분산 제어 시스템

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1. 개요

분산 제어 시스템(DCS)은 대규모 산업 플랜트의 공정 제어를 위해 개발된 시스템으로, 초기에는 중앙 집중식 제어에서 개별 제어기를 거쳐, 현재는 마이크로프로세서 기반의 분산 제어 방식으로 진화했다. DCS는 현장 장치, 분산 제어 장치(Controller), 워크스테이션, 통신 네트워크, 엔지니어링 도구 등으로 구성되며, 화학 공장, 석유화학, 발전소 등 다양한 산업 분야에서 활용된다. 1970년대에 허니웰, 요코가와 전기 등이 DCS를 상용화했으며, 1980년대에는 네트워크 기술이 발전하면서 개방성이 향상되었다. 1990년대에는 상용 기성품(COTS)과 IT 표준의 채택으로 개방성과 상호 운용성이 더욱 강화되었으며, 2010년대 이후에는 사물 인터넷(IoT), 클라우드 컴퓨팅, 인공지능(AI) 등 첨단 기술과의 융합을 통해 더욱 지능화되고 있다.

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제어 시스템은 시스템의 출력을 원하는 값으로 유지하거나 목표를 달성하기 위해 동작을 조절하는 시스템으로, 다양한 제어 방식과 기법, 하드웨어를 통해 구현되어 소형 장치부터 대규모 산업 공정까지 광범위하게 사용된다.

분산 제어 시스템
개요
정의
설명	분산 제어 시스템(DCS)은 제조 프로세스 또는 플랜트를 제어하기 위한 제어 시스템이다.
특징	제어 루프가 중앙 위치에 집중되지 않는다. 제어, 중앙 집중식 운영자 감독, 엔지니어링 구성, 보고, 데이터 기록, 경향, 이벤트 및 경보 관리가 시스템 전체에 분산된다.
응용 분야	화학 플랜트 석유화학 및 정유 공장 발전소 제약 제조 식품 및 음료 제조 시멘트 공장 제철소 제지 공장 광산 광물 처리 공장 석유 및 가스 하수 처리 플랜트 자동차 제조 야금 농업
아키텍처
주요 구성 요소	엔지니어링 스테이션 운영자 스테이션 프로세스 컨트롤러 통신 네트워크
엔지니어링 스테이션	시스템 구성을 설계하고 구현하는 데 사용된다. 전체 DCS 기능은 여기서 구성되며 일반적으로 로컬 제어 서버에 다운로드된다.
운영자 스테이션	운영자가 플랜트의 프로세스를 감독하고 제어하는 데 사용하는 HMI(Human Machine Interface)이다.
프로세스 컨트롤러	실시간으로 제어 전략을 실행하는 하드웨어이다.
통신 네트워크	DCS의 다양한 구성 요소 간의 통신을 제공한다. 일반적으로 이더넷 또는 Fieldbus와 같은 산업용 통신 프로토콜을 사용한다.
기능
제어 기능	연속 제어 배치 제어 순차 제어
연속 제어	PID 제어와 같은 제어 루프를 사용하여 공정 변수를 설정점에 유지한다.
배치 제어	레시피에 따라 일련의 단계로 제품을 생산한다.
순차 제어	공정의 시작 및 중지와 같은 일련의 작업을 자동화한다.
고급 제어	모델 예측 제어(MPC) 퍼지 논리 신경망
데이터 수집 및 기록	공정 데이터를 수집하여 장기간 보관한다. 데이터를 사용하여 공정 성능을 분석하고 최적화한다.
경보 관리	공정 변수가 정상 범위를 벗어날 때 운영자에게 경고한다. 경보는 심각도별로 분류하고 운영자에게 적절한 조치를 취하도록 지시할 수 있다.
보고서 생성	공정 데이터에서 보고서를 생성한다. 보고서를 사용하여 공정 성능을 추적하고 문제 영역을 식별할 수 있다.
장점
향상된 공정 제어	보다 정확하고 안정적인 제어를 제공하여 제품 품질을 향상시키고 폐기물을 줄일 수 있다.
향상된 플랜트 가용성	문제를 신속하게 식별하고 해결하여 플랜트 가동 중지 시간을 줄일 수 있다.
향상된 안전성	위험한 상황을 방지하는 데 도움이 될 수 있다.
운영 효율성 향상	공정을 자동화하고 운영자 개입을 줄임으로써 운영 효율성을 향상시킬 수 있다.
단점
높은 초기 비용	기존 제어 시스템보다 비용이 많이 들 수 있다.
복잡성	설계, 구성 및 유지 관리가 복잡할 수 있다.
전문 지식 필요	DCS를 설계, 구성 및 유지 관리하려면 전문 지식이 필요하다.
미래 동향
클라우드 기반 DCS	클라우드에서 실행되는 DCS이다. 클라우드 기반 DCS는 기존 DCS보다 비용 효율적이고 확장 가능하며 유연하다.
산업용 사물 인터넷(IIoT)	IIoT 장치를 DCS에 통합하는 것이다. IIoT 장치는 공정 데이터에 대한 더 많은 가시성을 제공하고 공정 제어를 개선하는 데 도움이 될 수 있다.
인공지능(AI)	AI를 DCS에 통합하는 것이다. AI는 공정 성능을 최적화하고 문제를 예측하며 운영자 결정을 개선하는 데 도움이 될 수 있다.

