산업용 제어 시스템

산업용 제어 시스템(ICS)에는 감독 제어 및 데이터 수집(SCADA) 시스템, 분산 제어 시스템(DCS), 그리고 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC), 지능형 전자 기기(IED), 원격 터미널 장치(RTU) 및 기타 필드 장치와 같은 기타 소형 제어 시스템 구성요소가 포함됩니다. ICS는 모든 산업 공정의 지속적 제어와 모니터링을 통해 성능, 안전성, 신뢰성을 향상하고 수작업을 줄입니다.

간단한 제어 시스템은 패널 장착형으로 소형 개별 컨트롤러에 설치되며, 전면 패널을 직접 확인할 수 있고 필요할 경우 작업자가 수동으로 작업에 개입할 수 있습니다. 원래는 공압식 컨트롤러였지만 현재는 거의 전자식으로 바뀌었습니다. 이러한 전자식 컨트롤러 네트워크는 복잡한 시스템을 구축하기 위해 산업 표준 프로토콜을 사용하여 통신합니다. 네트워킹을 통해 원격 또는 로컬 SCADA 운영자 인터페이스를 사용할 수 있으며, 컨트롤러가 종속되고 연동될 수 있습니다.

DCS는 맞춤 제작된 프로세서를 컨트롤러로 사용하고 통신을 위해 표준 프로토콜이나 전용 상호연결을 사용하는 디지털 프로세스 컨트롤 시스템입니다. 이러한 프로세스에는 현장 연결 모듈과 컨트롤러 기능이 포함되며, 이는 중앙집중화된 제어를 통해 시스템 전체에 분산되고 대규모 산업 공정에 대한 관리 및 감독 보기 기능을 제공합니다.

제어 시스템 아키텍처인 SCADA는 컴퓨터, 그래픽 사용자 환경(GUI), 네트워크 데이터 통신을 사용하여 높은 수준의 감독 관리를 수행합니다. SCADA 시스템은 프로세스 명령을 모니터링하고 발행하는 운영자 인터페이스를 관리합니다. 개별 PID 컨트롤러와 프로그래머블 로직 컨트롤러와 같은 기타 주변 장치에 연결된 네트워크 모듈은 로직 계산과 실시간 제어를 수행합니다. 이들 컨트롤러는 기계와 연결됩니다.

PLC는 프로세서와 통합된 하우징에서 다중 입력과 출력(I/O) 단자를 갖춘 소형 모듈형 장치입니다. 그 범위는 수천 개의 I/O가 SCADA 시스템에 네트워킹되는 커다란 랙 마운트 모듈식 장치가 될 수도 있습니다. ICS 내부의 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC)는 실제 세계와 사이버 세계 사이에서 유용한 다리 역할을 합니다. ICS와 PLC가 수행한 중요하는 역할로 인해 정교한 사이버 공격의 두 타겟이 만들어졌습니다. 이러한 공격은 작업을 방해하도록 설계되어 사회적 불안과 재정적 손실을 초래합니다.

몇몇 통신 프로토콜은 다양한 ICS 환경에서 사용됩니다. 대부분의 프로토콜은 프로세스 자동화, 빌딩 자동화, 전력 시스템 자동화와 같은 특수 목적을 위해 설계되었습니다. ICS 프로토콜에는 일반적으로 필드 버스(PROFIBUS), 빌딩 자동화 및 제어 네트워크(BACnet), 분산 네트워크 프로토콜(DNP3), Modbus, 개방형 플랫폼 커뮤니케이션(OPC), 제어 자동화 기술용 이더넷(EtherCAT), 공통 산업용 프로토콜(CIP)이 포함됩니다.

현재 모든 것이 온라인으로 바뀌고 있습니다. 서비스 인터넷과 사물 인터넷(IoT) 등 사이버와 실제를 이어주는 용어인 4차 산업혁명(인더스트리 4.0)은 주문자 상표 부착 생산(OEM), 자산 소유자, 시스템 통합 업체를 통해 그 파급력이 커지기 시작했습니다. 이제 모호함을 통한 보안(security by obscurity)은 더 이상 효과적인 보호책이 되지 않습니다. 가까운 미래에는 광역 네트워크를 통해 여러 기업에 걸친 정교한 애플리케이션으로 전달되는 ICS 정보 트랜치를 보게 될 것입니다. ICS는 스마트 그리드나 스마트 시티와 같은 프로젝트를 위해 인터넷에 연결됩니다. 이에 따라 악의적인 행위가 발생될 위험이 증폭됩니다.

