스마트 공장(스마트 제조) - PLC, DCS, SCADA 시스템

스마트 공장을 구축함에 있어 반드시 포함되어야 하는 산업용 제어시스템에 대한 좋은 자료가 있어 이를 공유합니다.

 

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◎ 스마트 공장은 ABCi(AI, Big data, Cloud, IoT), CPS(Cyber Physical Systems) 등 ICT와 제조 기술이 융합되어 제조공정의 통합을 통해 생산성 향상과 수익성 증대를 추구하는 공장

• ​소프트웨어는 스마트 공장 구축을 위한 필수 요소이며, 소프트웨어에 의해 유연성, 지능성, 실시간성, 연계성이 구현되고 신뢰성이 보장
• 스마트 공장의 성공을 위해서는 ‘스마트 공장을 몇 개 구축하는가’보다 ‘스마트 공장에 필요한 소프트웨어를 어느 수준까지 확보 하느냐’가 중요
• 스마트 공장에 필요한 소프트웨어가 확보되면 스마트화는 매우 빠르고 효과적으로 파급력 있게 진행될 것

 

◎ 산업용 제어 시스템은 모니터링 디바이스와 소프트웨어 시스템 등 다양한 컴포넌트를 처리하여 운영 관리와 자동화를 가능하게 하는 시스템

• 산업용 제어 시스템은 각기 다른 환경에 맞춰 다양한 설계로 구축할 수 있으며, PLC, DCS 및 SCADA 시스템이 대표적

 

​◎ 첨단기술의 발전과 디지털 전환 추세가 강화되면서 스마트 공장이 확산되고 있고, 스마트 공장의 고도화 필요성이 높아지면서 스마트 제조 IT 시스템과 관련 소프트웨어의 중요성은 더욱 증대되는 추세

• ​글로벌 시장조사기관 프레시던스 리서치에 따르면 글로벌 스마트 공장 시장 규모는 ’22년 1,297억 4천만 달러로 평가되며, ’23년부터 ’32년까지 연평균 9.52% 성장해 3,219억 8천만 달러에 달할 전망

- 프레시던스 리서치는 “현재 북미 지역이 시장을 주도하는 가운데 아시아·태평양 지역이 상당한 성장을 보일 것”이라면서 센서의 소형화에 따른 산업용 로봇 채택 증가, 5G 기술의 스마트 공장 진입 등을 성장 요인으로 제시

• 스마트 공장의 진화 단계는 다음과 같이 구분할 수 있는데, 단계가 고도화될수록 첨단 기술과 관련 소프트웨어의 역할이 중요

       - 1단계: 자동화(Automation)
       - 2단계: 통합(Integration)
       - 3단계: 최적화(Optimization)
       - 4단계: 지능화(Intelligence)

• 많은 기업들의 스마트 공장 발전 단계가 아직 낮은 단계이고, 향후 고도화가 필요한 상황이어서 소프트웨어 시장 성장은 더욱 빨라질 전망

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◎ 스마트 공장의 확산과 관련 소프트웨어의 중요성이 커지면서 소프트웨어와 솔루션 시장도 지속 성장할 것으로 예상

• 특히 자동제어와 관련된 PLC, DCS 및 SCADA 시스템은 스마트공장 애플리케이션 분야에서 가장 큰 비중을 차지하며, 향후 큰 폭으로 성장할 것으로 예상되기 때문에 기술개발을 강화하고 새로운 시장 기회 발굴이 필요
• 지역별로는 중국과 인도 시장의 성장률이 높을 것으로 예상되며, 개발도상국들도 글로벌 산업환경 변화에 대응하기 위해 스마트 생산 도입을 확대하면서 관련 시장도 빠르게 성장할 것으로 전망

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◎ 우리나라도 스마트 공장 고도화와 확대되는 시장 기회 활용을 위해서는 소프트웨어 개발 능력을 높이고, ‘스마트 등대공장’ 육성을 통한 모범 사례 확산이 필요​

• 국내 스마트 공장이 3만 개를 넘어섰지만 전체 스마트 공장 중 기초단계에 머물러 있는 곳이 76.8%에 달하고 고도화율은 1.4%에 불과한 것으로 조사
• 개발도상국을 중심으로 확대될 것으로 예상되는 시장 확보를 위해서는 스마트 공장 모범 사례 구축을 통해 수요 기업들이 스마트 공장의 필요성 및 효과, 스마트 공장 구축 과정 등을 이해하고 방향을 설정할 수 있도록 지원하는 것이 중요

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□ PLC(Programmable Logic Controller, 프로그램 가능 논리 제어기)

