분산 제어 시스템

Distributed control system
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분산제어시스템(DCS)은 제어루프가 많은 공정이나 발전소를 위한 전산화된 제어시스템으로, 시스템 전체에 자율제어기가 분산되어 있지만 중앙운영자 감독관리는 없다. 이는 중앙 제어실 또는 중앙 컴퓨터 내에 위치한 이산 제어기 등 중앙 제어기를 사용하는 시스템과 대조적이다. DCS 개념은 원격 감시와 감시를 통해 공정 발전소 근처에 제어 기능을 위치화함으로써 신뢰성을 높이고 설치 비용을 절감한다.

분산 제어 시스템은 대규모 고부가가치 안전 중요 프로세스 산업에서 처음 등장했으며, DCS 제조업체는 로컬 제어 수준과 중앙 감시 장비를 통합 패키지로 공급하여 설계 통합 위험을 줄일 수 있기 때문에 매력적이었다. 오늘날 SCADA와 DCS 시스템의 기능은 매우 유사하지만, DCS는 높은 신뢰성과 보안이 중요한 대규모 연속 공정 발전소에 사용되는 경향이 있으며, 제어실은 지리적으로 멀리 떨어져 있지 않다.

구조

제조 제어 작업의 기능 수준

DCS의 주요 속성은 시스템의 노드 주위에 제어 처리의 분포에 의한 신뢰성이다. 이것은 단일 프로세서 장애를 완화시킨다. 프로세서가 고장 나면 전체 프로세스에 영향을 미치는 중앙 컴퓨터의 고장과는 반대로 발전소 프로세스의 한 부분에만 영향을 미칠 것이다. 또한, 입력/출력(I/O) 연결 랙에 로컬로 컴퓨팅 파워를 분산시킴으로써 가능한 네트워크 및 중앙 처리 지연을 제거하여 컨트롤러 처리 시간을 단축할 수 있다.

동봉된 도표는 컴퓨터화된 제어를 사용하여 기능적 제조 수준을 보여주는 일반적인 모델이다.

도표를 참조하십시오.

  • 레벨 0은 유량 및 온도 센서와 같은 현장 장치와 제어 밸브와 같은 최종 제어 요소를 포함한다.
  • 레벨 1은 산업화된 입출력(I/O) 모듈 및 관련 분산형 전자 프로세서를 포함한다.
  • 레벨 2는 시스템의 프로세서 노드로부터 정보를 수집하고 운영자에게 제어 화면을 제공하는 감시 컴퓨터를 포함한다.
  • 레벨 3은 직접 공정을 제어하지는 않지만 생산 및 모니터링 대상의 모니터링과 관련된 생산관리 레벨이다.
  • 레벨 4는 생산 스케줄링 레벨이다.

레벨 1과 레벨 2는 모든 장비가 단일 제조업체의 통합 시스템의 일부인 전통적인 DCS의 기능 수준이다.

레벨 3과 레벨 4는 전통적인 의미에서 엄격하게 공정관리를 하는 것이 아니라 생산관리와 스케줄링이 이루어지는 곳이다.

기술 포인트

연속 흐름 제어 루프의 예 신호 전달은 업계 표준 4–20 mA 전류 루프에 의해 이루어지며, "스마트" 밸브 포지셔너는 제어 밸브가 올바르게 작동하도록 보장한다.

프로세서 노드와 운영자 그래픽 디스플레이는 독점적 또는 산업 표준 네트워크를 통해 연결되며, 다양한 경로에 걸친 이중화 케이블 연결로 네트워크 신뢰성이 향상된다. 또한 이 분산형 토폴로지는 프로세스 플랜트에 가까운 I/O 모듈과 관련 프로세서를 배치하여 필드 케이블링의 양을 줄인다.

프로세서는 입력 모듈로부터 정보를 수신하고, 정보를 처리하며, 출력 모듈로 신호화될 제어 조치를 결정한다. 필드 입력 및 출력은 아날로그 신호(예: 4–20mA DC 전류 루프) 또는 릴레이 접점 또는 반도체 스위치와 같이 "ON" 또는 "OFF"로 전환하는 2-상태 신호일 수 있다.

