Input/Output (I/O)

Pneumatic Component Interface – 3-15 psi

Standard Electronic Analog I/O – 4-20 mA

Discrete I/O

Serial Communication

HART

Digital Buses

Specialized I/O

Wireless

Control Network

Control Modules

Database

Configuration

Redundancy

Backup

Online Version Upgrade

Human Machine Interface (HMI)

Keyboard

Standard Displays

Alarms

Sequence of Events

Historian/Trend Package

HMI – System Workstation

Application Servers

Remote Accessibility

Connectivity

Other Control Systems

Emergency Shutdown Systems (ESD)

Programmable Logic Controllers

HMI-SCADA Systems

Future DCS Evolution

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7.1 서론 및 개요

Control Equipment 제어 장비

이전 섹션들에서 센서, 액추에이터 및 제어 알고리즘에 대해 논의했으며, 이 세 가지 요소의 하드웨어와 소프트웨어를 통합하여 제어 루프를 만드는 것이 이 섹션의 주제입니다.

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최초의 공정 플랜트는 수많은 현장 측정 지시계와 제어 밸브로 구성되었습니다. 운전자들은 플랜트 주위를 걸어 다니면서 경험과 지시계의 수치에 따라 밸브를 수동으로 조절했습니다. 아마도 그들은 몇 가지 주요 측정값과 전반적인 조정 지침을 기록하기 위해 클립보드 등을 가지고 다녔을 것입니다. 당시 운전자는 센서와 액추에이터를 연결하는 역할을 수행하는 동시에 컨트롤러이기도 했습니다.

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센서와 컨트롤러가 직접 통합된 최초의 사례는 1780년대에 제임스 와트(James Watt)가 증기 기관에 개발한 조속기(governor)로 여겨지는데, 이것은 기계적 동작을 통해 증기 압력을 조절했습니다. 1870년대에는 윌리엄 피셔(William Fisher)가 펌프의 출구 압력에 따라 증기 유량을 조절하는 조절기(regulator)를 개발했습니다. 1900년경에는 유량, 액위(level) 또는 압력을 감지하고 필요한 출력 변화를 계산하여 다이어프램 밸브(diaphragm valve)로 공압 신호를 보내는 공압식 컨트롤러(pneumatic controllers)가 등장했습니다. 이러한 컨트롤러는 현장에 설치되었고, 운전자는 플랜트를 돌아다니며 개별적으로 컨트롤러 설정을 조절했습니다.

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1930년대에 등장한 공압식 트랜스미터(pneumatic transmitters)는 원격으로 변수 응답을 표시하고 컨트롤러의 설정값(setpoint)을 원격으로 조절할 수 있게 해주었습니다. 이는 여러 컨트롤러에 대한 제어 작업을 한곳에서 조율할 수 있는 최초의 중앙 집중식 제어실(centralized control rooms)로 이어졌습니다. 일반적으로 대형 원형 차트가 응답을 표시하는 데 사용되었으며, 제어실 벽은 이러한 차트로 가득 차 있었습니다. 1940년대와 1950년대에는 전자식 단일 루프 아날로그 컨트롤러(electronic single loop analog controllers)가 등장했습니다. 이 컨트롤러는 향상된 제어 응답, 높은 정확도, 소형화, 그리고 유지보수 비용 절감 덕분에 결국 공압식 컨트롤러를 대체하게 되었습니다.

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1950년대 후반부터 1960년대까지는 중앙 집중식 컴퓨터 시스템을 사용하여 모든 플랜트 제어 알고리즘을 직접 실행하는 제어 시스템이 여러 곳에 설치되었습니다. 이러한 시스템은 직접 디지털 제어(direct digital control, DDC)라고 불렸습니다. 하지만 비용과 신뢰성 문제로 인해 널리 채택되지는 못했습니다. 1970년대에는 상용 마이크로프로세서(microprocessors)를 기반으로 한 분산 제어 시스템(distributed control systems, DCS)이 도입되어 널리 채택되었습니다. 이 시스템은 모든 데이터를 디지털 형식으로 변환하고, 단일 전자 부품에서 여러 컨트롤러를 실행하며, 작업자 인터페이스(operator interface)로 음극선관(cathode ray tubes, CRTs)을, 제어에는 키보드를 사용했으며, 모든 구성 요소를 단일 디지털 데이터 네트워크로 연결했습니다. DCS의 “분산(distributed)”은 전반적인 조정 및 스케줄링 소프트웨어 프로그램이 있는 상태에서 다양한 제어 소프트웨어 작업이 여러 물리적 장치에서 수행됨을 의미합니다. 1990년대에 저가형 개인용 컴퓨터(PCs)와 관련 서버, 마이크로소프트 윈도우(Microsoft Windows)와 같은 표준 운영 체제, 외부 통신 표준 및 표준 디지털 버스 프로토콜(digital bus protocols)이 개발되면서 새로운 세대의 DCS가 도입되었습니다.

