DCS 또는 PLC, 최적의 솔루션 선택을 위한 7가지 질문

제조업체가 최고의 자동화 기술을 선택하는 것은 예전만큼 쉽지 않다. 과거에는 DCS(분산 제어 시스템)와 PLC(프로그래머블 로직 컨트롤러)의 차이점이 잘 정의되어 있었다.

그러나 이제는 마이크 로프로세서의 발전으로 인해 두 기술이 통합됐다. 유연성을 추구하는 추세에 따라 프로세스 산업의 많은 애플리케이션은 전통적으로 DCS 또는 PLC 의 전유물로 여겨지던 요구 사항을 공유한다. 이러한 하이브리드 애플리케이션에는 DCS와 PLC 기능을 모두 제공할 수 있는 프로세스 제어 시스템이 필요한 것이다.

이 기사에서는 목표에 가장 적합한 시스템을 선택할 수 있도록 돕는 핵심 질문들을 탐구할 것이다. 또한 애플리케이션의 요구사항과 엔지니어링, 유지보수, 운영 인력의 필요성을 명확히 파악하는 것이 올바른 자동화 기술을 찾는 데 얼마나 중요한지 설명할 것이다. 마지막으로 최적의 시스템을 결정하는 데 도움을 줄 수 있는 체크리스트를 제공하기로 한다.

글로벌 경쟁 시대에 제조업체들은 경쟁에서 앞서 나가기 위해 운영 우수성을 달성해야 한다. 따라서 기술 선택 과정은 기업의 지속적인 생존력에 매우 중요하다. 올바른 기술과 공급업체를 선택하면 다음과 같은 이점을 통해 회사에 큰 도움이 될수 있다.

• 변화하는 시장 상황에 빠르게 대응하여 지속 가능한 경쟁 우위를 창출할 수 있음

• 공장의 총소유비용(TCO)을 최소화할 수 있음

• 유지보수 및 업그레이드가 가능한 시스템을 구축할 수 있음

• 공장 및 시스템의 미래 목표와 비전을 달성할 수 있음

기술적 고정관념을 버리자!
 

자동화 시스템을 선택할 때는 일반적으로 사용 가능한 제품을 검토하는 것이 전형적인 절차이다. 그러나 이러한 접근 방식의 문제는 선정된 시스템에 대한 인식이 고정관념이나 가장 먼저 방문한 영업 사원의 주장에 기반할 수 있다는 것이 다. 이제 DCS 또는 PLC 기반 시스템의 구성 요소를 살펴보아 실제로 두 시스템이 얼마나 다른지, 혹은 얼마나 비슷한지 알아보기로 한다.

아래에 표시된 시스템 아키텍처는 매우 유사해 보인다. 두 시스템 모두 현장 장치, 입출력(I/O) 모듈, 컨트롤러, 인간-기계 인터페이스(HMI), 엔지니어링, 감시 제어, 비즈니스 통합을 포함하고 있다. 차이점은 애플리케이션 의 구성 요소를 고려할 때만 명확해진다.

<그림1> 일반적인 DCS 시스템 아키텍처

<그림2> 일반적인 PLC 기반 시스템 아키텍처

DCS 아키텍처 다이어그램(그림1)에서는 I/O, 컨트롤러, 네트워크, HMI 서버에 대해 이중화가 적용된다. 이중화는 비용과 복잡성을 증가시키므로, DCS 사용자는 요구되는 시스템 가용성을 달성하고 계획되지 않은 가동 중단을 방지하기 위해 이중화의 필요성을 신중히 평가해야 한다.

PLC 아키텍처 다이어그램(그림2)은 가장 일반적인 애플리케이션 중 하나인 이산 필드 장치의 제어를 보여준다. 모터와 드라이브를 효과적으로 제어하려면, 제어기가 빠르게 실행되어야 하며(일반적으로 10~20ms의 스캔 속도), 이를 유지 관리하는 기술자가 자신이 익숙한 언어(릴레이 래더 로직)로 구성 설정을 읽고 수정할 수 있어야 한다. 기술적 관점에서 보면, DCS와 PLC는 크게 다르지 않다는 것을 알 수 있다. 기술을 넘어 공급업체가 이러한 시스템에 내장한 애플리 케이션 전문 지식을 살펴봐야 각 시스템이 가장 잘 적용되는 ‘스위트스팟’을 더잘 이해할 수 있다.

이에 따라 시스템을 선택하기 전 자문해야 할 7가지 질문이 있다.

