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[칼럼] 과충진(overfill) 방지 어플리케이션을 위한 올바른 레벨 측정

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퍼베이시브 센싱

위험 물질을 저장하는 기업들은 강력한 과충진 방지 시스템(overfill prevention system, OPS)에 투자하고 현재의 안전 규정을 준수하는 것이 필수적이다. 실제로 플랜트내 탱크와 베셀의 과충진은 오래전부터 심각한 사건의 주요 원인이며 여전히 매일 수백 건의 과충진이 사고가 발생하고 있다. 과충진이 발생한다는 것은 작업자의 부상 및 사망 위험성, 막대한 자산 손실은 물론 환경 문제로까지 확산될 우려가 크기 때문에 그만큼 과충진 방지 기술이 중요하다. [편집자 주]

에머슨 플랜트

(이미지. emerson)

탱크와 베셀(Vessel)의 과충진은 오래전부터 공정 및 대용량 액체 화물 저장 산업에서 심각한 사건의 주요 원인으로, 우려스럽게도 여전히 매일 수백 건의 과충진이 발생하고 있습니다(미국 환경보호국, 2014년). 관련 물질이 주로 위험하고 가연성이며 폭발성을 띠는 경우마저 있기에, 과충진이 발생한다는 것은 부상 및 사망 위험성, 막대한 자산 손실, 환경 문제를 의미합니다. 이러한 사건으로 소요되는 비용은 때때로 수십억 달러로 환산될 정도이며, 이어지는 역풍과 법적 분쟁으로 기업의 명성이 심각하게 훼손될 수 있습니다.

위험 물질을 저장하는 기업들은 강력한 과충진 방지 시스템(overfill prevention system, OPS)에 투자하고 현재의 안전 규정을 준수하는 것이 필수입니다. IEC 61511은 공정 업계에서 현대적인 OPS를 시행하기 위한 최선의 모범 사례를 제시합니다. 또한, API 2350표준은 비가압식 육상 대용량 석유 저장 탱크의 특정 용도에서 현대식 모범 사례를 준수하는 최소 요구 사항을 제공합니다.

독립 방호 계층
과충진 위험을 최소화하려면 다수의 독립 방호 계층을 구축해야 합니다. 1차 계층은 기본 공정제어시스템(Basic Process Control System, BPCS)으로, 생산 공정을 모니터링하고 제어합니다. BPCS가 정상적으로 작동하면 다른 계층들이 활성화되지 않습니다. 두 번째 계층은 안전 계층(일반적으로 OPS)인데, BPCS와 분리, 독립적으로 운용되어 이중화를 제공합니다. 안전 계층은 BPCS가 오작동하거나 문제가 발생한 경우, 과충진 사고의 발생을 방지하는 안전 시스템입니다. 다음 계층은 수동 방호 계층으로, 다이크 또는 콘크리트 벽과 같은 2차 봉쇄입니다. 마지막으로 비상 대응 계층은 응급 서비스에 알리는 역할을 합니다.

과충진 방지 또는 완화에 사용하는 다양한 방호 계층 (이미지. emerson)

과충진 방지 또는 완화에 사용하는 다양한 방호 계층 (이미지. emerson)

수동 및 자동 방지시스템
안전계층내에는 두 가지 기본 유형이 있습니다. 바로, 수동 과충진 방지시스템(Manual Overfill Prevention Systems, MOPS)과 자동 과충진 방지시스템(Automatic Overfill Prevention Systems, AOPS)입니다. MOPS는 구현하기 쉽고 덜 복잡하며 초기 비용이 낮습니다. 일반적으로 시청각 알람을 운영자에게 전송하는 레벨 센서 또는 스위치로 구성되어, 해당 알람을 받은 운영자가 직접 과충진 방지를 위한 밸브의 수동 개방 또는 차단과 같은 적절한 조치를 취합니다.

사람이 하는 일이라 신뢰성이 떨어지기 때문에 MOPS의 위험성 완화 요소는 제한적이며, 상당한 이점을 지닌 AOPS로 교체하는 경향이 있습니다. AOPS의 장점으로는 높은 위험성 완화요소, 짧은 응답시간, 운영자의 업무량 감소 등이 있습니다. AOPS는 일반적으로 레벨 센서, logic solver, 자동화 밸브 기술 형태의 최종 제어 요소로 구성되어 있습니다.

