#04. 스마트팩토리(Level 1) - DCS중심
오늘은 스마트팩토리의 수직적 구조 중 Level1에 해당하는 DCS에 대해서 설명하려고 합니다.
지난 포스팅의 PLC가 제어기 중심이라면, DCS는 단순 제어기가 아닌 전체적인 시스템 관점으로 접근해야 할 것 같습니다. 그리고 쉽게 생각하면 DCS는 여러 PLC들의 집합체로 분산제어를 하는 시스템이라고 이해하면 접근이 쉬울 것 같습니다. SCADA와 비교했을 때는 SCADA는 감시와 데이터 수집에 중점을 두고 있다면 DCS는 실시간 제어에 더 집중하고 있다는 점에서 차이가 있습니다.
그럼 DCS에 대해서 자세히 설명드리겠습니다.
1. DCS(Distributed Control System) 이란?
- DCS는 생산 공정을 효율적으로 제어하고 관리하는 핵심 시스템이다. DCS는 공장 전체에 분산된 센서, 액추에이터, 컨트롤러 등을 네트워크로 연결하여 실시간 데이터 수집 및 분석, 자동 제어, 원격 감시 등을 가능하게 한다.
- DCS는 연속공정에서 주로 활용된다. 석유화학, 발전, 제철 등과 같은 원료가 연속적으로 투입되고 제품이 끊임없이 생산되는 공정으로 온도, 압력, 유량 등 공정 변수의 실시간 제어 및 감시가 중요하다.
- DCS는 주로 PID 제어와 같은 연속적인 제어 방식을 사용하여 공정 변수를 안정적으로 유지한다.
* PID(Proportional-Integral-Derivative) 제어 상세 설명
. 제어 시스템에서 가장 널리 사용되는 피드백 제어 기법 중 하나이다. 목표값과 현재값 사이의 오차를 이용하여 제어 신호를 생성하고, 이를 통해 시스템의 출력을 원하는 목표값으로 유지하거나 빠르게 도달시키는 역할을 한다.
. PID 제어는 각 요소의 비율(P,I,D,Gain)을 조절하여 시스템의 응답 특성을 원하는 대로 조정할 수 있다. 이러한 Gain 조절 과정을 '튜닝' 이라고 한다. 예를 들어, 화학 반응기의 온도를 일정하게 유지하기 위해 PID 제어기를 사용하여 히터의 출력을 조절한다.
1) 비례(P)제어 : 현재 오차에 비례하여 제어 신호를 생성한다. 오차가 클수록 제어 신호도 커지며, 시스템의 응답 속도를 높이는 역할을 한다.
2) 적분(I)제어 : 과거의 오차를 누적하여 제어 신호를 생성한다. 정상 상태 오차를 제거하고, 시스템의 정확도를 높이는 역할을 한다.
3) 미분(D)제어 : 오차의 변화율에 따라 제어 신호를 생성한다. 오차 변화가 클수록 제어 신호도 커지며, 시스템의 안전성을 높이며 진동을 감소시키는 역할을 한다.
2. DCS의 주요 기능
1) 데이터 수집 및 감시 : 센서를 통해 온도, 압력, 유량 등 다양한 공정 데이터를 실시간으로 수집하고, 중앙 제어실에서 한 눈에 감시할 수 있도록 한다.
2) 자동 제어 : 설정된 목표 값에 따라 공정 변수를 자동으로 조절하여 안정적인 생산 환경을 유지한다.
3) 알람 및 경보 : 비정상적인 상황 발생 시 즉각적인 알람 및 경보를 통해 신속한 대응을 가능하게 한다.
4) 데이터 분석 및 보고 : 수집된 데이터를 분석하여 생산 효율성, 품질, 에너지 소비량 등을 파악하고, 보고서를 생성하여 의사결정을 지원한다.
5) 원격 감시 및 제어 : 직접 현장에 가지 않고도 원격으로 공장 상황을 감시하고 제어할 수 있다.
