분산제어시스템(P-5000)소개 및 급유적용사례
글 이 길 연
(주)LS산전 E&M엔지니어링팀
kilyounl@lsis.biz
현대의 산업기술은 PLANT의 규모가 대형화 및 무인화 추세로 발전하고 있으며, Plant의 제어계통 시스템 전체에 대한 제어 및 감시 역할을 담당하는 분산 제어시스템(DCS : Distributed Control System)의 중요성은 더욱 커지고 있다. 최근 컴퓨터 기술, 반도체 기술 및 과학기술 발달로 인해 분산 제어시스템에 있어서도 많은 변화를 가져오게 하였으며, 분산제어 시스템은 제어용 컴퓨터를 기능별로 분산시켜 PLANT의 위험을 최소화 하고, 중앙제어 감시실에서 Plant 전체 공정을 집중적으로 제어 및 감시 할 수 있도록 한 최첨단 자동제어 시스템이다.
분산제어 시스템은 컴퓨터 및 소프트웨어 공학, 통신 공학, 제어 공학, 전기 및 전자 공학이 복합적으로 이루어진 자동제어공학 분야의 핵심 기술로서, LS산전은 수 년간의 연구 및 개발, 제어시스템 현장적용 경험을 바탕으로 Master P-5000을 개발하였다.
Master P-5000은 신뢰성과 안정성을 중심적으로 H/W를 개발하였으며, Windows O/S 기반의 운영체제를 사용하여 다양한 멀티 미디어와의 접속이 가능 하도록 하였으며, Master P-5000은 Master P-3000AT의 OPAS 제어 로직 엔지니어링 데이터와의 호환성이 완벽하여 다양한 형태의 어플리케이션을 구축할 수 있으며, 또한 하드웨어 및 시스템 버스, 통신 및 네트워크(Ethernet IEEE 802.3, PROFIBUS DP, HART 2.0), 제어 언어(IEC61131-3, FBD, LD, SFC) 등 국제 표준 규격을 적용함으로써 시스템 개방화를 실현하였다.
중요 PLANT 설비 혹은 국가 기반시설 설비에 주로 외산 제어시스템(DCS)이 주로 사용되었으나, 순수 자체기술로 DCS 국산화의 꿈을 완성한 LS산전의 P-5000에 대한 시스템 소개와 국가중요 설비인 급유 적용 사례를 소개함으로써, 국/내외 산업의 경쟁력을 더욱 발전시키는데 도움이 되고자 한다.
MASTER P-5000의 특징
시스템 이중화, 네트워크 이중화, I/O 보드 이중화를 통한 신뢰성 향상
- 수처리 및 발전 제어 시스템 전용 FB 코드 제공
- 최신 필드버스 통신 인터페이스 제공 (Profibus, HART)
- 타 제어시스템의 인터페이스 제공
- 풍부한 제어 연산 제공
- 강력한 화면 인터페이스 제공
- 친숙한 제어 로직 프로그래밍 방식 제공 (FBD, LD, SFC)
- 고속의 데이터 처리
- 다양한 I/O 보드 제공
- Ethernet I/O 통신 방식으로 I/O 증설 및 유지보수가 편리함
- 후면 I/O 결선 방식으로 I/O 보드 교체가 용이함
- 시스템 운영중에 수정이 가능한 온라인 다운로드
기능 제공
- 구버전 제어로직 변환 기능
- 정전시 최종 운전 데이터 복구 기능 제공 (배터리 백업 메모리)
- 크로스 레퍼런스 기능제공으로 인한 운영의 편리성 제공
- Simulator 기능제공으로 제어로직 검증의 편리성 제공
시스템 구성
Master P-5000 시스템 구성 [그림1]은 크게 Operation Level과 Process Level로 나누어 지며, Operator Level은 플랜트의 운영, 감시, 데이터 관리, 알람 등 Plant 운영에 있어 주요 기능을 담당하고, Process Level은 시퀀스 제어, 피드백 제어 등 다양한 제어 기능을 수행한다
△ Master P-5000 Operation Level
MP-5000 Operation Level은 MS Windows OS를 채용한 워크스테이션을 사용한다. Operation Level의 워크 스테이션은 듀얼 모니터 기능을 제공하며, 표준 마우스, 모니터, 키보드가 호환이 된다. WDC는 제어 그래픽, 진단, 트렌드, 알람 그리고 플랜트 전반적인 상태를 그래픽으로 표현 함으로써, 운영자가 플랜트를 효율적으로 감시 및 운영할 수 있다.