DCS는 센서와 액츄에이터에 연결되어 있으며 발전소를 통과하는 물질의 흐름을 제어하기 위해 설정점 제어를 사용한다. 대표적인 용도는 유량계로 공급되고 제어 밸브를 최종 제어 요소로 사용하는 PID 컨트롤러다. DCS는 공정에 의해 요구되는 설정점을 콘트롤러에 전송하고, 콘트롤러는 공정이 원하는 설정점에 도달하여 유지되도록 밸브가 작동하도록 지시한다. (예: 4–20 mA 개략도 참조).

대형 정유공장과 화학공장은 수천 개의 I/O 포인트를 보유하고 있으며 매우 큰 DCS를 고용하고 있다. 그러나 공정은 파이프를 통한 유동적인 흐름에만 국한되지 않으며 종이 기계와 관련된 품질 관리, 가변속 구동장치와 모터 제어 센터, 시멘트 가마, 채광 작업, 광석 처리 시설, 그리고 그 밖의 많은 것들을 포함할 수 있다.

매우 높은 신뢰성 애플리케이션의 DCS는 제어 시스템의 신뢰성을 향상시키기 위해 "핫" 스위치를 켜는 이중 중복 프로세서를 가질 수 있다.

4–20 mA가 주요 필드 신호 표준이었지만, 현대의 DCS 시스템은 Foundation Fieldbus, Profibus, HART, modbus, PC Link 등과 같은 필드버스 디지털 프로토콜도 지원할 수 있다.

현대의 DCS는 신경망과 퍼지 논리 응용도 지원한다. 최근의 연구는 특정 H-infinity 또는 H 2 제어 기준을 최적화하는 최적의 분산 제어기의 합성에 초점을 맞추고 있다.[1][2]

일반적인 애플리케이션

분산제어시스템(DCS)은 연속 또는 배치 지향적인 제조 공정에서 사용되는 전용 시스템이다.

DCS를 사용할 수 있는 프로세스에는 다음이 포함된다.

역사

DCS 이전 시대의 중앙 통제실. 제어장치가 한 곳에 집중되어 있지만, 그것들은 여전히 분리되어 있고 한 시스템에 통합되어 있지 않다.
컴퓨터 그래픽 화면에 식물 정보와 컨트롤이 표시되는 DCS 제어실. 작업자는 스크린에서 공정의 모든 부분을 보고 제어할 수 있는 동시에 발전소 개요를 유지할 수 있기 때문에 앉아 있다.

프로세스 제어 운영의 진화

대형 산업 공장의 공정 통제는 여러 단계를 거쳐 발전해 왔다. 초기에는 로컬 패널에서 프로세스 플랜트까지 제어해야 한다. 그러나 이를 위해서는 이런 분산된 패널에 대규모 인력이 필요했고, 그 과정에 대한 전반적인 시각은 없었다. 다음 논리적 발전은 모든 발전소 측정치를 영구적으로 사람이 있는 중앙 제어실로 전송하는 것이었다. 효과적으로 이것은 낮은 Manning 수준과 보다 쉬운 프로세스 개요의 이점으로 모든 국소화된 패널의 중앙 집중화였다. 종종 제어기는 제어실 패널 뒤에 있었고, 모든 자동 및 수동 제어 출력은 다시 공장으로 전송되었다. 그러나 중앙 제어 초점을 제공하는 동안, 이 배열은 각 제어 루프가 자체 제어기 하드웨어를 가지고 있기 때문에 융통성이 없었고, 제어실 내에서 운영자 이동은 프로세스의 다른 부분을 보기 위해 요구되었다.

전자 프로세서와 그래픽 디스플레이가 등장함에 따라 이들 이산 컨트롤러를 자체 제어 프로세서와 함께 입력/출력 랙 네트워크에 호스팅되는 컴퓨터 기반 알고리즘으로 대체할 수 있게 되었다. 이것들은 발전소 주변에 분포할 수 있고 제어실이나 방의 그래픽 디스플레이와 통신할 수 있다. 분산 제어 시스템이 탄생했다.

