산업 제어 시스템

Industrial control system

산업제어시스템(ICS)은 산업 프로세스 제어에 사용되는 전자제어시스템 및 관련 기기이다.제어 시스템은 모듈러 패널에 탑재된 몇 개의 컨트롤러에서 수천 개의 필드 연결을 가진 대규모 상호 연결 및 대화형 분산 제어 시스템(DCS)에 이르기까지 크기가 다양합니다.제어시스템은 리모트센서 측정 프로세스 변수(PV)로부터 데이터를 수신하여 수집된 데이터를 원하는 설정점(SP)과 비교하고 제어밸브 등의 최종 제어요소(FCE)를 통해 프로세스를 제어하기 위해 사용되는 명령 함수를 도출합니다.

대규모 시스템은 보통 Supervisor Control and Data Acquisition(SCADA; 감시 제어 및 데이터 수집) 시스템, DCS 및 Programmable Logic Controller(PLC; 프로그래머블 로직 컨트롤러)에 의해 구현되지만 SCADA 및 PLC 시스템은 제어 [1]루프가 거의 없는 소규모 시스템으로 확장 가능합니다.이러한 시스템은 화학 가공, 펄프 및 제지, 발전, 석유 및 가스 가공, 통신 등의 산업에서 광범위하게 사용되고 있습니다.

디스크리트 컨트롤러

일체형 디스플레이가 있는 패널에 장착된 컨트롤러.프로세스 값(PV)과 설정 값(SV) 또는 설정점은 비교하기 쉽도록 동일한 척도에 있습니다.컨트롤러 출력은 범위가 0~100%인 MV(조작 변수)로 표시됩니다.
이산 컨트롤러를 사용한 제어 루프.필드 신호는 센서로부터의 유량 측정과 밸브로의 출력을 제어합니다.밸브 포지셔너는 올바른 밸브 작동을 보장합니다.

가장 단순한 제어 시스템은 각각 단일 제어 루프를 가진 소규모 이산 컨트롤러에 기반을 두고 있습니다.일반적으로 전면 패널을 직접 볼 수 있는 패널이 장착되어 있으며, 수동으로 프로세스를 제어하거나 제어 설정점을 변경할 수 있는 조작자의 수동 개입 수단을 제공합니다.원래는 공압식 컨트롤러로, 그 중 일부는 아직 사용 중이지만, 현재는 거의 모든 컨트롤러가 전자식으로 되어 있습니다.

업계 표준 프로토콜을 사용하여 통신하는 이러한 컨트롤러의 네트워크를 사용하여 매우 복잡한 시스템을 생성할 수 있습니다.네트워킹을 사용하면 로컬 또는 리모트 SCADA 오퍼레이터 인터페이스를 사용할 수 있으며 컨트롤러의 캐스케이드 및 인터락을 사용할 수 있습니다.그러나 시스템 설계의 제어 루프 수가 증가함에 따라 Programmable Logic Controller(PLC; 프로그래머블 로직컨트롤러) 또는 Distributed Control System(DCS; 분산제어시스템)의 사용이 관리 용이성 또는 비용 효율이 향상되는 시점이 있습니다.

분산 제어 시스템

기능적인 제조 관리 수준.DCS(PLC 또는 RTU 포함)는 레벨 1에서 동작합니다.레벨 2에는 SCADA 소프트웨어와 컴퓨팅 플랫폼이 포함되어 있습니다.
주요 기사:분산 제어 시스템

분산제어시스템(DCS)은 프로세스 또는 플랜트의 디지털 프로세스 제어시스템(PCS)으로 컨트롤러 기능과 필드 접속 모듈이 시스템 전체에 분산되어 있습니다.제어 루프의 수가 증가함에 따라 DCS는 개별 컨트롤러보다 비용 효율이 높아집니다.또한 DCS는 대규모 산업 프로세스에 대한 감시 표시 및 관리를 제공합니다.DCS에서는 컨트롤러 계층이 통신 네트워크에 의해 접속되어 중앙 집중식 제어실과 로컬 온플랜트 감시 및 제어가 가능합니다.

DCS에 의해, 캐스케이드 루프나 [further explanation needed]인터락등의 플랜트 제어를 간단하게 설정할 수 있어 생산 제어등의 다른 컴퓨터 시스템과 간단하게 인터페이스 할 수 있습니다.또, 보다 고도의 알람 처리를 가능하게 해, 자동 이벤트 로깅을 도입해, 차트 레코더등의 물리적인 레코드의 필요성을 배제해, 제어 기기를 네트워크에 접속해, 제어 대상 기기에 로컬로 배치하는 것으로 케이블 접속을 삭감할 수 있습니다.

DCS는 통상, 커스텀 설계의 프로세서를 컨트롤러로서 사용해, 독자적인 상호 접속 또는 표준 프로토콜을 통신에 사용합니다.입출력 모듈은 시스템의 주변 컴포넌트를 형성합니다.

