Definitions
Single-loop Control
Large Systems
Central Computer Control
PLC Control
SCADA Systems
Distributed Control
Hybrid Control
PC Control
Control in the Field
A.1 서론
Control Equipment Structure 제어 시스템 구조
다양한 제어기를 논의하는 것은 다양한 차량에 대해 이야기하는 것과 같습니다. 가장 뛰어난 교통수단이라는 것은 존재하지 않으며, 모든 것은 적용 요구사항에 달려 있습니다. 스포츠카, 세단, 픽업트럭은 각각 다른 기능을 수행합니다. 트랙터 트레일러는 유연성을 제공하지만, 종종 철도 화물열차에 실려 장거리로 운송됩니다. 요트와 크루즈선은 목적이 다르며, 대양을 항해하는 유조선, 연안 화물선, 대형 강에서 운항하는 선박과 바지선도 마찬가지입니다.
공급업체를 선택하는 것도 자동차 구매자와 비슷합니다. 특정 브랜드를 맹신하는 집단이 있는가 하면, 같은 브랜드를 맹비난하는 집단도 있습니다. 제어기와 제어 시스템도 다르지 않습니다. 이들 모두는 제어 기능을 수행합니다. 다양한 적용 분야가 존재하고, 심지어 “논리적인” 엔지니어들 사이에서도 다양한 감정이 존재하므로, 역사적 관점에서 제어 장비 구조(Control Equipment Structure) 와 목적을 설명합니다.
A.2 정의
시작하기에 앞서, 혼동을 줄이기 위해 제어기와 관련하여 자주 사용되는 용어와 약어를 정의하겠습니다:
SLC – 단일 루프 제어기 (single-loop controller)
DAQ – 데이터 수집 (data acquisition)
SCADA – 감독 제어 및 데이터 수집 (supervisory control and data acquisition, 플랜트 외부의 파이프라인, 전력 배전, 수도 시스템 등)
DAC – 데이터 수집 및 제어 (data acquisition and control, 현재는 일부에서 이를 SCADA라고 부르기도 하나, 플랜트 내부에 해당)
DCS – 분산 제어 시스템 (distributed control system)
PLC – 프로그래머블 로직 제어기 (programmable logic controller)
PAC – 프로그래머블 오토메이션 제어기 (programmable automation controller, PLC와 PC의 기능을 결합한 ARC 용어; 일부에서는 이를 하이브리드 제어기의 일종으로 간주함)
PC Controller – 산업용 개인용 컴퓨터(PC)를 사용하는 제어기, 경우에 따라 SBC를 통해 구현됨
SBC – 단일 보드 컴퓨터(single board computer, 제어기); 프로세서, 메모리, 입출력(I/O), 클럭을 포함한 완전한 컴퓨터가 인쇄회로기판에 내장된 형태
Hybrid controller – PLC와 DCS의 장점을 결합한 아키텍처; 일반적으로 ‘소규모 DCS’로 간주됨; 이 용어는 사람마다 다르게 정의함
CIF – 현장 제어(control in the field); 제어 루프가 제어기 내부가 아닌 필드버스(fieldbus)를 통해 구성됨
A.3 단일 루프 제어
가정용 난방 제어처럼 단순한 릴레이 온오프 제어를 넘어, 이러한 조절형 제어기(modulating controller)는 초기에는 밸브를 작동시키기 위해 사용되었습니다. 처음에는 공압식/기계식이었고, 이후 전기기계식, 전기식, 전자식(진공관, 그 다음은 트랜지스터)으로 발전했으며, 현재는 마이크로프로세서 기반으로 되어 있습니다.
이러한 최신 버전은 네트워크 연결을 가능하게 하며, 보다 정교한 제어도 가능하게 하여 때로는 ‘하이브리드 제어(hybrid control)’라고 불리기도 합니다.
초기의 제어기는 지시기와 기록기의 포인터 및 펜의 움직임을 제공하는 메커니즘을 포함하고 있었기 때문에, ‘페이스플레이트(faceplate)’는 제어 기능의 필수 요소였으며, 많은 계기 회사들은 전체 조립체를 ‘제어기(controller)’라고 불렀습니다 (그림 A-1). 이러한 점은 이후 각 계기 회사들이 자신들의 ‘분산 제어 시스템(distributed control systems)’을 설계하는 방식에 영향을 주었습니다.
Figure A-1: Measurement and Control Mechanism was One with the Indicator and Recorder
또 다른 설계 상황은 “연속 제어(Continuous Control)”라는 장에서 다룬 바와 같이, 제어의 세 가지 모드가 메커니즘의 상호작용에 의해 결정되었다는 점입니다 (그림 A-2). 제한기(restrictor), 용량기(capacity), 니들 밸브(needle valve)를 사용하든, 이후에 저항기(resistor), 커패시터(capacitor), 진공관(전압 밸브, vacuum tube/voltage valve) 또는 트랜지스터(전류 밸브, transistor/current valve)를 사용하든, 기술의 본질은 동일했습니다.