DCS의 도입은 계단식 루프와 연동장치와 같은 발전소 제어장치의 상호접속과 재구성을 용이하게 하고 다른 생산용 컴퓨터 시스템과의 상호접속을 용이하게 할 수 있게 했다. 그것은 정교한 경보 처리를 가능하게 했고, 자동 이벤트 로깅을 도입했으며, 차트 기록기와 같은 물리적 기록의 필요성을 없앴고, 제어 랙을 네트워크로 연결하여 케이블 연결 실행을 줄이기 위해 플랜트에 로컬로 배치하고, 발전소 상태와 생산 수준에 대한 높은 수준의 개요를 제공했다.

오리진스

초기 미니컴퓨터는 1960년대 초부터 산업 공정의 제어에 사용되었다. 예를 들어 IBM 1800은 현장 접촉 수준(디지털 포인트의 경우)과 아날로그 신호를 디지털 영역으로 변환하기 위해 공장에서 프로세스 신호를 수집하는 입출력 하드웨어를 갖춘 초기 컴퓨터였다.

최초의 산업 제어 컴퓨터 시스템은 1959년 텍사스 주 텍사스 포트 아더에 라모 울드리지 회사의 RW-300을 갖춘 정유 공장에서 만들어졌다.[3]

1975년, 허니웰과 일본 전기공학 회사 요코가와 모두 각각 독자적으로 생산된 DCS - TDC 2000과 CENTUM 시스템을 도입했다. 미국에 본사를 둔 Bristol도 1975년에 UCS 3000 범용 컨트롤러를 도입했다. 1978년 발멧은 다마틱(최신세대 발멧 DNA[4])이라는 DCS 시스템을 도입했다. 1980년 베일리(현 ABB의[5] 일부)는 NETWORK 90 시스템을, 피셔 컨트롤스(현 에머슨 전기의 일부)는 ProvoX 시스템을, 피셔 & 포터 회사(현 ABBB의[6] 일부)는 DCI-4000(DCI는 분산 제어 계기를 의미한다)을 도입했다.

DCS는 주로 마이크로컴퓨터의 가용성 증가와 프로세스 제어의 세계에서 마이크로프로세서의 확산으로 인해 생겨났다. 컴퓨터는 이미 DDC(Direct Digital Control)와 셋포인트 제어의 형태로 한동안 프로세스 자동화에 적용되어 있었다. 1970년대 초 테일러 인스트루먼트 컴퍼니(현재의 ABB의 일부)는 1010 시스템, FOX1 시스템, Fisher Controls the DC2 시스템, Bailey Controls 1055 시스템을 개발하였다. 이 모든 것이 미니컴퓨터(DEC PDP-11, Varian Data Machine, MODCOMP 등) 내에서 구현되고 독점적인 입출력 하드웨어에 연결된 DDC 애플리케이션이었다. 이러한 방식으로 배치 제어뿐만 아니라 정교한 연속(당분간)이 구현되었다. 보다 보수적인 접근방식은 프로세스 컴퓨터가 아날로그 프로세스 제어기의 클러스터를 감독하는 설정 지점 제어였다. 워크스테이션은 텍스트와 조잡한 문자 그래픽을 사용하여 프로세스에 대한 가시성을 제공했다. 완전한 기능을 갖춘 그래픽 사용자 인터페이스의 가용성은 요원했다.

개발

DCS 모델의 중심에는 제어 기능 블록이 포함되었다. 기능 블록은 "테이블 기반" 소프트웨어의 초기, 보다 원시적인 DDC 개념에서 발전했다. 객체 지향 소프트웨어의 첫 구현 중 하나인 기능 블록은 아날로그 하드웨어 제어 구성요소를 에뮬레이트하고 PID 알고리즘의 실행과 같이 제어 처리에 필수적인 작업을 수행하는 코드의 자급적 "블록"이었다. 기능 블록은 DCS 공급업체의 지배적인 제어 방법으로 계속 유지되며, 오늘날 Foundation Fieldbus와[7] 같은 핵심 기술의 지원을 받고 있다.

