분산 제어 시스템(DCS-Distributed Control System)

분산 제어 시스템 DCS

최근 몇 년 동안 스마트 기기와 필드 버스를 사용함으로써 분산 제어 시스템(DCS)은 이전의 중앙 집중식 제어 시스템에 비해 크고 복잡한 산업 프로세스에서 두드러지게 되었습니다. 플랜트 주변의 제어 시스템 아키텍처의 이러한 분포는 제어, 공정 품질 및 플랜트 효율성의 신뢰성을 향상시키는 보다 효율적인 방법을 생성하도록 이끌었습니다.

오늘날 분산 제어 시스템은 화학 공장, 석유 및 가스 산업, 식품 가공 장치, 원자력 발전소, 수자원 관리 시스템, 자동차 산업 등과 같은 많은 산업 분야에서 발견되었습니다.

 

DCS 시스템

분산 제어 시스템(DCS)은 플랜트 또는 제어 구역에 지리적으로 분산된 제어 요소로 구성된 특수 설계된 자동 제어 시스템입니다.

중앙 위치의 단일 컨트롤러가 제어 기능을 처리하는 중앙 집중식 제어 시스템과는 다르지만 DCS에서는 각 프로세스 요소 또는 기계 또는 기계 그룹이 전용 컨트롤러에 의해 제어됩니다. DCS는 플랜트 제어 구역의 다양한 섹션에 있는 다수의 로컬 컨트롤러로 구성되며 고속 통신 네트워크를 통해 연결됩니다.

 

DCS 제어 시스템에서 데이터 수집 및 제어 기능은 플랜트에 기능적으로 그리고 지리적으로 분산된 마이크로프로세서 기반 장치인 여러 DCS 컨트롤러를 통해 수행되며 위 그림과 같이 제어 또는 데이터 수집 기능이 수행되는 영역 근처에 위치합니다. 이러한 컨트롤러는 서로 통신할 수 있으며 감독 터미널, 운영자 터미널, 역사가 등과 같은 다른 컨트롤러와도 통신할 수 있습니다.

분산된 개별 자동 컨트롤러는 센서 및 액추에이터와 같은 필드 장치에 연결됩니다. 이러한 컨트롤러는 수집된 데이터를 다른 필드 버스를 통해 다른 계층 컨트롤러와 공유할 수 있도록 합니다. 컨트롤러 간의 통신을 설정하기 위해 서로 다른 필드 버스 또는 표준 통신 프로토콜이 사용됩니다. 이들 중 일부는 Profibus, HART, 아크 네트, Modbus 등을 포함합니다.

DCS는 많은 수의 연속 제어 루프를 모니터링하고 제어해야 하는 대규모 처리 또는 제조 공장에 가장 적합합니다. 분산 컨트롤러에 대한 제어 작업을 분할하는 주요 이점은 DCS의 일부가 고장 나더라도 고장난 섹션에 관계없이 플랜트가 계속 작동할 수 있다는 것입니다.

 

분산 제어 시스템의 아키텍처

이름에서 알 수 있듯이 DCS에는 세 가지 주요 특성이 있습니다.

첫 번째는 다양한 제어 기능을 반자율적이며 고속 통신 버스를 통해 상호 연결된 비교적 작은 하위 시스템 세트로 배포하는 것입니다. 이러한 기능 중 일부에는 데이터 수집, 데이터 표시, 프로세스 제어, 프로세스 감독, 정보 보고, 정보 저장 및 검색이 포함됩니다.

DCS의 두 번째 속성은 고급 제어 전략을 통합하여 제조 프로세스를 자동화하는 것입니다.

그리고 세 번째 특징은 사물을 하나의 시스템으로 배열하는 것입니다. DCS는 전체 제어 구조를 적절한 명령 구조와 정보 흐름을 통해 다양한 하위 시스템이 통합되는 단일 자동화 시스템으로 구성합니다.

 

DCS의 이러한 특성은 아래 다이어그램에 표시된 아키텍처에서 확인할 수 있습니다.

DCS에 구성되는 기본 요소에는 엔지니어링 워크스테이션, 운영 스테이션 또는 HMI, 프로세스 제어 장치 또는 로컬 제어 장치, 스마트 장치 및 통신 시스템이 포함됩니다.

엔지니어링 워크스테이션:

전체 분산 제어 시스템에 대한 컨트롤러입니다. 전용 엔지니어링 소프트웨어가있는 PC 또는 기타 컴퓨터 일 수 있습니다 

이 엔지니어링 스테이션은 사용자가 새로운 루프 생성, 다양한 입력 및 출력 포인트 생성, 순차 및 연속 제어 로직 수정, 다양한 분산 장치 구성, 각 입출력 장치에 대한 문서 준비 등과 같은 엔지니어링 기능을 수행할 수 있는 강력한 구성 도구를 제공합니다.