EWS는 엔지니어링 데이터를 생성, 수정, 저장하는 스테이션으로서, 제어 로직 엔지니어링 툴인 OPAS는 Function Block을 사용하여 처음 접하는 운영자도 쉽게 익힐 수 있으며, 국제 표준인 IEC61131-3기준에 따라 개발 되었다. 엔지니어링 툴은 이동성이 용이한 노트북 PC를 사용하여 현장 또는 사무실에서 편리하게 작업을 할 수 있다.
△ Master P-5000 Process Level
Process Level에서는 현장계기들이 I/O Unit과 연결되어 현장신호를 받아서 상위 시스템으로 전송을 하거나, 또는 상위 시스템으로부터 명령을 받아 하위 Process에 데이터를 전송하여 다양한 제어를 수행하는 역할을 담당한다.
Master P-5000 Process Level은 여러 개의 RCS, SOE로 구성되어 있으며, MPU, I/O Board, 통신 및 네트워크 등 분산제어 시스템을 Fell 이중화로 구성을 하여 플랜트 운영에 있어 신뢰성을 향상 시켰다. 이러한 시스템 이중화의 경우 Master P-5000 보드에 문제 발생시 자동적으로 Master Board에서 Slave Board로 절체 되며, 문제가 발생한 보드는 시스템 On-Line 상태에서 장탈착이 가능하다.
△ System Communication
MASTER P-5000 네트워크는 Ethernet을 기반으로 프로세스 제어의 통신을 위해 설계된 내구성이 강한 산업용 네트워크이다. 이러한 네트워크는 제어 시스템의 신뢰성, 성능 및 보안에 있어 매우 중요한 역할을 담당한다. MASTER P-5000의 네트워크는 데이터 손실, 데이터의 변형, 시간지연 없이 실시간으로 Operation과 Process Level 간 플랜트 운영에 필요한 데이터를 안전하게 전송이 가능할 뿐만 아니라, 네트워크 이중화를 통한 시스템 안정화와 100Mbps의 빠른 전송속도를 주요 특징으로 한다.
시스템 이중화
Master P-5000은 고신뢰성 제공을 목적으로 개발 되었으며, 최상위 DB Server에서부터 MPU Shelf를 거쳐 I/O 보드에 이르기까지 Full 이중화 시스템으로 구성 할 수 있다.
플랜트 제어 시스템에 최적의 신뢰성을 제공하기 위해 아래와 같은 사항을 이중화로 구성 할 수 있다.
- MPU SHELF 이중화(시스템 버스 및 전원)
- 제어 네트워크 이중화
- I/O Shelf의 컨트롤러 이중화(DCU)
- I/O Shelf 전원 이중화(SPS & DPS)
- I/O 네트워크 이중화
- I/O 보드 이중화
- DB SERVER 이중화(DPC)
- 정보 네트워크 이중화
△ MPU SHELF 이중화
Master P-5000의 이중화 시스템 구성은 Master Shelf와 Slave Shelf의 시스템 버스가 분리되어 Run/Standby로 동작하는 MPU Shelf의 이중화를 기본으로 한다. Master Shelf와 Slave Shelf는 각각 별도의 전원 모듈을 사용하여 전원이 분리되어 있고, DLU에 연결되는 광통신 케이블을 통해 상대의 상태를 감시하여 이중화를 실현한다. 이 광통신 케이블은 이중화 상태 감시 뿐만 아니라 Run으로 동작하는 SHELF의 제어 결과를 Standby Shelf로 복사하는 이중화 데이터 복사의 경로로 이용된다. 시스템 버스가 분리되어 있어서 한쪽 Shlef의 버스에 이상이 발생하더라도 다른 쪽 Shelf의 버스에 영향을 미치지 않는다.
