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산업IT 시장에서 컨트롤러의 진보와 PAC 선택 방안

산업IT 시장에서 다양한 오토메이션용 컨트롤러가 출현함과 더불어 그 기능과 성능이 점차 진보하고 있다. 자동차 제조라인과 같은 산업 제조 설비를 위해 개발된 PLC에 이어, PC 기반 제어시스템이 활발하게 현장에 적용되었다. 이제는 통합 컨트롤 시스템인 PAC가 각광받고 있다.

PAC란 무엇인가?
대부분의 산업 공정이 하드웨어에 내장된 릴레이 로직이나 아날로그 루프 컨트롤러에 의한 제어가 가능해 진 것이 불과 30년 전의 일이다. 30년 전 우주 왕복선의 3개 컴퓨터 시스템에 내장된 램이 100 킬로바이트 이하였고, 이를 통해 그 우주선 내의 복잡한 프로그램을 실행하였다. 불과 30년 전에는 PC와 같은 것은 없었다.

지난 30년 동안, 우리는 하드에 내장된 릴레이와 아날로그 컨트롤러로부터 아주 멀리까지 와 있고 컴퓨터는 당시의 사람들의 확신과 예상 그 이상으로 변화해가고 있다.

PLC가 먼저 개발되다
1979년대, 마이크로프로세서는 느리고, 비쌌으며 오류가 많았다. 메모리 또한 마찬가지였다. Bedford Associates(후에 Modicon)의 Richard Morley와 Allen-Bradley의 Otto Struger는 PLC(Programmable Logic Controller)라고 불리는 디바이스를 생산해냄으로써 자동차 산업에서 하드웨어에 내장된 릴레이 로직과 관련된 비용을 어떻게 줄일지에 대한 도전에 직면하였다.

“컴퓨터로 불리던 것을 컨트롤러라고 명명했지만, 사용자들은 놀라지 않았다.”라고 Morley는 회상하고 있다. PLC는 전기공들이 익숙해 했던 싱글 라인의 와이어링 다이어그램 플랜트와 유사한 “ladder programming”의 사용으로 하드웨어에 내장된 릴레이의 로직을 쉽게 복사할 수 있었다. 자동차 산업을 선두로, 비용절감에 뛰어난 장점을 지닌 PLC는 그 후 보편화되었다.

이로써 PLC는 개별 제조산업의 제어에 대변혁을 일으켰으며 동시에, 퍼스널 컴퓨터 또는 PC는 사무실과 기업의 제어에 있어서 대변혁을 일으켰다.

이어서 PC가 개발되다
30년 전, 오피스에서의 컴퓨팅은 미니컴퓨터와 메인프레임 시스템으로 이루어졌다. 대부분은 독립적으로 사용 가능했으나, 네트워킹 컴퓨터 시스템으로 나아가려는 시도도 있었다. 소프트웨어는 간단한 워드 프로세싱을 처리하는데 스프레드시트 비용은 라이센스(seat license)당 10,000달러를 초과했다. (다운로드하는데 비용이 들지 않는 오늘날의 개방형의 Open Office와는 대조됨) 메모리와 저장장치도 매우 비쌌고, 프리미엄이 붙기까지 했다. 이후, Apple, IBM과 다수의 제조업체들은 간단하면서도 저렴한 “퍼스널 컴퓨터”를 만들어내면서 1980년대 말까지, 퍼스널 컴퓨터가 기업을 점령하게 되었고, 1990년대 말쯤에는, 전세계적으로 비즈니스와 제조업 컴퓨팅의 표준이 되었다.

PAC가 개발되다
비용은 줄어들었고 메모리와 프로세서 파워는 증가하였으며, 시스템의 신뢰도가 중요하게 되었다. 즉, 한 대의 PC 싱글 보드 컴퓨터를 만드는 것이 PLC를 만드는 것보다 더 저렴하게 됐다. 이에 회사와 사용자들은 기존의 PLC를 대체하기 위해 PC의 유용성을 조사하게 되었다. 2000년대 초까지, 프로그램이 가능한 자동화 컨트롤러인 PAC(Programmable Automation Controller)를 집중적으로 실험했다. 산업분야 리서치 및 컨설팅 전문업체인 ARC의 Craig Resnick은 ladder-logic이 프로그래밍된 PLC를 대신하여 퍼스널 컴퓨터 형태의 구조를 가진 PAC의 명칭을 만들었으며 2002년에 그는 PAC는 다음의 기능을 포함한다고 서술하였다.

