분산제어시스템(DCS)에 대한 재고

오늘날 프로세스 산업 전문가들은 어려운 과제에 직면하고 있다. 어떻게 하면 오늘날의 세계화된 경제에서 시장 점유율을 늘리면서 점점 엄격해지는 준수 요건을 충족할 수 있을까? 또 어떻게 하면 수십년 간 이용하고 있는 자동화 접근법 및 제어시스쳄 전략을 유지하면서 새로운 생산성 및 수익을 증가시킬 수 있을까? 현대적인 분산제어시스템(DCS)를 통해 이러한 과제를 해결할 수 있다고 로크웰 오토메이션은 말한다.

일반적으로 자동화는 기존 기술을 제어 대상 작업을 위해 개발된 다양한 시스템과 툴을 함께 사용한다. 제조 분야에서는 플로세스 제어, 이산 제어, 전력 제어별로 별도의 단일 시스템을 이용한다. 예를 들어, 고속 이산 로직을 이용하는 공장 내 특정 기능은 전용 PLC를 통해 제어된다. 반면, DCS는 복수의 컨트롤러와 복수의 엑세스 지점을 연결해 공장 전체에 걸쳐 액세스해야할 때 사용된다. 공장 내 주 프로세스 영역은 보통 전용 DCS를 통해 자동화된다. 공장의 나머지 영역에서 사용되는 자동화 시스템과 DCS의 통합에는 종종 많은 비용과 엔지니어링이 필요하다. 복수의 서로 다른 자동화 시스템을 유지하게 되면, 이에 따른 운영 및 지원이 필요하게 되고 이것은 유연성과 대응성을 감소시킨다.
 

여기에서 필요한 것은 DCS의 모든 핵심 기능을 제공해 프로세스 제어 요구사항을 충족하는 한편, 다른 자동화 시스템, 작업자 활동 및 중요 상위 시스템과 쉽게 통합되는 첨단 기술에 기반을 둔 현대적인 접근법이다. 대적인 DCS는 공장 전반에 걸친 제어 기술을 이용한다. 오늘날 프로세스 제어, 이산제어, 전력 제어 및 안전 제어는 더 이상 별도의 기술들 중에서 선택해야 하는 문제가 아니다. 이제 제조사들은 공장 전반에 걸친 제어 시스템을 구축할 수 있다. DCS에는 뛰어난 아케텍쳐를 통해 수천 개의 I/O를 처리하는 기능, 알려진 성능, 프로세스 제어 프로그래밍 기능 등 구체적인 요구사항이 있다. 최신 DCS를 이용하면 공통된 기술이 이러한 요구사항을 충족하기 위해 규정된 방식으로 적용된다. 동일한 기술을 공장 전반에 걸쳐 모든 다른 제어 기능을 자동화하도록 설계하고 구성할 수 있다.

공통된 자동화 기술을 이용하면 최신 DCS를 생산현장 시스템 및 상위 시스템과 완벽하게 통합할 수 있어 공장 전반에 걸친 최적화의 기회가 증가한다. 뿐만 아니라, 공통된 기술을 이용하면 DCS의 총 소유 비용도 낮아진다.

현대적인 DCS의 장점은 다음과 같다.

•DCS의 모든 핵심 기능을 제공하면서 공장 전반에 걸친 제어 및 최적화 보장
•확장성 및 모듈형 아키텍처를 통한 요구사항 충족
•정보에 기반을 둔 안전한 개방형 아키텍처
•유연한 시스템 구축 및 지원
 

공장 전반에 걸친 제어 및 최적화

공장 전반에 걸친 제어 및 최적화는 프로세스, 이산, 안전, 전력 등 모든 자동화 시스템 간의 원할한 정보 흐름을 보장한다. 기존 DCS시스템은 DCS시스템과 공장의 나머지 영역에서 사용되는 서로 다른 제어 시스템 간의 통합의 상당한 자본이 필요했다. 최신 DCS는 확정형 다중 분야 제어 기술을 이용해 완벽한 통합을 위한 공통된 자동화 플랫폼을 제공한다. 예를 들어 최신 DCS 컨트롤러는 시스템 경계를 넘어 OPC 브릿지나 다른 인터페이스 없이도 공장 내 다른 컨트롤러와 직접 통신할 수 있다. 동일한 컨트롤러를 모든 자동화 시스템을 처리하도록 소규모 패키지형 시스템에서 대규모 프로세스 애플리케이션으로 확장할 수 있다(그림 2 참조). 이러한 접근법은 생산성을 향상시키고 에너지 소비를 줄이고 총 소유 비용을 감소시킨다.

