 지나면서 상당히 많이 진보되어 왔고, 지난 10년 만을 놓고 볼 때도 소형화, 고속 통신네트워크(Industrial Ethernet)로의 연결성 측면에서 상당한 도약을 해왔다.

 

또한 프로세스제어나 드라이브, 모션제어 부분도 시퀀스제어 분야와 마찬가지로 매우 빠르게 발전했는데, 특히 단위 제어기기들을 통신망으로 연결하여 공장 전체의 프로세스들을 유기적으로 제어하는 분산제어시스템(DCS: Distributed Control system)은 1980년대 산업현장에 도입된 이래 안정적인 통신방식의 개발과 신뢰성 있는 디지털 기기의 개발로 꾸준히 수요를 넓혀가고 있다.

 

한 가지 주목해야 할 것은 같은 기간 동안 4가지 주요 제어 분야(시퀀스, 프로세스, 모션 및 드라이브 제어)의 영역 구분이 점차 불분명해지고 또한 중복되어 왔다는 점이다. 그러므로 각 제어 분야에 공통으로 적용될 수 있는 시스템 디자인과 유지보수 환경의 통합은 향후 산업자동화의 핵심적인 과제로 부각되고 있다.

 

통합이라는 측면에서 네트워크적인 부분부터 센서 및 액추에이터 부분까지 폭넓은 기능을 요구하고 있다. PLC가 여전히 안정적이며 신뢰성 있는 기능을 제공하고는 있지만 시스템 통합이라는 측면에서 보았을 때 프로그래밍 환경, 시스템 설정 및 분석 환경, 그리고 모니터링 환경을 따로 개발·관리해야 하는 불편함을 가지고 있다.

 

이는 하드웨어의 신뢰성, 소프트웨어의 품질, 그리고 고신뢰성의 통신을 기반으로 두고 있다. 한편, 플랜트 및 프로세스의 정보에 대한 상위 비즈니스 시스템과 온라인 연결에 대한 요구가 지속적으로 증대함에 따라 시스템의 개방화(OPEN)가 필수적으로 요구되고 있다.

 

지난 십여 년 동안 PC 기반의 컨트롤과 비교한 PLC의 장점과 단점에 대한 열띤 논쟁이 있어왔다. PLC에 상용하드웨어가 사용되고, PC 시스템이 리얼타임 OS와 통합되는 등 PC와 PLC 간의 기술적 차이가 줄어들게 됨에 따라 컨트롤러의 새로운 계층인 PAC라는 제품군이 출현했다.
 
PAC의 형태는 일반적인 PLC와 비슷하지만, 그 기능은 훨씬 폭이 넓다. 기존의 PLC는 시퀀스제어 기능만을 포함하고 있지만 PAC 시스템은 모션제어(motion control)와 시퀀스제어, 공정제어(process control), HMI(Human Machine Interface) 등 다양한 도메인/ 분야의 기능(multi-domain functionality)을 하나의 시스템에서 지원하는 다기능 융합 제어기이다.

 

PLC는 특정 회사 전용의 구조하에 개발된 것으로 제조업체가 결정한 사양과 능력을 갖춘 제한적인 시스템이지만, PAC는 다양한 기술과 제품들을 포괄할 수 있는 다분야 기능의 컨트롤러 플랫폼이며 사용자는 그들의 용도에 맞게 여러 기능들을 조합하여 사용할 수 있다.

 

Programmable Automation Controller의 줄인 말인 PAC는 ARC에서 정한 신조어로서, PLC와 PC의 기능을 통합하는 차세대 산업용 컨트롤러를 의미한다. PAC는 기존 PLC 벤더에게는 하이엔드 시스템의 의미로 사용되며, PC 컨트롤 업체에게는 산업용 컨트롤 플랫폼을 의미한다. 

<PAC의 5가지 특징>
① 하나의 플랫폼에서 시퀀스제어, 모션제어, HMI 등과 같이 다양한 도메인 분야의 기능들을 구현할 수 있다.
② 다양한 기능을 가진 자동화시스템을 설계/ 통합하는 데에 하나의 통일된 개발 플랫폼을 사용한다.
③ 시스템 개발자나 최종 사용자가 하나의 단일 플랫폼에서 다양한 제어 애플리케이션을 개발 및 배포할 수 있다.
④ 분산제어 환경을 가능하게 하는 모듈형 제어구조를 가진다.
⑤ 사실상의 표준 네트워크 인터페이스, 언어 등(TCP/ IP, OPC & XML, SQL 쿼리 등)을 사용한다. 기업 네트워크와 통신은 현 컨트롤 시스템에 있어 중요하다. PAC에는 이더넷 포트가 포함되지만, 통신용 소프트웨어는 플랜트의 다른 부분과 원활한 연계를 위해 매우 중요한 요소이다.

PAC 사용자들은 뛰어난 단일 H/W의 선택보다는 전체 시스템을 통합할 수 있는 성능을 더 가치 있게 보고 있기에 PAC의 선택에 있어서 H/W적인 장점보다는 통신의 우월성 및 표준성과 S/W의 통합성에 더 큰 가치를 두고 있다. 즉, PAC가 공장 전체를 통합하기 위해 커뮤니케이션의 중심 역할을 얼마나 충실하게 수행하느냐가 제품의 경쟁력이 되고 있다. 

 

2023.03.22 - [일반] - 2.2 프로세스 자동화(PLC+HMI, DCS)(1)

2.2 프로세스 자동화(PLC+HMI, DCS)(1)