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입력/출력 인터페이스

입력/출력 또는 I/O 인터페이스에서는 PLC와 같은 중앙 처리 장치와 입력/출력 장치 간의 상호 작용이 이루어집니다. 입력은 스위치, 릴레이 또는 접촉기와 같은 디지털 입력 장치로부터 프로세스 시스템을 통해 수집된 신호나 데이터, 그리고 온도, 압력과 같은 물리적 매개 변수의 상태를 표시하는 다양한 센서로부터 전달된 아날로그 입력을 말합니다. 출력은 처리 시스템으로부터 표시 장치, 램프, 알람, 릴레이 또는 접촉기와 같은 디지털 출력 장치로, 그리고 모터, 밸브 및 비례 조절계와 같은 아날로그 출력 장치로 전송되는 신호 또는 데이터를 말합니다.

각 I/O 모듈은 구체적인 전압 및 전류 속성 등급의 최대 32개 채널이 포함될 수 있으며, 랙 기반, 분산형 또는 독립형, 확장 가능한 형태가 될 수 있습니다. 전통적인 배선 연결은 나사-클램프 터미널로 구성되지만, 현재 많은 사용자들이 진동 저항과 배선 간소화를 위해 스프링-클램프 터미널로 변경하고 있습니다.

일부 I/O 모듈에는 주파수(Hz), 저항(ohms), 전압(mVs)을 포함한 특수 기능이 있습니다. 통합형 회로 온도 감지(ICTD), 열전대(TC), 저항 온도 감지기(RTD)는 특화된 인공지능(AI) 버전으로 높은 입력 밀도 제공에 자주 사용됩니다. 한 모듈 내의 모든 채널은 일반적으로 기본 형식에서 비슷하지만, 일부 최신 시스템이 개별 입력과 개별 출력을 수용하는 네 가지 기본 형태의 모듈을 모두 혼합하여 제공합니다.

일부 I/O 시스템 제공업체는 해당 터미널 포인트에서 관련 신호를 수신하는 다기능 I/O 모듈을 제공하고, 소프트웨어 중심 구성을 활용하여 각각의 구체적인 속성을 만듭니다.

최신 I/O 시스템에는 개방형 이더넷 프로토콜이 사용됩니다. 이러한 I/O 시스템 중에는 원격 I/O를 작동시키기고 전원 루프를 연결하기 위하여 상업용 이더넷 전원 장치(PoE) 기술을 활용하는 것도 있습니다. I/O 시스템은 통신 링크를 모니터하거나 제어하기 위하여 I/O 모듈을 조절하는 것이 중요하기 때문에 소프트웨어 기반 구성이 특징입니다. 통신 어댑터는 때때로 I/O 모듈을 검증하여 감독 시스템과 대화하기 위하여 필요합니다.

표준 이더넷은 최신 I/O 시스템을 네트워킹하는데 사용할 수 있으며 마스터 슬레이브 통신에 국한되지 않기 때문에, 기존의 유선 및 스마트 무선 사이, 그리고 I/O IIoT 간의 공백을 연결하기 위해 새로운 아키텍처 가능성을 활용할 수 있습니다. 이러한 시스템은 I/O 제어와 임베디드 IT 기술을 연결하여 원격 슬레이브를 분산형 데이터 노드로 변환할 수 있습니다. 지능형 필드 장비와 IIoT 기기가 거의 도처에 있다고는 해도, 기존의 유선 I/O 포인트를 감독하고 명령하기 위해서는 최신형 설비와 레거시 설비 모두가 지속적으로 필요합니다. 오래된 시스템의 경우, 컨트롤러에 의해 통제되는 I/O 시스템에 연결될 것입니다. 더 새로운 I/O 시스템은 디자인, 설치, 유지보수, 시간과 비용 절감을 용이하게 하는 유연한 기능을 제공합니다.

최근에 개발된 I/O 시스템은 한계를 넘어 이더넷 네트워크를 통해 동종 기기, 다른 기기, 소프트웨어 시스템에 대한 확장된 연결성을 제공하며, 단일 마스터에만 구속되지 않습니다. 이러한 새로운 I/O를 통해 IIoT 기능이 완벽한 자동화 시스템을 구축할 수있습니다.

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연결성

산업 연결성은 원활한 기기 통합에 필수 요소입니다. 산업 자동화와 제어는 공장 현장, 클라우드, IT에서 산업용 기계 간에 데이터, 전력, 명령어를 전송하기 위해 케이블과 커넥터에 크게 의존합니다. 산업 환경에서는 견고성, 내구성을 갖춘 고성능 연결성 설계에 대한 수요가 높습니다. 또한 반드시 내유성이어야 하고 높은 온도에서도 견뎌야 하며 장애 시에도 정확한 기능을 발휘해야 합니다.