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현대 DCS의 요소들은 그림 7-1에 나와 있습니다.

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일반적인 시스템의 주요 구성 요소로는 입출력 연결 및 처리(input/output connectivity and processing), 제어 모듈(control modules), 운전원 스테이션(operator stations), 시스템 워크스테이션(system workstations), 애플리케이션 서버(application servers), 그리고 공정 제어 버스(process control bus)가 있습니다. 각각에 대해서는 다음 섹션에서 더 자세히 논의될 것입니다.

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Figure 7-1: Elements of a Modern DCS

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7.2 입출력(Input/Output, I/O)

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제어의 첫 번째 단계는 감지된 측정값을 제어 알고리즘이 평가할 수 있는 판독값으로 변환하는 것입니다. 과거에는 플랜트의 모든 입출력(I/O)을 제어실(control building)에 위치한 마샬링 패널(marshalling panels)로 가져온 다음, 여기에서 컨트롤러에 연결하는 방식이 흔했습니다. 이 방식은 장비 유지보수 및 업그레이드를 용이하게 합니다.

최신 DCS(분산 제어 시스템)에는 다양한 유형의 장비가 연결되어야 하며, 각각의 인터페이스는 특정 전자적 및 물리적 요구사항을 가집니다. 아래에서 논의할 각 입출력 유형은 신호를 DCS에서 사용되는 디지털 값으로 변환하는 전용 I/O 인터페이스 카드가 필요합니다.

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7.2.1 공압 부품 인터페이스 – 3~15 psi

공압식 컨트롤러와 트랜스미터가 개발되면서 여러 제조사의 장비를 한 플랜트에서 함께 사용하기 위해 표준 입출력 범위가 필요하게 되었습니다. 이로 인해 3~15psi 범위가 채택되었으며, 3psi는 스팬(span)의 0%를, 15psi는 스팬의 100%를 나타냅니다. 아직도 많은 공압식 컨트롤러가 사용 중이며, 이를 최신 DCS(분산 제어 시스템)에 연결하려면 일반적으로 입력 신호를 위해 압력/전류 변환기(P/I converter)를, I/O 카드에서 컨트롤러로 나가는 출력 신호를 위해 전류/압력 변환기(I/P converter)가 필요하며, 실제 인터페이스 카드는 표준 전자식 아날로그 타입이 사용됩니다.

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7.2.2 표준 전자식 아날로그 I/O – 4~20 mA

전자식 계측 장비가 처음 도입되었을 때도 전자식 I/O 신호에 대한 다양한 표준이 존재했습니다. 결국 4~20mA의 아날로그 직류(DC) 신호가 표준으로 채택되었고, 현재까지도 가장 널리 사용되는 입출력 형식입니다. 제어에 사용되는 각 신호는 별도의 전선으로 마샬링 패널(marshalling panel)로 연결된 후 컨트롤러에 접속됩니다. 가장 흔히 사용되는 아날로그 I/O 카드는 16비트 변환기로, 최대 해상도가 약 0.1%, 즉 유효숫자(significant digits) 4자리임을 의미합니다.

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7.2.3 이산 I/O(Discrete I/O)

리미트 스위치(limit switches)나 모터와 같이 상태가 이진(binary), 즉 켜짐 또는 꺼짐인 장치들이 있습니다. 이러한 장치들은 아날로그 I/O와는 별도의 입출력(I/O) 처리가 필요하며, 대부분의 경우 별도의 I/O 카드가 사용됩니다.

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7.2.4 직렬 통신(Serial Communication)

가스 크로마토그래프(gas chromatographs), 진동 모니터(vibration monitors), 터빈 제어기(turbine controls), PLC(Programmable Logic Controller)와 같은 비교적 복잡한 장비의 경우, 단순히 아날로그 값이나 디지털 신호만을 전달하는 것보다 더 많은 정보를 통신하는 것이 바람직합니다. 이러한 통신을 지원하기 위해 직렬 통신 프로토콜(serial communication protocols) 및 인터페이스 전자 장치(interface electronics)가 개발되었습니다. Modbus는 가장 일반적인 프로토콜 중 하나입니다. 장치 내의 I/O 레지스터(I/O registers)는 사전 정의된 읽기/쓰기 명령을 지원하며, 최근에는 단일 값 전송뿐만 아니라 블록 데이터 전송(block data transfer)도 지원합니다.