호주 시드니의 미닥시스템스는 1982년 반대 지향의 분산형 직접 디지털 제어 시스템을 개발했다. 중앙 시스템은 11개의 마이크로프로세서 공유 작업과 공통 메모리를 실행했으며 각각 2개의 Z80을 실행하는 분산 제어기의 직렬 통신 네트워크에 연결했다. 이 시스템은 멜버른 대학에 설치되었다.[citation needed]

분산형 컨트롤러, 워크스테이션 및 기타 컴퓨팅 요소(피어 대 피어 액세스) 간의 디지털 통신은 DCS의 주요 장점 중 하나였다. 공정 어플리케이션의 경우 결정론과 중복성과 같은 특정 기능을 통합해야 하는 모든 중요한 통신회선을 제공하는 네트워크에 적절히 관심이 집중되었다. 그 결과 많은 공급업체가 IEEE 802.4 네트워킹 표준을 채택하였다. 이 결정은 정보 기술이 프로세스 자동화로 이행하고 IEEE 802.4가 아닌 IEEE 802.3이 제어 LAN으로 우세할 때 필요한 마이그레이션 물결의 장을 마련했다.

1980년대의 네트워크 중심 시대

1980년대에 사용자들은 DCS를 단순한 프로세스 제어 이상의 것으로 보기 시작했다. 직접 디지털 제어 DCS의 매우 초기 예는 1981–82년 오스트레일리아 기업 미닥이 R-Tec 오스트레일리아 설계 하드웨어를 사용하여 완성했다. 멜버른 대학에 설치된 시스템은 시리얼 통신망을 사용하여 캠퍼스 건물을 제어실 "프론트 엔드"에 다시 연결했다. 각 원격 장치는 두 개의 Z80 마이크로프로세서를 구동했고, 프런트 엔드는 작업을 공유하기 위해 페이징된 공통 메모리와 최대 20,000개의 동시 제어 객체를 실행할 수 있는 병렬 처리 구성으로 11개의 Z80을 구동했다.

개방성을 달성할 수 있고 기업 전체에 걸쳐 더 많은 양의 데이터를 공유할 수 있다면 더 큰 성과를 거둘 수 있다고 믿었다. DCS의 개방성을 높이기 위한 첫 번째 시도는 오늘날의 지배적인 운영체제인 UNIX를 채택하는 결과를 낳았다. UNIX와 그 동반 네트워킹 기술 TCP-IP는 미국 국방부가 개방성을 위해 개발한 것으로, 공정 산업이 해결하고자 하는 문제였다.

그 결과, 공급자들 또한 그들만의 독점적인 프로토콜 계층을 가진 이더넷 기반 네트워크를 채택하기 시작했다. 완전한 TCP/IP 표준은 구현되지 않았지만, 이더넷을 사용함으로써 객체 관리와 글로벌 데이터 액세스 기술의 첫 번째 인스턴스 구현이 가능해졌다. 1980년대에는 DCS 인프라에 통합된 최초의 PLC도 목격되었다. 발전소 전체의 역사가들도 자동화 시스템의 확장된 범위를 활용하기 위해 등장했다. 유닉스 및 이더넷 네트워킹 기술을 채택한 최초의 DCS 공급자는 1987년 I/A 시리즈[8] 시스템을 도입한 폭스보로였다.

1990년대 애플리케이션 중심 시대

1980년대의 개방화 추진은 1990년대에 상업용 기성품(COTS) 부품과 IT 표준의 채택이 증가하면서 탄력을 받았다. 아마도 이 기간 동안 수행된 가장 큰 전환은 UNIX 운영 체제에서 Windows 환경으로의 이동일 것이다. 제어 애플리케이션용 실시간 운영 체제(RTOS)의 영역은 유닉스 또는 독점 운영 체제의 실시간 상업적 변종이 지배하고 있지만, 실시간 제어 이상의 모든 것이 윈도우로 전환되었다.

