기존 DCS 설비의 효율적인 개조방안

[산업일보]
장치산업 분야는 1980년대 중반부터 1990년대 초기에 걸쳐, 세계적인 경제성장을 배경으로, 설비 증강에 수반한 감시제어 시스템의 신규 도입이 적극적으로 이루어졌다.
한편, 디지털 기술의 발전에 따라 각 계장 메이커로부터 본격적으로 DCS(Distributed Control System)가 시장에 투입되어 효율화나 에너지 절약을 목적으로, 자동화 및 CRT OPERATION화를 포함한 계기실 통합에 의한 조업이 주류가 되었다.
이 시대부터 이미 약 20년이 경과해, 당시의 DCS도 제품 수명을 맞이하고 있고, 각사로부터 제조 중지나 보수 중지가 보고되고 있다. 이 상황으로부터, 유저도 메이커도 본격적 DCS 개조에 대해서 공통의 문제 의식을 갖고, 구체적인 대책을 검토해 오고 있다. 설비의 기기 수명은 40년 정도로 DCS의 2배 이상되며, DCS 개조후에도 조업 및 제어의 방법은 계속하는 경우가 대부분이다.
한편, 당시 핵심 운전원이나 계장 엔지니어는 정년 시기에 있는 경우나 이미 퇴직한 경우가 적지 않다. 또, DCS 개조에 즈음해 생산 효율의 면에서 설비 정지 기간을 짧게하는 요구가 한층 강해지고 있다. 이 때문에, 더 한층 기존의 자산을 유효하고 충분히 이용한, 최단 기간에서의 시스템 개조가 요구되고 있다. 이 요구에 대해 TOSHIBA는 기존 시스템의 소프트웨어를 100% 활용할 수 있는 EMULATION 기술에 의한 제품을 개발, 실제의 DCS 개조에 적용하고 있다.
여기서는 우선, 그 EMULATION 기술·제품에 의한 개조 방법, 실적 및 엔지니어링 효율 개선 효과에 대해 설명한다.

EMULATION 기술에 의한 DCS의 효율적 개조
정보계 기술 분야에서 일반적으로 사용되고 있던 EMULATION 기술은, 구 하드웨어 전용으로 개발된 소프트웨어를 신규 하드웨어 상에서 실행시키는 것이다.
하드웨어 설계의 차이를 흡수하기 위해서, 구 하드웨어를 모의 하는 ‘EMULATOR’로 불리는 소프트웨어를 실행시켜, 기존의 소프트웨어를 동작시킨다. 범용 컴퓨터 분야에서 많이 이용되고 있는 기술이지만, DCS에 적용은 최초로 리얼타임 제어 특유의 방안이 포함된다.
기존의 연속 제어나 순서 프로그램은, 제어 대상을 효율적으로 운전하기 위해 오랜 세월에 걸쳐 개조나 변경에 의해 UPDATE를 반복해 온 노하우의 결정이다.
따라서, 신규의 프로그램에 옮겨놓는 경우, 당초 프로그램을 도입했을 때에 신속한 설계·검증 시간이 요점인 것이다.
또, 몇 번에 걸친 개조 등으로 작성되는 문서에는 노하우 등의 기재가 부족한 경우도 있다. 상세하게 이해하고 있는 운전원이나 엔지니어가 이미 퇴직한 경우도 많다. 이러한 경우, 기존설비의 제어 프로그램이 그대로 동작하는 EMULATOR는 큰 위력을 발휘한다.
에뮬레이터를 사용했을 경우의 효과를 이하에 설명한다.

(1) 설계 기간의 단축
기존설비의 제어 프로그램을 그대로 사용할 수 있어 신규의 설계 작업은 오퍼레이터 STATION (감시 조작 단말) 및 인터페이스에 관한 등록 만하면 된다. 이 때문에 설계 기간은, 새롭게 제어 프로그램을 설계하는 경우의 20%이하에 단축 할 수 있다.