과충진 방지 솔루션들 중에도 ‘어디에나 꼭 맞는 전천후’ 레벨 측정 기술과 시스템은 존재하지 않습니다. 어플리케이션은 고유의 문제점과 기준이 있으므로 아래 소개하는 기술 중에서 적절한 기술을 선택하는 것이 중요합니다.

전자 기계식 플로트(float) 및 디스플레이서(displacer) 스위치
포인트 레벨, 인터페이스, 밀도 어플리케이션에 사용되며 유체의 디스플레이서 부력이 주요 측정 원리입니다. 디스플레이서의 유동적인 부품들은 자주 세정 및 교체해야 합니다. 기계적인 진동과 난류의 영향을 받아 기계 부품들이 잘못된 리딩을 나타낼 수 있고 유지보수 비용이 높을 수 있습니다. 디스플레이서는 더 정확한 진단 기술을 제공하고 신뢰성 높으며 유지보수 비용이 낮은 현대적인 전자 기술로 점차 대체되고 있습니다.

진동 포크 스위치
음차(tuning fork) 개념을 사용하는 포인트 레벨 기술입니다. 포크 모양의 소리굽쇠(prong) 두 개를 공정 베셀에 담그면 내부 압전 크리스탈 오실레이트는 고유 주파수대로 진동하게 합니다. 소리굽쇠를 중간 매체(medium)에 담그면 이 주파수가 다양하게 나타납니다. 변화가 나타나면 전자적으로 감지하여 효과적으로 유체의 유무를 감지할 수 있습니다. 움직이는 부품이 마모되거나 엉겨붙을 위험이 없으므로, 진동 포크 기술은 다른 기술에 비해 고장을 일으킬 가능성이 낮습니다. 유체, 난류, 기포, 거품, 진동 및 밀도 변화 등에 거의 영향을 받지 않으므로 신뢰성이 높습니다.

유도파 레이다(GWR)
이 기술에서는, 저에너지 마이크로파 펄스가 공정 매질 안에 잠긴 프로브(probe)를 따라갑니다. 마이크로파가 제품 표면에서 트랜스미터로 반사되면 레벨이 계측됩니다. 방출된 펄스의 일정 비율은 계속 프로브를 따라가므로 계면(interface) 또한 감지됩니다. 유도파 레이다 트랜스미터는 설치가 간단하고 매체의 밀도나 절연성, 전도성 변화에 따른 보상이 필요하지 않습니다. 압력, 온도, 그리고 대부분의 증기 공간 조건 변화는 측정 정확도에 영향을 주지 않습니다. 이 기술은 심한 난류나 진동에 영향을 받지 않고 빌드업(build-up) 역시 영향을 끼치지 않으므로 재보정이 필요하지 않습니다. 움직이는 부품이 없으므로 유지보수 필요성도 매우 적습니다.

비접촉식 레이다(NCR)
NCR 레벨 게이지는 펄스 레이다 또는 주파수 변조 연속파(Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW) 기술로 계측을 합니다. 펄스 레이다는 마이크로파를 공정 매질 방향으로 방출하여 센서로 반사되게 하는데, 레벨은 마이크로파 신호 송신과 수신 사이에 걸린 시간에 정비례합니다. FMCW를 이용하면, 레이다가 계속해서 바뀌는 주파수로 연속적인 신호 소인(sweep)을 전송합니다. 반사된 신호의 주파수는 전송한 신호의 주파수와 비교합니다. 송신과 수신의 주파수 사이의 차이는 레이다에서 표면까지 거리에 비례하므로, 레벨이 측정됩니다. 이 기술은 밀도, 점도, 전도도와 같은 공정 조건에 영향을 받지 않고 코팅과 증기에도 거의 영향을 받지 않습니다. 설치와 시운전이 쉽고 매질과 접촉하지 않고 레이다에 움직이는 부품이 없어 유지보수가 거의 필요 없습니다.

투인원 기술
투인원 기술을 탑재한 비접촉식 레이다 레벨 게이지는 BPCS와 OPS에서 동시에 사용될 수 있습니다. 이 기술은 에머슨의 Rosemount™ 5900S 투인원 레이다 레벨 게이지에 적용되었는데, 두 개의 분리되고 독립된 전자 유닛과 공통의 안테나로 구성되어 있습니다. 각각의 케이블 트레이에 케이블로 연결하면 레벨 측정 및 OPS에도 하나의 게이지를 사용할 수 있으며 IEC 61511과 API 2350 두 가지 기준에 모두 부합합니다. 이 솔루션을 이용하면 하나의 BPCS 또는 AOPS 센서를 두 개의 연속적 레벨 측정기로 대체해 기존 탱크의 안전성을 비용 효율적으로 개선할 수 있으며, 하나의 오프닝만 필요하기 때문에 탱크 수정(modification)도 거의 필요하지 않습니다.