프로세서는 입력 모듈로부터 정보를 수신하고 정보를 처리하며 출력 모듈이 실행할 제어 액션을 결정합니다.입력 모듈은 프로세스(또는 필드)의 감지 계측기로부터 정보를 수신하고 출력 모듈은 제어 밸브와 같은 최종 컨트롤 요소에 명령을 전송합니다.

필드 입력 및 출력은 아날로그 신호(예: 전류 루프) 또는 릴레이 접점 또는 반도체 스위치와 같이 켜거나 끄는 2개의 상태 신호)를 지속적으로 변경할 수 있습니다.

분산 제어 시스템은 일반적으로 입력 및 출력 신호뿐만 아니라 오류 진단 및 상태 신호와 같은 고급 메시지를 전송하는 Foundation Fieldbus, PROFIBUS, HART, Modbus 및 기타 디지털 통신 버스를 지원할 수 있습니다.

SCADA 시스템

주요 기사: SCADA

SCADA(Supervisor Control and Data Acquisition)는 컴퓨터, 네트워크 데이터 통신 및 그래피컬 사용자 인터페이스를 사용하는 제어 시스템 아키텍처입니다.컨트롤러 설정점 변경 등 모니터링 및 프로세스명령어 발행을 이노블로 하는 오퍼레이터 인터페이스는 SCADA 감시 컴퓨터시스템을 통해 처리됩니다.그러나 실시간 제어 로직 또는 컨트롤러 계산은 프로세스 플랜트 또는 기계와 인터페이스하는 프로그래머블 로직 컨트롤러 및 이산 PID 컨트롤러 등의 다른 주변 디바이스에 접속하는 네트워크 모듈에 의해 실행됩니다.

SCADA 개념은 다양한 로컬 제어 모듈에 대한 원격 액세스를 위한 범용 수단으로 개발되었으며, 이는 표준 자동화 프로토콜을 통해 액세스할 수 있는 다른 제조업체의 것일 수 있습니다.실제로 대형 SCADA 시스템은 기능적으로는 분산 제어 시스템과 매우 유사하지만 발전소와 인터페이스하는 여러 수단을 사용하게 되었다.여러 사이트를 포함할 수 있는 대규모 프로세스를 제어할 수 있으며 먼 [2]거리에서도 작업할 수 있습니다.이것은 일반적으로 사용되는 건축 산업 제어 시스템이지만, SCADA 시스템이 사이버 전쟁이나 사이버 테러 [3]공격에 취약할 수 있다는 우려가 있다.

제어 액션은 RTU 또는 PLC에 의해 자동으로 실행되므로 SCADA 소프트웨어는 슈퍼바이저 수준에서 동작합니다.SCADA 제어 기능은 보통 기본 덮어쓰기 또는 감독 수준의 개입으로 제한됩니다.피드백 제어 루프는 RTU 또는 PLC에 의해 직접 제어되지만 SCADA 소프트웨어는 루프의 전체적인 성능을 모니터링합니다.예를 들어, PLC는 산업 공정의 일부를 통해 설정된 지점 레벨로 냉각수의 흐름을 제어할 수 있지만, SCADA 시스템 소프트웨어를 통해 운영자는 해당 흐름에 대한 설정 지점을 변경할 수 있습니다.SCADA를 사용하면 흐름 손실이나 고온 등의 알람 상태를 표시하고 기록할 수도 있습니다.

프로그래머블 로직 컨트롤러

주요 기사: 프로그래머블 로직 컨트롤러
Siemens Simatic S7-400 시스템은 랙 좌우: 전원장치(PSU), CPU, 인터페이스 모듈(IM) 및 통신 프로세서(CP)에 탑재되어 있습니다.

PLC는 프로세서에 내장된 하우징에 수십 개의 입력 및 출력(I/O)을 갖춘 소형 모듈러 디바이스부터 수천 개의 I/O를 가진 대형 랙 마운트 모듈러 디바이스까지 다양하며, 다른 PLC 및 SCADA 시스템에 네트워크로 연결되어 있습니다.디지털 및 아날로그 입력 및 출력, 확장된 온도 범위, 전기 노이즈에 대한 내성 및 진동 및 충격에 대한 내성을 위해 설계할 수 있습니다.기계 작동을 제어하는 프로그램은 일반적으로 배터리 백업 또는 비휘발성 메모리에 저장됩니다.

역사

DCS 이전 시대의 중앙 제어실.컨트롤은 한 곳에 집중되어 있지만 여전히 개별적이며 한 시스템에 통합되어 있지 않습니다.
공장 정보와 제어가 컴퓨터 그래픽 화면에 표시되는 DCS 제어실.작업자는 플랜트 개요를 유지하면서 화면에서 프로세스의 모든 부분을 보고 제어할 수 있기 때문에 자리에 앉아 있습니다.