2. 역사

대규모 산업 플랜트의 공정 제어는 여러 단계를 거쳐 진화했다. 초기에는 플랜트 근처 패널에서 제어가 이루어졌으나, 많은 인력이 필요하고 공정 전반을 파악하기 어려웠다. 이후 모든 측정값을 중앙 제어실로 전송하여 인력을 줄이고 공정 개요 파악을 용이하게 했지만, 각 제어 루프가 자체 하드웨어를 가지고 있어 유연성이 떨어졌다.

전자 프로세서와 그래픽 디스플레이의 등장은 이러한 문제점을 해결하는 계기가 되었다. 개별 제어기를 컴퓨터 기반 알고리즘으로 대체하고, 플랜트 주변에 분산 배치하여 제어실의 그래픽 디스플레이와 통신하는 분산 제어 시스템(DCS)이 탄생했다.

DCS의 도입으로 플랜트 제어의 상호 연결 및 재구성이 쉬워졌고, 다른 생산 시스템과의 인터페이스, 정교한 알람 처리, 자동 이벤트 로깅, 차트 기록계 제거, 케이블 배선 감소, 플랜트 상태 및 생산 수준에 대한 상위 레벨 개요 제공 등이 가능해졌다.^[4] 1960년대 초부터 미니컴퓨터가 산업 공정 제어에 사용되었으며, 최초의 산업 제어 컴퓨터 시스템은 1959년 텍사스 주 포트 아서의 Texaco 정유소에 구축된 RW-300이었다.

DCS는 마이크로프로세서의 가용성이 증가하고 공정 제어 분야에서 마이크로프로세서가 확산되면서 발전했다. 컴퓨터는 이미 직접 디지털 제어(DDC) 및 설정점 제어 형태로 공정 자동화에 적용되어 왔다. 1970년대 초, 테일러 계기 회사(현재 ABB의 일부)는 1010 시스템을, 폭스보로는 FOX1 시스템을, 피셔 컨트롤은 DC² 시스템을, 베일리 컨트롤은 1055 시스템을 개발했다.

DCS 모델의 근본은 제어 기능 블록의 도입이었다. 기능 블록은 이전의 DDC 개념인 "테이블 구동" 소프트웨어가 발전한 것이다. 기능 블록은 객체 지향 소프트웨어의 초기 구체화 중 하나로 볼 수 있으며, 아날로그 하드웨어 제어 컴포넌트를 에뮬레이트하고, 프로세스 제어의 기본적인 태스크(PID 알고리즘 등)를 실행하는, 자기 충족형 코드의 "블록"이었다. 기능 블록은 DCS의 주류로 계속 사용되고 있으며, '''Foundation Fieldbus'''^[21] 등의 기술에 의해 오늘날에도 지원되고 있다.

분산 컨트롤러, 워크스테이션, 기타 컴퓨터 간의 디지털 통신은 DCS의 주요 장점 중 하나였다. 초점은 네트워크로 옮겨졌다. 프로세스 제어에서의 네트워크는 결정성과 중복성 등의 기능을 가져야 하는 중요한 통신 계통을 제공한다. 결과적으로, 많은 업체가 IEEE 802.4 네트워크 규격을 채택했다. 그러나 정보 기술의 진전으로 IEEE 802.3이 프로세스 제어에서도 우세해지면서, 각 업체는 이전을 해야만 했다.

2. 1. 초기 발전 (1970년대)

허니웰과 요코가와 전기(Yamatake-Honeywell)는 1975년에 각각 TDC 2000과 CENTUM 시스템을 출시하며 분산 제어 시스템(DCS) 시대를 열었다.^[5] ^[4] 이들은 분산된 제어 장치와 중앙 감시 시스템을 결합하여, 대규모 플랜트의 복잡한 공정을 효과적으로 제어할 수 있는 기반을 마련했다. 같은 해, 미국의 브리스톨(Bristol)도 UCS 3000 범용 컨트롤러를 출시하며 DCS 시장에 참여했다.

DCS는 마이크로프로세서가 공정 제어 분야에 확산되면서 등장했다. 이전에는 직접 디지털 제어(DDC)나 설정점 제어 형태로 컴퓨터가 공정 자동화에 사용되었다. 1970년대 초, 테일러 계기 회사(Taylor Instrument Company)(현재 ABB의 일부)는 1010 시스템을, 폭스보로는 FOX1 시스템을, 베일리 컨트롤은 1055 시스템을 개발했다. 이들은 모두 미니컴퓨터(DEC PDP-11 등)를 기반으로 DDC를 구현한 시스템이었다.