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7.2.5 HART

컴퓨터의 소형화가 계속되면서 현장 장치에 향상된 계산 기능을 추가하는 것(“스마트(smart) 계측”)이 가능해졌습니다. 이로 인해 더 많은 전선을 추가하지 않고도 더 많은 정보를 전송할 수 있는 통신 프로토콜의 필요성이 생겼습니다. HART(Highway Addressable Remote Transducer) 프로토콜은 1980년대에 로즈마운트(Rosemount)에서 처음 개발되었으며, 1993년에 독립 기관인 HART 통신 재단(HART Communication Foundation)으로 이관되었습니다. HART 프로토콜은 측정값은 4~20mA 신호로 유지하면서, 동일한 물리적 라인을 통해 디지털 프로토콜을 이용해 다른 진단 정보(diagnostic information)를 전송합니다. 이를 위해 동일한 전선에서 아날로그 신호와 진단 정보를 모두 읽어 들일 수 있는 전용 HART I/O 카드가 필요합니다.

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7.2.6 디지털 버스(Digital Buses)

최신 DCS(분산 제어 시스템)가 디지털 방식이고 새로운 현장 계측 장비가 디지털 통신을 지원함에 따라, 이들을 연결하기 위한 완전한 디지털 버스에 대한 자연스러운 수요가 생겼습니다. 이러한 통신 프로토콜은 여러 장치를 각 버스 세그먼트에 연결할 수 있으므로 배선 요구사항을 줄입니다. 개별 신호마다 전선을 따로 설치할 필요가 없습니다. 여러 디지털 버스가 사용되고 있으며, 가장 널리 사용되는 몇 가지는 다음과 같습니다. 버스 배선을 컨트롤러에 직접 연결하여 마샬링 패널(marshalling panel)을 우회함으로써 설치 비용을 더욱 절감하는 것이 일반적입니다.

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필드버스(Fieldbus)

파운데이션 필드버스(FOUNDATION fieldbus)는 센서, 액추에이터, 컨트롤러 간의 상호 연결을 지원하는 디지털 통신 프로토콜입니다. 이는 현장 장치에 전원을 공급하고, 계산 기능의 분산을 지원하며, 로컬 네트워크 역할을 합니다. 예를 들어, 파운데이션 필드버스를 사용하면 스마트 트랜스미터와 스마트 밸브를 디지털 방식으로 연결하고 밸브의 전자 장치 내에서 PID 컨트롤러(PID controller) 알고리즘을 로컬로 실행하여 이러한 아키텍처에서 비롯되는 향상된 신뢰성을 얻을 수 있습니다. 파운데이션 필드버스 표준은 독립 기관인 필드버스 재단(Fieldbus Foundation)에서 관리합니다.

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프로피버스(Profibus)

프로피버스(Profibus) 또는 Process Fieldbus는 원래 독일 표준이었으며 현재는 유럽 표준입니다. 여러 종류가 있는데, 프로피버스 DP(Profibus DP)는 공장 자동화에 초점을 맞추고, 프로피버스 PA(Profibus PA)는 공정 산업을 대상으로 합니다. 이 표준은 프로피버스 인터내셔널(Profibus International) 조직에서 관리합니다.

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AS-i

AS-i(Actuator Sensor interface)는 몇 개의 디지털 비트로 인코딩될 수 있는 정보를 전송하는 저비용 디지털 네트워크를 제공합니다. 모터 시동기(motor starters), 액위 스위치(level switches), 온/오프 밸브(on/off valves), 솔레노이드(solenoids)와 같은 이산 장치(discrete devices)의 온/오프 지시를 지원하는 데 인기가 많습니다.

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디바이스넷(DeviceNet)

디바이스넷(DeviceNet)은 최대 8바이트의 양방향 메시지를 지원하는 디지털 통신 프로토콜입니다. 이는 일반적으로 가변 속도 드라이브(variable speed drives), 솔레노이드 밸브 매니폴드(solenoid valve manifolds), 이산 밸브 제어기(discrete valve controls), 그리고 일부 모터 시동기에 사용됩니다.

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이더넷(Ethernet)

정교한 온라인 분석기(on-line analyzers)와 같은 일부 현장 장치들은 이제 표준 TCP/IP 프로토콜을 사용하여 직접적인 이더넷 연결(Ethernet connectivity)을 지원하고 있습니다.

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7.2.7 특수 I/O(Specialized I/O)

수많은 특수 측정값에 대해서는 그에 맞는 특별한 인터페이스(interface) 요구사항이 있습니다.

