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)

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.

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.

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.

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.

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

[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

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