2. 2. 네트워크 중심 시대 (1980년대)

1980년대에 사용자들은 분산 제어 시스템(DCS)을 단순한 공정 제어 이상의 것으로 보기 시작했다. 개방성을 확보하고 기업 전체에서 더 많은 양의 데이터를 공유할 수 있다면 더 큰 성과를 달성할 수 있다는 믿음이 있었다. DCS의 개방성을 높이려는 최초의 시도는 당시 지배적인 운영 체제였던 ''유닉스''(UNIX)를 채택하는 것이었다. 유닉스와 네트워킹 기술인 TCP/IP는 개방성을 위해 미국 국방부에서 개발했으며, 이는 정확히 프로세스 산업 분야가 해결하고자 했던 문제였다.^[10]

그 결과, 공급업체들은 자체적인 고유 프로토콜 계층을 갖춘 이더넷 기반 네트워크를 채택하기 시작했다. 완전한 TCP/IP 표준은 구현되지 않았지만, 이더넷을 사용하여 객체 관리 및 글로벌 데이터 접근 기술의 첫 번째 사례를 구현할 수 있었다. 1980년대에는 DCS 인프라에 최초의 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC)가 통합되었다. 공장 전체의 히스토리안(Historian)도 자동화 시스템의 확장된 범위를 활용하기 위해 등장했다. 유닉스와 이더넷 네트워킹 기술을 채택한 최초의 DCS 공급업체는 Foxboro였으며, 1987년에 I/A 시리즈 시스템을 출시했다.^[10]

2. 3. 애플리케이션 중심 시대 (1990년대)

1990년대에는 상업용 기성품(COTS) 구성 요소와 IT 표준 채택이 증가하면서 개방성 추구가 가속화되었다. 이 시기 가장 큰 변화는 운영 체제의 전환으로, 유닉스에서 Windows 환경으로 바뀌었다. 제어 애플리케이션을 위한 실시간 운영 체제 분야는 여전히 UNIX의 실시간 상업용 변종이나 독점 운영 체제가 지배했지만, 실시간 제어 이상의 모든 것은 Windows로 전환되었다.^[10]

마이크로소프트가 데스크톱 및 서버 계층에 도입되면서 OPC (OLE for process control)와 같은 기술이 개발되어 현재 업계 표준 연결로 자리 잡았다. 인터넷 기술 또한 대부분의 DCS HMI가 인터넷 연결을 지원하면서 자동화 분야에 영향을 주기 시작했다.

1990년대는 "필드버스 전쟁"으로도 알려졌는데, 여러 경쟁 조직들이 필드 계측기와의 디지털 통신을 위한 IEC 필드버스 표준을 정의하기 위해 경쟁했다. 최초의 필드버스 설치는 1990년대에 이루어졌으며, 10년 말에는 이더넷 I/P, Foundation Fieldbus 및 Profibus PA를 중심으로 시장이 통합되는 상당한 진전이 있었다.

일부 공급업체는 필드버스를 최대한 활용하기 위해 처음부터 새로운 시스템을 구축했다.

로크웰의 PlantPAx 시스템
허니웰의 Experion 및 Plantscape SCADA 시스템
ABB의 System 800xA^[11]
에머슨의 DeltaV 제어 시스템^[12]
지멘스의 SPPA-T3000^[13] 또는 Simatic PCS 7^[14]
Forbes Marshall의 Microcon+ 제어 시스템^[15]
아즈빌의 Harmonas-DEO 시스템^[16]

필드버스 기술은 Valmet DNA 시스템을 통해 기계, 드라이브, 품질 및 상태 모니터링 애플리케이션을 하나의 DCS로 통합하는 데 사용되었다.^[6]

COTS의 영향은 하드웨어 계층에서 가장 두드러졌다. 수년 동안 DCS 공급업체의 주요 사업은 대량의 하드웨어, 특히 I/O 및 컨트롤러를 공급하는 것이었다. DCS 공급업체는 자체 구성 요소, 워크스테이션 및 네트워킹 하드웨어를 만드는 대신, 인텔 및 모토로라와 같은 제조업체의 표준 컴퓨터 구성 요소를 사용했다.

기존 DCS 공급업체는 최신 통신 및 IEC 표준을 기반으로 한 차세대 DCS 시스템을 도입하여 PLC와 DCS의 기존 개념/기능을 모두 하나의 솔루션으로 결합하는 추세를 보였다. 이는 "프로세스 자동화 시스템(PAS)"이라고 불린다.

2. 4. 사물 인터넷 시대 (2010년대 이후)

2010년대에 들어서면서, IPv6와 UNIX 계열 운영 체제(OS)가 동작하는 고성능 싱글 보드 컴퓨터를 저렴하게 이용할 수 있게 되자, 호환성이 부족한 독자 기술을 사용하는 분산 제어 시스템에 대한 적극적인 개방화가 시도되었다.^[27] 2010년대 후반부터 IoT나 M2M 등 인터넷 관련 기술을 기반으로 공장, 플랜트, 도시 등을 제어하는 기법이 유행했으며, 2020년대에도 연구 개발이 가속화되고 있다.

DCS은 사물 인터넷(IoT), 클라우드 컴퓨팅, 빅데이터 분석 등 첨단 기술과의 융합을 통해 더욱 지능화된 시스템으로 진화하고 있다. 무선 통신 기술의 발전은 DCS의 유연성과 확장성을 더욱 향상시켰으며, 원격 모니터링 및 제어 기능을 강화했다. 최근에는 인공지능(AI) 기술이 DCS에 적용되어, 자율적인 공정 최적화와 예측 유지보수 등 새로운 가치를 창출하고 있다.

향후 분산 제어에서는 인더스트리 4.0이나 소사이어티 5.0 등 성숙된 개방형 표준 기술을 전제로 호환성을 유지하면서 도시 전체를 고기능화하는 시도가 이루어질 예정이다.^[27] 클라우드 기술의 채용으로 DCS는 더욱 개방적이고 유연한 시스템으로 진화하여 비즈니스 민첩성과 경쟁력 향상에 기여할 것으로 예상된다.