 

 

운영 스테이션 또는 HMI

HMI는 플랜트 매개 변수를 작동, 모니터링 및 제어하는 데 사용됩니다. 작업자가 공정 매개변수 값을 보고 그에 따라 제어 조치를 취할 수 있는 별도의 소프트웨어 도구가 있는 PC 또는 기타 모니터링 장치일 수 있습니다. 

운영 스테이션은 단일 장치 또는 단일 장치가 매개변수 값 표시, 추세 표시, 경보 등과 같은 기능을 수행하는 여러 장치일 수 있습니다. 여러 장치 또는 PC가 일부 PC가 매개변수를 표시하고, 일부는 추세 아카이브를 위해, 일부는 데이터 로깅 및 수집을 위해 등과 같은 개별 기능을 수행합니다.

 

DCS의 공정 제어 장치

로컬 제어 장치, 분배 컨트롤러 또는 프로세스 스테이션이라고도 합니다. 분산 제어 시스템은 서로 다른 유형의 I/O 장치로 확장할 수 있는 하나 이상의 프로세스 스테이션으로 구성될 수 있습니다. 이 컨트롤러는 강력한 CPU 모듈, 필드 버스 또는 확장된 필드 버스 기능을 갖춘 통신 모듈과 직접 또는 원격 연결 I/O로 구성됩니다.

센서 및 액추에이터와 같은 필드 장치는 이 장치의 I/O 모듈에 연결됩니다. 일부 필드 장치는 스마트 필드 장치라고 할 수 있는 I/O 모듈 없이 필드 버스(예: Profibus)에 직접 연결할 수 있습니다.

 

 

이 장치는 입력 모듈을 통해 다양한 센서에서 정보를 수집하고, 구현된 제어 로직을 기반으로 분석 및 처리하며, 출력 모듈을 통해 출력 신호를 전송하여 액추에이터 및 릴레이를 제어합니다.

ABB DCS의 경우 AC800F 모듈(예: 고려)은 프로세스에서 데이터를 수집하고 제어하는 프로세스 스테이션 역할을 합니다. 이 유닛은 첫 번째 모듈이 AC 800F 유닛이고 다른 하나가 원격 I/O(통신 인터페이스 모듈이라고도 함)인 그림과 같이 CPU부, 이더넷부, Profibus 부, I/O 인터페이스용 리모트 통신 인터페이스 유닛과 함께 전원 공급 장치로 구성됩니다.

 

통신 시스템

통신 매체는 전체 분산 제어 시스템에서 중요한 역할을 합니다. 엔지니어링 스테이션, 운영 스테이션, 프로세스 스테이션 및 스마트 장치를 서로 상호 연결합니다. 한 스테이션에서 다른 스테이션으로 정보를 전달합니다. DCS에 사용되는 일반적인 통신 프로토콜에는 Ethernet, Profibus, Foundation Field Bus, DeviceNet, Modbus 등이 있습니다.

전체 DCS에 대해 하나의 프로토콜을 반드시 사용해야 하는 것은 아니며 일부 레벨은 하나의 네트워크를 사용할 수 있는 반면 일부 레벨은 다른 네트워크를 사용할 수 있습니다.

 

예를 들어, 필드 장치, 분산 I/O 및 프로세스 스테이션은 Profibus와 상호 연결되고 엔지니어링 스테이션, HMI 및 프로세스 스테이션 간의 통신은 아래 그림과 같이 이더넷을 통해 수행된다고 가정해 보겠습니다.

 

DCS의 주요 장점은 제어 영역의 일부 또는 모든 레벨의 이중화입니다. 대부분의 경우 중요한 프로세스는 중복 처리 섹션으로 인해 주요 공정 라인의 문제가 모니터링 및 제어 기능에 영향을 미치지 않도록 중복 컨트롤러 및 중복 통신 네트워크와 함께 설치됩니다.

 

스마트 또는 지능형 장치

지능형 필드 장치 및 필드 버스 기술은 기존 I/O 서브시스템(I/O 모듈)을 대체하는 DCS 기술의 고급 기능입니다. 이러한 스마트 장치는 간단한 감지 및 제어 기술에 필요한 인텔리전스를 기본 감지 및 작동 장치에 내장합니다.

따라서 DCS 컨트롤러가 일상적인 감지 및 제어 프로세스를 수행할 필요가 없습니다.

 

이러한 필드 장치는 필드 버스에 직접 연결할 수 있으므로 로컬 I/O 모듈 및 컨트롤러와 같은 불필요한 하드웨어를 제거하여 디지털 전송 라인을 통해 다음 상위 레벨 컨트롤 스테이션에 여러 측정을 소싱할 수 있습니다.

