오늘은 이전에 포스팅한 PLC와 DCS의 차이점을 복습해 보고, DCS의 구성 및 통신 방법에 공부해 보겠습니다.
PLC와 DCS의 차이점과 특징을 알아보자.
PLC와 DCS는 산업 제어 시스템의 대표적인 형태로, 각각 다음과 같은 특징을 가지고 있습니다. PLC (Programmable Logic Controller) : PLC는 논리 제어를 위해 사용되는 컴퓨터 기반의 제어 장치입니다. 주로
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목차
1. PLC와 DCS의 차이점, DDD, SCADA의 정의
2. DCS System의 Layout
3. Hart Multiplexer (Mux)
4. RS485 통신과 RS232C통신
5. HART Protocol의 네트워크 구성 방식 (Multi Drop, Point to Point)
1. PLC와 DCS의 차이점, DDD, SCADA의 정의
▶제어 방식: PLC는 시퀀스 제어를 수행하며, DCS는 연속적인 제어를 수행합니다. PLC는 입력 이벤트가 발생할 때마다 반응하여 제어 명령을 수행하고, DCS는 일정 시간 간격으로 입력 신호를 모니터링하고 연속적인 제어를 수행합니다.
▶제어 범위: PLC는 보통 단일 제조 공정을 제어하기 위해 사용되며, DCS는 공정 전체를 통합적으로 제어하기 위해 사용됩니다. DCS는 여러 가지 제어 루프와 하위 시스템을 조합하여 공정 전체를 자동화하고, 최적의 운전 상태를 유지할 수 있습니다.
▶구성 요소: PLC는 주로 디지털 입출력 모듈과 제어 프로그램으로 구성되어 있습니다. DCS는 PLC와 마찬가지로 디지털 입출력 모듈과 제어 프로그램뿐만 아니라, 아날로그 입출력 모듈, 제어반, 통신네트워크 등 다양한 하드웨어와 소프트웨어 구성요소로 이루어져 있습니다.
▶확장성: PLC는 일반적으로 작은 범위의 제어 시스템에 사용되며, 확장성이 제한적입니다. DCS는 공정의 크기와 복잡도에 따라 유연하게 구성할 수 있으며, 필요에 따라 확장이 가능합니다.
따라서, PLC와 DCS의 가장 큰 차이점은 제어 방식과 제어 범위입니다. PLC는 이벤트 기반 순차 제어로 작은 범위의 제어 시스템에 적합하며, DCS는 연속적인 제어로 공정 전체를 통합적으로 제어하는데 적합합니다.
| DCS vs PLC 주요 특징 비교 |
||
| 구분 | DCS | PLC |
| 제어 방식 | 분산 제어 | 순차 제어 |
| 제어 신호 | Analog / Digital | Digital / Analog |
| 처리 방식 | 중요 기능별 분산 처리 | CPU 집중 처리 |
| 주 사용 방식 | 대용량의 연속 제어 | ON-OFF 이산 제어 |
| 적용 방식 | 대규모 공정 | 소규모 공정 |
| 시스템 구성 | 통합 운영자 Station | 독립 운영자 Station |
| 데이터 처리 | 제어 Point / Tag 중심 | Bit / Word 중심 |
| 응답 시간 | Time - Driven Base | Scan - Driven Base |
| 비용 | 고 비용 | 저 비용 |
▶DDC(Direct Digital Control)
컴퓨터를 이용한 제어개념은 1960년대 중반부터 프로세스 제어분야에 도입되기 시작하였으며 초기의 컴퓨터를 이용한 제어개념은 1970년대 중반까지 한 대의 컴퓨터에 의한 DDC시스템과 현장 아날로그 연결에 의한 제어 방식이 주종을 이루고 있었습니다. DDC 시스템이란 한 대의 컴퓨터에 프로세스 데이터의 입력, 출력 및 플랜트의 감시, 조작, 제어 등을 모두 집중화시켜 관리하는 시스템입니다. DDC의 경우 모든 제어기능이 한 대의 컴퓨터에 집중되어 있으므로 이상이 발생하면 공정 전체가 제어 불능 상태가 되어 신뢰성 저하가 문제가 되었습니다. (이로 인해 DCS가 개발되어 상용화되었습니다.)