대형 산업용 플랜트의 공정 제어는 여러 단계를 거쳐 발전해 왔다.처음에는 로컬 패널부터 프로세스 공장까지 제어가 이루어졌습니다.그러나 이를 위해서는 이러한 분산된 패널을 담당할 인력이 필요했고, 프로세스의 전체적인 모습은 보이지 않았습니다.다음 논리적인 개발은 모든 발전소 측정치를 상시 직원이 있는 중앙 제어실로 전송하는 것이었다.컨트롤러는 제어실 패널 뒤에 있는 경우가 많았으며, 모든 자동 및 수동 제어 출력은 개별적으로 공압 또는 전기 신호의 형태로 발전소로 전송되었습니다.이는 사실상 모든 현지화된 패널의 집중화였고, 인력 요건 감소와 프로세스 개요의 통합이라는 이점이 있었다.

그러나 중앙 제어 포커스를 제공하면서도 각 제어 루프에는 자체 컨트롤러 하드웨어가 있기 때문에 이 배치는 유연하지 않았습니다.따라서 시스템 변경에서는 재파이핑 또는 재배선을 통한 신호 재설정이 필요했습니다.또한 전체 프로세스를 모니터링하기 위해 큰 제어실 내에서 작업자가 지속적으로 이동해야 했습니다.전자 프로세서, 고속 전자 신호 네트워크 및 전자 그래픽 디스플레이가 등장함에 따라 이들 개별 컨트롤러를 컴퓨터 기반 알고리즘으로 대체할 수 있게 되었습니다.이 알고리즘은 입출력 랙의 네트워크에서 호스트되며 자체 제어 프로세서를 갖추고 있습니다.이것들은 발전소 주변에 분산될 수 있으며 제어실의 그래픽 디스플레이와 통신할 수 있다.분산 제어의 개념이 실현되었습니다.

분산 제어의 도입에 의해, 캐스케이드 루프나 인터락등의 플랜트 제어의 유연한 상호 접속과 재구성이 가능하게 되어, 다른 실가동 컴퓨터 시스템과의 인터페이스도 가능하게 되었습니다.고도의 알람 처리를 가능하게 하고 자동 이벤트 로깅을 도입하여 차트 레코더 등의 물리적인 레코드의 필요성을 배제하고 제어랙을 네트워크에 접속하여 플랜트에 로컬로 배치함으로써 케이블 접속을 줄이고 플랜트 상태와 생산 수준의 개요를 제공합니다.대규모 제어 시스템의 경우, DCS(상표명 분산 제어 시스템)는 고속 네트워킹과 디스플레이 및 제어 랙의 전체 스위트를 통합한 많은 제조업체의 독점 모듈러 시스템을 지칭하기 위해 만들어졌습니다.

DCS는 대규모 연속 산업 프로세스의 요구를 충족하도록 조정되었지만, 조합 및 순차 로직이 주요 요건이었던 산업에서 PLC는 이벤트 구동 제어에 사용되는 릴레이 및 타이머 랙을 교체해야 하는 필요성 때문에 발전했습니다.기존 제어는 재구성 및 디버깅이 어려웠고, PLC 제어는 전자 디스플레이로 중앙 제어 영역에 신호를 네트워킹할 수 있었습니다.PLC는 순차 로직이 매우 [4]복잡해지는 차량 생산 라인에서 자동차 산업을 위해 처음 개발되었습니다.그것은 곧 인쇄기 및 수처리 공장처럼 다양한 다른 사건 주도형 애플리케이션에 채택되었다.

SCADA의 역사는 전력, 천연가스, 송수관 등의 배전 어플리케이션에 뿌리를 두고 있습니다.이러한 어플리케이션에서는 잠재적으로 신뢰성이 낮거나 간헐적인 저대역폭 및 대기시간이 긴 링크를 통해 리모트 데이터를 수집할 필요가 있습니다.SCADA 시스템은 지리적으로 멀리 떨어져 있는 사이트에서 개방 루프 제어를 사용합니다.SCADA 시스템은 Remote Terminal Unit(RTU; 리모트 단말 유닛)을 사용하여 감시 데이터를 컨트롤 센터로 반송합니다.대부분의 RTU 시스템은 마스터 스테이션을 사용할 수 없는 동안 항상 로컬 제어를 처리할 수 있는 용량을 가지고 있었습니다.그러나 수년간 RTU 시스템은 로컬 제어를 처리할 수 있는 능력이 점점 더 향상되었습니다.