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열전대(Thermocouples)

열전대는 냉접점 보상(cold junction compensated) 방식 또는 비보상(uncompensated) 방식일 수 있습니다. 이 각각의 입력 형식은 신호를 판독값으로 변환하기 위해 다른 계산을 필요로 합니다. 여러 개의 열전대 값을 읽기 위해 멀티플렉서(multiplexers)가 자주 사용되는데, 이는 I/O 배선(wiring)을 줄여줍니다.

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펄스 카운트(Pulse Counts)

터빈 유량계(turbine meters)와 같은 일부 장치에서는 미리 정해진 시작 시간 이후에 전송된 펄스(pulses) 수를 누적하는 것이 필요합니다.

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7.2.8 무선(Wireless)

무선 통신은 특히 중요하지 않은 측정값에 대해 점점 더 보편화되고 있습니다. 이 분야의 표준은 빠르게 발전하고 있지만 가까운 미래에 안정될 것으로 보입니다.

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7.3 제어 네트워크(Control Network)

제어 버스 네트워크(control bus network)는 DCS(분산 제어 시스템)의 근간이며 여러 구성 요소 간의 통신을 지원합니다. 입출력(I/O) 구성 요소의 데이터와 상태 정보가 컨트롤러로 전송되고, 마찬가지로 I/O와 컨트롤러의 데이터 및 상태 정보가 HMI(Human-Machine Interface)로 전송됩니다.

데이터 전송 우선순위가 적용되는데, 제어와 관련된 데이터 및 통신은 최우선 순위이며, 공정 정보 및 구성 변경은 낮은 우선순위를 가집니다. 일반적으로 버스는 이중화(redundant)되어 있으며 고속 전송을 지원합니다. 초기 DCS에서는 각 공급업체가 자체적인 독점 버스 프로토콜(proprietary bus protocol)을 사용하여 데이터 소스 및 대상 주소 지정, 데이터 패킷 길이, 데이터 전송 속도를 정의했습니다. 오늘날에는 TCP/IP 기본 프로토콜과 IP 주소 지정을 사용하는 이더넷 네트워크(Ethernet networks)가 가장 보편적인 선택이 되었습니다. ISO(국제 표준화 기구)의 개방형 시스템 상호 연결(Open System Interconnection, OSI) 모델은 전반적인 제어 네트워크 구현을 위한 정의 표준이며 대부분의 공급업체가 이를 따르고 있습니다. 이는 물리 계층(physical layer)부터 응용 계층(application layer)까지 7개의 계층으로 구성된 구현 참조 모델입니다.

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7.4 제어 모듈(Control Modules)

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일반적인 DCS(분산 제어 시스템)의 제어 모듈은 고속 버스를 통해 I/O 카드에 연결되어 원시 데이터(raw data)를 모듈로 가져옵니다. 이 모듈에는 실시간으로 다음 작업을 수행하는 마이크로프로세서(microprocessor)가 내장되어 있습니다.

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  • 공정 변수 처리(Process variable processing)
    • 스캔 실행 주기 제어(Scan execution frequency control)
    • 공정 변수 상태 확인(Process variable status checking)
    • 공정 변수 엔지니어링 단위 변환 (예: 유량 요소 변환, 질량 유량 보정, 제곱근 추출, 선형화, 필터링 및/또는 총량화)
    • 경보 한계(alarm limits) 대비 변수 비교 및 한계 초과 시 경보 발생
    • 신호 특성화(Signal characterization)
    • 계산 변수 생성 (하나 이상의 변수를 더하기, 빼기, 곱하기, 나누기, 통합, 누적, 높고/낮음 선택 및 리드/랙, 데드 타임과 같은 동적 보상을 통해 결합)
    • 계산에 “불량(Bad)” 입력 전파
  • 제어 알고리즘(Control algorithms)
    • 모드 변경 (수동, 자동, 원격, 컴퓨터)
    • 신규 모드 최초 실행 시 알고리즘 초기화
    • 정의된 주기로 제어 루프 실행 (PID, 비례, 오버라이드, 캐스케이드, 피드포워드)
    • 고급 제어 기능 실행 (모델 예측 제어, 퍼지 로직 제어, 적응 제어)
    • 와인드업 방지(Windup protection)
    • 루프 성능 모니터링 (모드, I/O 상태, 변동성)
  • 제어 변수 출력 처리(Controlled variable output processing)
    • 출력 클램핑 및 변화율 한도 구현
  • 이산 입력 변수 처리(Discrete input variable processing)
    • 상태 변화 감지(Change of state detection)
    • 플립플롭(flip flops) 설정/재설정
    • 부울 함수(Boolean functions)를 통한 로직 계산 (AND, OR, NOT, NAND, NOR)
    • 비교 로직 (같음, 초과, 미만, 같지 않음)
  • 이산 출력 처리(Discrete output processing)
    • 펄스 또는 래칭 출력 실행
    • 수동 실행
  • 순차 제어(Sequential control)
    • 단계 실행
      • 사전 설정된 지연 후 알고리즘 실행
      • 카운터가 사전 설정된 값에 도달한 후 알고리즘 실행
      • 비교 로직이 참일 때 알고리즘 실행
      • 부울 로직이 참일 때 알고리즘 실행
    • 조건이 존재하면 단계 유지(Hold step)
    • 조건이 존재하면 단계 재시작(Restart step)
    • 조건이 존재하면 하나 이상의 단계 건너뛰기(Skip one or more steps)
    • 조건이 존재하면 이전 단계로 재순환(Recycle)
  • 히스토리/트렌딩(Historian/Trending)
    • 향후 검색 및 트렌딩을 위해 아날로그 및 디지털 값과 상태 저장
    • 향후 검색을 위해 경보 정보 저장
    • 향후 검색을 위해 운전자가 입력한 정보 저장
  • 진단(Diagnostics)
    • 위 기능들에 대한 성능 진단 실행
    • 현장 계기 진단 정보 캡처
  • 시스템 접근 제어 강제 적용