▶SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition)
집중 원격감시 제어시스템 또는 감시 제어 데이터 수집시스템이라고도 하는 SCADA 시스템의 감시 제어기능을 말합니다. SCADA 시스템은 통신 경로상의 아날로그 또는 디지털 신호를 사용하여 원격장치의 상태정보 데이터를 원격소장치(remote terminalunit)로 수집, 수신·기록·표시하여 중앙 제어 시스템이 원격 장치를 감시 제어하는 시스템을 말하며 발전·송배전시설, 석유화학 플랜트, 제철공정 시설, 공장 자동화 시설 등 여러 종류의 원격지 시설 장치를 중앙 집중식으로 감시 제어하는 시스템입니다.
2. DCS System의 Layout
▶Field Instrument → Junction Box→Marshalling Cabinet → System Cabinet → HMI
*HMI? (Human-Machine Interface) 인간 ↔ 기계 인터페이스
▶DCS 시스템 – 레벨 0
유량 및 온도 센서와 같은 필드 장치 & 제어 밸브와 같은 최종 제어 요소
▶DCS 시스템 – 레벨 1
필드에서(JB) 집결된 Wire들이 Tagging 되어 터미널 블록, 본질안전 배리어, 릴레이, 아이솔레이터 등에 연결
▶DCS 시스템 – 레벨 2
전원공급장치, 컨트롤러 및 I/O카드를 수용하는 시스템 캐비닛으로 필드신호는 I/O카드에 의해 디지털로 변환되어 컨트롤러로 전송 (자동시스템의 두뇌가 되며, 캐비닛 상단에 위치)
A/D 컨버터(Converter) : 아날로그 입력 신호 크기에 비례해서 디지털 값으로 변환을 수행하는 기능을 합니다.
▶DCS 시스템 – 레벨 3
시각적 표시 장치 또는 컴퓨터로 구성되는 운영자 인터페이스입니다. 공정을 직접 제어하는 생산 제어 Level로써, 플랜트 운영 회로도가 표시됩니다. 알람 및 인터락 원인 및 결과 다이어그램이 다른 페이지에 표시됩니다.
3. Hart Multiplexer (Mux)
HART Multiplexer (Mux)는 HART 프로토콜을 사용하여 여러 개의 HART 디바이스를 단일 HART 마스터에 연결하는 장치입니다. HART Multiplexer는 다중 HART 디바이스를 효율적으로 관리하고, 안정적인 운영을 보장하는 장치 입니다. HART Multiplexer의 주요 특징과 구성에 대한 내용은 다음과 같습니다.
1. 다중 HART 디바이스를 단일 HART 마스터에 연결하는 장치로서, 여러 개의 디바이스에 대한 데이터 모니터링 및 제어를 편리하게 수행할 수 있습니다.
2. 다중 채널을 제공하여 여러 개의 HART 디바이스를 동시에 연결할 수 있습니다.
3. HART 프로토콜을 사용하여 디바이스의 상태 및 데이터를 모니터링하고, 제어 명령을 전송합니다.
4. 빠른 통신 속도와 데이터 전송 거리를 지원하며, 다양한 프로토콜을 지원하는 안정적이고 확장 가능한 장치입니다.
5. 간편한 설치 및 구성이 가능하며, 기존의 HART 디바이스와의 연결도 용이합니다.
6. 안정적인 운영을 보장하기 위해 여러 가지 안전장치를 제공하며, 시스템의 안정성과 신뢰성을 높일 수 있습니다.
7. HART Multiplexer의 최대 연결 수량은 1대당 32개의 HART 디바이스를 연결할 수 있으며, 속도는 각 채널당 대략 1200 bps에서 9600 bps의 통신 속도를 지원합니다. 또한, HART Multiplexer는 HART 프로토콜을 사용하여 통신하며, 광섬유 케이블과 같은 광통신 기술을 사용하여 데이터 전송 거리를 늘릴 수 있습니다. 이러한 특징과 구성은 HART Multiplexer를 산업 자동화 분야에서 널리 사용되는 효율적인 자동화 장치로 만듭니다.