3. 구조

DCS는 자체 설계한 프로세서를 컨트롤러로 사용하는 경우가 많으며, 통신 방식이나 통신 프로토콜도 독자적인 경우가 많다. 입출력부는 모듈화되어 있다. 프로세서는 입력 모듈로부터 정보를 받아 출력 모듈로 정보를 보낸다. 입력 모듈은 대상 프로세스의 입력 장치로부터 정보를 받아들이고, 출력 모듈은 출력 장치에 명령을 보낸다. 프로세서와 각 모듈을 연결하는 버스는 멀티플렉서/디멀티플렉서를 거친다. 분산 컨트롤러 그룹과 중앙 컨트롤러, 사용자 인터페이스 또는 제어 콘솔도 어떤 버스로 연결된다.

분산 제어 시스템의 각 요소는 스위치, 펌프, 밸브 등의 물리적 장치와 직접 연결되기도 하고, SCADA 시스템과 같은 중계 시스템을 거치기도 한다.

3. 1. 기능적 구성

분산 제어 시스템(DCS)은 단일 프로세서의 고장을 완화하여 시스템 노드 주변에 제어 처리를 분산시켜 신뢰성을 높이는 것이 주요 특징이다. 프로세서가 고장나면 전체 공정에 영향을 미치는 중앙 컴퓨터의 고장과는 달리, 공정의 한 부분에만 영향을 미치게 된다. 또한, 현장 입출력(I/O) 연결 랙에 대한 컴퓨팅 능력의 분산은 빠른 제어기 처리 시간을 보장하여 네트워크 및 중앙 처리 지연을 제거한다.

첨부된 다이어그램은 컴퓨터 제어를 사용하는 기능적 제조 수준을 보여주는 일반적인 모델이다.

레벨 0은 제어 밸브와 같은 최종 제어 요소와 유량 및 온도 센서와 같은 현장 장치를 포함한다.
레벨 1에는 산업화된 입출력(I/O) 모듈과 관련 분산 전자 프로세서가 포함된다.
레벨 2에는 시스템의 프로세서 노드에서 정보를 수집하고 운영자 제어 화면을 제공하는 감독 컴퓨터가 포함된다.
레벨 3은 생산을 직접 제어하지는 않지만 생산 모니터링 및 목표 모니터링과 관련된 생산 제어 수준이다.
레벨 4는 생산 일정 수준이다.

레벨 1과 2는 전통적인 DCS의 기능적 수준으로, 모든 장비가 단일 제조업체의 통합 시스템의 일부이다.

레벨 3과 4는 전통적인 의미에서 엄밀히 말하면 공정 제어는 아니지만 생산 제어 및 일정이 이루어지는 곳이다.

3. 2. 기술적 특징

DCS(분산 제어 시스템)의 주요 특징은 제어 처리를 시스템 노드 주변에 분산시켜 신뢰성을 높이는 것이다. 이는 단일 프로세서의 고장이 전체 공정에 영향을 미치는 중앙 컴퓨터의 고장과는 달리, 공정의 한 부분에만 영향을 미치도록 한다. 현장 입출력(I/O) 연결 랙에 대한 컴퓨팅 능력의 분산은 네트워크 및 중앙 처리 지연을 제거하여 빠른 제어기 처리 시간을 보장한다.

위 그림은 컴퓨터 제어를 사용하는 기능적 제조 수준을 보여주는 일반적인 모델이다.

레벨 0은 유량 및 온도 센서와 같은 현장 장치와 제어 밸브와 같은 최종 제어 요소를 포함한다.
레벨 1에는 산업화된 입출력(I/O) 모듈과 관련 분산 전자 프로세서가 포함된다.
레벨 2에는 시스템의 프로세서 노드에서 정보를 수집하고 운영자 제어 화면을 제공하는 감독 컴퓨터가 포함된다.
레벨 3은 생산을 직접 제어하지는 않지만 생산 모니터링 및 목표 모니터링과 관련된 생산 제어 수준이다.
레벨 4는 생산 일정 수준이다.

레벨 1과 2는 전통적인 DCS의 기능적 수준으로, 모든 장비가 단일 제조업체의 통합 시스템의 일부이다. 레벨 3과 4는 전통적인 의미에서 엄밀히 말하면 공정 제어는 아니지만 생산 제어 및 일정이 이루어지는 곳이다.

연속 흐름 제어 루프의 예. 신호는 산업 표준 4–20 mA 전류 루프를 통해 전송되며, "스마트" 밸브 위치 결정기는 제어 밸브가 올바르게 작동하도록 보장한다.

프로세서 노드와 작업자 그래픽 디스플레이는 전용 또는 산업 표준 네트워크를 통해 연결되며, 다양한 경로를 통한 이중 중복 케이블링으로 네트워크 신뢰성이 향상된다. 이 분산 토폴로지는 I/O 모듈과 관련 프로세서를 공장 설비 가까이에 배치하여 현장 케이블링의 양을 줄인다.