비례(P) 제어기에서 비례-적분(PI) 또는 비례-적분-미분(PID) 제어기로 전환하려면, 제어기를 교체하거나 최소한 섀시를 교체해야 했습니다. 제어 전략을 바꾸거나 조정 방식을 변경하고자 할 경우에도, 추가 장비를 구매해야 했습니다. 이후에 등장한 전자식 버전조차도 서로 다른 회로 기판을 필요로 했습니다. 단순히 하나의 제어 모드를 끄는 방식은 존재하지 않았습니다. 이러한 이유로 인해 많은 자동 제어기들이 수동 모드로 운전되었던 것입니다 (일부는 85~90%에 달한다고 말합니다).
Figure A-2: Interactive Mechanism, Pneumatic or Its Electronic Counterpart,
Restricted Control Action Flexibility
Figure A-3: Traditional Single-loop Control
Figure A-4: Microprocessors Made Powerful SLC Possible
마이크로프로세서가 등장하기 전까지는 상황이 달랐습니다! 진공관이나 트랜지스터와 달리, 마이크로프로세서는 ‘밸브(valve)’가 아니라 ‘카운터(counter)’였습니다. 이로 인해 제어 알고리즘의 작동 방식이 변화할 수 있었고, “연속 제어(Continuous Control)”에서 설명된 이른바 병렬 알고리즘(parallel algorithm)을 사용할 수 있게 되었습니다. 또한 루프 조정(tuning)에 있어서도 더 많은 선택지를 제공하게 되었습니다.
더불어, 마이크로프로세서는 보다 복잡한 제어 전략의 실현을 가능하게 하였고, 플랜트가 본래의 성능에 더 가깝게 운전될 수 있도록 하였습니다. 마이크로프로세서는 분산 제어 시스템(distributed control systems)과 하이브리드 제어기(hybrid controllers)의 유연성을 가능하게 만든 핵심 요소였습니다.
단일 루프 제어기(single-loop controllers)는 건조기, 소형 노(爐), 소형 보일러와 같은 단일 독립 공정(unit process)을 제어하는 데 매우 경제적인 방법입니다. 마이크로프로세서의 발전 덕분에, 이들은 소규모 네트워크에서도 쉽게 사용될 수 있으며, 보다 정교한 연속 제어가 필요하고 많은 수의 이산 동작(discrete actions)이 요구되는 경우에는 PLC와 함께 사용할 수도 있습니다.
A.4 대형 시스템
플랜트가 매우 크고 복잡해졌을 때, 운영자는 모든 작업을 파악하고 수많은 개별 단위 공정(unit process)을 조정하는 데 어려움을 겪게 되었습니다. 이는 수많은 개별 단일 제어 루프(single control loop)들이 누군가, 혹은 여러 사람이 “플랜트를 순회”하며 모든 데이터를 클립보드에 기록하고 결정을 내려야 함을 의미했습니다 (그림 A-5). 이후 모든 밸브와 구동기를 조정하기 위해 또 한 번의 순회가 필요했습니다. 이러한 과정은 시간이 오래 걸렸고, 플랜트의 효율적인 생산을 제한하는 요인이 되었습니다.
제2차 세계대전 이후, 전자 제어 기술은 산업 환경에 적합하도록 더욱 견고하고 실용적으로 발전하였습니다. 센서의 비용이 낮아짐에 따라 측정 가능한 항목이 점점 더 많아졌습니다. 이로 인해, 이전에는 측정할 수 없었던 매개변수를 측정할 수 있는 새로운 유형의 센서가 산업계에서 개발될 수 있었습니다. 또한, 실험실에서 시료를 채취하고 결과를 기다리는 번거로운 과정을 거치지 않고, 다양한 매개변수를 온라인으로 연속 측정하는 것이 가능해졌습니다.
이러한 새로운 전자 제어기들은 크기가 작아졌기 때문에, 더 많은 수의 제어기를 하나의 패널에, 더 작은 공간에 설치할 수 있게 되었습니다. 이 모든 변화는 제어실을 더욱 복잡하게 만들었고, 더 많은 배선을 해당 위치로 연결해야 하는 필요성을 야기했습니다. 이는 운영자에게는 정보 관리의 문제를, 계기 엔지니어에게는 신호 관리의 물류적 과제를 안겨주었습니다.
기술의 발전으로 컴퓨터 가격이 하락하면서, 대형 및 복잡한 설비에서 컴퓨터의 사용이 점차 보편화되었습니다. 이로 인해 단일 중앙 제어실(single, centralized control room)의 추가적인 발전도 가능해졌습니다.