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마이크로프로세서는 실시간 실행에 사용되며, 컴퓨터 산업의 지속적인 발전에도 불구하고 프로세서 용량과 메모리에 한계가 있습니다. 결과적으로 단일 모듈에서 처리되는 I/O 포인트, 제어 루프 및 계산의 수가 제한됩니다. 따라서 전체 공정에 필요한 요구사항을 처리하기 위해 여러 모듈이 사용됩니다. 제어 모듈은 보통 항온항습 환경에 설치됩니다.

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7.4.1 데이터베이스(Database)

각 모듈에는 현재 스캔(scanned) 및 계산된 정보와 함께 구성(configuration) 및 튜닝(tuning) 정보가 저장되는 데이터베이스(database)가 포함되어 있습니다.

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7.4.2 구성(Configuration)

제어 모듈의 구성(Configuration)은 일반적으로 엔지니어링 워크스테이션(engineering workstation)에서 오프라인으로 수행되며, 초기 구성 및 업데이트가 실행을 위해 제어 모듈로 다운로드됩니다. 구성 업데이트는 공정 제어를 일시적으로만 중단시키고 다운로드할 수 있습니다. 오늘날 이러한 구성 작업은 보통 GUI(Graphical User Interface) 기반 시스템에서 드래그 앤 드롭(drag-and-drag) 아이콘, 대화창(dialog windows), 빈칸 채우기 양식 등을 통해 이루어지며, 별도의 프로그래밍은 필요하지 않습니다.

그림 7-2에는 일반적인 구성 화면이 나타나 있는데, 여기서 상자는 I/O(입출력) 또는 PID 제어 블록(PID control blocks)을 나타냅니다. 선은 제어 블록 간의 데이터 전송을 의미합니다.

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Figure 7-2: Typical Configuration Screen

표준 입출력(I/O) 및 제어 기능에는 일반적으로 아이콘, 연결, 경보 기능이 결합된 사전 정의된 템플릿(templates)이 있습니다. 전역 검색 및 바꾸기(Global search and replace) 기능도 지원됩니다. 업데이트된 구성(configuration)은 제어 모듈로 다운로드하기 전에 유효성 검사를 거쳐 오류가 식별됩니다.

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7.4.3 이중화(Redundancy)

주요 제어 기능에는 이중화된 제어 모듈(redundant control modules)이 자주 사용됩니다. 이는 주 컨트롤러에 장애가 감지될 경우 자동으로 백업 컨트롤러로 전환되는 것을 지원합니다.

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7.4.4 백업(Backup)

현재의 데이터베이스 및 구성 정보는 일반적으로 제어 모듈을 오프라인으로 전환하지 않고 생성되며 백업 목적으로 저장됩니다.

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7.4.5 온라인 버전 업그레이드(Online Version Upgrade)

DCS(분산 제어 시스템)의 하드웨어와 소프트웨어는 지속적으로 발전하고 있으며, 제어 모듈을 오프라인으로 전환하지 않고도 새로운 릴리스를 설치할 수 있는 것이 바람직합니다. 이중화된 모듈이 있는 경우, 주 모듈을 계속 가동하면서 보조 모듈의 하드웨어를 교체하거나 새로운 소프트웨어 릴리스를 다운로드한 후, 보조 모듈로 제어를 전환(적절한 초기화 후)하고 주 모듈에 대해 동일한 업데이트를 반복하는 방식으로 업그레이드를 수행할 수 있습니다.