프로세서는 입력 모듈에서 정보를 수신하고, 정보를 처리하며, 출력 모듈에서 신호를 보낼 제어 동작을 결정한다. 현장 입력 및 출력은 아날로그 신호일 수 있으며, 예를 들어 4–20 mA DC 전류 루프 또는 릴레이 접점이나 반도체 스위치와 같이 "on" 또는 "off"로 전환하는 두 상태 신호가 있다.

DCS는 센서 및 액추에이터에 연결되어 있으며, 설정점 제어를 사용하여 공장을 통해 물질의 흐름을 제어한다. 일반적인 응용 분야는 유량계에서 공급되고 제어 밸브를 최종 제어 요소로 사용하는 PID 제어기이다.

매우 높은 신뢰성이 요구되는 응용 분야의 DCS는 오류 발생 시 "핫" 스위치 오버가 가능한 이중 중복 프로세서를 갖추어 제어 시스템의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

4-20 mA는 주요 현장 신호 표준이었지만, 최신 DCS 시스템은 Foundation Fieldbus, Profibus, HART, modbus, PC Link 등과 같은 필드버스 디지털 프로토콜도 지원할 수 있다.

최신 DCS는 또한 신경망 및 퍼지 논리 응용 프로그램을 지원한다. 최근 연구는 특정 H-무한대 또는 H 2 제어 기준을 최적화하는 최적의 분산 제어기 합성에 중점을 둔다.^[2]^[3]

4. 구성 요소

DCS는 시스템 노드 주변에 제어 처리를 분산시켜 신뢰성을 높이는 것이 주요 특징이다. 단일 프로세서 고장은 전체 공정에 영향을 미치는 중앙 컴퓨터 고장과 달리, 공정의 한 부분에만 영향을 미친다. 현장 입출력(I/O) 연결 랙에 대한 컴퓨팅 능력 분산은 네트워크 및 중앙 처리 지연을 제거하여 빠른 제어기 처리 시간을 보장한다.

제조 제어 작업의 기능적 수준을 보여주는 일반적인 모델에서, DCS는 주로 레벨 1과 2에 해당한다.

레벨 0: 제어 밸브와 같은 최종 제어 요소, 유량 및 온도 센서와 같은 현장 장치를 포함한다.
레벨 1: 산업화된 입출력(I/O) 모듈과 관련 분산 전자 프로세서를 포함한다. (==분산 컨트롤러 (Controller)==, ==입출력 모듈 (I/O Module)== 하위 섹션에서 자세히 설명)
레벨 2: 시스템 프로세서 노드에서 정보를 수집하고 운영자 제어 화면을 제공하는 감독 컴퓨터를 포함한다. (==워크스테이션 (Workstation)== 하위 섹션에서 자세히 설명)
레벨 3: 생산 모니터링 및 목표 모니터링과 관련된 생산 제어 수준이다.
레벨 4: 생산 일정 수준이다.

레벨 1과 2는 전통적인 DCS의 기능적 수준이며, 모든 장비는 단일 제조업체의 통합 시스템의 일부이다. 레벨 3과 4는 엄밀히 말하면 공정 제어는 아니지만 생산 제어 및 일정이 이루어지는 곳이다. (==통신 네트워크== 하위 섹션에서 자세히 설명)

4. 1. 분산 컨트롤러 (Controller)

분산 제어 시스템(DCS)에서 분산 컨트롤러는 핵심적인 역할을 수행한다. 분산 컨트롤러는 현장 장치로부터 데이터를 수집하고, 제어 알고리즘을 실행하여, 제어 밸브와 같은 액추에이터에 제어 신호를 보낸다. 최근의 컨트롤러는 PID 제어뿐만 아니라 논리 제어, 순차 제어 등 다양한 제어 기능을 수행할 수 있다.

DCS는 자체 설계한 프로세서를 컨트롤러로 사용하는 경우가 많으며, 통신 방식이나 통신 프로토콜도 독자적인 경우가 많다. 입출력(I/O) 모듈은 모듈화되어 구성된다. 프로세서는 입력 모듈로부터 정보를 받아 출력 모듈로 정보를 보낸다. 입력 모듈은 입력 장치로부터 정보를 받고, 출력 모듈은 출력 장치에 명령을 전달한다. 프로세서와 각 모듈은 버스를 통해 연결되며, 이 버스는 멀티플렉서/디멀티플렉서를 거친다. 분산 컨트롤러 그룹과 중앙 컨트롤러, 사용자 인터페이스 또는 제어 콘솔도 버스로 연결된다.^[1]

분산 컨트롤러는 스위치, 펌프, 밸브 등의 물리적 장치와 직접 연결될 수도 있고, SCADA 시스템과 같은 중계 시스템을 통해 연결될 수도 있다.^[2]

4. 2. 입출력 모듈 (I/O Module)

입출력(I/O) 모듈은 모듈화되어 있다. 프로세서는 입력 모듈로부터 정보를 받아 출력 모듈로 정보를 보낸다. 입력 모듈은 대상 프로세스의 입력 장치로부터 정보를 받아들이고, 출력 모듈은 출력 장치에 명령을 보낸다. 프로세서와 각 모듈을 연결하는 버스는 멀티플렉서/디멀티플렉서를 거친다. 분산 제어 시스템의 각 요소는 스위치, 펌프, 밸브 등의 물리적 장치와 직접 연결되기도 하고, SCADA 시스템과 같은 중계 시스템을 경유하기도 한다.