A.5 중앙 컴퓨터 제어
대형 중앙 컴퓨터는 대규모 플랜트와 발전소에서 매우 중요한 역할을 했습니다. 이러한 컴퓨터들은 새로운 데이터를 처리할 수 있을 만큼 발전했지만, 대부분의 컴퓨터는 공정 제어(process control)보다는 거래 기반 업무(transactional business)를 위해 설계된 것이었습니다. 1960년대와 1970년대에는 공정 제어를 위한 두 가지 유형의 컴퓨터가 등장했습니다:
• 직접 디지털 제어(Direct digital control)
• 디지털 지시 아날로그 제어(Digitally directed analog control), 일반적으로는 감독 제어(Supervisory Control)라고 불림
중앙 제어실 개념은 플랜트 전체의 운영 상황을 훨씬 더 잘 파악할 수 있게 해주었지만, 플랜트의 모든 원거리 구역을 하나의 제어실에 연결하려면 다음과 같은 이유로 인해 높은 비용이 발생했습니다:
• 다수의 제어 케이블 설치, 배선 트레이 및 취급 장치
• 더욱 복잡한 엔지니어링 설계
• 배선 설치 및 종단 작업을 위한 기능공 인력
• 제어 전략 변경 시 발생하는 문제
또 하나의 심각한 문제는 컴퓨터에 장애가 발생할 경우, 전체 플랜트가 정지될 수 있다는 점이었습니다! 이러한 한계를 극복하기 위해, 컴퓨터 시스템과 함께 백업 제어기를 사용하는 경우가 많았습니다. 그 결과, 시스템의 신뢰성을 확보하기 위해 기업들은 종종 제어 시스템을 이중화해야 했으며, 이는 모든 구성 요소에 대해 두 세트의 제어기를 구매해야 함을 의미했습니다. 이러한 이중화는 플랜트를 계속 가동하기 위해 아날로그 계기를 필요로 했고, 제어 전략을 변경하는 것을 더욱 어렵게 만들었습니다.
중앙 집중식 컴퓨터 제어 및 모니터링은 여러 가지 장점과 단점을 가지고 있었습니다:
• 장점: 운영 상황을 보다 체계적으로 중앙에서 파악할 수 있었고, 제어 전략이 더욱 유연해졌으며, 경보 시스템이 훨씬 더 유연하고 효과적으로 작동하게 되었으며, 사건의 이력을 보다 의미 있게 기록할 수 있는 능력이 향상되었습니다.
• 단점: 배선이 매우 많았고, 플랜트 전체에 상당한 위험이 존재했으며, “확장성(scalability)”이 떨어졌습니다. 즉, 시스템을 조금만 확장하려 해도 전체 컴퓨터를 다시 프로그래밍해야 했습니다. 이러한 모든 단점은 결국 비용 증가로 이어졌습니다.
그럼에도 불구하고, 각 산업이 성숙해짐에 따라 공정 방식을 최적화할 필요성이 커지면서 컴퓨터 기반 제어는 점점 더 필수적인 요소가 되었습니다. 원자재 비용, 폐기물 처리 비용, 오염 비용, 정부 규제 준수 비용 등은 모두 운영 효율성에 영향을 미치는 점점 더 중요한 요소가 되고 있습니다.
마이크로프로세서 기술의 등장은 분산 제어 시스템(DCS)을 통한 공정 제어(process control)와 프로그래머블 로직 제어기(PLC)를 통한 공장 자동화(factory automation) 모두에서 제어 산업 전반에 큰 영향을 미쳤습니다.
A.6 PLC 제어
트랜지스터의 수용도가 높아지면서, 기존의 ‘릴레이 박스’는 프로그래머블 로직 제어기(PLC)로 발전하게 되었습니다. PLC는 주로 공장 자동화에서 이산 제어(discrete control)를 위해 사용되었으며, 한때 전체 PLC의 70%가 자동차 제조업에 사용되기도 했습니다. PLC는 기본적으로 독립형으로 설계되었으며, 시작 및 정지 기능의 운전자 인터페이스를 갖추고 있었고, 통신 네트워크에 대한 필요성은 거의 없었습니다. 각 장치는 독립적으로 구성되었으며, 로봇 제어 및 부품 제조용 수치 제어 기계(numeric control machines)를 위한 매우 빠른 스캔 회로를 제공하였습니다.
PLC는 작업 셀(한 명의 작업자를 위한 제조 작업 공간)에서 작동하도록 설계되었으며, 일반적으로 기능별로 하나의 PLC를 사용하는 것이 일반적인 관행이었습니다. 제조 공정의 작업 셀은 연속 제어 플랜트에서 연소기 관리(burner management)나 반응기 제어(reactor control)와 같은 단위 공정(unit process)에 해당합니다.