4. RS485 통신과 RS232C통신
485-232는 시리얼 통신 프로토콜 중 하나로, 공정 제어 시스템에서 많이 사용됩니다. 485-232의 속도, 거리, 통신 등의 특징은 다음과 같습니다.
| 통신 별 비교 | ||||
| Specification | RS232C | RS485 | RS423 | RS422 |
| 동작 모드 | Single-Ended | Differential | Single-Ended | Differential |
| 최대 Driverer 수 | 1 Driver | 32 Drivers | 1 Driver | 1 Driver |
| 최대 Receiver 수 | 1 Receiver | 32 Receivers/256 | 10 Receiver | 32 Receivers/256 |
| 최대 통달거리 | 약 15 m | 약 1.2 km | 약 1.2 km | 약 1.2 km |
| 최고 통신속도 | 20 Kb/s | 10 Mb/s | 100 Kb/s | 10 Mb/s |
| 지원 전송방식 | Full Duplex | Half Duplex | Full Duplex | Full Duplex |
| 최대 출력전압 | ±25V | -7V to +12V | ±6V | -0.25V to +6V |
| 최대 입력전압 | ±15V | -7V to +12V | ±12V | -7V to +7V |
▶속도: 485-232는 각 디바이스 간 데이터 전송 속도를 대략 115,200 bps로 지원합니다. 이는 비교적 높은 속도로 데이터 전송이 가능하며, 통신 시간을 단축할 수 있습니다.
▶거리: 485-232의 거리 제한은 RS-232C와 같이 50 피트 이하입니다. 하지만 RS-485는 4000 피트 이상의 거리를 지원하여, 485-232보다 더 멀리 떨어진 장치와의 통신이 가능합니다.
▶통신 방식: 485-232는 2개의 선으로 이루어진 반 이중 통신 방식을 사용합니다. 이 방식은 송신과 수신을 같은 선으로 전송하여 데이터 전송 속도와 신호 간섭을 개선할 수 있습니다.
▶통신 방식의 안정성: 485-232는 물리적인 케이블이나 전선에 대한 영향이 적습니다. 이는 잡음과 같은 외부 요인에 의해 데이터 통신이 방해받는 경우가 적다는 것을 의미합니다.
▶다중 접속: 485-232는 다중 디바이스 접속이 가능합니다. 하나의 마스터 디바이스와 여러 개의 슬레이브 디바이스를 연결하여, 데이터를 모니터링하고 제어할 수 있습니다.
▶확장성: 485-232는 다양한 확장 가능성을 제공합니다. 필요에 따라 RS-485와 같은 프로토콜로 확장하여, 더 많은 디바이스를 제어할 수 있습니다.
485-232는 공정 제어 시스템에서 많이 사용되는 시리얼 통신 프로토콜 중 하나입니다. 빠른 데이터 전송 속도와 안정적인 통신 방식, 다중 접속이 가능하다는 특징을 가지고 있습니다. 그러나, 전송 가능한 거리가 제한적이며, RS-485와 같은 다른 프로토콜과 비교했을 때 확장성이 낮습니다.
5. HART Protocol의 네트워크 구성 방식 (Multi Drop, Point to Point)
HART(Highway Addressable Remote Transducer) 프로토콜은 통신 방식에 따라 Point-to-Point 방식과 Multi-drop 방식으로 구분됩니다.
HART
▶Point-to-Point 방식: HART Point-to-Point 통신 방식은 하나의 마스터(Master) 디바이스와 하나의 슬레이브(Slave) 디바이스 간의 통신을 의미합니다. 즉, 단일 디바이스와의 통신을 위해 사용됩니다. Point-to-Point 방식은 디바이스와의 통신을 빠르게 처리할 수 있으며, 데이터의 안정성을 높일 수 있습니다.
▶Multi-drop 방식: HART Multi-drop 통신 방식은 하나의 마스터 디바이스와 여러 개의 슬레이브 디바이스 간의 통신을 의미합니다. 즉, 다중 디바이스와의 통신을 위해 사용됩니다. Multi-drop 방식은 여러 개의 디바이스를 한 번에 제어할 수 있으며, 디바이스 연결의 편리성을 높일 수 있습니다. 하지만, 디바이스 간의 통신 시간이 길어질 수 있으며, 데이터의 안정성에 영향을 미칠 수 있습니다.