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7.5 HMI(Human Machine Interface)

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7.5.1 운전원 스테이션(Operator Station)

일반적으로 DCS(분산 제어 시스템)에는 두 가지 다른 사용자 인터페이스가 있습니다. 하나는 공정 운전을 담당하는 운전원(operator)을 위한 것이고, 다른 하나는 구성, 시스템 진단, 유지보수에 사용되는 시스템 지원을 위한 것입니다. 소규모 시스템에서는 이 두 인터페이스가 물리적으로 동일한 워크스테이션 하드웨어에 상주할 수 있습니다. 중간 또는 대규모 시스템의 경우, 물리적으로 분리됩니다. 운전원 인터페이스는 이 섹션에서 다루고, 시스템 인터페이스는 다음 섹션에서 다룹니다. 일반적인 운전원 스테이션은 그림 7-3에 나타나 있습니다.

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Figure 7-3: Typical Operator Station

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7.5 HMI(Human Machine Interface)

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7.5.1 운전원 스테이션(Operator Station)

필요한 콘솔의 수는 시스템의 크기와 제어 애플리케이션의 복잡성에 따라 결정됩니다. 이 콘솔들은 제어 버스(control bus)를 통해 제어 모듈 데이터베이스에 접속하여 공정의 현재 및 과거 상태에 대한 정보를 표시하며, 루프의 설정값(setpoint) 변경이나 모드 변경과 같은 제어 동작을 시작하는 데 사용됩니다. 보안은 개별 로그인 및 권한 부여를 통해 콘솔에서 관리됩니다.

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7.5.2 키보드(Keyboard)

표준 컴퓨터 키보드와 마우스가 가장 일반적인 운전원 콘솔 인터페이스이며, 개별 키에 자주 사용되는 키 입력이 미리 프로그래밍된 전용 키패드가 가끔 보조적으로 사용됩니다.

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7.5.3 표준 디스플레이(Standard Displays)

GUI(Graphical User Interface) 콘솔에는 운전원들이 흔히 사용하는 표준 디스플레이 유형들이 갖추어져 있습니다.

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페이스플레이트(Faceplates)

페이스플레이트(Faceplate) 디스플레이는 단일 제어 루프에 대한 동적 및 상태 매개변수를 보여주며, 운전원이 제어 모드를 변경하고 루프의 선택된 매개변수 값을 변경할 수 있도록 합니다.

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맞춤형 그래픽 디스플레이(Custom Graphic Displays)

이 디스플레이는 플랜트의 그래픽 표현을 실시간 데이터 디스플레이와 함께 제공하며, 그래픽 위에 공정 내 대략적인 위치에 해당하는 지점에 데이터가 주기적으로 업데이트되어 표시됩니다. 페이스플레이트 디스플레이가 중첩된 표준 디스플레이는 그림 7-4에 나타나 있습니다. 디스플레이는 계층 구조 및 페이징을 통해 그룹화 및 연결될 수 있어 플랜트의 특정 부분에 대한 데이터를 자세히 검토하거나 전체 플랜트 운전을 개괄적으로 볼 수 있습니다.

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7.5.4 경보(Alarms)

발생한 경보는 깜빡이는 빨간색 태그 식별자(tag identifier)와 같은 시각적 표시를 운전원 콘솔에 일으키며, 종종 청각적 신호도 함께 발생시킵니다. 운전원은 활성화된 경보를 인지하고 적절한 조치를 취합니다.

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Figure 7-4: Standard Display with Faceplate Display Superimposed

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경보는 타임스탬프(time stamped)가 찍혀 경보 기록 시스템(alarm history system)에 저장되며, 분석 및 검토를 위해 검색할 수 있습니다. 각기 다른 운전원 스테이션이 각기 다른 경보의 인지(acknowledgement)를 담당할 수 있습니다. 경보 홍수(Alarm “floods”)는 플랜트에서 주요 문제가 발생했을 때 일어나며, 이로 인해 경보 수가 너무 많아져 운전원의 주의를 분산시키고 과도한 시스템 자원을 소모할 수 있습니다. 이러한 ‘경보 홍수’에 대응하고 실제 비상 상황에서 운전원에게 유용한 정보를 제공하는 것은 활발하게 개발되고 있는 분야입니다.