“이산 입력 및 출력 장치와 일반 제조 측정(Discrete Input and Output Devices and General Manufacturing Measurements)” 및 “이산 및 순차 제어(Discrete and Sequence Control)” 장에서는 PLC에 대한 보다 자세한 정보를 제공합니다.
PLC의 큰 장점 중 하나는 단가가 낮다는 점입니다. 이는 PLC가 전통적으로 범용 제품(commodity)으로 판매되어 왔기 때문입니다. PLC는 일반적으로 지역의 제3자 시스템 통합업체(system integrator)에 의해 설치되며, 보통 래더 로직(Ladder Logic, 북미) 또는 불 대수(Boolean, 유럽)로 구성되었습니다. 오늘날 대부분의 PLC는 IEC 61131-3 “표준”으로 전환되어, 보다 정교한 기능 구성을 용이하게 해주는 다섯 가지 언어를 사용하고 있습니다. 이에 대한 자세한 내용은 해당 장에서 다루고 있습니다.
또한, 적어도 공장 자동화 분야에서는 다양한 공급업체로부터 운전자용 스테이션(휴먼-머신 인터페이스, HMI)을 선택할 수 있다는 점도 PLC의 또 다른 장점입니다. 반면, 공정 제어 분야에서는 PLC 공급업체가 경보 관리나 배치 처리(batch processing)와 같은 고도화된 기능에 더 적합하도록 자체 설계한 HMI를 제공하는 경우가 많습니다.
PLC는 포장 라인과 같은 다양한 응용 분야에서 매우 유연하게 사용되었으며, 이를 통해 식품 및 제약 산업으로도 확장되었습니다. 이로 인해 보다 정교한 제어 및 일부 단일 루프 기능에 대한 수요가 증가하였고, 기업들은 PLC 공급업체에 대해 보다 정교한 연속 제어 기능을 요구하게 되었습니다. 이에 따라 PLC 공급업체들은 배치 시장(batch markets)으로 진입하게 되었습니다. 각 제어기를 독립적으로 구성하는 기존의 방식은 여전히 남아 있습니다 (그림 A-7). 대부분의 공장 자동화 응용 분야에서는 이중화(redundancy)가 필요하지 않았기 때문에, 과거의 PLC는 이중화 측면에서 강점을 가지지 못했습니다. 그러나 대부분의 공정 제어 응용 분야에서는 고급 이중화 기능이 필수적이며, 이러한 시장으로 진입하고자 하는 PLC 공급업체들은 이러한 과제에 대응하기 시작했습니다.
PLC 응용 분야가 점점 더 복잡해짐에 따라, PLC 공급업체들은 이에 적합한 네트워크와 그래픽 운전자 인터페이스를 개발해 왔습니다.
A.7 SCADA 시스템
불행히도, HMI 공급업체들이 PC와 PLC를 결합한 시스템을 “SCADA” 시스템이라고 부르기 시작하면서 업계에서는 혼란이 발생하게 되었습니다. 이는 부분적으로 SCADA(supervisory control and data acquisition)라는 약어의 정의가 단순하기 때문입니다. 원래 플랜트 내에서 PC와 PLC로 구성된 시스템은 데이터 수집 및 제어(data acquisition and control, DAC)라고 불렸습니다.
전통적인 SCADA는 50년 이상 존재해 왔으며, 항상 장거리 데이터 전송을 위해 사용되어 왔습니다. 일반적인 활용 사례로는 전력 송배전 시스템(transmission and distribution), 석유 및 가스 파이프라인, 수도 배급 시스템 등이 있습니다. SCADA는 모니터링 및 제어가 장거리에서 이루어지는 모든 상황에서 사용할 수 있습니다.
SCADA 시스템은 마스터 종단 장치(master termination unit, MTU)와 하나 이상의 원격 종단 장치(remote termination units)로 구성됩니다. MTU는 제어실에 위치하며, 그곳에서 필요한 다양한 기능들과 연결됩니다 (그림 A-8). 대규모 제어 시스템의 경우, 운영자뿐만 아니라 유지보수 인력, 엔지니어, 관리자뿐 아니라 회계 담당자, 정부 규제 기록 담당자, 그리고 소유권 이전(custody transfer)과 관련된 다양한 기능들이 포함될 수 있습니다.
SCADA 시스템은 다양한 매체를 통해 데이터를 전송할 수 있습니다. 여기에는 유선 전화망, 무선 통신망, 마이크로파, 라디오, 위성 등이 포함됩니다. 이러한 장거리 통신 환경에서는 거리로 인한 시간 지연과 통신 자원의 공유(여러 RTU를 순차적으로 스캔하는 방식) 때문에, 원격에서 수행되는 공정 제어는 반드시 독립형 제어(stand-alone control) 방식으로 신중하게 설계되어야 합니다. 이는 제어 동작에 대한 지시와 정보의 무결성을 보장하기 위해 필수적인 요소이며, 이를 위해 특정한 통신 기술이 요구됩니다.