배선은 산업 자동화에 중요한 요소입니다. 산업 제어 환경의 통신 프로토콜 배선에는 특별한 요구 사항을 고려해야 합니다. 전기 캐비닛에는 산업용 커넥터, 후크업 와이어, DIN 레일, 터미널 블록, 와이어 관리가 필요합니다. 센서와 솔레노이드는 분배 센터에서 제공되는 M8, 정사각, 또는 M12 DIN 어셈블리가 필요합니다. 이더넷 통신 채택이 증가함에 따라 RJ45 및 M12-8 어셈블리를 작업 현장에서 더 많이 사용하고 있습니다. 심지어 무선 애플리케이션도 작업 중지를 위해 배선이 필요합니다.

전형적인 케이블은 전도체, 실드, 절연, 외부 재킷이 있습니다. UTP(Unshielded Twisted Pair) 케이블과 STP(Shielded Twisted Pair) 케이블은 산업 환경에 사용되는 두 가지 기본 변형입니다. 차폐 케이블은 외부 전파 및 전력 주파수 간섭으로부터 케이블을 보호하기 때문에 원활한 신호 전송이 가능하지만 차폐되지 않은 케이블보다 비용이 높습니다.

열 수축 튜브는 화학 물질과 다양한 기후 조건으로부터 케이블을 보호합니다. 또한 다기능 제품은 컬러 코딩, 스트레인 릴리프, 번들링에 적합합니다. 다기능 제품은 브레이크아웃, 커넥터-케이블 전환, 백엔드 커넥터 실링을 위해 스트레인 릴리프로 사용할 수 있습니다. 열 수축 부품 또한 느슨한 와이어나 케이블의 번들링을 위한 보호 수단으로 사용할 수 있습니다.

산업용 커넥터는 공장 현장 환경, 기계, 광업, 지구 물리 탐사, 전력 생산/분배, 농업 장비 등 다양한 애플리케이션에서 매우 중요합니다. 헤비 듀티 커넥터는 설정이 가능한 다기능 솔루션입니다. 최대 IP 69k 보호, 216 접점을 제공하고 거친 환경에서 사용하기에 적합합니다. 전류 등급은 10A~200A의 범위이며, M8/M12 커넥터 시스템은 종합 커넥터, IO 모듈, 케이블 어셈블리를 제공합니다.

모듈형으로 설계된 헤비 듀티 커넥터(HDC) 제품군은 구성 가능성과 견고성이 높아서, 로봇과 자동화 애플리케이션에 이상적입니다. 이러한 장치들은 전력을 기존의 인퍼페이스 기술과 결합합니다. 후드와 하우징은 세로 직각의 케이블 방향과 IP65~IP69k을 제공합니다.

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통신

산업용 통신 시스템은 모든 자동화 시스템 아키텍처의 백본입니다. 충실한 데이터 교환 절차, 유연성, 데이터 제어 능력을 제공하여 수많은 기기를 연결하고 까다로운 환경하에서 여러 주요 설비에 걸친 데이터 통합과 실시간 제어를 관리합니다. 그 결과, 산업 네트워킹을 통해 디지털 컨트롤러, 무수한 자동화 관련 소트프웨어 툴, 현장 기기, 외부 시스템 간의 수많은 통신 프로토콜 구현이 가능합니다.

통신 프로토콜은 기기 간의 메시지 교환에 필요한 디지털 메시지 규칙과 포맷을 명시합니다. 이는 무선 또는 유선 통신 채널을 이용해 수행되며, 모든 복잡한 자동화 시스템에 필수입니다. 대부분의 최신 자동화 장비는 RS-485, PROFIBUS, EtherCAT PROFINET, CAN 제어, Ethernet/IP, PowerLink, PROFINET, Modbus, Modbus™ TCP/IP 등 서로 다른 종류의 프로토콜을 갖는 디지털 공유 통신 네트워크를 사용합니다.

센서, 다양한 컨트롤러(PLC, HMI, DCS), 액추에이터는 산업 자동화에서 가장 낮은 수준의 필드 기기입니다. 센서는 진단 정보를 전송하고, 컨트롤러는 그러한 조건부 제어 신호를 계산하여 이를 액추에이터에 전송합니다. PLC, 컴퓨터 시스템, 분산 제어 장치와 같은 산업용 컨트롤러는 제어 수준을 구성하여, 자동화 기기 구성, 모든 프로세스 변수 데이터 및 프로그램 데이터 로딩, 제어 감독, 정해진 변수 조절과 히스토리 기록 보관 등의 사무를 관리합니다.