HART 통신은 주로 Multi-drop 방식을 사용하여 여러 개의 디바이스를 한 번에 제어할 수 있습니다. Multi-drop 방식은 많은 디바이스를 한 번에 제어할 수 있어 효율적입니다. 그러나, 디바이스 간의 통신 시간이 길어지면서 시스템의 응답 속도가 느려질 수 있으므로, 디바이스 수와 거리를 고려하여 적절한 구성이 필요합니다.
Foundation Fieldbus
Foundation Fieldbus는 현장 디바이스들이 디지털 통신을 통해 상호작용하는 통신 규격입니다. 이는 현장에 설치된 센서, 액추에이터, 컨트롤러 등의 디바이스들이 31.25kHz의 디지털 직렬 양방향 통신으로 상호작용하여 작동하는 근거리 통신망입니다.
Foundation Fieldbus의 특징으로는 다음과 같습니다.
상위 기기간 (PLC, DCS 등)의 통신은 주로 HSE (High Speed Ethernet: 100 Mbps)를 사용하고, 현장 디바이스는 H1 (31.25kHz)을 사용합니다. 이는 상위 기기와 현장 디바이스 간의 정보 교환을 용이하게 해주는 장점이 있습니다.
Foundation Fieldbus는 한 개의 케이블에 2~32개의 디바이스를 연결하여 최대 1,900미터까지 전송 가능합니다. 그리고 케이블 단선으로 인한 장애도 쉽게 감지할 수 있으며, 디바이스 교체나 추가 작업 등이 용이합니다.
I/O 모듈 대신에 FF 통신 모듈이 많은 loops/points를 담당하기 때문에 DCS 캐비닛 및 각종 인터페이스 장비를 설치하는 marshalling rack의 수를 줄일 수 있습니다. 또한, 많은 디바이스가 기능 모듈을 갖고 있어 Peer-to-Peer 통신이 가능하기 때문에 제어 시스템의 기능을 현장으로 분산시킬 수 있습니다.
필드버스를 사용하면 정보를 현장 디바이스까지 확장시킬 수 있기 때문에 설치, 커미셔닝(루프 체크 등), 유지보수 등에서 많은 시간과 노력을 절약할 수 있습니다. 또한, 시스템에 따라 HART 유지보수 시스템을 별도로 구축할 필요가 없을 수 있습니다.
Foundation Fieldbus는 디지털 통신을 사용하여 현장 디바이스들이 서로 상호작용하도록 해주는 통신 규격입니다.
| Fieldbus의 장점 | |
| 설치 공간 및 비용 절감 | 공정 운영 효율 증가 및 신뢰도 향상 |
| ° 전선과 Marshalling panel 수를 줄여준다. ° I.S Barrier 수를 줄여준다. ° 전원공급과 Cabinet의 수를 줄여준다 ° Rack room의 수를 줄여준다. |
° Device의 Remote Configuration이 가능하다. ° 운전자를 위한 정보가 많아진다. ° 측정의 정밀도가 높아진다. ° 표준화된 Function Block으로 Software 적용이 쉬워졌다. ° 계기가 정밀해지고, 유연성이 증가하였다. ° Equipment를 줄이므로 자기진단 기능, 원격진단의 회전률이 증가하였다. |
Fieldbus 시스템은 HART 시스템과 비교하여 다양한 기능과 편의성을 제공하는 등 많은 장점이 있지만, 국내에는 이미 HART 시스템이 상용화되어 있기 때문에 Fieldbus 시스템의 도입이 쉽지 않습니다.
그러나, 최근 바이오사이언스 분야의 증설로 인해 해외의 제약 제조 장비들이 도입되면서 Fieldbus도 함께 도입되는 추세입니다.
이는 Fieldbus 시스템이 제공하는 다양한 기능과 편의성, 유지보수 및 운영 비용 절감 효과 등이 인식되면서 적용 분야가 확대되고 있기 때문입니다.
따라서, 앞으로 Fieldbus 시스템이 더욱 활성화될 가능성이 있으며, 이를 통해 보다 효율적이고 안정적인 제어 시스템이 구축될 것으로 예상됩니다.
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