△ 제어 네트워크 이중화
MPU Shelf의 메인 프로세싱 보드인 MPU는 두 개의 Ethernet 포트를 통해 제어 네트워크의 이중화를 실현한다. 제어 네트워크는 제어로직 엔지니어링 프로그램의 다운로드 및 모니터링, 공정 제어 현장 값의 감시, 제어 스테이션 간의 데이터 공유를 목적으로 사용되는 네트워크이다. 제어 네트워크의 이중화는 송신 측에서 A Line과 B Line 두 개의 라인을 통하여 동시에 전송하면 수신 측에서 먼저 도착하는 Line의 데이터만 처리하는 방식으로 실현된다. 수신 데이터 중복은 시퀀스 번호에 의해 판단한다
△ I/O Shelf의 컨트롤러 이중화
I/O Shelf은 MPU Shelf와 달리 하나의 시스템 버스에 두 개의 컨트롤러를 장착하여 Run/Standby로 동작하게 하는 컨트롤러 이중화 방식으로 구성된다. I/O Shelf의 DCU 보드는 Ethernet 통신 접속을 통해 상대의 상태를 감시한다. 이중화로 구성된 DCU는 시스템 버스 상의 I/O 보드를 액세스 하여 I/O Data의 정보를 상위 시스템으로 전송한다.
△ I/O Shelf 전원 이중화
I/O Shelf는 전원 모듈은 시스템 버스에 전원을 공급하는 SPS와 전용 Backplane 버스를 통해 I/O 보드에 24VDC 전원을 공급하는 DPS가 있다. 이들 전원 모듈은 각각 2개의 모듈이 병렬로 연결되어 정상동작시 절반씩 전원을 공급하지만, 만약 2개의 모듈 중 하나가 고장이 나면 1개의 모듈이 전체 전원을 공급하는 방식으로 되어 있다.
△ I/O 네트워크 이중화
I/O 네트워크는 제어 네트워크와 별도로 분리되어 있고, MPU Shelf의 FBC와 I/O SHELF의 DCU를 연결하는 I/O 통신 전용 네트워크이다. I/O 네트워크의 A Line과 B Line은 2개의 FBC Ethernet 통신 포트는 각각 연결되며, MASTER DCU는 A Line, Slave DCU는 B Line에 연결되는 방식으로 네트워크 이중화가 이루어진다.
△ I/O 보드 이중화
고급형 I/O 보드는 I/O Shelf에 이중화 또는 단독 보드로 장착될 수 있는데 보드 내부의 설정 점퍼를 통해 이중화 모드를 설정하고, 이중화 장착시 홀수 번째 슬롯과 짝수 번째 슬롯 순서로 이웃하는 슬롯에 보드를 장착하여야 한다. 이중화 I/O 보드의 결선은 Y자 모양의 결선 커넥터를 통해서 현장 I/O 포인트와 연결되어야 한다.
△ DB SERVER 이중화 및 정보 네트워크 이중화
상위 DB Server의 이중화는 2개의 DPC 워크스테이션으로 각각 Master와 Slave로 설정되어 Run/Standby로 동작하고, Run 측에 변경된 데이터가 Standby 측에 전달되어 데이터 동기화를 하는 방식으로 이루어진다. 데이터 동기화는 정보 네트워크를 통해 이루어지고, 제어 네트워크와 마찬가지로 네트워크 이중화가 가능하다
이중화 운전 개념
시스템 이중화 운전은 RUN모드와 STANDBY모드로 운영된다.
(1) RUN모드
MPU Shelf가 단독으로 있으면 RUN 모드로 동작한다. MPU Shelf가 이중화로 연결되어 있으면 먼저 부팅한 MPU Shelf가 Run 모드가 되고, 나중에 부팅한 것은 Standby 모드가 된다. 기본적으로 Master Shelf와 Slave Shelf가 동시에 부팅을 한 경우 Master Shelf가 Run 모드로 동작한다. Run 모드의 MPU Shelf는 I/O 입력을 받아들이고 제어로직을 수행한 뒤 I/O 출력을 내보낸다. 제어로직을 수행하여 변경된 결과 데이터는 Standby Shelf로 전달하여 데이터 동기화를 시키고 자신의 상태를 상대방 Shelf에 주기적으로 알려주어 Standby Shelf가 감시하도록 한다.