1. 제조 품목과 방법은 무엇인가?

2. 제품의 가치와 다운타임의 비용은 얼마인가?

3. 시스템의 ‘핵심’을 무엇이라고 생각하는가?

4. 운영자가 성공하기 위해 필요한 것은 무엇인가?

5. 시스템 성능에 대한 요구 사항은 무엇인가?

6. 필요한 맞춤화의 정도는 얼마나 되나?

7. 엔지니어링에 대한 기대 사항은 무엇인가?

1. 제조품목과 방법은 무엇인가?
 

PLC를 사용하는 공장 자동화 애플리케이션은 특정 품목 즉 ‘물건’ 의 제조 및 조립을 포함한다. 이러한 애플리케이션은 하나 이상의 기계와 기계 간의 상당한 자재 이동을 수반할 수 있다.

이 과정의 특징 중 하나는 운영자 가 제조 라인을 통해 진행되는 ‘물건’을 모니터링할 수 있다는 점이다. 이 과정은 본질적으로 로직 제어가 집중적이며 종종 고속 요구 사항이 있다. 이러한 유형의 공정은 PLC와 인간-기계 인터페이스(HMI)의 조합으로 제어 된다.

프로세스 자동화 애플리케이션은 원자재를 구성 요소의 반응을 통해 변형하 거나 물리적 변화를 도입하여 새로운, 다른 제품을 생산한다. 이러한 애플리케이션은 하나 이상의 프로세스 유닛 작업이 파이프라인으로 연결되어 있을 수 있다.

특징 중 하나는 운영자가 제품을 볼 수없다는 점이다. 제품은 일반적으로 용기 내에 보관 되며, 위험할 수 있다. 일반적으로 간단한 것부터 복잡한 것까지 아날로그 제어가 많이 필요하지만, 반응 시간은 그리 빠르지 않다(100ms 이상). 이러한 유형의 공정은 종종 DCS에 의해 제어되지만, PLC의 아날로그 제어 능력으로도 충분할 수 있다. 선택 과정에서 결정적인 요소는 종종 제어 애플리 케이션의 규모(예: 공장 전체 대 단일 유닛 및 I/O 포인트 수)인 경우가 많다.

배치(또는 순차적) 제어 필요성도 있을 수 있다. PLC는 ‘간단한’ 배치 애플리케이션에 효과적으로 사용될 수 있지만, DCS는 보통 높은 수준의 유연 성과 레시피 관리가 필요한 ‘복잡한’ 배치 제조 시설에 더 적합하다. 배치 애플리케이션의 요구 사항에 따라 그것이 간단한지 복잡한지 결정된다.

• 제조되는 제품 수: 단일 제품 또는 다수 제품

• 레시피 매개변수: 고정 또는 가변

• 절차: 단일 절차 또는 여러 다른 절차

• 장비 활용 및 조정: 고정/없음 또는 유연하게/자주

• 레시피 및 공정 변경 빈도: 없음 또는 종종

2. 제품의 가치와 다운타임 비용은 얼마인가?
 

제조되는 각 독립 제품의 가치가 낮거나 가동 중단 으로 인해 생산 손실이 발생하지만 추가 비용이나 공정 손상이 거의 없는 경우 PLC가 최선의 선택이 다. 원자재 비용이나 시장 가치 측면에서 배치의 가치가 높고 가동 중지 시간으로 인해 생산 손실이 발생하고 위험하고 손상된 조건이라면 DCS를 선택해야 한다.

예를 들어, 엄격하고 지속적인 온도 제어에 의존하는 천만 달러 규모의 항암제 배치를 생산하는 공장은 결함이 발생할 경우 많은 것이 걸려 있다. 일반적으로 선택적 이중화 기능을 포함하는 DCS 시스템은 이러한 유형의 애플리케이션에 추가 투자할 가치가 있다.

반면, 생산 일정을 맞추기 위해 하루에 10시간만 가동하면 되고 시스템 유지보수, 문제 해결 또는 업그레이드를 위해 가동을 중단 해도 수익에 거의 영향을 미치지 않는 병입 작업은 전형적인 PLC 애플리케이션이다.

연중무휴 24시간 가동되는 공정 애플리케이션에서는 가동 중단을 막기 위해 많은 비용을 들여서라고 중단을 피해야 한다. 이는 수익 손실 뿐만 아니라 잠재적 위험 때문이다. 예를 들어 정유 공장에는 가스를 지속적으로 연소시키는 플레어가 있다. 가스가 연소되지 않으면 가스가 모이고 고여 매우 위험한 상황을 초래할수 있으므로 이러한 플레어를 제어하는 시스템이 고장 나서는 안된다. 애플리케이션의 변동성이 클수록 필요할 때 시스템을 사용할 수 있도록 많은 중복성을 갖춘 솔루션이 필요할 수 있다.