(2) 시험·검증 기간의 단축
기존설비의 제어 프로그램에 관한 기능 시험·검증은, 주요 기능의 샘플적인 시험 및 검증으로 충분하다. 따라서, 프로세스 플로우 화면 등의 오퍼레이터 STATION 프로그램 시험과 제어 프로그램과의 인터페이스 시험만 실시하기 때문에, 시험 기간도 20%이하로 단축할 수 있다.

(3) 현지 공사 기간의 단축
구 DCS를 철거해, 신 DCS에 전면적으로 옮겨놓는 경우, 변환 공사와 모든 시설에 대한 인터페이스 시험 및 시운전 등에 의해 기능 확인 시험을 실시하는 것이 필요하다. DCS 전면 개조시의 설비 정지는, 설비의 규모에도 적어도 1주간부터 1개월 정도 필요하다.



EMULATOR를 사용했을 경우, I/O(Input/ Output) 할당 및 제어 프로그램은 기존설비의 것을 그대로 계승하기 때문에, 하드웨어의 변환 공사 기간인 만큼 압축할 수 있다.

(4) 튜닝 기간의 단축
PID(비례, 적분, 미분), 경보·제한치 등의 파라미터는 DCS 변환전의 데이터를 그대로 계승할 수가 있고, 제어 알고리즘 및 파라미터 재튜닝 필요는 없다. 그러나, 전면적으로 신 DCS로 개조하는 경우 알고리즘의 차이에 의한 재조정이 필요하다.

EMULATION 기술 적용 제품과 그 실적
과거에 적용한 DCS의 변천을 <그림 1>에 나타낸다.
EMULATION 기술을 이용한 DCS는, PCS-Emulator(ProcessControl Station EMULA TOR：이하, PCS/E 약기)와 DPCS-Emulator (Distributed PCS 에뮬레이터：이하, DPCS/E 약기)가 있다.
EMULATOR에 의한 리뉴얼 개요를 <그림 2>에 나타낸다.
EMULATOR 소프트웨어를 FIRMWARE화하는 것으로, PCS/E와 DPCS/E의 하드웨어는, 최신의 통합 CONTROLLER 모델로 기종을 통일했다.



(1) PCS/E
PCS/E는 컨트롤 STATION PCS6000 의 EMULATOR로, 최신 오퍼레이터 STATION인 OIS-DS(Operator Interface Station-Dominant System)와 통합 또는 개조 수단으로서 개발되었다. PCS/E 의 실장 상태를 <그림 3>에 나타낸다.
PCS/E 는 PCS6000의 시리얼 I/O 를 그대로 접속해, 제어 프로그램을 기존대로 실행해, OIS-DS와 접속한다. 2004년 릴리스 이후, 이미 종이 펄프 분야, 반도체수 처리 분야, 유리 분야 및 화합 섬유 분야 등에 다수 도입되어 순조롭게 가동하고 있다. 반도체 공장은 24시간 365일의 연속 조업이 기본으로, 설비 정지 기간은 2일, 짧은 경우는 24시간이 정도이다. 실제 도입 유저의 사례에서는, 24시간의 설비 정지 기간에 모든 개조 공사를 완료하여으며, 이것은 EMULATOR에 의한 특장점을 현저하게 살릴 수 있었던 결과이다. 또, 반도체 수처리 설비는 제어 프로그램의 대부분이 순서 제어 기능으로, 사례에서 변환 직후 그 순서 제어 기능을 사용하기 시작했지만, 큰 문제 없이 조업 운전으로 이행할 수 있었던 것은, EMULA TOR에 의한 소프트웨어의 호환성이 크게 공헌하고 있다고 말할 수 있다. 종이 펄프 분야의 원료계 처리 설비도 복잡해 대용량의 순서가 다수 있어, 똑같이 EMULATOR가 유효했다.