제어 네트워크를 통한 상위 HMI의 제어 조작 및 모니터링 요청시 응답을 송신하고, 조작 결과를 Standby Shelf로 전달하여 데이터를 동기화 시킨다. 제어 네트워크 통신은 A, B Line을 동시에 사용하는데 수신시 중복되는 데이터를 버리고 하나만 처리하고, 송신시 양쪽 Line에 같은 데이터를 동시에 송신하여 한 Line이 끊어지더라도 다른 Line으로 전달이 가능하다.
(2) STANDBY모드
MPU Shelf가 이중화로 연결되어 있으면 나중에 부팅한 것은 Standby 모드가 된다. Standby 모드의 MPU Shelf는 I/O 입력만 받아들이고 제어로직 수행 및 I/O 출력은 수행하지 않는다. Run Shelf에서 보내는 데이터를 MEM 보드에 Write하고 Run Shelf의 상태를 감시하여 치명적인 에러가 발생했을 때 Run/Standby 상태를 전환시킨다. Standby 모드일 때는 제어 네트워크를 통한 상위 HMI의 제어 조작 및 모니터링 요청이 없다. 다만 상위 HMI에서 제어기의 상태를 실시간으로 체크할 수 있도록 자발적으로 1초 주기로 제어기의 상태 정보를 제어 네트워크의 A, B Line으로 동시에 본다.
네트워크 시스템은 신뢰성을 확보하기 위해 이중화로 구성 할 수 있으며, MPU Shelf Master/Slave에는 각각 2개의 IP를 부여하여 데이터 네트워크 및 시스템 운영에 있어 안정성 및 신뢰성을 확보할 수 있다. MPU Board, 통신, 전원보드 등 분산제어 시스템은 고객의 요구에 따라 이중화 또는 일중화 시스템으로 구성이 가능하다. MPU 보드는 I/O버스를 통해 수집한 현장의 데이터에 대해 제어, 연산 및 알람을 처리하여 그 결과를 상위 시스템에 통보하는 기능을 하는 보드로서, Master P-5000 시스템에 핵심적인 역할을 담당한다. Master MPU에 이상이 발생하면 시스템 제어에 대한 권한이 Slave MPU 보드로 즉시 절체가 되며, 문제가 있는 MPU 보드를 시스템 Shut-Down없이 On-Line 상태에서 장탈착을 할 수 있다.
MPU Shelf는 다음과 같은 문제 발생시 Run/Standby 전환이 이루어진다
- 제어 네트워크 통신 에러 : RUN SHELF가 판단하며 5초 동안 이중화 라인으로 전혀 데이터가 수신이 안되는 경우
- FBC 통신 에러 : Run Shelf가 판단하며 RCS에 장착된 전체 I/O SHELF와 FBC간 통신이 전혀 되지 않을 때
- MPU 보드 Live 에러 : Standby Shelf가 판단하며 Run Shelf는 주기적으로 Standby Shelf의 메모리 보
드에 Live Count를 Write하는데 300msec 이상 Live Count 값이 변하지 않을 때
- FBC 보드 Live 에러 : Run Shelf가 판단하며 FBC 의 Live Count가 150msec 이상 값이 변하지 않을 때
- Task Suspend 에러 : Run Shelf에서 판단하며 수행되는 여러 개의 Task 중에서 어떤 요인에 의해 Task
가 Suspend 되는 경우
- Bus Access 에러 : Run Shelf에서 판단하며 MPU 보드가 자기 BUS상에 있는 보드(MEM,FBC)를
Access할 때 발생비용을 낮추거나 통합자와 최종 사용자를 위한 마케팅 시간을 줄일 수 있는 사업용
어플리케이션을 개발하기 위해 안드로이드 공간에 뛰어들어야 할 필요가 있다.