진단 및 검증 시험(proof-testing)
진동 포크 스위치, 유도파 레이다, 비접촉식 레이다들은 모두 막강한 자체 진단 기술을 탑재하고 원격으로 부분적인 검증 시험(proof-testing)을 수행 가능하기 때문에 기존의 오래된 기계식 기술에 비해 큰 장점이 있습니다. 장비 상태를 모니터링하면 과충진 발생 시 제대로 작동할 것임이 보장되고 부분적인 검증 시험을 원격으로 시행하면 시간을 아끼고 작업 효율을 증진할 수 있습니다.

Petroleum Storage Tanks

Petroleum Storage Tanks on Petrochemical Plant (image. emerson)

일반적인 어플리케이션
과충진 방지 계측이 도입된 공정 및 대량 액체 화물 저장 업계에는 일반적으로 세 가지 어플리케이션 형태가 있습니다. 공정 어플리케이션 내의 공정 베셀과 저장 탱크, 그리고 대량 유체 취급 업계에서 사용하는 저장 탱크입니다. 각각 서로 다른 문제점을 직면하고 있으며, 가장 적합한 과충진 방지 기술 역시 저마다 다릅니다.

1) 공정 베셀(process vessels)
공정 베셀은 유체의 준비, 혼합, 분리, 증류, 반응, 냉각 및 정제 등을 포함하여 특정 산업공정 또는 전체공정의 일부가 이루어지는 장소입니다. AOPS에 어떤 기술을 사용할 것인지는 베셀의 모양, 크기, 설계에 따라 달라집니다. 예를 들어, 원뿔형 탱크 레벨 센서는 꼭대기에 설치하는데, 유도파 레이다 트랜스미터나 비접촉식 레이다 게이지, 진동 포크 스위치 중에 선택할 수 있습니다. 교반기(agitator), 열교환기 및 챔버를 이용하는 다른 내부 구조물들의 경우, 레벨 측정 면에서 제한적입니다. 이러한 어플리케이션에는 유도파 레이다 트랜스미터를 추천합니다. 측면에 설치하는 솔루션을 이용해야 한다면 진동 포크 스위치가 이상적입니다.

고온의 증기가 탑을 통해 솟아오르는 증류탑의 경우 각기 다른 온도에서 여러 가지 성분이 응축하고 축적물을 회수해야 합니다. 여러 개의 챔버가 필요하며 AOPS에는 유도파 레이다 트랜스미터가 흔히 쓰입니다. 블렌딩(혼합) 탱크에는 교반기가 있으며, 탱크 내에 삽입하는 센서에 제약을 가합니다. 이 경우, 상단에 장착하는 NCR이 일반적으로 AOPS 센서를 위한 적절한 솔루션입니다. 이런 어플리케이션에서는 유체가 튀고 레벨이 빠르게 변하며 볼텍스와 거품이 흔히 일어나기 때문에, 현대적인 고성능의 레이다 장비를 선택하는 것이 중요합니다. 일반적으로 3단계 중복성을 갖춘(triple redundancy) 보일러 드럼 어플리케이션에서는 AOPS에 SIL 3 유도파 레이다 트랜스미터(공정 상태 변화에 영향을 받지 않음)가 요구됩니다.

2) 탱크 모니터링 시스템
탱크 모니터링 시스템 어플리케이션에는 다수의 소형 또는 중형 베셀로 구성된 어플리케이션이나 5~20개의 탱크가 있는 소형 탱크팜이 포함되며, 레벨 모니터링을 위한 자동화 시스템이 필요하지만 자동화 제어 시스템까지 필요하지는 않습니다. 이러한 시스템들은 수동 계측을 없애서 업무량을 줄여주고 작업자가 탱크에 직접 갈 필요성도 줄여 작업자의 안전성을 증진합니다. 탱크 모니터링은 일반적으로 총 부피 계산을 포함하지만 재정적 측정(fiscal measurement)은 들어가지 않습니다. 이러한 어플리케이션을 위해 추천되는 과충진 센서는 단독 베셀 어플리케이션에 쓰이는 센서와 같은 것입니다. 알맞은 센서를 선택하려면 탱크와 오프닝, 저장된 유체 등에 따라 결정해야 합니다.