첨부된 다이어그램은 컴퓨터 제어를 사용하는 기능적 제조 수준을 보여주는 일반적인 모델이다. 다이어그램에서 레벨 1에는 산업화된 입출력(I/O) 모듈과 관련 분산 전자 프로세서가 포함된다.

4. 3. 워크스테이션 (Workstation)

분산 제어 시스템(DCS)에서 워크스테이션은 운영자가 공정 상태를 감시하고 제어 명령을 내릴 수 있는 사용자 인터페이스(HMI)를 제공한다. 일반적으로 그래픽 기반의 인터페이스를 통해 공정 흐름도, 경보 목록, 추이 그래프 등 다양한 정보를 시각적으로 보여준다. 첨부된 그림에서 레벨 2에 해당하며, 시스템의 프로세서 노드에서 정보를 수집하고 운영자 제어 화면을 제공하는 감독 컴퓨터를 포함한다.

4. 4. 통신 네트워크

DCS(분산 제어 시스템)는 자체 설계한 프로세서를 컨트롤러로 사용하며, 통신 방식이나 통신 프로토콜도 독자적인 경우가 많다. 입출력부는 모듈화되어 있다. 프로세서는 입력 모듈로부터 정보를 받아 출력 모듈로 정보를 보낸다. 입력 모듈은 대상 프로세스의 입력 장치로부터 정보를 받아들이고, 출력 모듈은 출력 장치에 명령을 보낸다. 프로세서와 각 모듈을 연결하는 버스는 멀티플렉서/디멀티플렉서를 거친다. 분산 컨트롤러 그룹과 중앙 컨트롤러, 사용자 인터페이스 또는 제어 콘솔도 버스로 연결된다.^[1]

DCS의 각 요소는 스위치, 펌프, 밸브 등의 물리적 장치와 직접 연결되기도 하고, SCADA 시스템과 같은 중계 시스템을 거치기도 한다.^[1]

5. 응용 분야

DCS는 화학 공장, 석유화학 및 정유 공장, 제지 공장, 발전소와 원자력 발전소, 환경 제어 시스템 등 다양한 산업 현장에서 활용된다. 특히, 석유 정제 플랜트, 석유 화학 공장, 발전소, 제약, 식품 제조, 시멘트 제조, 제강, 제지 등에서 연속 공정 혹은 배치 공정을 제어하는 데 사용된다. DCS는 센서 및 액추에이터와 연결되어 설정값 제어를 통해 플랜트를 통과하는 재료의 흐름을 제어한다.

5. 1. 주요 응용 분야

분산 제어 시스템(DCS)은 다음과 같은 다양한 산업 분야에서 활용된다.

화학 공장
석유화학 및 정유
제지 공장 (지류 품질 관리 시스템 참고)
보일러 제어 및 발전소 시스템
원자력 발전소
환경 제어 시스템
수자원 관리 시스템
수처리 및 하수 처리 시설
식품 및 식품 가공
농약 및 비료
금속 및 광산
자동차 제조
야금 공정
제약
설탕 정제
농업 응용 분야

6. 현대적 발전

현대적 발전에서 주목할 만한 내용은 다음과 같다.^[17]

무선 시스템 및 프로토콜
원격 전송, 로깅 및 데이터 히스토리언
모바일 인터페이스 및 제어
내장 웹 서버

DCS는 점점 더 플랜트 수준에서 중앙 집중화되어 원격 장비에 로그인할 수 있는 기능을 갖추게 되었다. 이를 통해 운영자는 기업 수준(매크로)과 장비 수준(마이크로) 모두에서 플랜트 내부 및 외부에서 제어할 수 있게 되었다. 이는 주로 무선 및 원격 접속 덕분에 상호 연결성으로 인해 물리적 위치의 중요성이 감소했기 때문이다.

DCS 컨트롤러는 이제 내장 서버를 장착하는 경우가 많으며 즉시 웹 액세스를 제공한다. DCS가 산업 사물 인터넷(IIOT)을 이끌어갈지, 아니면 핵심 요소를 차용할지는 아직 지켜봐야 한다. 많은 공급업체는 안드로이드 및 iOS 모두에서 사용할 수 있는 모바일 HMI 옵션을 제공한다. 이러한 인터페이스를 사용하면 보안 침해 및 플랜트, 프로세스 손상 가능성의 위협이 매우 현실적으로 다가온다.

1980년대 개방화 흐름은 1990년대에 들어 상용 기성품(COTS) 컴포넌트와 IT 표준의 채택으로 가속화되었다. 이 시기 동안 가장 큰 변화는 UNIX에서 Windows로의 전환이었다. 제어에 가까운 부분은 실시간 운영 체제가 계속 사용되었지만, 그 외의 부분은 Windows로 전환되었다.

마이크로소프트가 이 분야에 진출하면서 OLE for Process Control(OPC)와 같은 기술이 개발되었고, 현재는 사실상 표준이 되었다. 인터넷 기술도 이 분야에서 채택되기 시작하여, DCS의 사용자 인터페이스 부분은 인터넷 연결을 지원하는 경우가 많아졌다. 1990년대는 여러 단체가 이 분야의 디지털 통신 규격을 놓고 경쟁하는 "필드버스 전쟁"이 발생한 시대이기도 하다. 최종적으로 프로세스 자동화 시장의 디지털 통신 규격은 Foundation Fieldbus와 Profibus PA로 수렴되었다. 필드버스의 기능을 최대한 활용하기 위해 다음과 같은 업체들이 새로운 시스템을 처음부터 구축했다.