3. 시스템의 ‘핵심’을 무엇이라고 생각하는가?
 

공장 자동화 제어 시스템의 핵심은 제품을 조립 라인을 통해 이동시키는 로직이 포함된 컨트롤러(PLC)이다. HMI는 종종 기계에 장착된 패널이나 PC 기반의 스테이션으로, 운영자에게 보조적이 거나 예외적인 데이터를 제공한다. 공장 자동화 애플리케이션에 서는 데이터 분석 결과로 얻어진 운영 정보도 필요하며, 이는 더정교한 HMI에 대한 수요를 촉진한다.

프로세스 자동화에서는 환경의 변동성이 크고 운영자가 실제 제품을 볼 수 없는 경우, HMI가 시스템의 핵심으로 간주된다. 이경우, HMI는 중앙 제어실 콘솔 역할을 하며, 공장 전체에 위치한 파이프와 용기 내부에서 발생 하는 상황을 모니터링하고 제어할수 있는 유일한 완벽한 ‘창’을 제공한다.

4. 운영자가 성공하기 위해 필요한 것은 무엇인가?
 

PLC 환경에서 운영자의 역할은 예외 상황을 처리하는 것이다. 상태 정보와 예외 경고는 운영자가 프로세스에서 발생하는 일을 파악하는 데 도움을 준다. 이 프로세스는 ‘무인 운영’ 상태로 실행될수 있다.

DCS 환경에서는 운영자가 결정을 내리고 프로세스와 지속적 으로 상호작용하여 프로세스가 원활히 운영되도록 해야 한다. 운영자의 프로세스 지식을 활용하는 것은 프로세스를 최적으로 유지하는 데 필수적이다. 운영자 는 제품 등급 변경 시와 생산 환경의 변화(예: 다른 원자재)로 인해 프로세스를 조정할 때 그 가치 를 발휘한다. 운영자는 설정값을 변경하거나 밸브를 열고 닫거나 수동으로 추가하여 배치를 다음 생산 단계로 이동시킨다.

HMI 내에서 페이스플레이트와 아날로그 트렌드는 생산 과정에서 발생 하는 상황을 보여주며, 알람 관리 시스템은 운영자가 프로세스를 목표 성능 범위 내에서 유지하기 위해 개입해야 하는 영역에 주의를 집중하도록 돕는다. HMI가 실패할 경우, 사람과 장비의 안전을 유지하기 위해 공장이 정지할 수 있다.

결국, 운영자가 ‘순환 내’에 있어야 하는지 ‘순환 외’에 있어야 하는지가 핵심이다. DCS 운영자는 시스템의 궁극적인 이해관계 자로, HMI 디자인에 대한 초기 동의가 전체 프로젝트 성공에 필수적이다.

5. 시스템 성능에 대한 요구 사항은 무엇인가?
 

로직 실행 속도는 중요한 차별화 요소이다. PLC는 10밀리초 이하의 스캔 속도를 요구하는 고속 애플리케이션에 맞게 설계되었으 며, 이는 모션 제어, 고속 인터록킹, 모터 및 드라이브 제어와 같은 작업을 포함한다. 빠른 스캔 속도는 이러한 장치를 효과적으로 제어하는 데 필요하다.

DCS는 대부분의 경우 빠를 필요가 없다. 조정 제어 루프는 보통 100~500밀리초 범위 내에서 스캔된다. 경우에 따라, 제어 로직이 더 빨리 실행되는 것이 오히려 해로울 수 있으며, 밸브와 같은 최종 제어 요소의 과도한 마모를 초래할 수 있다.

PLC 시스템을 오프라인으로 전환하여 구성 및 엔지니어링 변경을 수행하는 것은 영향을 덜 미칠 수 있다, 플랫폼이 연속적으로 실행되지 않거나 프로세스를 쉽게 재시작할 수 있기 때문이다.

반면, DCS 시스템의 구성 변경과 조정은 프로세스가 거의 멈추지 않고 실행되는 동안 온라인에서 수행된다. 일부 프로세스 애플리 케이션은 정기 유지보수를 위해 1년에 한두 번만 종료되는 반면, 용광로와 같은 일부 애플리케이션은 수년간 지속적으로 온라인 상태를 유지하도록 계획되어 있다.