3) 대용량 유체 보관
대용량 유체 보관 어플리케이션에서는 레벨을 측정하고 재고를 측량하는 목적으로 자동 탱크 게이지(Automatic Tank Gauging, ATG) 시스템이 BPCS로 많이 사용됩니다. 이 시스템들은 측정되는 유체의 가치 때문에 이례적으로 정확한 레벨 계측을 위해 레이다 기술을 사용합니다. 레벨에 작은 오차만 있어도 유체의 양에서 수천 갤런의 오차가 생기게 됩니다. 대용량 유체 저장 탱크를 위한 AOPS는 대체로 비접촉식 레이다 게이지와 logic solver, 액추에이터로 구성되어 있습니다. 비접촉식 레이다 대신 진동 포크 스위치 또는 유도파 레이다 트랜스미터를 사용할 수도 있습니다. 대용량 저장 탱크들 중에는 플로팅 루프(floating roof) 탱크가 많은데, 이에 따라 레벨 측정과 과충진 방지 솔루션에 특정한 기준이 생기게 됩니다. 최선의 방법은 높은 정확도를 요구하는 스틸(still) 파이프를 통해 계측하는 것으로 정확성을 위해 비접촉식 레이다를 사용하는 것입니다. 탱크에 스틸 파이프가 없다면 지붕 관통(shoot the roof) 옵션을 사용하는데, 루프 꼭대기에 반사 금속 타깃을 설치하여 레이다 빔을 포착하는 것입니다.

마치며
효과적인 과충진 방지 시스템은 리스크를 확실히 줄이고 안전 규정 준수를 보장하지만 ‘어디에나 꼭 맞는 전천후’ 레벨 측정 기술은 없으므로 어플리케이션과 고유의 문제점을 이해하는 것이 필수적입니다. 광범위한 레벨 측정 솔루션을 제공하는 자동화 솔루션 공급자들은 사용자가 알맞은 기술을 선택, 설치 및 시행하는 것을 돕기 위해 기다리고 있습니다.

글_ 크리스토퍼 비달(Christoffer Widahl), 에머슨(Emerson) 시니어 전략 제품 매너저

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프로세스 최적화.. 최적의 성능을 위해 튜닝된 제어 루프

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프로스세 최적화 (B&R)

공장과 기계는 일단 가동되고 운영되기 시작하면 최적의 성능을 유지하기 위해 지속적으로 세심히 관리해야 한다. 그러나 많은 PID 컨트롤러는 “한 번 설정하면 잊혀지는” 존재가 된다. 이러한 컨트롤러들을 지속적으로 점검하고 조정하는 일은 한 마디로 지나치게 시간 장비적이다. 만약 사용자 제어 루프의 성능을 감시하고 필요한 경우에 목표로 하는 조정을 수행하는 기성품 소프트웨어 컴포넌트를 갖추고 있다면, 상황은 크게 달라진다.

프로스세 최적화 (B&R)

프로스세 최적화 (B&R)

 

많은 플랜트는 필요한 이중화를 제공하기 위해 바로 옆에서 운전되는 복수의 유사한 생산라인을 갖추고 있다. 이들 라인은 동일한 제품을 생산하기는 하겠지만, 일반적으로 상이한 공급자들로부터의 기계와 컴포넌트로 구성되어 있다. 그러나 플랜트 조작자의 가장 큰 관심은 결과뿐이다. 유사한 생산 라인이 생산성에서 현저한 차이를 보이기 시작하면 그 이유를 찾아내기 위한 조사가 시작된다. B&R의 프로세스 자동화 사업 부장인 Martin Reichinger는 말한다. “이러한 조사에서 너무나 흔히 간과되는 것은 생산 라인을 구성하는 개별 기계들입니다.”

이것은 개별 기계 수준에서 데이터를 분석하는 능력은 상대적을 최근에 개발된 것이라는 사실과 관련이 있다. 그러나 오늘날의 기술은 기계의 내부 작동에 대한 전적으로 새로운 수준의 통찰을 제공한다. “첨단 컨트롤러를 이용하면,” Reichinger는 말한다. “사용자는 그것이 열교환기든 원심 펌프든 모든 제어 루프와 모든 기계에 용이하게 접근할 수 있습니다. 또한 이들의 성능을 상시적으로 최적화하는 것이 가능합니다.”