ABB - System 800xA^[23]
에머슨 일렉트릭(Emerson Process Management)^[24] - DeltaV
지멘스 - Simatic PCS7^[25]
아즈빌^[26] - Harmonas-DEO

COTS의 영향은 하드웨어 부분에서 가장 두드러졌다. DCS 업체는 특히 입출력 장치나 컨트롤러와 같은 대량의 하드웨어를 공급하고 있었으며, 그것이 주요 수입원이었다. DCS 발흥기에는 대량의 하드웨어가 필요했고, 그 대부분은 DCS 업체가 처음부터 제조한 것이었다. 그러나 인텔이나 모토로라와 같은 업체의 표준 컴퓨터 부품이 늘어나면서, DCS 업체가 자체적으로 워크스테이션이나 네트워크 하드웨어 등을 제조하는 것은 비용 면에서 맞지 않게 되었다.

COTS 컴포넌트에 대한 의존도가 커짐에 따라, DCS 업체는 하드웨어 시장이 급속히 축소되고 있다는 것을 깨달았다. COTS는 업체의 제조 원가를 절감할 뿐만 아니라, 고객으로부터의 가격 인하 요구에 응하지 않을 수 없는 상황을 형성했다. PLC에 강한 로크웰 오토메이션, 슈나이더 일렉트릭, 지멘스와 같은 업체는 가격 대비 성능이 뛰어난 제품을 DCS 시장에 투입했다. 종래의 DCS 업체는 최신 표준에 기반한 신세대 DCS 시스템을 출시했고, 그 결과 PLC와 DCS의 개념 및 기능이 하나로 통합되는 경향이 생겨났다.

하드웨어 시장은 포화 상태에 접어들고 있었다. 입출력 장치나 케이블 등 하드웨어의 수명은 15년에서 20년이다. 1970년대부터 1980년대에 구현된 오래된 시스템의 많은 부분이 오늘날에도 계속 사용되고 있으며, 내구 연한에 도달하려는 시스템이 다수 존재한다. 북미, 유럽, 일본 등 선진국은 이미 DCS가 도입되어 새로운 수요는 적지만, 중국, 중남미, 동유럽 등에서는 수요가 커지고 있다.

하드웨어 판매가 감소하는 추세에 따라, 업체는 하드웨어 중심의 비즈니스 모델에서 소프트웨어 및 부가 가치 서비스를 중심으로 하는 모델로의 전환을 시작하고 있다. 각 업체는 1990년대에 생산 관리, 모델 기반 제어, 실시간 최적화, 플랜트 자산 관리 (PAM), 실시간 성능 관리 (RPM) 도구, 알람 관리 등 다양한 기능을 제공하게 되었다. 그러나 이러한 애플리케이션을 정말로 유용하게 만들기 위해서는 서비스 콘텐츠의 충실이 필요하며, 업체들은 그것에도 힘썼다. 아즈빌과 같은 업체는 고객 기업의 자동화에 관한 모든 면에 책임을 지는 Main Automation Contractor (MAC)가 되는 방법까지 확대하여 대응하고 있다.

6. 1. 무선 통신

최신 분산 제어 시스템(DCS) 개발에는 무선 시스템 및 프로토콜이 포함된다.^[17] 무선 센서 네트워크와 무선 통신 프로토콜을 DCS에 통합하여 설치 및 유지보수의 편의성을 높이고, 시스템의 유연성을 향상시킨다.

더 많은 무선 프로토콜이 개발 및 개선됨에 따라 DCS에 더 많이 포함되고 있다. DCS 컨트롤러는 내장 서버를 장착하는 경우가 많으며, 웹 액세스를 즉시 제공한다.

6. 2. 원격 접속

DCS는 플랜트 수준에서 중앙 집중화되어 원격 장비에 로그인할 수 있는 기능을 갖추게 되면서, 운영자는 플랜트 내외부에서 기업 수준(매크로)과 장비 수준(마이크로) 모두를 제어할 수 있게 되었다.^[17] 이는 주로 무선 및 원격 접속을 통한 상호 연결성 덕분에 물리적 위치의 중요성이 감소했기 때문이다.

무선 프로토콜이 발전하고 개선됨에 따라 DCS에 더 많이 포함되고 있으며, DCS 컨트롤러에는 내장 웹 서버가 장착되어 즉시 웹 액세스를 제공하는 경우가 많다. 또한, 많은 공급업체에서 안드로이드 및 iOS에서 사용할 수 있는 모바일 HMI 옵션을 제공하고 있다.

6. 3. 모바일 인터페이스

많은 공급업체가 안드로이드 및 iOS에서 사용할 수 있는 모바일 HMI 옵션을 제공한다.^[17] 이러한 인터페이스를 통해 DCS에 접속하여 현장 작업자는 이동 중에도 플랜트 및 프로세스를 제어하고 감시할 수 있어 이동성과 편의성이 향상된다. 그러나 모바일 인터페이스는 보안 침해 및 플랜트, 프로세스 손상 가능성을 높일 수 있다는 문제점도 있다.