생산성 향상

생산성은 기업과 투자 증대를 위해 절대적으로 중요하다. 생산성 목표는 CEO부터 시작해 조직 전체에 걸쳐 전달된다. 그러나 생산성이 기업 경영진부터 생산 현장에 이르기까지 주요 동력인 것은 분명하지만, 조직 내 부문에서는 생산성과 생산성 향상을 위한 자동화 투자를 서로 다른 관점으로 바라보고 있다. 기업 차원에서 생산성은 총자산이익률 또는 투하자본순이익률의 달성 측면에서 정의된다. 경영진은 비용 감소, 현금 흐름 개선, 제품 출시 시간 단축과 기존 및 노후 제어 시스템/자산으로 이러한 목표를 달성하기 위한 직접 운영에 중점을 둔다. 이러한 목표를 달성하기 위해 자산 이용 또는 재고 흐름 속도를 개선하는 방법을 찾는 것이다. 엔지니어링 측면에서는 모든 자산의 실행을 최대한으로 유지해 산출량을 극대화하는 것으로 정의되고, 그러려면 다양한 장비와 함께 여러 공장에서 구축될 수 있도록 자동화 솔루션의 확장과 유지보수가 가능해야 한다. 그러나 이러한 목표는 기존의 또는 서로 다른 자동화 시스템으로는 달성하기가 어렵다. 최신 DCS를 통해 공장 전반에 걸쳐 제어 기능을 이용하는 것이 생산성 향상의 열쇠다. 최신 DCS를 통해 ERP 시스템 내 생산 관련 정보를 더욱 세부적으로 확인할 수 있기 때문에 조직 내 모든 계층에서 효율성 및 생산성 향상에 필요한 정보를 이용할 수 있다.
 

에너지 소비 감소

산업 부문은 다른 어떤 부문보다 많은 에너지를 소비한다. 그러나 에너지 사용은 생산 환경에서 관리하기가 가장 어려운 비용 중 하나다. 이러한 비용을 적절히 통제하면 상당한 절감 효과를 누릴 수 있다. 대부분의 기업은 오늘날의 경제에서 많은 비용을 유발하는 에너지 사용에 수동적으로 대처하고 있다. 이러한 비용을 간접비로 적용하고 기업 운영 비용의 일부로 인식한다. 현대적인 DCS의 공장 전반에 걸친 제어 기능은 전체 제조 프로세스에 걸쳐 용수, 공기, 가스, 전기 및 증기의 생산 및 이용을 최적화한다.

이러한 기능은 다음과 같은 정보를 제공한다.

•에너지 소비 데이터 측정 및 모니터링
•에너지 관리 솔루션 구축에 대한 결정을 내릴 때 수집한 데이터 이용
•생산 변화가 에너지 사용에 미치는 영향 예측
•최적의 에너지 사용을 위한 생산 자동화
•생산 프로세스 비용에서 에너지 예측 및 계획(자재명세서상의 에너지)

현대적인 DCS는 공장 전반에 걸친 제어 기능을 통해 모터 제어 장비와 손쉽게 통합할 수 있다. 일반적으로 모터가 공장 에너지의 60% 이상을 소비하기 때문에 이 중요한 장비에서 데이터를 수집함으로써 운영 효율에 즉각적이고 측정 가능한 영향을 미치고 효율적인 장비 운영으로 비용 절감 효과를 가져오는 에너지 관리 전략을 수립할 수 있다. 예를 들어 가변 토크 부하를 구동하거나 중요한 회정 장비의 돌입 전류를 감소시키는데 필요한 정보를 더 많이 가질수록 장비 에너지 소비의 개선 효과가 커진다. 최신 DCS와 모터제어 장비를 통합하면 계획되지 않은 가동 중단이 발생하기 전에 수동 또는 자동으로 예방적인 사전 조치를 취해 가동 중단을 감소시킴으로써 공장 가용성을 향상시키는 정보를 수집할 수 있다.
 

총 소유 비용 감소

공장 전반에 걸친 제어 기능을 갖춘 현대적인 DCS를 이용하는 제조사는 총 소유 비용을 줄일 수 있다. 엔지니어링, 재고관리, 교육, 시스템, 유지보수 및 지원, 향후 시스템 확장과 관련된 수명 주기 비용을 고려할 때 비용절감 효과는 상당하다(그림 4 참고). 서로 다른 제어 시스템이 총 소유 비용에 미치는 영향을 추가로 확인하려면 다음을 고려해야 한다.

•제어 시스템에 소유권이 있고 측정 업체의 지원을 필요로 하는가? 이로 인한 연간 비용은 얼마인가?
•엔지니어, 작업자 및 유지보수 인력이 제어 시스템에 대한 교육을 필요로 하는지? 그렇다면 얼마나 자주 필요한지?
•제어 시스템별로 재고/예비 부품을 보관하고 있나? 기존 장비를 위한 예비품도 보관하고 있나?
•서로 다른 시스템이 스키드 장비와 쉽게 통합되는지? 아니면 과도한 통합 시간과 자원을 필요로 하는지?
   ‌서도 다른 시스템을 통해 공장 전체에 걸쳐 실시간 정보를 전송할 수 있는지? 이것이 최적화와 생산성에 어떤 영향을 미치는가?
•향후 시스템 확장과 관련된 추가적인 라이센스 비용이 있는가?