모든 것은 상대적

압력이나 온도와 같은 것을 조절하기 위해 PID 파라미터를 설정할 때, 엔지니어는 전통적으로 교육받은 바와 같은 추측과 경험적 원칙에 의존해왔다. “그 결과 모든 제어 루프의 3분의 2는 안정적이기는 하지만 최적으로 튜닝되지 않은 상태에 있습니다.” Reichinger는 말한다. 이것은 현저한 개선의 여지를 남긴다. “그러나 사용자가 해야 할 일이 모두 단일 PID 컨트롤러 수치 조정뿐이라고 하더라도, 어느 것이 문제의 원인이 되는 컨트롤러인지 추론하는 데도 어려움이 있을 것입니다.” 자동화 전문가는 이렇게 지적한다. 그러나 두 개의 유사한 기계나 시스템을 비교할 수 있다면 관련된 특정 프로세스에 관한 지식이 없다 하더라도 작업은 훨씬 더 손쉬울 것이다.

이러한 유형의 비교를 기반으로 하는 평가 방법은 제어 성능 감시(control performance monitoring: CPM)라고 알려져 있다. CPM 모듈은 B&R의 “고급 프로세스 제어(advanced process control: APC)” 솔루션에 포함되어 있다. APROL APC는 독립적 솔루션으로써 혹은 B&R APROL 자동화 플랫폼의 통합 컴포넌트로 이용될 수 있다. CPM 제어 모듈은 또한 OPC UA를 통해 외부 시스템에 연결될 수 있기 때문에, 다른 현장으로부터의 데이터를 비교하는 것도 가능하다.

다변수 제어는 단일 변수 컨트롤러와 대조적으로 상호의존성(interdependencies)을 고려한다.

다변수 제어는 단일 변수 컨트롤러와 대조적으로 상호의존성(interdependencies)을 고려한다.

PID 루프 평가를 위한 매트릭스
B&R의 CPM 솔루션은 다양한 매트릭스를 기반으로 PID 루프를 평가하고 효율적인 튜닝 방식을 이용하여 루프 설정을 최적화하는 것을 가능하게 한다. 그러한 방식 중 하나는 자산 감시(asset monitoring)이며, 이것은 열교환기의 오염이나 원심 펌프의 캐비테이션을 식별할 수 있다.

Reichinger의 팀은 CPM 솔루션을 위한 여러 가지 유용한 보고 도구를 개발하였으며, 여기에는 단일 PID 루프에 초점을 맞춘 루프 보고서와 복수의 로프나 전체 플랜트의 개관을 제공하는 플랜트 보고서가 포함된다. “이들 보고서를 보면 어느 파라미터가 두드러지는지를 알 수 있습니다.” Reichinger는 말한다. “이들 보고서는 사용자의 PID 설정 품질에 관한 명확한 명세를 제공합니다.” CPM 솔루션은 또한 조작자가 몇 번 개입해야 했는지 그리고 얼마나 자주 제어 루프가 한계 값에 도달했는지도 보여준다.

최소한의 개입으로 최적화
일단 CPM을 이용하여 최적화에 대한 가능성이 확인되면, B&R의 APC 라이브러리는 자동적으로 제어 루프가 작동하는 방법을 결정하고 최적의 PID 파라미터를 계산하기 위해 상이한 방법을 적용하는 몇 가지의 튜닝 블록을 제공한다. “전통적으로 사용자는 상이한 I 또는 D 값을 사용하면서 무슨 일이 일어나는지를 살펴보아야 했습니다.” Reichinger는 설명한다. “그러나 당사의 블록을 이용하면 그러한 작업은 더 이상 필요하지 않습니다.” 블록 중 하나는 유한 주파수 방식(finite-frequency method)을 기반으로 하는 튜닝을 허용한다. “이 방식의 장점은 매우 작은 여기(勵起) 신호를 이용하여 컨트롤러를 최적화할 수 있다는 점입니다.” Reichinger는 지적한다.

변조를 위한 ±0.5%의 진폭만으로도 잘 튜닝된 PID 컨트롤러를 얻는 데 충분하다. 상이한 생산 프로세스는 상이한 유형의 제어 루프를 필요로 한다. 분할 범위(split-range) 루프와 교차(alternating) 루프 그리고 그 밖에도 많은 종류의 루프가 있다. “아무런 사전 준비 없이 이러한 컨트롤러를 개발하려면 많은 작업이 요구됩니다.” Reichinger는 말한다. B&R은 고전적 PID 컨트롤러에 대한 부가물로써 작동하는 다양한 제어 기능을 개발함으로써 이 과정을 단순화하였다. 예를 들어서 운전 지점을 기반으로 자동적으로 PID 파라미터를 조정하는 컨트롤러를 구현하기 위해 이득 스케줄링(gain scheduling) 기능을 이용할 수 있다. 이들 제어기능은 튜닝 블록들과 함께 APC 라이브러리에 열거되어 있다.