아날로그 제어 문제는 중요하지만 혼란스러울 수 있다. DCS는 본래 아날로그 제어를 제공하기 위해 설계되었지만, DCS가 아날 로그 제어 시장을 독점하고 있다는 생각은 전통적인 사고방식의 문제를 재확인시킨다. 점점 더 많은 PLC가 단순에서 복잡한 PID 제어를 제공할 수 있지만, DCS는 캐스케이드 루프, 모델 예측 제어, 비율 제어, 피드포워드 루프 등 많은 고급 아날로그 제어가 필요한 애플리케이션에서 분명한 선택이다.

6. 필요한 맞춤화의 정도는 얼마나 되나?
 

PLC 사용자와 DCS 사용자 간의 맞춤화 기대와 요구는 크게 다르다. PLC는 본래 다목적 도구로 설계되었기 때문에, 애플리케이션의 고유한 요구를 충족시키기 위해 맞춤화된 루틴과 기능을 개발할 필요가 있다.

시스템 통합자는 현재 팔레타이징 기계에 PLC를 적용하고, 내일은 레이저 커팅 선반에 적용할 수 있다. PLC는 기능과 기본 구성 요소의 ‘툴킷’을 제공하며, 이를 사용자 맞춤 개발하여 애플리케이션의 요구를 충족시킬 수 있다. 기능과 제품을 원활한 아키텍처로 통합할 수 있는 조치가 제공된다.

DCS 애플리케이션 엔지니어는 새로운 시스템과 작업할 때 표준, 템플릿, 그리고 방대한 라이브러리로 구성된 사전 설계된 ‘솔 루션’을 기대한다. DCS의 최우선 목표는 신뢰성과 가용성을 제공 하는 것이며, 이는 종종 무제한 기능을 반복성과 신뢰성으로 교환 하는 설계를 초래한다. DCS는 많은 맞춤 수정을 수용하기 어려운 한계가 있으며, 이는 호환성 문제를 일으킬 수 있다. 시스템은 완벽한 솔루션으로 기능해야 하며, 이는 이미 플랫폼에 내장된 표준 기능을 사용하는 것을 촉진한다.

7. 엔지니어링에 대한 기대 사항은 무엇인가?
 

공장 자동화 엔지니어들은 개별 구성 요소를 신속하게 프로그래밍 하여 주어진 작업을 수행할 수 있는 맞춤형 제어 플랫폼을 원한다. PLC가 제공하는 도구는 일반적으로 ‘상향식’ 접근 방식을 지원하도록 최적화되어 있으며, 이는 작은 규모의 응용에서 잘 작동한다.

DCS 엔지니어들은 일반적으로 상향식 접근 방식을 사용할 때가장 효과적이다. 이 접근 방식은 초기 설계에 상당한 노력을 기울이게 하며, 비용을 최소화하고 프로젝트 일정을 압축하며, 장기 적으로 공장 직원들이 유지 관리할 수 있는 애플리케이션을 만드는 데 중요한 역할을 한다. DCS 응용은 보통 범위가 크기 때문에, 라이브러리와 템플릿을 애플리케이션 전체에 걸쳐 확산시킬 수있는 능력이 중요하여 재작업을 최소화할 수 있다.

PLC는 기계를 제어하는 반면, DCS는 공장을 제어한다. 예를 들어, 연필 제조업체가 PLC를 사용하여 매우 빠른 속도로 많은 양의 연필을 생산하는 경우, 기계 코드를 프로그래밍하여 기계에서 10 밀리초를 더 끌어낼 수 있을 것이다. 이로 인해 이익을 더욱 늘릴수 있다. PLC 엔지니어는 이러한 유연성과 개방형 아키텍처를 요구한다.

DCS를 사용하여 전체 공장을 제어하는 공정 엔지니어들은 직관적인 프로그래밍 플랫폼을 필요로 한다. 이러한 플랫폼은 미리 정의된 및 테스트된 기능을 사용하여 시간을 절약하고 반복 가능 성을 높인다.

작업에 맞는 적절한 도구를 사용하는 것도 중요하다. 래더 로직은 고속 인터로킹 또는 모터 및 드라이브 제어와 같은 많은 이산 제어 응용에서 이상적이고 선호되는 구성 언어이다. 반면, 함수 블록 다이어그램은 연속 제어와 경보 체계 구현에 선호된다.

자료제공: Siemens(www.siemens.com)