데스크톱과 서버 계층에 마이크로소프트가 도입되면서 이제는 사실상 산업 연결 표준이 된 프로세스 제어용 OPC(OLE for Process Control, OPC) 등의 기술이 개발되었다. 대부분의 DCS HMI가 인터넷 연결을 지원하면서 인터넷 기술은 자동화 및 세계에서도 그 명성을 떨치기 시작했다. 1990년대는 경쟁 기관들이 4-20밀리암페어 아날로그 통신 대신 현장 계측기로 디지털 통신의 IEC 필드버스 표준이 될 것을 정의하기 위해 경쟁했던 "필드버스 전쟁"으로도 알려져 있다. 최초의 필드버스 설치는 1990년대에 일어났다. 10년 말에 공정 자동화 애플리케이션을 위한 이더넷 I/P, Foundation Fieldbus, Profibus PA를 중심으로 시장이 통합되면서 이 기술은 상당한 모멘텀을 개발하기 시작했다. 일부 공급업체는 Rockwell Plant와 같은 필드버스로 기능을 극대화하기 위해 처음부터 새로운 시스템을 구축했다.PAx System, Honeywell with Experion & Plantscape SCADA systems, ABB with System 800xA,[9] Emerson Process Management[10] with the Emerson Process Management DeltaV control system, Siemens with the SPPA-T3000[11] or Simatic PCS 7,[12] Forbes Marshall[13] with the Microcon+ control system and Azbil Corporation[14] with the Harmonas-DEO system. 필드버스 기술은 발멧 DNA 시스템을 통해 기계, 드라이브, 품질 및 상태 모니터링 애플리케이션을 하나의 DCS에 통합하기 위해 사용되어 왔다.[4]

그러나 COTS의 영향은 하드웨어 계층에서 가장 두드러졌다. 수년간 DCS 공급업체의 주요 사업은 대량의 하드웨어, 특히 I/O와 컨트롤러의 공급이었다. DCS의 초기 확산은 DCS 공급업체가 아래로부터 위로부터 제조한 이 하드웨어의 엄청난 양의 설치를 필요로 했다. 그러나 인텔과 모토로라와 같은 제조업체의 표준 컴퓨터 부품은 DCS 공급업체가 그들만의 부품, 워크스테이션, 네트워킹 하드웨어를 계속 만드는 데 엄청난 비용이 들었다.

공급업체가 COTS 부품으로 전환하면서 하드웨어 시장이 빠르게 위축되고 있다는 사실도 발견했다. COTS는 공급자의 제조 비용을 낮출 뿐만 아니라 최종 사용자들의 가격을 지속적으로 하락시켰고, 최종 사용자들은 하드웨어 비용이 지나치게 높다고 생각하는 것에 대해 점점 더 목소리를 높이고 있었다. Rockwell Automation, Siemens와 같이 이전에 PLC 사업에서 강했던 일부 공급자들은 제조 제어 하드웨어에 대한 전문 지식을 활용하여 비용 효율적인 오퍼링을 통해 DCS 시장에 진출할 수 있었지만, 이러한 신흥 시스템의 안정성/확장성/신뢰성 및 기능성은 여전히 개선되고 있다. 기존의 DCS 공급업체들은 최신 통신 및 IEC 표준에 기반한 신세대 DCS 시스템을 도입하여 PLC와 DCS에 대한 전통적인 개념/기능을 PAS(Process Automation System)라는 모든 솔루션에 대한 하나의 개념/기능으로 결합하는 추세를 낳았다. 다양한 시스템 간의 격차는 데이터베이스 무결성, 사전 엔지니어링 기능, 시스템 성숙도, 통신 투명성 및 신뢰성과 같은 분야에서 남아 있다. 비용비율은 비교적 동일할 것으로 예상되지만(시스템이 강력할수록 비용이 많이 들 것) 자동화 사업의 현실은 사례별로 전략적으로 운영되는 경우가 많다. 현재의 다음 발전 단계는 협업 프로세스 자동화 시스템이라고 불린다.

이 문제를 보완하기 위해, 공급자들 또한 하드웨어 시장이 포화상태가 되고 있다는 것을 깨닫고 있었다. I/O, 배선 등 하드웨어 부품의 수명주기 역시 통상 15~20년 이상에 달해 교체 시장이 어려워지고 있다. 1970년대와 1980년대에 설치된 구형 시스템 중 상당수는 오늘날에도 여전히 사용되고 있으며, 시장에는 유용 수명이 다한 시스템 설치 기반이 상당하다. 북미, 유럽, 일본의 선진 산업 경제는 이미 수천 개의 DCS가 설치되었고, 새로운 공장이 거의 지어지지 않은 상황에서, 비록 중국, 중남미, 동유럽과 같이 빠르게 성장하는 지역이지만, 새로운 하드웨어 시장은 더 작은 시장으로 빠르게 이동하고 있었다.