또한 마이크로프로세서 기술의 발전으로 인해, 오늘날의 RTU(remote termination unit)는 단순히 값을 원격으로 보고하거나 스위치를 켜고 끄는 기능을 넘어서 다양한 기능을 수행할 수 있게 되었습니다. “스마트(smart)” 송신기(transmitter)나 말단 요소(end element)들이 점점 더 다양한 기능을 갖추게 된 것처럼, RTU도 여러 수준의 “스마트” 기능을 갖춘 제품들이 존재합니다. 일부 고도로 정교한 원격 독립형 제어기(remote stand-alone controller)는 RTU 기능에 추가될 수 있습니다.
A.8 분산 제어
분산 제어(distributed control)의 등장은, 영상 기술의 발전으로 데이터를 시각적으로 표시하고 운전자가 “화면을 통해” 제어 동작을 수행할 수 있게 되면서 가능해졌습니다. 중앙 제어실의 장점은 모든 처리를 하나의 취약한 지점에 집중시키지 않으면서도 정보를 중앙에서 통합적으로 제공할 수 있다는 점으로, 이는 위험을 분산시키는 효과를 가져왔습니다.
또한, 분산 제어는 디지털 신호를 단일 케이블을 통해 전송함으로써 배선 비용과 복잡성을 줄일 수 있었습니다. 이 케이블은 플랜트의 다양한 구역을 연결하는 통신 네트워크(데이터 하이웨이)로 사용되었습니다. 하나의 선을 통해 여러 신호를 전송하는 기술은 오래된 기술로, 전신(telegraph)에서 그 기원을 찾을 수 있습니다. 모스 부호(Morse code)의 사용은 사실상 아날로그 값을 디지털 방식으로 통신한 것이며, 이는 아날로그 음성 기반 정보(예: 라디오)와는 대조적입니다. 이 주제에 대해서는 “디지털 통신(Digital Communications)” 장에서 더 자세히 다루고 있습니다.
이러한 새로운 아키텍처는 여러 프로세서 간에 기능을 분산시켜 작업을 수행할 수 있도록 하였으며, 이로 인해 전체 시스템이 동시에 고장 나는 위험을 줄일 수 있었습니다. 접지 루프(ground loop)를 줄이기 위한 기술이 발전함에 따라, 물리적인 분산도 가능해졌습니다. 이러한 핵심 기능들은 중앙 정보와 현장 제어를 연계할 수 있는 새로운 가능성을 열어주었으며, 이는 특히 이러한 연계가 중요한 플랜트에서 큰 의미를 가졌습니다.
플랜트 운영에 대한 중앙 제어실의 시각은 운전자에게 공정 전체를 하나의 창으로 보여주는 효과를 제공합니다. 이제 운전자는 플랜트를 직접 순회할 필요 없이, 화면에서 각 제어기 또는 제어기 그룹을 호출하여 공정의 진행 상황을 확인할 수 있습니다. 필요한 경우, 키보드를 통해 설정값(set point)이나 출력값(output)을 쉽게 변경할 수 있으며, 공정이 “비정상(off normal)” 상태일 경우 경보에 즉시 대응할 수 있습니다.
또한, 플랜트 공정이 요구하는 경우, 네트워크를 따라 여러 개의 운전자 스테이션(operator station)을 설치할 수도 있습니다. 이러한 로컬 운전자 스테이션은 플랜트의 특정 구역에 배치될 수 있으며, 동일한 데이터 하이웨이(data highway)를 통해 작동하거나 일부 제어 루프 집합에 직접 배선될 수도 있습니다.
장점으로는, 분산 제어 및 모니터링을 통해 배선 길이를 줄일 수 있고, 제어기와 제어실 간의 배선이 필요 없으며, 고장 위험이 줄어들고, 시스템을 점진적으로 확장할 수 있는 확장성(scalability)이 향상된다는 점이 있습니다. 즉, 전체 시스템을 교체하지 않고도 점진적인 확장이 가능해졌습니다.
단점으로는, 여전히 센서와 최종 제어 요소(final element)를 제어 캐비닛에 배선해야 하며, 서로 다른 공급업체의 구성 요소 간 상호 연결이 쉽지 않다는 점이 있습니다. 이러한 문제는 디지털 입출력(digital I/O), 즉 필드버스(fieldbus) 기술의 영역이며, 이에 대해서는 “디지털 통신(Digital Communications)” 장에서 다루고 있습니다.
