PLC를 이용한 산업용 이중화 시스템 - LSIS XGR

LS산전 PAC Solution팀 박길환 과장

1. 개요

현대 산업사회는 복잡화/다양화 구조로 발전되어 나가고 있다. 과거에는 기계 또는 장치가 주로 단독제어로 잘 운전되면 되었지만, 시스템이 복잡해지고 중요 설비의 안전한 동작을 위해서는 보완 장치 필요성이 절실히 대두되었다. 또한 전원 공급 사정이 불안정한 일부 아시아 또는 중동지역에서도 시스템의 전원에 대한 보완장치가 필요하다. 공정 제어 시스템 중에 현장의 라인을 직접 제어하는 PLC(Programmable Logic Controller) 시스템은 고속 입력/출력 처리, 고 신뢰성 운전 그리고 대용량 데이터 처리 등을 완벽하게 수행해야 한다.
특히 현장에서 운전되는 PLC 시스템에서는 신뢰성이 무엇보다 중요하며, 이러한 요구 조건을 만족시키기 위해서 이중화 PLC시스템 또는 삼중화 PLC시스템을 사용하게 되었다.
따라서 본 기술은 PLC 시스템의 이중화(Redundancy)의 종류 및 관련 기술에 대해 설명하였다.
  
2. 이중화 PLC시스템의 종류 및 기술
   
다음은 당사 XGR 시스템을 기준으로 산업 현장에서 이중화 적용이 어떻게 사용될 지 살펴보기로 하자.

2.1 CPU 이중화

그림 1에서 CPU 모듈이 2대로 구성된 시스템으로 CPU구분을 위해 한대는 A-Side 다른 한대는 B-side로 설정하고, 각각은 시스템을 제어하는 Primary controller(마스터 컨트롤러)와 Standby controller(스탠바이 컨트롤러)로 동작한다.
마스터 컨트롤러 모듈의 이상이 발생하면, 마스터 모듈은 연산을 마치고 스탠바이 컨트롤러가 마스터 컨트롤러로 전환하여 시스템은 정지시키지 않고 동작한다.

이중화 CPU는 전원 온 시 자신이 마스터 모듈인지 스탠바이 모듈인지 정보를 인식하여 해당하는 동작 모드로 동작을 한다. 만약 A-side/B-side에 우연히 마스터로 동작하던 CPU를 장착했을 경우, 서로 마스터로 동작했다라는 경고 메시지를 띄우고 기 동작하던 마스터 (Primary)는 시스템을 제어하고 추가된 마스터 모듈은 재 리셋을 하여 스탠바이 모드로 동작하고 매 스캔마다 마스터 컨트롤러와 동기하여 동작한다.

마스터 컨트롤러는 사용자 프로그램(Sequence program)을 수행한 후, 이중화 운전 정보를 확인한 후 출력 리프레시를 한다. 그리고 통신 서비스(고속링크, P2P, 로더, 리모트)를 처리하고, 이후 시스템에 관련한 진단을 처리하고 난 후 입력 리프레시를 수행한다. 입력 리프레시를 처리하면 PLC의 동기화(XG5000 이중화 파라미터 설정) 데이터를 스탠바이 컨트롤러에 전송 한 이후 스탠바이 모듈에서 정상 수신 신호를 받고 이중화 전환 조건이 있는지 확인한 이후 다음 스캔을 진행한다. 스탠바이 컨트롤러는 시스템 제어의 에러 충돌을 피하기 위해 입출력 리프레시를 처리하지 않지만 통신서비스(고속링크, P2P, 로더, 리모트)를 수행하고 자체 진단을 처리한다.
이와 같이 한 스캔주기에 맞추어 데이터를 전송하고 두 CPU(컨트롤러)간 데이터를 일치를 확인함으로써 매 스캔 동기유지를 달성 할 수 있다.

2.2 네트워크 이중화

2.2.1 정보 또는 제어 레벨의 이중화(Ethernet)
통신(네트워크) 이중화는 정보(상위) 레벨의 Ethernet 이중화와 필드버스(디바이스) 레벨의 이중화로 구성할 수 있다. 그림 4의 Ethernet redundancy의 구성은 시스템 감시의 PC, 스위칭 허브, 그리고 PLC Ethernet 모듈(XGL-EFMT) 2대로 구성할 수 있다.
PC #1이 고장이 발생하여도 PC #2로 감시가 가능하고, Switching hub #1이 고장이 발생해도 Switching hub #2로 시스템이 정상 동작할 수 있다. 그리고 이중화 PLC CPU A에 장착된 Ethernet 모듈의 고장이 발생해도 이중화 PLC CPU B의 Ethernet 모듈을 통해 시스템 동작 및 제어를 할 수 있다.