하드웨어 사업이 위축되면서 공급자들은 하드웨어 기반 비즈니스 모델에서 소프트웨어와 부가가치 서비스를 기반으로 하는 모델로 도전적인 전환을 하기 시작했다. 그것은 오늘날에도 여전히 만들어지고 있는 전환이다. 공급업체가 제공하는 애플리케이션 포트폴리오는 90년대에 생산 관리, 모델 기반 제어, 실시간 최적화, 플랜트 자산 관리(PAM), 실시간 성능 관리(RPM) 도구, 경보 관리 등과 같은 분야를 포함하도록 상당히 확대되었다. 그러나 이러한 애플리케이션으로부터 진정한 가치를 얻기 위해서는 상당한 서비스 콘텐츠가 필요한 경우가 많으며, 공급자도 이를 제공한다.

최신 시스템(2010 이후 버전)

DCS의 최신 개발에는 다음과 같은 신기술이 포함되어 있다.

  1. 무선 시스템 및 프로토콜
  2. 원격 전송, 로깅 및 데이터 기록 정보
  3. 모바일 인터페이스 및 컨트롤
  4. 임베디드

점점 더, 그리고 아이러니하게도 DCS는 원격 장비에 로그인할 수 있는 능력을 가지고 발전소 수준에서 중앙 집중화되고 있다. 이는 주로 무선과 원격 접속으로 인해 물리적 위치의 중요성이 떨어지기 때문에 운영자가 발전소 내부와 외부의 기업 수준(매크로 )과 장비 수준(마이크로)에서 모두 제어할 수 있게 한다.

무선 프로토콜이 더 많이 개발되고 정교해질수록 DCS에 더 많이 포함된다. DCS 컨트롤러는 이제 임베디드 서버를 장착하고 이동 중에도 웹 액세스를 제공하는 경우가 많다. DCS가 산업용 사물인터넷(IIOT)을 주도할 것인지, 아니면 핵심 요소를 차용할 것인지는 두고 볼 일이다.

많은 벤더가 Android와 iOS를 모두 사용할 수 있는 모바일 HMI 옵션을 제공한다. 이러한 인터페이스로 인해, 보안 침해의 위협과 공장 및 프로세스의 손상이 매우 현실적이다.

참고 항목

참조

  1. ^ D'Andrea, Raffaello (9 September 2003). "Distributed Control Design for Spatially Interconnected Systems". IEEE Transactions on Automatic Control. 48 (9): 1478–1495. CiteSeerX 10.1.1.100.6721. doi:10.1109/tac.2003.816954.
  2. ^ Massiaoni, Paolo (1 January 2009). "Distributed Control for Identical Dynamically Coupled Systems: A Decomposition Approach". IEEE Transactions on Automatic Control. 54: 124–135. doi:10.1109/tac.2008.2009574. S2CID 14384506.
  3. ^ Stout, T. M.; Williams, T. J. (1995). "Pioneering Work in the Field of Computer Process Control". IEEE Annals of the History of Computing. 17 (1): 6–18. doi:10.1109/85.366507.
  4. ^ a b [1] 발멧 DNA
  5. ^ [2] INFI 90
  6. ^ [3] DCI-4000
  7. ^ [4] 기초 필드버스
  8. ^ [5] Foxboro I/A 시리즈 분산 제어 시스템
  9. ^ "ABB System 800xA - process, electrical, safety, telecoms in one system". www.abb.com.
  10. ^ [6] 에머슨 프로세스 관리
  11. ^ [7] SPPA-T3000
  12. ^ "Archived copy". Archived from the original on 2007-03-29. Retrieved 2007-03-29.CS1 maint: 제목으로 보관된 복사본(링크) Simatic PCS 7
  13. ^ [8] 포브스 마셜
  14. ^ [9] 아즈빌 코퍼레이션
  15. ^ F. 푸칼라스와 P. 팝, "안전한 협동 차량 사이버 물리 시스템을 위한 분산 제어면" IET 사이버 물리 시스템: 이론 & 응용 프로그램, 2019년 10월 ).