계기 회사들이 제어기를 “페이스플레이트(faceplate)”를 포함한 개념으로 보았다는 점을 기억해야 합니다. 특정 기능을 수행하는 “박스”만 필요했던 PLC 공급업체들과 달리, DCS 공급업체들은 모두 계기 회사였으며, 운전자 인터페이스를 공정 제어 기능의 필수 요소로 간주하는 철학을 가지고 있었습니다. 그 결과, 제어 전략은 워크스테이션에서 구성되며, 이 워크스테이션은 제어기와 통합적으로 설계되었습니다 (그림 A-10). 이를 통해 단일 데이터베이스와 보다 통합된 운전자 인터페이스가 가능해졌으며, 정교한 경보 관리 및 기타 운전자 기능을 지원할 수 있게 되었습니다.
간단히 말해, 공장 자동화에서 운전자의 동작은 전통적으로 “온-오프” 방식이었던 반면, 공정 제어에서는 운전자가 게이지를 보며 밸브를 조절하는 “조정(adjust until)” 방식이 일반적이었습니다.
또 하나의 차이점은, PLC는 전통적으로 이중화(redundancy)나 고급 통신 기능을 필요로 하지 않았던 반면, DCS는 일반적으로 고급 이중화와 이른바 “실시간(real-time)” 통신을 필요로 했다는 점입니다. 실제로 어떤 컴퓨터도 진정한 의미의 “실시간(real-time)” 처리를 할 수는 없으며, 공정이 지속적으로 “흐르고” 있기 때문에, 가능한 한 “실시간에 가까운(real-enough-time)” 방식으로 동작해야만 합니다.
이를 실현하기 위해, 계기 공급업체들은 제어기, 워크스테이션, 통신 네트워크를 하나의 패키지로 설계해야 했습니다. 표준 통신 방식만으로는 충분한 속도를 낼 수 없었기 때문에, 각 업체는 자신들의 제어기 및 워크스테이션 설계에 맞춰 표준을 수정하여 “실시간에 가까운” 통신 네트워크를 구현했습니다.
DCS는 원래 UNIX 기반의 워크스테이션을 사용했으며, 이는 종종 매우 독자적인 시스템이었습니다. 이는 “실시간에 가까운” 처리를 가능하게 하고, 이산 기반의 거래형 비즈니스 머신에서는 고려되지 않았던 고유한 공정 제어 기능을 수행하기 위함이었습니다. 이후 기업들이 플랜트 전반에 Microsoft 시스템을 도입하기 시작하면서, PC 기반 워크스테이션에 대한 수요가 증가하였고, 이는 DCS 공급업체에게 여러 가지 중요한 과제를 안겨주었습니다. 이는 PC 또한 거래 기반 시스템이기 때문입니다.
A.9 하이브리드 제어
PLC의 비용 효율성과 단순함에 DCS의 정교함과 확장성을 결합할 수 있다면 얼마나 좋을까요? 소규모에서도 DCS 수준의 제어 성능과 정교함을 사용할 수 있다면 얼마나 좋을까요? 마이크로프로세서 덕분에 이러한 기능들이 점차 현실화되고 있습니다.
지금까지 언급하지 않았던 점은, 몇 개의 공정 제어 루프와 일부 이산 인터록(discrete interlocking)을 결합하는 기능이 새롭게 등장하고 있다는 것입니다. 이는 열처리 플랜트나 일부 식품 산업 기능과 같이 독립적인 단위 공정(unit process)을 가진 중소 규모 산업에 특히 유용합니다.
이러한 소규모 플랜트는 전통적으로 매우 제한된 예산으로 임시방편식(kludge together)의 제어 시스템을 구성해야 했기 때문에, 이들을 위한 생산성 향상 솔루션이 등장하면서 새로운 시장이 열리게 되었습니다. 이러한 소규모 플랜트를 위한 적절한 해답은 아직 완벽한 정의가 정립되지 않았을 정도로 새로운 개념입니다. 이제 중요한 질문은 다음과 같습니다: 하이브리드 시스템이란 무엇인가? 이는 누구에게 묻느냐에 따라 달라집니다. 업계 전문지의 다양한 기사나 여러 공급업체의 마케팅 용어를 살펴보면, 이 용어에 대한 다양한 해석이 존재한다는 것을 알 수 있습니다.
이러한 이유로 혼란이 존재하며, 심지어 어떤 제어 관련 잡지에서는 이 개념 자체가 계기 회사들이 더 많은 제어 시스템을 판매하기 위해 만들어낸 “속임수”라고 주장하기도 했습니다. 1970~1980년대 초기 DCS 시대에는 이산 동작(discrete action)을 수행하지 못하거나, 제대로 수행하지 못하는 DCS도 존재했습니다. 반면, 당시의 PLC는 아날로그 제어, 특히 다중 루프(multiloop) 제어를 제대로 구현하지 못한 것으로 유명했습니다.