이러한 사항은 간과되기 쉬우며 제어 시스템의 수명 주기 전체에 걸쳐 상당한 비용 상승을 유발할 수 있다. 공장 전반에 걸친 제어 기능을 갖춘 최신 DCS를 이용하는 제조사는 총 소유 비용을 줄일 수 있다.
 

확장성 및 모듈성

운연 유연성, 신속한 전환, 간편한 운영은 모듈형 공장 설계의 장점 중 일부에 불과하다. 스키드 기반 접근법을 통해 장비와 자동화 시스템을 조립하고 현장 출고 전에 테스트를 실시하기 때문에 일관성이 향상되고 제품 출시 시간이 단축된다. 기존 DCS 시스템은 공장을 세울 때 구축되었기 때문에 설계가 고유하고 폐쇄적이며 비확장형이다. 전용 서버와 네트워크를 이용하기 때문에 최소 비용도 높다. 뿐만 아니라, 대규모 애플리케이션에만 최적화되도록 설계된 단일 컨트롤러만 선택할 수 있다. DCS를 서로 다른 스키드 기반 시스템에 통합할 경우 비용은 매우 높다. 일반적으로 이러한 통합에는 추가적인 하드웨어 및 소프트웨어, 사용자 지정 데이터 매핑(진리표), 이중화 HMI 구성 및 추가 라이센스가 수반된다. 각 인터페이스가 사용자 지정 방식이어서 위험이 크고 서비스 비용이 높다.

통합 비용이 실제 스키드 장비 비용의 50~70%에 이른다는 조사 결과도 있다. 통합 후에도 엔드 유저가 기존 DCS와 스키드 장비 간의 분열된 작업자 경험을 처리해야 한다. 반면, 현대적인 DCS는 오늘날의 엔드 유저의 필요에 맞게 구축되어 더욱 광범위한 아키텍처 옵션과 향상된 유연성을 제공한다. 현대적인 DCS는 단일 크기 컨트롤러가 아니라 적합한 비용으로 적합한 규모의 제어 기능을 제공하는 확장형 제어 플랫폼을 이용한다. 그 결과 사용자는 필요하지도 않은 값비싼 제어 기능을 구입하느라 소중한 자산을 낭비할 필요가 없게 된다. 도한 최신 DCS는 HMI, 배치관리, 데이터 수집 등 서버나 워크스테이션이 필요하지 않은 확장형 시스템 기능을 제공하기 때문에 프로세스 스키드 장비에 안성맞춤이다.

이러한 설계 방식은 더욱 광범위한 구축 옵션과 향상된 유연성으로 모듈형 구축에 이상적이다. 동시에 시스템 크기나 I/O 용량에 상관없이 동일한 프로그래밍 툴을 사용하기 때문에 엔지니어링 비용이 크게 감소한다. 확장형 HMI 디스플레이, 알람, 데이터 수집 및 배치 관리 요구사항을 서버나 워크스테이션 없이 소규모로 충족할 수 있다. 이러한 스키드 기반 자동화 시스템은 현장 전체에 걸친 HMI, 히스토리언 및 배치 관리 서버와 연결되는 현장 제어 시스템 네트워크의 일부가 될 수 있기 때문에 최신 DCS와 신속하게 통합될 수 있다.
 

개방성 정보 기반 보안성

DCS는 더 이상 고립된 시스템이 되어서는 안된다. 기업들이 운영에 대한 더 많은 정보를 얻는 방향으로 이동하는 상황에서, 장비에서 기업 시스템으로 원할한 정보 흐름을 확보하는 것이 최신 산업 자동화 시스템의 요건이 되었다. 일반적으로 기존 DCS는 폐쇄된 네트워크에서 단일 서버, 워크스테이션 및 네트워크 스위치만 선택할 수 있다. 그 결과 IT 지원의 관리와 상위 시스템과의 통합이 어려워진다. 클라우드 컴퓨팅, 모바일, 가상화 등 최신 IT 기술은 종종 지장을 주는 것처럼 보이고 기존 DCS 아키텍처와 대치된다. 이를 생산 현장과 기업 전체의 다른 시스템에 연결하는 임시 변통의 통신 네트워크는 기존 DCS를 보완 위협에 노출시킬 수 있다. 새로운 연결이 수립될 때마다 내부 및 외부로부터 사이버 위험이 증가해 제어 시스템 운영, 안전 및 생산성과 장비, 자산, 기밀 정보, 지적 재산의 보호 능력을 훼손하는 위협이 나타난다. 현대적인 DCS는 상용 서버와 워크스테이션에 대해 개방적이고 자동화를 위한 최신 IT 기술의 적용을 지원한다. 공통된 IT 인프라를 합리화함으로써 기업들은 보안 위험을 낮추고 가동시간을 향상시키고 인력, 자산 및 정보를 보호할 수 있다. 기업 전반에 걸친 보안 프로그램의 일부인 안전한 산업 제어 시스템에 투자함으로써 원하는 안전 수준에 쉽게 도달할 수 있다. 현대적인 DCS는 생산현장의 개별 장비에서 기업 시스템에 이르는 산업보안 요건을 충족한다는 점에서 공장과 기업시스템의 보안을 별도로 취급하는 기존 방식과 차별화된다.