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7.5.5 이벤트 순서 기록(Sequence of Events)

운전원 로그인, 설정값(setpoint) 변경, 모드 변경, 시스템 매개변수 변경, 상태 지점 변경 및 자동화 장비 오류 메시지와 같은 다른 이벤트들은 타임스탬프가 찍혀 이벤트 순서 기록 시스템(sequence of events system)에 저장되며, 이 역시 분석 및 검토를 위해 검색할 수 있습니다. 압축기(compressor)와 같은 특정 공정 장비에 이벤트 순서 기록 기능이 포함되어 있다면 이 시스템과 통합될 수 있습니다.

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7.5.6 히스토리/트렌드 패키지(Historian/Trend Package)

이력 데이터 수집 패키지(historical data collection package)는 트렌드(trending), 로깅(logging), 보고(reporting)를 지원하는 데 사용됩니다. 트렌드 패키지는 트렌드 디스플레이(trend display)에 실시간 및 이력 데이터를 보여줍니다. 일반적으로 사전 구성된 트렌드가 제공되며, 사용자가 직접 트렌드를 정의하는 기능도 함께 제공됩니다. 일반적인 트렌드 디스플레이는 그림 7-5에 나타나 있습니다.

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Figure 7-5: Typical Trend Display

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7.6 HMI – 시스템 워크스테이션(System Workstation)

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시스템 워크스테이션은 이전에 논의된 다음 기능을 지원합니다.

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  • 시스템 및 제어 구성(configuration)
  • 데이터베이스 생성, 편집 및 백업
  • 시스템 접근 관리
  • 진단 접근
  • 구역/플랜트/장비 그룹 정의 및 할당

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그래픽 구축(Graphic Building)

사용자가 정의하는 그래픽을 생성하고 수정하는 표준 유틸리티가 제공됩니다. 이 유틸리티는 일반적인 ISA 기호를 포함한 사전 구성된 그래픽 요소와 사용자가 입력하는 표를 사용합니다. 새로운 그래픽을 추가하거나 기존 그래픽을 삭제해도 제어 기능은 중단되지 않습니다.

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시뮬레이션/에뮬레이션(Simulation/Emulation)

구성 변경사항과 그래픽을 제어 모듈에 다운로드하기 전에 테스트하고 디버깅하는 것이 바람직합니다. 시뮬레이션/에뮬레이션 기능은 현재 실제 플랜트 구성을 사용하여 시스템 워크스테이션에서 이 작업을 수행할 수 있도록 해줍니다.

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감사 추적/변경 제어(Audit Trail/Change Control)

시스템에서 구성 및 매개변수 변경에 대한 감사 추적(audit trail) 또는 기록을 유지하고, 변경을 승인한 개인에 대한 문서화를 요구하는 것이 일반적입니다.

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7.7 애플리케이션 서버(Application Servers)

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애플리케이션 서버(application servers)는 배치 실행 및 관리(batch execution and management), 생산 관리, 운전원 교육, 온라인 공정/에너지 최적화 등과 같이 계산 집약적이거나 복잡하거나 트랜잭션 지향적인 추가 소프트웨어 애플리케이션을 호스팅하는 데 사용됩니다.

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7.7.1 원격 접근성(Remote Accessibility)

사용자가 DCS(분산 제어 시스템)의 정보에 원격으로 필요시에만 접근할 수 있는 것이 바람직합니다. 애플리케이션 서버는 여러 사용자가 동시에 접근할 수 있도록 보안된 원격 터미널 서버(remote terminal server) 역할을 할 수 있으며, 권한 및 영역 접근을 제어합니다.

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7.7.2 연결성(Connectivity)

애플리케이션 서버는 외부 데이터 전송을 위한 통신 소프트웨어를 호스팅하는 데에도 사용됩니다. 이 전송에 흔히 사용되는 몇 가지 표준이 있습니다.

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OPC

OPC(OLE for Process Control) 표준은 원래 애플리케이션 상호 운용성을 용이하게 하기 위해 **마이크로소프트(Microsoft)**가 개발한 OLE(Object Linking and Execution) 표준을 확장한 것입니다. 이는 실시간 애플리케이션 클라이언트 및 서버의 데이터 전송 요구사항에 특화된 표준입니다. 자동화 산업에서 널리 지원되며, 다양한 소스의 소프트웨어 프로그램 간 통신을 가능하게 합니다.

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XML/SOAP/웹 서비스(Web Services)

여러 애플리케이션에 단일 웹 기반 사용자 인터페이스를 제공하는 것이 많은 소프트웨어 애플리케이션의 목표입니다. XML(eXtensible Markup Language)은 애플리케이션과 사용자 인터페이스 간의 통신을 허용하는 표준 메시지/문서 프로토콜입니다. SOAP(Simple Object Access Protocol)은 XML과 RPC(Remote Procedure Calls)를 사용하여 서로 다른 프로그래밍 언어로 된 프로그램들이 통신할 수 있도록 합니다. 웹 서비스(Web services)는 SOAP과 XML-RPC를 사용하여 여러 애플리케이션에 사용자 인터페이스를 제공하고 정보에 대한 웹 접근을 허용합니다. 이 프레임워크는 마이크로소프트의 .NET 소프트웨어 아키텍처에서 사용됩니다.