3. DCS 구축을 위한 구성 요소
1) 컨트롤러(Controller)
. DCS의 핵심 장치로 공정 데이터 수집, 제어 알고리즘 실행, HMI와의 통신등을 담당
. 컨트롤러는 Redundancy(이중화) 구성을 통해 시스템의 안정성을 높임
2) 입출력 모듈(I/O Module)
. 센서 및 액추에이터와 연결되어 공정 데이터를 수집하고 제어 신호를 전송
. 아날로그 입력/출력, 디지털 입력/출력 다양한 종류가 있음
3) HMI(Human Machine Interface)
. 운전원이 공정 상태를 감시하고 제어할 수 있는 인터페이스를 제공
. 터치스크린 방식의 모니터, 키보드, 마우스 등으로 구성됨
4) 네트워크 장비
. 컨트롤러, I/O모듈, HMI 등을 연결하는 네트워크 스위치, 라우터 등을 포함
. 산업용 이더넷(Ethernet)프로토콜을 주로 사용함
5) 서버(Server)
. 데이터 저장, 히스토리 데이터 관리, 알람 및 이벤트 관리, 보고서 생성 등을 담당
. 일반적으로 고성능 서버를 사용하며, Redundancy 구성을 통해 데이터 안정성을 확보
(그림1) Distributed Control System Architecture4. 주요 DCS 솔루션 업체
. 에머슨(Emerson) : Ovation DCS(발전 및 수처리 산업 특화) 및 DeltaV DCS(다양한 산업 분야)
. 요꼬가와(Yokogawa) : CENTUM VP DCS (다양한 산업 분야)
. Honeywell : Experion PKS DCS (다양한 산업 분야)
. Siemens : SIMATIC PCD 7 DCS (다양한 산업 분야)
. Schneider Electric : EcoStruxure Foxboro DCS (다양한 산업 분야)
. Eurotherm : 제어 및 데이터 관리 솔루션
. Valmet : Velmet DNA : 제지 및 펄프 산업 특화
5. DCS 솔루션 교체 시 고려사항
- 제조시스템 개선 및 고도화를 위해 기존 DCS 솔루션을 교체하는 것은 쉽지 않다. 대부분의 기업들은 초기 선정되어 셋업된 솔루션에 Lock-In 되어 확산 및 개선 시에도 호환성 등의 이슈로 지속적으로 해당 솔루션을 사용하게 된다. 하지만 기존 시스템의 노후화와 제조시스템 혁신을 위해 DCS 솔루션을 교체할 시에는 하기 항목들에 대한 검토가 필요하다.
1) 높은 비용 : DCS 솔루션 교체는 컨트롤러, 입출력 모듈, HMI 등 하드웨어 교체 뿐만 아니라 소프트웨어 ,네트워크, 데이터베이스 등 전체 시스템에 대한 변경을 수반한다. 이는 상당한 비용이 소요되는 작업이다.
2) 긴 작업 시간 : DCS 솔루션 교체는 단순히 하드웨어 및 솔루션 교체 뿐만 아니라 기존 시스템과의 데이터 연동, 새로운 시스템에 대한 사용자 교육 등 많은 시간과 노력이 필요한 작업이다.
3) 생산 중단 : DCS 솔루션 교체 작업은 생산 라인을 일시적으로 중단해야 하는 경우가 많다. 이는 생산 손실로 이어질 수 있으며, 특히 연속 공정 산업에서는 큰 문제가 될 수 있다.
4) 호환성 문제 : 새로운 DCS 솔루션이 기존 시스템과 호환되지 않는 경우, 추가적인 개발 작업이나 인터페이스 개발이 필요할 수 있다.
5) 기술적인 어려움 : DCS 솔루션 교체는 전문적인 기술 지식과 경험을 요구하는 작업이다. 숙련된 엔지니어의 지원이 필요하며, 기술적인 문제 발생 시 해결에 어려움을 겪을 수 있다.
6) 리스크 : DCS 솔루션 교체는 시스템 오류, 데이터 손실, 생산 중단 등 다양한 리스크를 수반한다. 교체 작업 전에 충분한 검토와 준비가 필요하다.