– 단일의 플랫폼상에 로직, 모션, 드라이브와 프로세스를 포함하는 멀티-도메인 기능

– 일반적인 태깅과 단일의 데이터베이스를 통합하는 단일의 플랫폼

– 여러 대의 장비나 프로세스 유닛이 교차하는 공정흐름에 의한 디자인을 허용하는 소프트웨어 툴

– 공장의 장비 배열에서부터 공정 플랜트의 유닛 운용에 이르는 산업 어플리케이션을 반영하는 오픈형의 모듈러 아키텍쳐

– 네트워크화된 다양한 제조업체 시스템의 부분으로서 데이터 교환을 허용하는 네트워크 인터페이스, 언어 등을 위한 사실상의 표준(의 채용)

어디에서 PAC를 사용합니까?
PAC는 오래되고 한계를 지닌 PLC의 설계에 비해서 상당한 장점을 가지고 있는데, 그 장점들은 다음과 같다.

– 더 상위 수준의 플랫폼과의 COTS (Commercial Off The Shelf)네트워킹

– 와이어가 필요 없고 필드버스형태의 연결성

– 멀티플 프로토콜을 통한 인터페이스

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– 뛰어난 프로세싱 속도와 수치연산을 위한 코프로세서가 있는 고속의 COTS CPUs

– DOS, 리눅스, Windows CE와 같은 COTS 운용 시스템의 사용

– 제한이 없는 메모리와 저장

– 하나의 플랫폼상에 HMI 기능

– 향상된 컨트롤 알고리즘

– 광범위한 데이터베이스 조작

– 통합된 커스텀 컨트롤 루틴

– 복잡한 프로세스 시뮬레이션

사실, PAC는 하드에 내장된 릴레이, 아날로그 컨트롤러와 PLC가 사용되고있는 거의 모든 어플리케이션에 사용할 수 있다. 초고속의 모션 컨트롤이 요구되는 곳에서나 계장 안전관리 기술 시스템(safety instrumented systems)용에서만 약간의 예외가 있을 뿐이다.

그리고 실재로 지난 10년간, PAC는 많은 어플리케이션에서 PLC를 대체하고 있다. 일부 PLC 제조업체는 PAC를 만들고 있고, 일부는 PAC에 대한 기준을 사실상 충족하는 PLC 디바이스로 분류하고 있다.

임베디드 컴퓨팅의 혁명
PAC는 “임베디드 컴퓨팅”이라 불리는 혁명의 한 부분으로 타이어에서 토스트기까지 거의 모든 장치의 내부 PAC에는 컴퓨터 디바이스 종류가 설치되어 있다. PAC는 산업용 자동화 컨트롤러로서 사용되는 임베디드 컴퓨터이다.

PAC는 임베디드 컴퓨팅에서의 사용을 위해 사용자의 용도에 맞는 상업용 운용 시스템을 사용한다. 이는 PAC가 단순히 산업용 자동화 시장만을 위한 것이 아니라, 전체 임베디드 컴퓨팅 시장의 성장에 영향을 주었고, 임베디드 컴퓨팅 제품의 개선과 개발 역시도 PAC의 성능에 즉시 반영되고 있음을 의미한다

OS도 선택할 수 있다
PAC는 도스(DOS)나 윈도우즈 기반의 운용 체제와 사용이 가능하며, 리눅스(Linux) OS와도 함께 사용된다. 여전히 도스는 도스는 다른 운용체제보다 큰 장점을 지닌 운용체제로 평가되고 있다. 우선, 도스는 윈도우즈와 리눅스처럼 빠르게 업데이트되고 있지 않기 떄문에, 도스를 기반의 PAC도 업데이트나 패치에 의한 잠재적인 손상이 없다. 또한, 도스는 좀 더 비용 효율적이며, 엔드유저나 머신 빌더의 낮은 전력 요구사항을 만족시키며, 열 손실에 대한 요구사항도 엄격하지 않다. 팬리스 PAC의 운용은 도스 기반의 PAC로 구동하는 것이 좀 더 쉽다.

이에비해, Windows CE 기반의 PAC는 어플리케이션, 주변장치 및 네트워킹에 대한 일반적인 윈도우즈 성능의 대부분에 영향을 줄 수 있다. 윈도우즈는 사용자가 터치 패널이나 평면 모니터를 컨트롤러의 VGA 포트로 연결할 수 있다. PAC는 때때로 동일한 하우징에 디스플레이와 컨트롤러가 탑재된 복합 유닛으로 조립되기도 한다.

사용자는 컨트롤러상에 패널 소프트웨어를 설치할 수 있고 터치 스크린 대신에 비용이 저렴한 평면 패널을 사용할 수도 있다.

PAC OS용으로 Windows CE의 사용은 이더넷 네트워킹을 포함하여 USB 연결 등 도스에서는 허용하지 않는 특수 모듈의 사용이 가능하다.

PAC 선택하기
PAC를 선택하는 것은 PLC나 데스크탑 PC를 선택하는 것과 같다. 사용자는 하드웨어와 운용 체제를 선정해야 하고, 함께 구동될 주변장치를 선택해야 한다. 이어서 PAC상에서 작동 될 어플리케이션을 선택하거나 만들 수도 있다.