이더넷은 "마스터-슬레이브"를 전제로 하는 네트워킹 기술의 일종입니다. 유선 네트워크는 빌딩 내부의 로컬 영역에 설치됩니다. TCP/IP 프로토콜이 있는 산업용 이더넷으로 구성된 제어 수준 네트워크는 제어 장치를 컴퓨터에 연결합니다.

근거리 통신망(LAN)은 원하는 특성을 실현하기 위해 통신 네트워크로 광범위하게 사용됩니다. 이더넷 데이터는 네트워크 내부의 여러 계층을 연결합니다. 물리적 계층과 유사한 기능을 하며, 커넥터 유형, 전기 신호, 신호 속도를 지정합니다.

이더넷 광역네트워크(WAN)는 공장 계획 및 관리 정보 교환에 흔히 사용됩니다. 이더넷 WAN은 산업용 게이트웨이를 사용하여 정보 수준 네트워크로 작동합니다. 무선 통신 기술은 유연하고 효율적인 자동화 솔루션에 적합하고 케이블의 단점 및 관련 유선 연결 문제를 피할 수 있습니다. 다중 통신 방식은 전송 포인트와 수신 포인트 사이의 간격에 따라 고려됩니다. 예컨대, 거리가 긴 경우에는 GSM 또는 CDMA를 채택하고, 짧은 거리에는 블루투스, 무선, HART Zigbee, Wi-Fi를 선택합니다. Wi-Fi는 대역폭이 높고 인터넷 프로토콜(IP) 네트워크와 쉽게 통합됩니다. 블루투스는 광범위한 처리량과 전력 소모 니즈를 해결합니다. 블루투스 저전력 기술은 수 개월에서 1년 동안 작동할 수 있는 충실한 배터리 구동 비콘으로부터 실내 위치 파악 기능을 제공합니다.

5G 네트워크는 커넥티드 제품(통신 기능을 갖춘 제품), 저에너지 프로세스, 협업 로봇, 통합된 제조 물류를 통해 제조 산업이 분산된 생산 조직으로 발전할 것으로 예상되는 산업 자동화 인프라에 핵심 자산입니다. 최종 사용자 엔티티 시스템은 네트워크 구조의 정점에 있으며, 5G 네트워크를 통한 엔드 투 엔드 통신 서비스를 사용합니다. 이러한 네트워크는 수직적 구조 내부 전반에 걸쳐 수평적 통신을 제공합니다.

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전원공급장치

산업용 전원 공급 네트워크는 지정된 한도 내에서 가용성이 높은 고정 24V DC 공급 전압을 제공합니다. 출력 전압은 AC 및 DC 네트워크, 최대 500V AC의 1상 및 3상 공급원을 포함하여 다양한 공급원으로부터 생산됩니다.

산업용 기계를 작동하기 위해, 일반적으로 프로그래머블 로직 컨트롤러, I/O, HMI 장치에 전력을 공급할 목적으로 고전압 AC에서 저전압 DC로 변환하는 등 다양한 전원이 필요합니다. 상업용 애플리케이션에서 사용되는 전원공급장치와 산업용으로 사용되는 전원공급장치 차이는 Class 1 Div 2(폭발 가능성이 있는 환경) 생산 시설 또는 -40°C ~ +70°C의 극심한 온도에서 사용되는 미션 크리티컬 애플리케이션에 있습니다.

스위칭 모드 전원공급장치(SMPS)와 선형 전원공급장치는 정전압 DC 전원공급장치를 제어하는 두 가지 주요 방식입니다. 효율이 높고 컴팩트한 경량 SMP는 더 작은 폼팩터, 통합형 ORing MOSFET를 통한 직접적인 병렬 연결이 특징입니다. 반도체 고속 스위칭을 사용하여 입력 AC 전력을 고주파 전력으로 변경합니다. SMPS는 기계적 신뢰성, 전기 안정성, 그리고 컴포넌트 및 보조 시스템을 위한 병렬 중복성을 개선하기 위해 특성이 업그레이드되었습니다. 이러한 요소 외에도, 산업용 전원공급장치는 스마트 팩토리와 인더스트리 4.0 이니셔티브의 진화하는 산업용 디지털 인프라를 위해 요구되는 기능에 대비할 수 있습니다.