​◎ PLC는 사용자 정의 프로그램을 통해 주로 기계의 자동제어에 사용되는 범용 제어장치를 지칭

• ​여러 개의 디지털 또는 아날로그 신호의 입력·출력을 통해 로직, 시퀀싱, 타이밍, 연산과 같은 특수 기능을 수행하기 위한 프로그램 메모리를 사용해 여러 종류의 기계를 제어하는 디지털 작동 전자장치
• 몇 밀리초 정도의 주기로 신호를 읽는 것도 많아, 정확성이나 복잡성을 요구하는 다양한 산업기계에서 채택
• 저렴하고 확장성이 높기 때문에 배치제조(Batch manufacturing) 및 연속제조(Continuous manufacturing) 공정 플랜트에서도 소규모일 경우 PLC를 적극적으로 채택
• 또한 PLC 계장(計装)*을 활용하여 중규모 플랜트에서도 충분히 제어할 수 있는 능력을 보유

* 계기 장치의 약자로서, 설비, 즉 플랜트 운전에 있어서 설비의 운전상태(온도, 유량, 압력, 액위, 성분, 폭, 두께, 무게 등)를 판정하고 조정해 주는 것

 

​◎ 대표적인 PLC 프로그래밍 소프트웨어​

• (Delta의 ISPSoft) IEC 61131-3 표준*을 준수하며 여러 작업을 프로젝트 관리에 통합할 수 있고, 크고 작은 제어 시스템에 사용할 수 있는 단순하고 효율적인 개발 환경을 제공

           * IEC 61131-3은 PLC 및 프로그래밍 언어에 대한 기본 소프트웨어 아키텍처를 정의

• (OpenPLC의 OpenPLC Editor) 최초의 오픈소스로 완전한 기능을 갖춘 표준화된 PLC이며, 주로 산업 및 홈 자동화, SCADA 연구, 사물인터넷에 사용
• (Rockwell Automation의 Studio 5000®) 디자인 요소를 단일 프레임워크로 결합하여 생산성을 극대화하고 주문 완료에 걸리는 시간을 단축
• (ABB의 Automation Builder) 시스템과 기계를 생산적인 방식으로 자동화하려는 시스템 통합업체와 기계 제작자를 위한 통합 소프트웨어로, 자동화 프로젝트의 구성, 프로그래밍, 디버그 및 유지 관리하는 데 필요한 툴을 결합
• (Siemens의 TIA Portal) HMI는 물론 PLC와 그 외 자동화에 필요한 모든 디바이스를 한데 묶은 통합 자동화 솔루션

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□ DCS(Distributed Control System, 분산형 공정제어 시스템)

​◎ DCS는 자동제어 프로그램이 내장된 여러 개의 제어용 컴퓨터를 기능별로 분산시켜 위험을 최소화하고, 전체 관리는 중앙에서 집중 감시 및 컨트롤할 수 있도록 한 자동제어 시스템​

• 주로 수처리, 발전, 보일러, 제철, 석유화학 등 산업 전반에 대한 각종 공정의 제어 및 감시에 사용
• 일관성 있는 공정관리 및 제어의 신뢰도가 향상되며 다양한 응용이 가능하고 유연성 있는 제어가 가능
• 적은 수의 조작자가 처리공정에 대한 많은 정보를 처리 및 제어기능을 수행할 수 있으며, 집중관리가 가능해 인력 효율성이 높고, 유지보수가 용이
• 복잡한 연산 및 논리회로 구성, 자료 수집 및 보고서 작성, 개별 시스템 추가로 다른 유닛에 접속이 가능
• 시스템 진단 기능이 있어 공장 운전시 문제점을 조기 파악해 비정상 운전에 신속 대처 가능
• PLC에 비해 밸브나 펌프 등의 제어가 주목적이며, 1초 정도의 주기로 신호를 읽는 것이 일반적
• 대규모 시스템이 "중단되지 않는다", 발생한 문제가 주위에 "파급되지 않는다"는 것이 장점이지만 메이커 독자색이 강하고, 초기비용 및 유지비용이 모두 높은 점이 문제
  