2.2.2 필드버스 레벨의 이중화(Profibus-DP)
그림 4는 필드버스 이중화의 구성은 Profibus-DP 마스터 모듈(XGL-PMEA), PRS, 그리고 X-Gateway 2대와 디바이스 제어를 위한 Remote I/O로 구성할 수 있다. PRS(Profibus-DP Redundancy Switch)는 Profibus Master의 Redundancy를 위한 제품으로 두 개(A Side, B Side)의 Profibus Master 입력을 받아 먼저 연결된 쪽으로 Master를 선출하고 Live Check를 통해 A Side와 B Side의 마스터를 Switching해주는 제품이다. 모드에는 A(Automatic)/M(Manual)이 있으며, M(Manual)모드 시에는 사용자가 임의로 A/B Side를 전환(Switching)할 수 있다.
X-Gateway는 각종 통신 미디어의 Gateway 역할을 해주는 모듈로 그림 4와 같이 구성하려면 Profibus Master와 Profibus Slave의 Gateway 역할을 하는 제품을 선택해야 한다.

2.2.3 One IP Solution
PC 1대를 사용하거나 또는 PC에 Ethernet 네트워크 카드가 1대인 경우, 이 PC는 마스터 컨트롤러(CPU A)와 통신을 한다. 이 때 CPU A(Primary)와 CPU B(Standby)간 전환이 발생하면 이 PC는 스텐바이 컨트롤러와 통신을 한다. 그러나 사용자 입장에서는 스텐바이 컨트롤러보다 마스터 컨트롤러와 통신을 원한다. 만약 CPU A의 Ethernet 모듈과 스위칭 허브 간 통신이 중단될 경우, PC는 이중화 시스템과 통신이 중단되기 때문에 CPU A의 Ethernet 모듈과 스위칭 허브 사이의 통신을 재개할 수 있도록 수리하거나 또는 스탠바이 컨트롤러와 통신할 수 있도록 PC에서 상대방(PLC) IP설정을 다시 설정하여 동작시켜야 하는 불편함을 해결하기 위해 One IP Solution(XGR 시스템)을 사용한다.

 이는 Ethernet 모듈의 IP를 하나만 설정하면 이 IP가 마스터 CPU를 따라가는 방법으로, 마스터가 CPU A이고 스탠바이가 CPU B인 경우 PC는 CPU A와 통신한다. 만약 이 때 전환이 발생하여 CPU A가 스탠바이로,  CPU B가 마스터로 전환되는 경우에도 초기 CPU A에 설정된 IP가 CPU B로 변경되어 PC는 마스터와 통신할 수 있다. 그리고 마스터 CPU A의 Ethernet 통신 모듈과 스위칭 허브 간 통신 문제가 발생하면 자동으로 CPU A와 CPU B간 Primary/Standby 전환이 발생하여 PC는 정상적으로 마스터 컨트롤러와 통신할 수 있다.

2.3 전원 이중화

PLC시스템에서 가장 기본적으로 갖추어야 할 이중화 중 하나로 전원이중화는 한 베이스에 전원 모듈 2대를 장착할 수 있다. 그림 7에서 상용전원을 한 라인으로 AC 입력 전원 모듈(XGR-AC23/AC22)로 연결하고 비상시 상용전원을 대체할 수 있는 배터리를 DC입력 전원(XGR-DC42)모듈에 연결하면 비상시 전원에 대하여 이중화 시스템을 동작시킬 수 있다.

2.4 베이스, I/O 이중화

베이스 종류에는 기본베이스와 증설베이스가 있는데 기본베이스는 CPU A와 CPU B 2개의 베이스로 구분되어 있어 하나의 모듈 고장이 발생하여도 다른 기본베이스에서 정상 동작하므로 이중화 시스템을 동작시킬 수 있다. I/O이중화는 증설베이스가 최대 31단까지 가능하므로 하나의 제어반을 두개의 증설베이스를 설치하여 프로그램 또는 I/O 배선을 이중화하여 동작시킬 수 있다.