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7.8 기타 제어 시스템(Other Control Systems)

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7.8.1 비상 셧다운 시스템(Emergency Shutdown Systems, ESD)

비상 셧다운 시스템(ESD)은 주요 비상 상황 발생 시 플랜트를 자동으로 셧다운(shutdown)하고 안전한 상태로 전환하기 위해 설치되는 특수 제어 시스템입니다. 일반적으로 일반적인 제어에 사용되는 것과는 별도의 밸브와 트랜스미터(transmitters)를 사용합니다. 제어 모듈 대신에 특정 비안전 조건을 감지하도록 프로그램된 로직 솔버(logic solver)가 사용됩니다. 이러한 조건이 발생하면 ESD가 활성화되어 해당 장비나 전체 플랜트를 셧다운시킵니다.

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7.8.2 PLC(Programmable Logic Controllers)

PLC(Programmable Logic Controller)를 DCS(Distributed Control Systems)와 비교하면, PLC는 일반적으로 I/O 포인트당 초기 비용이 저렴하지만, 기능성 및 이중화(redundancy)가 DCS보다 낮습니다. PLC는 주로 이산 I/O(discrete I/O)가 많고 로직이 상대적으로 고정된 시스템, 그리고 매우 빠른 스캔(scanning) 속도가 필요한 기계 제어 및 모션 제어에 주로 사용됩니다. DCS는 아날로그 I/O(analog I/O)의 수가 많고 연속, 반연속 및 공정 배치(process batch) 애플리케이션에 주로 선택됩니다.

다른 차이점으로는, PLC는 I/O, 제어, HMI(Human-Machine Interface)에 대한 데이터베이스가 각각 분리되어 있는 반면, DCS는 이 모든 기능에 공통 데이터베이스를 사용합니다. PLC의 구성은 주로 래더 로직(ladder logic)으로 이루어지는 반면, DCS는 자동화된 빈칸 채우기 형식의 구성 편집 및 고급 언어 지원을 제공합니다. 대부분의 PLC는 제어 로직을 수정할 때 시스템을 오프라인으로 전환해야 하는 반면, 대부분의 DCS는 온라인에서 업데이트할 수 있습니다. 배치(batch) 및 고급 제어(advanced control)와 같은 고급 자동화 애플리케이션 지원은 일반적으로 PLC에 비해 DCS에서 더 뛰어납니다.

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7.8.3 HMI-SCADA 시스템

저렴한 개인용 컴퓨터(PC)의 개발로 이러한 PC를 기반으로 한 저비용 시스템이 개발되었습니다. 이 시스템은 장비 상태를 모니터링하고, 지리적으로 분산된 지역의 데이터를 수집하여 운전원 및 관리자에게 표시하는 데 사용될 수 있습니다. 이러한 시스템은 흔히 HMI-SCADA 시스템이라고 불리며, SCADA는 **감시 제어 및 데이터 수집(supervisory control and data acquisition)**의 약자입니다. 일반적으로 이러한 시스템은 제어 기능이 제한적입니다.

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7.9 미래 DCS 발전(Future DCS Evolution)

컴퓨팅 및 통신 기능의 지속적인 발전과 함께 DCS에는 새로운 기능이 계속 추가되고 있습니다. 몇 가지 분명한 추세가 나타나고 있습니다.

첫째, 중앙 제어실이 실제 플랜트와 물리적으로 수백 마일 떨어진 곳에 설치되어 여러 플랜트를 동시에 책임지는 경우가 증가하고 있습니다. 이는 문제 발생 전에 교정 조치를 취할 수 있도록 공정 문제를 더 잘 진단하고 예측하기 위해 계측 장비와 기타 공정 장비에 대한 진단 정보의 요구를 증가시킵니다.

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둘째, “센서에서 이사회(sensor to boardroom)”까지의 통합에 대한 요구가 증가하면서 통신 대역폭에 대한 요구가 더욱 커지는 관련 추세가 있습니다. 우수하고 실시간적인 기업 의사결정은 플랜트 상태에 대한 우수하고 실시간적인 정보에 달려 있습니다. 무선 현장 장치 및 터미널을 제어 시스템에 안전하게 통합하는 것은 현재 활발하게 개발 중인 분야입니다.