분명히 두 기술 영역은 서로를 향해 점차 접근해 왔지만, 최신 설계에서도 여전히 각자의 유산을 어느 정도는 유지하고 있습니다. 이러한 이유로, 비슷해 보이지만 약간씩 다른 여러 정의가 존재합니다.
하이브리드 시스템에 대한 정의는 다음과 같은 기준에 따라 다양하게 나뉩니다:
• 산업계 정의 (ARC Research, 그림 A-11)
• 입출력 기능 (Input and output capability)
• 아날로그 + 이산 입출력 (Analog + Discrete I/O)
• 기능적 기준 (예: 배치 처리 기능)
• 아키텍처
• PLC와 DCS의 장점을 결합한 구조
• (가능하다면) 양쪽의 단점은 최소화
하이브리드 제어(hybrid control)라는 명칭이 처음 등장한 것은 1990년대 초로, 당시에는 사용자가 어떤 공급업체의 UNIX 기반 또는 PC 기반 워크스테이션이라도 제어 시스템에 추가할 수 있도록 허용한 DCS가 있었습니다. 이 시스템은 제어기를 하나의 시스템으로 구성할 수 있게 했으며, 진단 기능도 각 “박스”에 국한되지 않고 전체 시스템 차원에서 제공되어 DCS와 유사한 기능을 구현할 수 있었습니다.
이 시점부터는, 특히 플랜트가 특정 워크스테이션 공급업체로 표준화되어 있는 경우, “즉시 사용 가능한(out-of-the-box)” 워크스테이션을 사용할 수 있게 되었습니다. 그럼에도 불구하고, 경보 처리 요구사항이나 배치 공정과 유사한 기능 등, 공정 제어에서 요구되는 탐색형(navigational-type) 제어 동작의 필요성은 여전히 존재했습니다.
2000년대에 접어들면서 대부분의 공급업체들이 PC 기반 워크스테이션을 제공하게 되었고, 이는 업계에서 상용 기성품(commercial-off-the-shelf, COTS)에 대한 수요 증가로 이어졌습니다. 그러나 필요한 공정 기능을 구현하기 위해, 대부분의 공급업체는 이러한 PC에 맞춘 자체 수정 소프트웨어를 함께 제공하며, 산업 환경의 열악한 조건을 견딜 수 있도록 산업용 하드웨어 사용을 권장하고 있습니다. 이는 계기 공급업체뿐만 아니라, 이른바 “하이브리드 산업(hybrid industries)” 시장에 진입한 PLC 공급업체에게도 마찬가지로 적용됩니다.
산업 분석 기관인 ARC는 “하이브리드”를 하나의 산업 범주로 정의하였으며 (그림 A-11), PLC와 PC의 기능을 결합한 시스템을 설명하기 위해 프로세스 오토메이션 제어기(process automation controller, PAC)라는 용어를 사용하기 시작했습니다. PAC는 PLC 공급업체의 장비를 포함할 수 있으며, 경우에 따라 “소형 DCS” 공급업체의 장비나, 어느 쪽에도 정확히 속하지 않는 공급업체의 장비까지 포함할 수 있습니다.
또한, 그림 A-7, A-10, A-12를 보면 사용된 용어만 다를 뿐 거의 동일한 형태임을 알 수 있습니다. 이처럼 구분은 점점 더 미묘해지고 있습니다. 이 업계의 대부분이 그렇듯이, 제어 시스템을 구매할 때는 명칭(label)보다는 실제 적용 분야와 필요한 기능에서 출발하는 것이 중요합니다.
자신의 필요에 가장 단순한 해답부터 시작하고, 새로운 요구사항이 생길 때마다 점진적으로 확장해 나가십시오.
A.10 PC 제어
간과해서는 안 될 영역이 바로 PC 제어기(PC controller)입니다. Microsoft 기술과 저렴한 기술을 활용할 수 있는 능력은 PC가 대중화된 이후로 줄곧 공정 제어 분야에 영향을 미쳐 왔습니다. 최근까지도 PC 제어기는 섬세한 기계 부품의 취약성으로 인해, 공정 산업의 가혹한 환경에서는 실용적이지 못하다는 한계가 있었습니다. 그럼에도 불구하고, 현재는 Microsoft 기술이 산업 전반에 널리 퍼진 시대가 되었습니다.