2.5 진단 및 유지 보수

이중화 시스템에서 CPU, 통신, 베이스, 그리고 전원 이중화를 구성하는 것 외에 매우 중요한 부분은 시스템의 동작상태가 정상인지 해당 모듈에 대한 문제발생을 빨리 인지하고 보수할 수 있는 기능을 지원해야 한다.

2..5.1 시스템 진단 정보
 (1) 이중화 운전 정보
  (a) 이중화 운전 상태 : 시스템이 이중화 운전인지 아닌지에 대한 정보 제공
  (b) 링 토폴로지 운전 상태: 시스템이 링 토폴로지인지 아닌지에 대한 정보 제공
  (c) 마스터/스탠바이 CPU 정보: CPU A 또는 CPU B가 마스터 컨트롤러인지 스탠바이 컨트롤러인지 정보 제공
  (d) 시스템 구성 정보: 이중화 PLC시스템에 대한 정보를 제공
   - 베이스 간 연결이 전기케이블인지 광케이블인지 표시
   - 전기 케이블로 연결된 구간은 베이스간 거리 표시

(2) 모듈에 대한 정보
 (a) 각 전원 모듈의 이상 여부를 알려주는 정보 제공
 (b) 각 특수/통신/디지털 입출력 모듈의 이상을 알려주는 정보 제공

2.5.2 핫 스왑(Hot swap)
해당 모듈의 이상을 감지하여 이중화 시스템 런 동작상태에서 해당 모듈을 손쉽게 교체할 수 있는 기능으로 교체 후 모듈은 이중화 시스템에 정상적으로 동작하게 된다.

2.6 전환(Switchover) 조건

마스터 컨트롤러와 스탠바이 컨트롤러의 전환은 다음 조건들에 의해서 발생한다.

2.6.1 조건에 의한 전환
 (1) 마스터 컨트롤러의 키 스위치에 의한 전환
 (2) PADT(Programming and Debugging Tool)에 의한 이중화 전환
 (3) 명령어에 의한 이중화 전환
 (4) 플래그에 의한 이중화 전환

2.6.2 비상 전환
 - 마스터 컨트롤러의 전원 오프에 의한 전환

2.6.3 에러에 의한 전환
 (1) 마스터 컨트롤러 에러의 의한 전환
 (2) 마스터 기본베이스 에러의 의한 전환
 (3) 마스터 기본베이스에 장착된 모듈에 의한 전환

2.6.4 One IP Solution에 따른 FEnet 모듈 서버 통신 접속 끊김에 의한 전환

2.7 적용 시스템
이중화 PLC는 현재 중대형 설비 및 중요 플랜트에 필수 제품으로 산업 전반에 걸쳐 사용되고 있다. 특히 수 처리(상수도, 하수도, 하수 종말 처리)는 시스템이 중지될 경우 주변의 수많은 사람들이 불편을 느끼기 때문에 이중화 시스템이 필요하다.
그리고 발전소(화력, 풍력, 원자력, 열병합)의 중요 제어시스템은 모두 이중화 PLC가 사용되고 있고, 이 외 설비가 24시간 동작하는 반도체, 철강/제철, 화학(정유, 가스 등) 공정 등에도 이중화 PLC가 중요 역할을 수행하고 있고 그 외에도 무대 설비와 항만(크레인), 그리고 선박 등 사용되는 현장은 매우 다양하다.
그림9와 그림10은 각 반도체 라인 및 발전소에 적용된 시스템 구성 예로 마스터와 스탠바이 컨트롤러를 기본으로 네트워크 이중화 및 선로 이중화로 구성하여 통신 이상 발생 시에도 정상적인 동작을 가능하도록 설계했다.

3. 향후 발전 방향
향후 이중화 PLC는 현재 CPU, 네트워크, 전원, 그리고 I/O 이중화 외에 지구온난화에 따른 환경 변화에 대한 제품 신뢰성 확보 및 이중화 PLC 역시 ‘SIL(Safety Integrity Level)’ 안전 시스템의 구조를 지향하여, 각 안전을 필요로 하는 산업 현장에서 이중화 기능 외에 현재 유럽 및 북미에서 추진 중인 SIL 등급의 규격에 필요한 기능 및 구조가 보다 중요할 것으로 보인다.  향후 PLC에 발생하는 각종 에러 또는 경고 메시지는 현재 정보기기의 최대 이슈가 되고 있는 스마트폰과 연계되어 제어 감시가 되고, 프로그램 등 모든 분야에서 신규 기술 경향과 조화를 이루면서 지속적으로 성장 할 것으로 보인다.