I/O 보드 이중화 처리
I/O 보드의 이중화 동작은 동일한 I/O 보드 2장을 Master와 Slave로 정의하여 Master를 기본적으로 Run으로 동작시키고 Slave은 Standby로 동작시킨다. 물리적으로는 2장의 I/O 보드가 존재하지만 논리적으로는 하나의 보드가 동작하는 것과 같다. 이중화 I/O 보드의 Run/
Standby 동작 제어는 I/O 보드의 자기 진단 기능을 바탕으로, 자체 판단에 의해 Run 보드 이상시 Run/Standby 동작 모드를 전환시켜 이상이 없는 보드가 Run으로 동작하도록 한다. I/O 보드는 현장 신호와 릴레이들 사이에 장착하고 있어서 Run일 경우만 현장 신호와 연결이 되고, Standby일 경우 현장신호와 연결되지 않는다. Standby인 보드를 교체하여도 현장 I/O 신호에 전혀 영향을 주지 않는다.
I/O 보드 이중화시 다음과 같은 상황에 이중화 Run/Standby 전환이 발생한다.
- 보드 전면 Change Switch를 누를 경우
- I/O Point 에러가 발생 했을 경우
- DCU에 의한 Access가 없을 경우
- 전원 체크 진단시 에러가 감지되었을 경우
- RUN 보드의 상태가 감지되지 않을 경우
- I/O 보드 H/W 에러가 발생 했을 경우
급유설비의 시스템 적용 사례
△ 입하설비
각 정유사 항공유터미널에서부터 연결된 항공유 송유관을 통해 급유시설로 입하되는 항공유는 저장탱크에 입하되기 전 오염물/수분 분리 여과기를 통과하여 저장탱크로 입하하여 항공유가 입하되는 도중에는 주기적인 철저한 품질검사가 이루어지며 Batch Tracing System 을 통해서 입하되는 항공유의 source를 실시간으로 확인할 수 있다.
△ 출하설비
저장탱크에 보관되고 있는 항공유는 입하완료 후 실험실의 품질검사를 거쳐 비행장에 설치되어 있는 Hydrant Pipeline(송유관)으로 출하되며 항공기 급유를 위한 송유관은 항상 높은 압력으로 가압되어 있어 급 유전이 설치된 항공기 주기장에서는 24시간 고속 급유서비스를 받을 수 있다.
△ 저장시설
자동제어실에서 원격 운전을 위한 각종 설비들이 설치 되어 있어 탱크 상태를 실시간으로 모니터하고 문제발생시 즉각적인 조치가 가능한 System으로 구성되어 있으며 항공유 품질관리 설비로는 상부출하장치(floating suction)와 Tank Bottom Fast Flushing 설비를 이용하여 품질이 검증된 항공유만 출하하고 있다. 한편 누유검지장치(Leak Detection System), 각종 소방설비들은 자동제어실의 모든 설비와 연동되어 있어, 유사시 체계적인 방재활동이 가능하도록 설계 되어있다.
△ 제어시설
자동제어실은 입하와 출하를 분리하여 제어하는 분산제어System인 DCS[그림3]와 최적의 운전조건을 산출하는 관리용 계산기인 SCC, 그리고 기타운전에 필요한 Sub-package system으로 구성되어 있으며 주요 기능은 다음과 같다.
- Hydrant system을 포함한 입출하 설비 자동제어
- 비상차단장치 제어
- 전기 system 제어
- 소방 system 제어
- 누유 감지시스템 운영
- 급유차(Refueller) 입출하 설비 제어
맺음말
LS산전은 국산 DCS의 한계 분야로 여겨졌던 발전 주 제어분야에서 2001년 순수국산기술로 호남화력 2호기 보일러 주 제어시스템의 국산화 개발 및 적용에 성공한 이후, 2003년 호남화력1호기 보일러 주 제어시스템, 2004년 평택화력 1/2/3/4호기 보일러 주 제어시스템, 2006년 일산복합 주 제어시스템(HRSG, BOP, Turbine)을 연속 납품한 순수 국산 발전소 주 제어시스템 메이커이다. 전 제어 분야의 핵심 Process knowledge와 국내 최다의 납품실적 및 개발/설계/제작/시운전 경험을 바탕으로 급유설비, 발전 플랜트 및 철강, 화학 등 고 난이도 프로세스에 적합하도록 최적화한 MASTER P-5000을 개발, 이를 통해 글로벌 자동화 기업들이 선점하고 있는 하이엔드 자동 제어 분야에 적극적으로 진출함으로써, 국내 자동화 업체의 High-End 시장으로의 진출을 앞당길 수 있을 것으로 본다.