(2) DPCS/E





1980년대에 최초의 DCS로서 TOSDICTM-SS/AS를 릴리스 해, 그 구성 장치인 CONTROL STATION DPCS는 20년 이상 경과한 경우가 많다. DPCS/E는, 기존설비 DPCS를 개선하는 수단으로서 개발되어 I/O를 포함한 리뉴얼에 대응해 2005년 3월에 개발 되었다.<그림 4>
DPCS는 하나의 STATION에서 30~40대의 분산 CONTROLLER에 의해 구성되어 있다. DPCS/E는 하나의 CPU로 구성되어 개개의 CONTROLLER의 프로그램을 TASK에 할당 호환 동작한다.<그림 5>
I/O는 최신의 INTELLIGENT 시리얼 I/O 유니트를 사용해, DPCS I/O 샤시에 그대로 설치할 수 있도록 동일 사이즈의 샤시를 제작해 수납했다.
외선을 접속하고 있는 I/O 단자대는 그대로 유용해, 기존 시설을 유효하게 이용한 개조가 실현될 수 있는 시스템으로 했다.

(3) 엔지니어링 환경의 개선



PCS/E나 DPCS/E 이외에도, 한층 더 효율 향상을 목표로 한 엔지니어링 툴을 적용하고 있다.<그림 6>
1) SYSTEM BUILDER 정보 변환 TOOL
기존설비 DCS의 TAG 정보, TREND 할당, 계기 그룹 할당을 PCS/E, DPCS/E TOOL 포맷으로 변환하는 IMPORT TOOL이다.
2) 그래픽 화면 변환 TOOL
기존설비 DCS의 그래픽 화면을 OIS-DS의 그래픽 소스로 변환해 제공하는 것이다. 변환율은 80%이상으로, 설계 및 시험 기간의 단축에 많이 공헌하고 있다. 개조 후도 운전원은 익숙해진 화면에서 위화감 없게 조업할 수 있다.
3) DPCS 엔지니어링 TOOL(DPCS BUILDER)
DOS(Disk Operating System)를 OS로 한 TOOL이지만, DPCS/E의 릴리스에 맞추어 Windows용 DPCS BUILDER를 개발했다. 미들웨어에 범용 CAD인 Visio를 채용했다. 컷 & 페이스트, 기능 모듈의 부품에 의한 선택 등 Windo ws 베이스의 작업 환경을 풀로 활용해, 엔지니어링의 개선을 꾀하고 있다. 또, 데이터 레퍼런스, 프로그램 비교, 파일 입출력 기능 등을 추가해, 개조시의 편리성을 향상했다.

맺는말
기존 계측제어 SYSTEM 개대체시 고객들은 많은 고민을 하게 되는데 DCS냐 PLC냐 하는 것이 가장 크게 대두되는 것이다. 최근 선진외국은 DCS와 PLC SYSTEM MAKER들을 중심으로 SYSTEM 통합 방향에 대해 활발한 토의가 진행되고 있다.
첫번째는 HMI(Human Machine Interface)로부터 Controller까지 System을 일괄 구성하므로 다소 고가 SYSTEM인 DCS SYSTEM과 두 번째는 범용 HMI Software를 저가의 범용 PLC와 결합시킨 PLC SYSTEM을 말한다.
각각의 장단점이 있어 아직 결론에 도달 하지는 못하고 있지만 토론의 POINT는 다음과 같다.
도입 COST 만이 아니라 PLANT가 폐기되기까지 장기간 사용되어야 하는것과 정기검사나 REPLACE시 발생되는 문제들(COST면, 손쉬운 개량) 또, MAKER들의 장기간 SYSTEM 보증 가능여부 등이다.
이유야 어떻든 고객은 좋은 SYSTEM(제품)을 저가로 구매하고, 다양하고 복잡해지고 있는 기술변화에 기존시설을 최대한 활용하는데 많은 관심을 갖기 시작하고 있다.
따라서 기존시설을 최대한 활용하면서 기능을 극대화하는 기술이 MAKER별로 연구개발되면서 보이지 않는 경쟁을 가속화하고 있다.
문의: (02)707-6517

용어해설
정상편차계수

주어진 점에서의 제어특성에 대한 접선 기울기의 절대치

주: 입력변량과 제어변량의 양방에 대하여 같은 단위가 사용될 때는 정상편차계수와 정상편차는 같은 수에 의해 표현된다.
조 대 현 / (주)효성 중공업

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