또한 이더넷/IP와 같은 개방형 표준을 이용하는 플랫폼을 기반으로 설계되었다. 이더넷/IP는 프로세스, 안전, 이산, 전력, 모션 제어 등 가장 광범위한 산업 애플리케이션을 지원한다. IEEE 802.3 및 TCP/UDP/IP 표준 및 규정을 준수하기 때문에 바로 사용가능한 상용 제품의 이용이 가능하다. 그 결과 운영 및 IT 전문가가 기업과 산업 환경 전반에 걸쳐 안전하고 믿을 수 있고, 견고한 네트워크 인프라를 구축하고 유지하기 위해 서로 협력할 수 있다. 이더넷/IP를 이용하면 유연성이 개선되고 호환성이 보장되며, 새로운 또는 기존 시스템과의 장비통합이 간편해진다.
현대적인 DCS는 생산현장에서 사용되는 서로 다른 기술의 수를 줄이고 안전하고 개방된 네트워킹을 제공함으로써 생산 현장과 기업 시스템의 통합을 용이하게 해 원활한 정보 흐름을 보장하고 공장 운영에 대한 종합적인 정보를 제공한다.

유연한 구축 및 지원 네트워크

일반적으로 기존 DCS 시스템은 특정 DCS 업체를 통해 구축되고 서비스된다. 일부의 경우 이로 인해 서비스 시간이 길어지고 비용이 상승한다. 뿐만 아니라, 기존 DCS 접근법에서는 공장이 몇몇 서로 다른 자동화 시스템을 지원해야 하고 모든 시스템이 함께 작동하려면 통합 과정이 필요하다. 현대적인 DCS의 경우 다양한 구축 및 지원 옵션 중에서 선택할 수 있다. 프로젝트 범위에 따라 서로 다른 통합 경로를 선택할 수 있다.

•제조사가 최신 DCS 시스템의 시운전을 특정 업체에게 맡기는 것이 유리할 수 있다. 이는 규모가 매우 큰 제조사가 광범위한 지역에 걸쳐 몇몇 위치에 동일한 시스템을 구축할 때 적용된다
•규모가 작은 제조사는 기존의 관계와 현지 자원의 가용성을 고려해 현지 프로세스 시스템 통합업체를 선정할 수 있다
•또한 자동화 솔루션과 장비를 제공하는 프로세스 장비 제조사의 전문성에 의존할 수도 있다

대부분의 경우 프로젝트 요구사항과 일정을 충족하려면 여러 구축 파트너의 조합이 필요하다. 최신 DCS의 경우 제조사가 설계, 구축, 유지보수 및 지원을 위해 최신 DCS 업체 팀, 시스템 통합업체, 파트너, 장비 제조업체, 프로세스 전문가를 포함한 현지 전문가롤 구성된 광범위한 글로벌 네트워크 중에서 선택할 수 있다. <그림 6>이 바로 현대적인 DCS의 특징을 보여주는 표라 할 수 있다.

로크웰 오토메이션의 현대적인 DCS

오늘날의 경쟁이 치열한 세계에서 제조사들은 DCS에서 기대하는 사항을 다시 한 번 생각해볼 필요가 있다. 제조사들은 다음과 같은 이유로 최신 DCS를 선택해야만 한다.

•공장 전반에 걸친 제어와 최적화로 총 소유 비용 감소
•엔지니어링 유연성과 제품 출시 시간 단축을 위한 시스템 확장성과 모듈성
•운영과 기업 시스템과의 통합을 개선하는 새로운 기술의 이용
•제조사가 선택한 시스템 업체, 현재 대리점, 시스템 통합업체 또는 장비제조업체로 구성된 지원 생태계를 통한 구축 및 유지보수

바로 로크웰 오토메이션의 PlantPAx 시스템은 이 모든 기능을 제공하는 현대적인 DCS라 할 수 있다.

자료제공 | 로크웰 오토메이션 코리아(www.rockwellautomation.com/kor)