 

DCS 시스템의 작동 및 운영

DCS의 작동은 다음과 같습니다. 센서는 공정 정보를 감지하여 로컬 I/O 모듈로 전송하며, 이 모듈에는 액추에이터도 연결되어 공정 매개변수를 제어합니다. 이러한 원격 모듈의 정보 또는 데이터는 필드 버스를 통해 프로세스 제어 장치로 수집됩니다. 스마트 필드 장치를 사용하는 경우 감지된 정보는 필드 버스를 통해 프로세스 제어 장치로 직접 전송됩니다.

 

수집된 정보는 추가로 처리, 분석되어 컨트롤러에 구현된 제어 로직을 기반으로 출력 결과를 생성합니다. 그런 다음 결과 또는 제어 동작이 필드 버스를 통해 액추에이터 장치로 전달됩니다. DCS 구성, 시운전 및 제어 로직 구현은 앞서 언급했듯이 엔지니어링 스테이션에서 수행됩니다. 작업자는 조작 스테이션에서 수동으로 제어 동작을 보고 전송할 수 있습니다.

 

DCS vs SCADA

DCS와 SCADA는 모두 산업 설비의 모니터링 및 제어 메커니즘이지만 목표는 다릅니다. 하드웨어 및 구성 요소 측면에서 DCS와 SCADA 사이에는 몇 가지 공통점이 있지만, 강력하고 비용 효율적인 DCS를 실행 가능한 SCADA 시스템과 분리하는 최종 애플리케이션의 특정 요구 사항이 있습니다. DCS와 SCADA의 몇 가지 차이점은 다음과 같습니다.

 

1. DCS는 프로세스 지향적인 반면 SCADA는 데이터 수집 지향적입니다. DCS는 프로세스 제어에 더 중점을 두고 있으며 감독 제어 수준으로도 구성됩니다. 그리고 그 과정에서 운영자에게 정보를 제공합니다. 반면, SCADA는 수집 프로세스 데이터를 운영자와 제어 센터에 제공하는 데 더 집중합니다.
2. DCS에서 데이터 수집 및 제어 모듈 또는 컨트롤러는 일반적으로 근거리 통신망을 통해 수행되는 다양한 분산 제어 장치 간의 통신과 보다 제한된 영역 내에 위치합니다. SCADA는 일반적으로 근거리 통신망보다 신뢰성이 떨어지는 서로 다른 통신 시스템을 사용하는 더 큰 지리적 영역을 포괄합니다.
3. DCS는 공정 제어 스테이션과 원격 터미널 장치에서 폐쇄 루프 제어를 사용합니다. 그러나 SCADA의 경우 그러한 폐쇄 루프 제어가 없습니다.
4. DCS는 프로세스 상태 기반으로, 정기적으로 프로세스를 스캔하고 요청 시에도 작업자에게 결과를 표시합니다. 반면에 SCADA는 프로세스를 순차적으로 스캔하지 않고 프로세스 매개변수가 특정 작업을 트리거하도록 하는 이벤트를 기다리는 이벤트 기반입니다. 따라서 DCS는 항상 데이터 소스와 연결되어 있기 때문에 프로세스 매개변수 값의 데이터베이스를 유지하지 않는 반면, SCADA는 운영자 표시를 위해 추가로 검색할 수 있는 매개변수 값을 기록하기 위해 데이터베이스를 유지 관리하며, 이는 기지국이 원격 위치에서 새 값을 가져올 수 없는 경우 SCADA가 마지막으로 기록된 값을 표시하도록 합니다.
5. 응용 분야 측면에서 DCS는 단일 공장이나 공장과 같은 제한된 영역 내 설치 및 복잡한 제어 프로세스에 사용됩니다. DCS의 일부 응용 분야에는 화학 공장, 발전소, 제약 제조, 석유 및 가스 산업 등이 포함됩니다. 반면에 SCADA는 물 관리 시스템, 송전 및 배전 제어, 운송 응용 분야 및 소규모 제조 및 공정 산업과 같은 훨씬 더 큰 지리적 위치에 사용됩니다.

이러한 주요 차이점에도 불구하고 최신 DCS 및 SCADA 시스템은 프로세스 플랜트 자동화를 처리하면서 공통 표준 기능을 제공합니다. 그러나 DCS와 SCADA 간의 선택은 클라이언트 및 최종 애플리케이션 요구 사항에 따라 다릅니다. 그러나 고객이 이 둘 중 하나를 선택하는 경우 프로세스에서 동일한 요구 사항을 얻음으로써 DCS는 비용을 절감하고 더 나은 제어를 제공하는 데 도움이 되므로 경제적인 선택입니다.