DCS와 SCADA/PLC 시스템의 경계가 [5]시간이 지남에 따라 모호해지고 있습니다.이러한 다양한 시스템의 설계를 추진한 기술적 제한은 더 이상 문제가 되지 않습니다.많은 PLC 플랫폼은 이제 원격 I/O를 사용하여 작은 DCS로서 매우 잘 동작할 수 있으며 일부 SCADA 시스템이 실제로 장거리 폐쇄 루프 제어를 관리할 수 있을 만큼 충분히 신뢰할 수 있습니다.오늘날 프로세서의 속도가 빨라짐에 따라 많은 DCS 제품들은 처음 개발되었을 때 제공되지 않았던 PLC와 유사한 서브시스템들을 모두 갖추고 있습니다.

1993년 IEC-1131이 출시되면서, 나중에 IEC-61131-3이 되면서, 업계는 재사용 가능한 하드웨어 독립 제어 소프트웨어를 통해 코드 표준화를 확대하는 방향으로 나아갔다.산업 제어 시스템 내에서 처음으로 객체 지향 프로그래밍(OOP)이 가능해졌다.이를 통해 프로그래머블 오토메이션 컨트롤러(PAC)와 산업용 PC(IPC)가 모두 개발되었습니다.이들은 5개의 표준화된 IEC 언어로 프로그래밍된 플랫폼입니다. 사다리 논리, 구조화 텍스트, 함수 블록, 명령 목록 및 순차 함수 차트입니다.또한 C 또는 C++와 같은 현대의 고급 언어로 프로그래밍할 수도 있습니다.또한 MATLAB 및 Simulink와 같은 분석 도구로 개발된 모델도 사용할 수 있습니다.독자 사양의 operating system을 사용하는 종래의 PLC와는 달리, IPC는 Windows IoT 를 사용합니다.IPC는 기존 PLC보다 훨씬 저렴한 하드웨어 비용을 가진 강력한 멀티코어 프로세서의 이점을 가지고 있으며 DIN 레일 마운트, 패널 PC 또는 임베디드 PC로서의 터치 스크린과의 조합 등 여러 폼 팩터에 적합합니다.새로운 하드웨어 플랫폼과 테크놀로지는 DCS 및 SCADA 시스템의 진화에 크게 기여하여 경계를 더욱 모호하게 하고 정의를 변화시키고 있습니다.

보안.

SCADA와 PLC는 사이버 공격에 취약하다.MOSAICS(More Situationational Awareness for Industrial Control Systems)로 알려진 미국 정부 합동 기술 시연(JCTD)은 중요한 인프라 [6]제어 시스템에 대한 사이버 보안 방어 능력을 최초로 시연하는 것입니다.MOSAICS는 전력, 물, 폐수 등의 사이버 공격으로부터 중요한 인프라 제어 시스템을 방어하고 물리적 [7]환경에 영향을 미치는 안전 제어에 대한 국방부(DOD)의 운영상의 요구에 대응하고 있습니다.MOSAICS JCTD 프로토타입은 향후 연구개발을 위해 산업일(Industry Days)을 통해 상업산업과 공유될 예정입니다.이 접근방식은 중요한 [8]인프라 제어 시스템의 사이버 보안을 위한 혁신적이고 판도를 바꾸는 기능을 제공하기 위한 것입니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ NIST SP 800-82
  2. ^ Boys, Walt (18 August 2009). "Back to Basics: SCADA". Automation TV: Control Global - Control Design. Archived from the original on 2021-12-19.
  3. ^ "Cyberthreats, Vulnerabilities and Attacks on SCADA Networks" (PDF). Rosa Tang, berkeley.edu. Archived from the original (PDF) on 13 August 2012. Retrieved 1 August 2012.
  4. ^ M. A. Laughton, D. J. Warne(ed), 전기 엔지니어 레퍼런스 북, 제16판, Newnes, 2003년 제16장 프로그래머블 컨트롤러
  5. ^ Galloway, Brendan; Hancke, Gerhard P. (2012). "Introduction to Industrial Control Networks". IEEE Communications Surveys and Tutorials. 15 (2): 860–880. CiteSeerX 10.1.1.303.2514. doi:10.1109/SURV.2012.071812.00124. S2CID 206583867.
  6. ^ "More Situational Awareness For Industrial Control Systems (MOSAICS) Joint Capability Technology Demonstration (JCTD): A Concept Development for the Defense of Mission Critical Infrastructure – HDIAC". Retrieved 2021-07-31.
  7. ^ "More Situational Awareness for Industrial Control Systems (MOSAICS): Engineering and Development of a Critical Infrastructure Cyber Defense Capability for Highly Context-Sensitive Dynamic Classes: Part 1 – Engineering – HDIAC". Retrieved 2021-08-01.
  8. ^ "More Situational Awareness for Industrial Control Systems (MOSAICS): Engineering and Development of a Critical Infrastructure Cyber Defense Capability for Highly Context-Sensitive Dynamic Classes: Part 2 – Development – HDIAC". Retrieved 2021-08-01.

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추가 정보

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