AC-DC 전원공급장치와 DC-DC 컨버터는 다양한 크기, 용량, 형태 등 다양한 형식으로 제공됩니다. 엔드 애플리케이션은 제어 전자 장치, 배터리 충전, 통신 포트와 같은 하위 시스템의 다양한 전원공급장치, 전력 시스템, 절연 니즈를 지원하기 위해 AC/DC 및 DC/DC, 또는 비절연 부하 포인트 변환기를 조합해야 할 수 있습니다.

AC 전원공급장치와 DC/DC 변환기는 개방형 프레임, PCB 마운트, 섀시 마운트, 베이스 플레이트 냉각 또는 밀폐 형식으로 엔드 장비에 통합하거나, 특정 애플리케이션에 적합하게 엔지니어링할 수 있습니다. ZVS(제로 전압 스위칭)와 ZCS(제로 전류 스위칭) 공진 토폴로지 및 동기식 정류 방식 등의 개발로 인해 열 방출은 낮아지고 변환 효율이 높아집니다.

전원공급장치를 선택할 때는 위험한 환경에서 작동하기 위해 사이즈, 통합된 과전류 보호, 단락 보호, 과열 보호, 역률 보정 등 많은 요소를 고려해야 합니다. 산업용 전력 커넥터는 거칠고 극심한 환경에서 사용되는 장비에 안전하고 신뢰도 높은 전력을 제공하도록 설계됩니다. UL, CSA, VDE 표준 또는 EN 표준을 준수하는 다양한 전원공급장치를 제공합니다.

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안전 및 보호

회로 보호는 모든 산업 설비에서 필수입니다. 국내 규범을 준수하는 것과 손상 및 안전 문제를 야기할 수 있는 과도한 에너지로부터 장비, 프로세스, 사람을 보호하는 것이 중요합니다.

신뢰도 높은 보호 장치는 정상적인 기능을 방해하지 않고 시스템 환경을 유지, 모니터링합니다. 통합 보호 회로는 위험 사건 발생 시 신속하게 대응하는 견고하며 구현이 쉬운 고성능 솔루션을 제공합니다. 이러한 회로들은 컴팩트하고 에너지 효율적이며 장기간에 걸쳐 안정적인 작동을 보장하기 때문에 산업용 애플리케이션에서 매우 유용합니다.

과전류 또는 비정상적인 상태는 심각한 결과를 초래합니다. 그 결과에는 전도체 절연 고장, 장비 손상, 화재, 사용자 부상, 감전, 재산 손실 등이 포함됩니다. 장비가 최대 부하 등급으로 작동하거나 전도체가 잉여 전류에서 작동할 때 장비는 과부하 상태가 됩니다. 지속적인 과부하로 인해 위험할 정도로 높은 전도체 내의 높은 열 상태와 회로 부하가 축적될 수 있습니다. 회로 차단기는 그러한 위험 상황에 대비하는 용도로 사용됩니다.

단락은 전류가 회로의 풀로드 전류 등급을 초과하고 비교적 짧은 시간에 발생하는 과전류 상태를 나타냅니다. 이러한 유형의 오류 상태는 전류가 흐름 경로에서 벗어난 결과입니다.

퓨즈는 전기 또는 전자 회로에서 의도된 약한 링크 역할을 합니다. 전류에 민감한 이들 장치는 과전류 또는 과부하 조건에서 회로를 안정적으로 보호합니다. 정상 조건에서 퓨즈 부품 내부에 흐르는 전류는 정격 전류보다 작거나 같습니다. 어떤 오류 상태에서도 퓨즈 부품을 통과해서 흐르는 전류는 빠르게 상승하여 회로를 열게 됩니다.

정온도계수(PTC) 과전류 보호 장치는 온도 상승에 빠르게 대응합니다. 정상 조건 아래에서는 저항이 최소이기 때문에 회로에 미미한 영향을 미칠 뿐입니다. 과전류 상태에서 PTC 장치는 일반적인 낮은 저항 상태에서 높은 저항 상태로 전환하지만, 과전류 이후 상태에서는 장치를 정상적인 낮은 저항 상태로 "리셋"합니다.

서지(과도 전압)는 전기 장치 오류의 주 원인입니다. 과도 서지(transient surge)란 전력 흐름의 갑작스러운 상승을 의미합니다. 과도 서지는 많은 소스에서 발생하며, 가장 흔한 경우는 부하 스위칭 및 통상적인 장비 작동과 같은 내부적인 것입니다. 서지 보호 장치(SPD)는 보호 장비에 병렬로 연결되어 전압 서지 동안 몇 나노 초 동안 임피던스를 감소시키고 결과적으로 임펄스 전류를 우회시킵니다.

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