MPC는 PID 컨트롤러와는 달리 사용자가 넘는 것이 허용되지 않는 한계 값을 정의하는 것을 허용한다. 그러나 어떻게 하여 이것이 가능한가? “MPC는 장래에 수치가 어떻게 진행되는지를 지속적으로 계산하기 위한 프로세스 모형을 이용합니다.” Reichinger는 설명한다. 이것은 컨트롤러로 하여금 값이 한계를 넘어설 위험이 있을 때 조기에 그 위험을 결정하고 넘어서기 전에 필요한 보정을 수행하는 것을 가능하게 한다. “공정 정지는 거의 전적으로 일어나지 않도록 할 수 있습니다.” 한계를 초과하는 것을 효과적으로 보장함으로써 프로세스로 하여금 운전 한계에 가깝게 실행되는 것을 가능하게 한다.

유연한 솔루션 패키지

APROL APC의 정교한 제어 알고리즘은 프로세스 제어 시스템을 사용하는 사람들에게만 이용될 수 있는 것은 아니다. 이들은 산업용 PC 상에 미리 설치된 독립형 솔루션으로써 기존 공장에서도 구현될 수 있으며, 이의 사용에는 전문적 지식이 요구되지도 않는다. 동일한 산업용 PC를 Edge Controller로써 이중화하여, 분석과 그 밖의 서비스를 위해 데이터를 취합하고 보다 높은 수준의 시스템으로 혹은 클라우드까지 전송하는 것이 가능하다.

고급 프로세스 제어에 의해 제어변수가 그의 운전 한계에 더 가깝게 운영되는 것이 허용된다.

고급 프로세스 제어에 의해 제어변수가 그의 운전 한계에 더 가깝게 운영되는 것이 허용된다.

 

최적화된 제어 루프를 통한 보다 높은 효율
현대 기술에 의해 제어 루프와 생산 자산을 지속적으로 감시하고 그의 성능을 적응시키는 것이 용이해졌다. 이것은 조작자로 하여금 최적의 제어 설정을 유지하고 프로세스를 그의 한계에 가깝게 운영하는 것이 가능하게 한다. “최적화된 제어 루프는 계획되지 않은 정지 시간을 방지하고, 기계와 플랜트의 운전을 보다 효율적이고 수익성 있게 만듭니다.” Reichinger는 말한다.

그들의 제어 성능을 수 년간 유지하기 위해, 프로세스는 지속적인 감시와 유지가 요구된다.

그들의 제어 성능을 수 년간 유지하기 위해, 프로세스는 지속적인 감시와 유지가 요구된다.

 

운전 한계의 정의
제어 루프가 다른 변수와 상호작용하는 복수의 변수를 갖는 경우에 고전적인 PID 컨트롤러만으로는 충분하지 않다. “그럼에도 불구하고 많은 개발자들은 고전적 PID 컨트롤러를 이용하는 것을 시도하고 있습니다.” Reichinger는 말한다. 이렇게 하면 최적과는 거리가 있는 제어 성능으로 이어질 뿐만 아니라, 어느 수치 하나를 통제할 수 없게 되면 전체 기계나 플랜트의 정지를 가져올 수 있다.

“이러한 경우에 다변수 컨트롤러(multi-variable controller)를 이용하면 현저히 더 나은 결과를 얻을 수 있습니다.” Reichinger는 주장한다. 바로 그 이유로 B&R은 모형 예측 컨트롤러(model predictive controller: MPC)를 개발하였으며, 이것은 각각 10개까지의 복수의 제어 외란과 조절 변수를 지원한다. Reichinger에 따르면, MPC는 실제로 경험적으로 설정되어야 하지만, 그 작업은 관리 가능하다고 한다. “자동화 엔지니어는 페이스플레이트(faceplate)를 이용하여 단순히 원하는 전송 거동을 선택하고 몇 개의 파라미터를 설정합니다. 몇 차례의 최적화 작업과 함께 MPC가 최적 상태로 실행되도록 하는 것이 가능합니다.” 지금까지 MPC 컨트롤러의 도입은 몇 가지 인상적인 결과를 도출해왔다. “일 주일에도 몇 번씩 돌발적으로 계획되지 않은 정지를 경험해온 플랜트가 MPC로 전환한 후에는 몇 개월씩 원활하게 운전되고 있습니다.” Reichinger는 회상한다.