6. 4. 웹 서버 내장

DCS 컨트롤러에는 웹 서버가 내장되어 웹 브라우저를 통해 DCS 데이터에 접근하고 시스템을 관리할 수 있다.^[17]

6. 5. 클라우드 기반 DCS

최신 DCS 개발에는 다음과 같은 새로운 기술이 포함된다.

무선 시스템 및 프로토콜^[17]
원격 전송, 로깅 및 데이터 히스토리언
모바일 인터페이스 및 제어
내장 웹 서버

DCS는 점점 더 플랜트 수준에서 중앙 집중화되어 원격 장비에 로그인할 수 있는 기능을 갖추게 되었다. 이를 통해 운영자는 기업 수준(매크로)과 장비 수준(마이크로) 모두에서 플랜트 내부 및 외부에서 제어할 수 있다. 이는 주로 무선 및 원격 액세스 덕분에 상호 연결성으로 인해 물리적 위치의 중요성이 떨어지기 때문이다.

더 많은 무선 프로토콜이 개발 및 개선됨에 따라 DCS에 더 많이 포함되고 있다. DCS 컨트롤러는 이제 내장 서버를 장착하는 경우가 많으며 즉시 웹 액세스를 제공한다. DCS가 산업 사물 인터넷(IIOT)을 이끌어갈지, 아니면 핵심 요소를 차용할지는 아직 지켜봐야 한다.

많은 공급업체는 안드로이드 및 iOS 모두에서 사용할 수 있는 모바일 HMI 옵션을 제공한다. 이러한 인터페이스를 사용하면 보안 침해 및 플랜트, 프로세스 손상 가능성의 위협이 매우 현실적으로 다가온다.

6. 6. 인공지능(AI) 기반 DCS

2010년대에 들어서면서 IPv6와 UNIX 계열 OS가 동작하는 고성능 싱글 보드 컴퓨터를 저렴하게 이용할 수 있게 되자, 호환성이 부족한 독자 기술을 사용하는 분산 제어 시스템에 대한 적극적인 개방화가 시도되었다. 2010년대 후반부터 IoT나 M2M 등 인터넷 관련 기술을 기반으로 공장, 플랜트, 도시 등을 제어하는 기법이 유행했으며, 2020년대에 이르러서도 연구 개발이 가속화되고 있다. 향후 분산 제어에서는 인더스트리 4.0이나 소사이어티 5.0 등 성숙된 개방형 표준 기술을 전제로 호환성을 유지하면서 도시 전체를 고기능화하는 시도가 이루어질 예정이다.^[27]

향후 클라우드 기술의 채용으로 분산 제어 시스템(DCS)은 더욱 개방적이고 유연한 시스템으로 진화하여 비즈니스 민첩성과 경쟁력 향상에 기여할 것으로 예상된다.^[27]

참조

_[1] 서적 Designing distributed control systems: a pattern language approach Wiley 2014
_[2] 간행물 Distributed Control Design for Spatially Interconnected Systems 2003-09-09
_[3] 간행물 Distributed Control for Identical Dynamically Coupled Systems: A Decomposition Approach http://resolver.tude[...] 2009-01-01
_[4] 간행물 Pioneering Work in the Field of Computer Process Control
_[5] 웹사이트 Group History | Azbil Corporation Info | About the azbil Group | Azbil Corporation (Former Yamatake Corporation) https://www.azbil.co[...]
_[6] 웹사이트 Valmet DNA https://www.valmet.c[...]
_[7] 웹사이트 INFI 90 http://www.abb.com/c[...]
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_[9] 웹사이트 Foundation Fieldbus http://www.fieldbus.[...]
_[10] 웹사이트 Foxboro I/A Series Distributed Control System http://iom.invensys.[...] 2024-10-15
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_[12] 웹사이트 Emerson Process Management http://easydeltav.co[...]
_[13] 웹사이트 SPPA-T3000 http://www.energy.si[...] 2018-02-03
_[14] 웹사이트 Simatic PCS 7 http://pcs.khe.sieme[...] 2007-03-29
_[15] 웹사이트 Forbes Marshall http://www.forbesmar[...]
_[16] 웹사이트 Azbil Corporation http://www.azbil.com
_[17] 논문 Distributed control plane for safe cooperative vehicular cyber physical systems. https://digital-libr[...] 2019-10
_[18] 웹사이트 分散形制御システム CENTUM https://www.yokogawa[...] 横河電機
_[19] 웹사이트 INFI 90 http://www.abb.com/c[...]
_[20] 웹사이트 DCI-4000 http://www.abb.com/p[...]
_[21] 웹사이트 Fieldbus Foundation http://www.fieldbus.[...]
_[22] 웹사이트 ISA SP95(ECI) のご紹介 http://www.venus.dti[...] 東洋エンジニアリング、ISAJ NwesLetter No.6,1998
_[23] 웹사이트 ABB System 800xA http://www.abb.com/p[...]
_[24] 웹사이트 Emerson Process Management http://easydeltav.co[...]
_[25] 웹사이트 Simatic PCS7 http://pcs.khe.sieme[...]
_[26] 웹사이트 Yamatake's azbil http://jp.azbil.com
_[27] 웹사이트 分散制御システムの未来：進化と革新の道筋 https://xn--fa-yi6cm[...]

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