차세대 제어기는 Microsoft의 영향 아래 크게 변화할 것으로 보입니다. 추세는 독점 시스템에서 벗어나 기성 하드웨어(off-the-shelf hardware)로 이동하고 있으며, 제어기 공급업체들이 제공하는 부가 가치는 소프트웨어에 집중되고 있습니다. 이 소프트웨어는 제어 기능을 제공할 뿐만 아니라, 여전히 “진정한 실시간(real real-time)” 제어의 장애를 극복해야 합니다. 이를 완전히 실현하기 위해서는 다양한 영역에서의 표준화가 필수적입니다. 이러한 변화는 공장 자동화 분야에서 PLC가 “소프트 로직(soft logic)”으로 대체되는 현상에서 더욱 뚜렷하게 나타나고 있으며, 일부 공정 제어 분야에서도 적용이 가능해지고 있습니다. ARC Advisory Group은 이를 오픈 제어 소프트웨어(Open Control Software, OCS) 라고 부릅니다.
PC 제어는 사용자가 특정 공급업체에 종속되지 않고 자유롭게 선택할 수 있는 가능성을 제공하지만, 여전히 견고성(robustness)에 대한 고려가 필요합니다. 공정 산업에서 요구되는 “산업용 강도(industrial strength)”는 일부 PC 제어기가 PLC를 대체한 공장 현장보다 훨씬 더 가혹한 환경을 의미합니다. 공장 자동화는 일반적으로 사람과 같은 환경을 공유하지만, 공정 제어는 부식성 대기나 강한 진동이 존재하는, 사람에게도 위험한 환경에서 이루어지는 경우가 많습니다. 또한, PC의 범용 운영 체제는 제어 용도로는 충분히 안정적이지 않은 경우가 많으며, PC 기반 제어 시스템은 시스템 오류나 예기치 않은 재부팅에 대응해야 하는 상황에 자주 직면하게 됩니다.
제어 및 자동화 시장이 계속 진화함에 따라, PC 기반 제어 공급업체들이 개발하고 정제한 기술은 Compact PCI, VME, PC/104, 맞춤형 단일 보드 컴퓨터(single-board computer, SBC)와 같은 다양한 플랫폼으로 확장되고 있습니다.
A.11 현장 제어(Control in the Field)
디지털 필드버스 통신, 특히 Foundation Fieldbus의 발전을 통해 우리는 제어 기술의 순환을 완성하게 되었습니다. Foundation Fieldbus(자세한 내용은 “산업용 네트워크(Industrial Networks)” 참조)는 제어 기능 블록(control function blocks)을 제공함으로써, 특정 제어기 “박스” 없이도 송신기(transmitter)와 최종 제어 요소(end element) 간에 완전한 제어 루프를 구성할 수 있도록 합니다 (그림 A-13).
이러한 아키텍처에서는 PC를 필드버스에 직접 연결하여 워크스테이션으로 사용할 수 있습니다. 특히 주목할 점은, 필드 장치들이 서로 다른 공급업체 제품이라 하더라도, 기능 블록(function block)이 동일한 표준에 따라 작성되기 때문에 서로 간의 통신이 원활하게 이루어진다는 것입니다.
그럼에도 불구하고, 기능 블록의 실제 내용은 공급업체마다 고유한 특성을 가질 수 있어, 이를 통해 제품 차별화가 가능하다는 점도 특징입니다.
이러한 기능은 소규모 독립형 응용 분야에서 매우 유용할 수 있습니다. 또한, 여러 개의 독립형 시스템을 하나의 더 큰 시스템으로 통합하고, 중앙 제어실에서 접근할 수 있도록 해줍니다. 그러나 제어 하드웨어를 분산시키는 방식은 보다 정교하거나 다변수(multivariable) 제어 체계에서는 비효율적일 수 있습니다. 그럼에도 불구하고, 이러한 구성 방식이 복잡한 제어 전략을 위한 다변수 제어기(multivariable controller)의 사용을 배제하는 것은 아닙니다. 현재로서는 하나의 버스 세그먼트(segment)에 약 6개의 장치만 존재할 수 있으며, 다른 세그먼트와의 피어 투 피어(peer-to-peer) 통신은 불가능하다는 제한이 있습니다. 따라서 이 구성은 보다 복잡한 배치 공정(batch application)에는 실용적이지 않을 수 있습니다.
그림 A-14에서 보듯이, 여러 송신기와 최종 제어 요소 간에 제어 전략을 구성할 수 있습니다. 일부에서는 제어기의 “내부 신호(inner signals)”가 필드 네트워크에 의존하게 되는 점을 우려하지만, 실제 설치된 응용 사례들의 견고성은 이러한 우려를 점차 불식시키고 있습니다.
일부 밸브 제조업체들은 유량 측정(flow measurement)과 온도 측정 기능을 밸브 내부에 통합하고, 이를 제어 칩에 연결하여 신호를 밸브 액추에이터(valve actuator)로 직접 전달하는 설계를 발표하였습니다. 이 모든 기능이 밸브의 보닛(bonnet) 내부에 내장되어 있습니다.
Figure A-14: Control Strategy Fully “in the field”