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산업용사물인터넷

시만텍, 산업제어시스템 보안에 인공지능을 더하다

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시만텍 ICSP 뉴럴 작동 프로세스

시만텍, 업계 최초 산업제어시스템 보호를 위한 AI 기반 ‘시만텍 ICSP 뉴럴’ 솔루션 발표

시만텍(www.symantec.com/ko/kr)은 산업제어시스템(ICS)의 운영기술(OT: operational technology)을 겨냥한 사이버 공격의 심각한 물리적 피해를 방지함으로써 기업이 핵심 인프라를 보호할 수 있도록 지원하는 업계 최초의 신경망 통합 USB 스캐닝 스테이션 ‘시만텍 ICSP 뉴럴(Industrial Control System Protection Neural)’을 발표했다.

회사측은 “운영기술(OT)은 에너지, 석유/가스, 제조 및 운송과 같은 산업에서 절대적으로 필요하지만, 기존 시스템은 오래된 경우가 많고, 전통적인 엔드포인트 보안으로 안전하게 보호하는 것은 거의 불가능하다.”고 진단했다. 또한 “기업들은 대개 검사하지 않은 USB 기기를 이용해 이러한 시스템을 업데이트하고 있어 악성코드 감염과 표적공격의 가능성을 높이고 있다.”고 설명했다.

사이버 전쟁의 위협은 물리적 피해와 개인의 안전을 포함해 매우 실제적이고 치명적인 결과를 가져올 수 있다. 그럼에도 불구하고 핵심 기반 시설에 전력을 공급하는 산업제어시스템(ICS)은 종종 오래된 윈도우 시스템에서 실행되고 있어 알려진 위협이나 알려지지 않은 위협에 취약한 상태이다. 예를 들어, 시만텍이 발견한 악명 높은 스턱스넷(Stuxnet) 웜은 USB 기반 악성코드를 이용해 이란 원전에 있는 원심분리기를 조작했고, 이는 궁극적으로 이란 핵 프로그램의 핵심 요소를 파괴한 것이었다. 이러한 유형의 위협에 대응하기 위해 미 정부는 2018년 5월 사이버 사령부(Cyber Command)를 통합 전투 사령부로 격상시켰다.

시만텍 ICSP 뉴럴은 인공지능(AI)을 이용해 USB 기기에서 악성코드를 탐지하고, 대응함으로써 IoT 및 OT 환경을 겨냥한 알려진 공격은 물론, 특히 취약할 수 있는 알려지지 않은 공격을 차단한다. ICSP 뉴럴 스테이션은 USB를 통한 악성코드 감염을 검사 및 탐지하고 USB 기기를 깨끗한 상태로 유지시킨다. 기존에 ICSP를 구축한 경우를 보면, 검사 결과 USB 기기의 최대 50%가 악성코드에 감염된 것으로 나타났다.

이석호 시만텍코리아 대표는 “USB 기기는 행사장에서 경품으로 제공되고 동료 직원 간 공유하며 업무 및 개인 용도로 반복적으로 재사용된다. 따라서 우발적이거나 악의적인 감염 위험을 초래한다. 핵심 시스템에 감염된 기기를 연결한다면 치명적인 결과를 초래할 수 있다”며, “ICSP 뉴럴을 이용해 기존 산업 인프라는 핵심 인프라를 보호하는 중추신경 시스템을 새롭게 갖추게 된 것이다. 프론트엔드의 견고한 알루미늄 디자인은 단순하면서 직관적인 사용자 경험을 구현해 잠재적인 위협을 명확히 보여준다”고 설명했다.

운영기술 환경은 기업의 IT 부서에서 멀리 떨어진 원격지나 현장 업무에 있는 경우가 많기 때문에 검사 프로세스를 간소화하는 것이 전체적인 보안 상태 관리에 중요하다. 이를 고려해 ICSP 뉴럴의 검사 프로세스는 간단하며, 특별한 보안 교육이나 IT 교육이 필요없다. ICSP 뉴럴은 일단 연결이 되면 LED 조명 링(LED light ring)을 통해 악성코드가 탐지 및 제거되었음을 시각적으로 알리는 신호를 실시간으로 내보낸다.