사용자는 원하는 PAC 플랫폼의 선택 시 다음과 같은 사항을 고려해야 한다. 저전력 운용이 필요한지, 아니면 통풍이 필요한 곳인지, 팬 쿨링이 적합하지 않는 위치인지 등 어떠한 환경에서 PAC가 사용될 것인지에 대한 사전 조사이다.

도스 기반의 PAC를 원하는지 아니면 터치스크린 사용을 할 수 있는 더 나은 기능과 성능을 위해서 Windows CE를 탑재하기를 원하는지 아니면 그 외의 다른 윈도우즈 기반의 HMI를 원하는지 결정해야 한다.

또한, 어떤 종류의 I/O가 필요한지, 또 얼마나 필요한지도 계산해 두어야 한다. 이것이 플랫폼 선택과 OS 및 주변장치의 선택에 영향을 주기 때문이다. 디지털 입출력, 아날로그 입출력의 정확한 수를 고려하여 PAC를 선정한다.

예를 들어, 버튼, 센서 및 스위치와 같은 것은 수를 헤아려서 얼마나 많은 디지털 입력이 필요한지 파악해야 한다.

이러한 디지털 입력들은 PAC의 팬, 라이트, 모터 의 수를 좌우하는 근거가 될 것이며, 그 수를 계산해서 얼마나 많은 디지털 출력이 필요한지 파악해야 한다. 또한, 사용자가 전압, 전류 또는 온도를 측정하고자 한다면 아날로그 입력이 필요하고, 써모커플이나 RFD 모듈로 쓰일 것이다. 모터의 속도나 컨베이어의 속도의 제어를 위해서도 아날로그 입력이 필요하다.

또한, 사용자 시스템의 확장가능성도 확인해야 한다.

PAC는 특별한 운용을 수행하는 성능을 지니고 있으며, 특수 모듈을 호스트 할 수도 있다. 모션 컨트롤, 카운터 모듈, 추가 메모리 및 맞춤형 I/O 모듈을 포함하는 특수 모듈이 이러한 종류의 예이며, 이런 전체 운용을 제어하는 1개의 컨트롤러와 1개의 운용 시스템이 필요하다.

하드웨어를 결정했다면, 소프트웨어를 결정해라
PAC 시스템에는 3가지 형태의 소프트웨어가 있다. 첫째는 운용 시스템이고, 둘째는 프로그래밍 소프트웨어, 마지막은 PAC상에서 구동될 어플리케이션 소프트웨어 프로그램이다.

PLC에 친숙한 대부분의 사람들은 ladder나 IEC 61131-3 프로그래밍 언어중의 하나를 이용하고 있으며, 퍼스널 컴퓨터에 친숙한 대부분의 사람들은 보통 Visual Basic, C++, Visual C 와 그 외의 고차원 프로그래밍 언어로 프로그래밍하는데 익숙해져 있다. 즉, 다시 말해 PLC에 사용되는 ladder로 프로그래밍을 다룰 수 있는 프로그래머들보다 PAC의 고차원 프로그래밍 언어에 친숙한 프로그래머의 수가 많다는 것이다.

동시에, ladder나 statement list 또는 FBD와 같은 PLC 중심의 프로그래밍 언어를 사용할 수 있게 되는 것도 유용하다. 1개의 PAC는 두 종류의 프로그래밍이 가능하다.
PAC는 SCADA 시스템내의 RTUs (remote terminal units)으로서 사용가능하며, HMI 자체로 작동될 수 있고, 분산 네트워크 컨트롤 시스템에서 peer-to-peer 노드로도 사용할 수 있다.

Windows CE 기반의 PAC는 산업 등급의 이더넷 스위치를 사용해서 표준 이더넷 네트워크로 쉽게 통합될 수 있도록 디자인되었다.

윈도우즈 기반의 PAC를 사용하면 COTS (Commercial off the Shelf) 프로그램과 어플리케이션을 프로세스 컨트롤러로서 운용하는 동일한 장비상에서 구동할 수 있다는 것이다. 기존의 PLC를 사용하면서, 그 PLC의 디자인이 크게 중요치 않은 곳에서는 data historian과 HMI를 PAC와 쉽게 통합할 수 있다.

지난 10년간, PAC는 COTS 하드웨어 및 소프트웨어상에서 그 위치를 입증하였고, 보다 더 견고하고 신뢰성이 있는 제품으로 진화하였다. 사실상 외관적으로 PLC와 PAC의 차이점을 구별해내는 것이 쉽지 않으며, 내부에 내장된 PAC의 장점을 알아야 우리는 PAC의 뛰어난 성능을 알 수 있다.

제공_ 어드밴텍코리아 www.advantech.co.kr

아이씨엔 매거진 2009년 02월호

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