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◎ 대표적인 DCS 소프트웨어

• ​(미쓰비시의 DIASYS) 높은 신뢰성과 사용자 친화적인 운영 모니터링 및 엔지니어링 도구로 높은 평가를 받고 있으며, 화력 발전소에 매우 적합할 뿐만 아니라 로켓 발사 시설, LNG 운반선 및 플랜트 관리 시스템을 포함한 많은 시설과 제품에 대한 제어 시스템 및 모니터링 시스템 역할도 수행
• (Rockwell Automation의 PlantPAx) 기업이 프로세스 제어 작업을 디지털 방식으로 전환하는 것을 지원하며, 제품 출시 기간을 단축하고 총 소유 비용을 절감해 ‘커넥티드 엔터프라이즈(Connected Enterprise)’를 실현할 수 있도록 지원
• (Emerson의 DeltaV) 운영을 단순화하고 프로젝트 위험을 낮추는 자동화 시스템으로 복잡성을 추가하지 않고도 요구 사항에 맞게 쉽게 확장 가능
• (ABB의 Ability System 800xA) 전기 제어 시스템, 안전 시스템, 협업 지원 기능을 갖추고 있으며 엔지니어링 효율성, 운영자 성과 및 자산 활용도를 향상시키는 기능을 보유
• (Yokogawa의 CENTUM VP) 가장 안정적인 DCS 시스템으로 플랜트가 가동 중단 없이 작동할 수 있도록 보장

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​□ SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition, 원격감시제어)

​◎ SCADA는 다양한 장치 및 센서에서 전송되는 데이터를 모니터링하고 제어하면서 데이터를 축적하고 분석하는 시스템​

• SCADA는 일반적으로 PLC(Programmable Logic Controllers) 및 원격 단말 장치(Remote Terminal Units, RTU)와 같은 소프트웨어 및 하드웨어의 조합으로 구성
• SCADA 시스템을 통해 기업들은 로컬 또는 원격으로 산업 프로세스를 제어할 수 있으며, 중앙에서 전체적으로 모터, 펌프 및 센서와 같은 장비와 직접 상호 작용할 수 있고, 때때로 이러한 시스템은 수신 데이터를 기반으로 장비를 자동으로 제어 가능
• 기업들은 SCADA 시스템을 통해 실시간 데이터를 기반으로 프로세스를 모니터링 및 보고할 수 있고, 후속 처리 및 평가를 위한 데이터 보관도 가능
• SCADA 시스템은 에너지 및 인프라, 식음료, 제약, 자동차, 상하수도, 운송, 건물, 산업간 애플리케이션 등 다양한 산업 분야에 이용
• 과거에는 SCADA가 PLC 및 컨트롤러가 수집한 데이터를 기반으로 운영자에게 모니터링 및 제어 시스템을 제공
• 현재의 SCADA는 이에 그치지 않고 IIoT 센싱 데이터 및 빅데이터를 기반으로 설비종합효율(OEE)을 높이고, 머신러닝 및 딥러닝 학습을 통하여 고장을 진단 및 예측
• CCTV 등 여러 레거시 시스템을 통합함으로써 보안 및 안전 문제를 해결할 수 있는 단계에까지 도달
• 감시용 그래픽 화면뿐만 아니라 경고나 리포트, 로깅(logging)*, 트렌드 등 감시에 사용하는 다양한 기능을 구비 * ‘데이터를 기록하는 것’을 의미하며, 시스템이나 소프트웨어의 가동 상황, 사용자의 액세스 이력 등을 정기적으로 기록해 「언제·누가(무엇)·어떠한 상태였는가」에 관한 사실을 명확하게 함

* ‘데이터를 기록하는 것’을 의미하며, 시스템이나 소프트웨어의 가동 상황, 사용자의 액세스 이력 등을 정기적으로 기록해 「언제·누가(무엇)·어떠한 상태였는가」에 관한 사실을 명확하게 함

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◎ 대표적인 SCADA 소프트웨어 솔루션​

• (Rockwell Automation의 FactoryTalk®, Optix™) 최신 기술, 혁신적인 디자인 및 확장 가능한 배포 옵션을 통해 가치 제공을 가속화하는 새로운 시각화 플랫폼으로 프로세스, 효율성, 결과물을 모두 한 곳에서 개선할 수 있는 도구
• (Trihedral의 VTScada) 최종 사용자가 신뢰하고 쉽게 사용할 수 있는 고도로 맞춤화된 산업용 모니터링 및 제어 애플리케이션을 만들 수 있는 사용자 친화적인 플랫폼
• (OAS의 Open Automation Software) 산업용 IoT 환경 내 다양한 플랫폼들 간 데이터 이동을 보다 자유롭고 편리하게 만들어주는 소프트웨어
• (Inductive Automation의 Ignition SCADA) 무제한 라이센스, 즉각적인 웹 기반 배포 및 감시 제어(SCADA)를 위한 업계 최고의 도구 세트를 모두 하나의 개방적이고 확장 가능한 범용 플랫폼에 결합
• (Adroit Technologies의 Adroit Ignite) Adroit Ignite 디자인 인터페이스는 Microsoft.NET 기술 스택을 기반으로 구축되었으며 제어 시스템의 거의 모든 측면을 통합 가능

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<발췌: 스마트공장추진단 "스마트제조 글로벌 마켓 리포트">

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