시만텍 ICSP 뉴럴 작동 프로세스

시만텍 ICSP 뉴럴 작동 프로세스

 

[최상위 지능형 위협에 대한 방어 지원]

시만텍이 설계한 신경 엔진은 세계 최고 수준을 자랑하는 시만텍의 위협 인텔리전스 네트워크를 활용해 탐지 효율성을 최대 15% 높여준다. 또한 적대적인 머신러닝 시도를 탐지하고 자체 학습을 시작해 알려지지 않은 위협을 방어한다.

AI 기반 기술은 실시간 학습이 가능해 제한된 인터넷 연결에서 효율이 최대 두 배까지 증가한다. 이러한 인공지능 및 유기적인 자가 적응 능력은 신종 공격 및 미래의 공격으로부터 기업을 보호할 수 있다. 신경 엔진은 오탐지율이 거의 제로(최저 0.01%*)인 고강도 탐지를 가능하게 한다. 이러한 기능을 수행하기 위해 필요한 대역폭은 여타 유사 솔루션과 비교했을 때 단 10분의 1 수준에 불과하다. 이는 VSAT(Very Small Aperture Terminal: 초소형위성송수신국) 연결을 이용하는 시스템에서 반드시 필요한 기능이다.

ICSP 뉴럴은 모든 범위의 OT 및 IoT 기기와 시스템을 지원한다. 시행(enforcement) 프로세스 옵션은 5MB 미만의 설치 공간으로 검사되지 않은 USB 사용을 방지하고 윈도우 XP부터 윈도우 10에 이르는 OS에서 이용할 수 있다(2019년 리눅스 지원 예정).

시만텍의 통합 사이버 보안(Integrated Cyber Defense) 전략의 일부인 ICSP 뉴럴은 시만텍의 CSP(Critical System Protection) 소프트웨어 최신 버전을 보완한 것이다. 관리형 또는 독립형 기기에 대한 안티익스플로잇(anti-exploit: 취약점 공격 방어) 기술이 통합된 애플리케이션 화이트리스팅(whitelisting) 기술을 제공하는 유연한 소형 행동보안 엔진을 탑재했다. CSP 8.0은 인터넷 연결 없이도 정책 기반의 엔드포인트 보안 방식을 제공하고 심지어 기존 OS 환경에서도 알려지거나 알려지지 않은 제로데이 취약점 공격으로부터 기기를 안전하게 보호한다.

시만텍의 ICSP 뉴럴은 2019년초에 출시될 예정이다. 보다 자세한 정보는 symantec.com/iot에서 확인할 수 있다.

박은주 기자 news@icnweb.co.kr

 

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스마트플랜트

ST마이크로일렉트로닉스, 저가형 초저전력 MCU 출시

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ST마이크로일렉트로닉스(STMicroelectronics, 이하 ST)가 비용에 민감한 애플리케이션을 겨냥하여 STM8L001 초저전력 마이크로컨트롤러를 출시했다. STM8L001는 적은 핀 수의 소형 SO-8 아웃라인에 ST의 고효율 8비트 STM8 코어를 필수적인 주변 장치와 결합한 제품이다.

이 마이크로컨트롤러는 두 개의 비교기, SPI, I2C, UART 인터페이스를 비롯해 한 개의 8비트 타이머 및 두 개의 16비트 타이머를 갖추고 있어 기본 센싱, 통신, 제어에 필수적인 기능들을 제공한다. 8Kbytes 플래시 메모리 및 1.5Kbytes RAM을 통해 비용 효과적인 코드와 데이터 스토리지를 제공하며, 데이터 EEPROM의 역할을 수행하도록 최대 2Kbytes의 플래시 메모리를 할당할 수 있다. 32kHz에서 16MHz까지 조정 가능한 유연한 내부 클록 시스템은 부품 수를 줄이고 보드 설계를 간소화해준다.

STM8L001는 산업용 센서, 조명 장비, 배터리 충전기, 장난감, 전기자전거(e-Bike), 액세스 카드, PC 액세서리, 프린트 카트리지, 그 외 비용 및 전력 민감형 스마트 제품과 같은 애플리케이션에 동급 최강의 성능을 제공하면서 도 경쟁력 있는 가격대의 기기를 지원한다.

보다 자세한 정보는 www.st.com/stm8lvl에서 확인할 수 있다.

오승모 기자 oseam@icnweb.co.kr

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