폭약 제어 시스템의 업그레이드 완벽 제어

호주는 추진장약과 폭약 제조 부문에서 세계 수준의 역량을 자랑합니다. 노후된 제조 공장들은 새로운 기술에 투자하여 이러한 역량을 유지하고 군수품과 폭약에 대한 지속적인 국내 수요를 보장하는 등 다양한 혜택을 얻을 수 있습니다.

오늘날 폭약 제조업체들이 직면하고 있는 기술적인 도전과제 중 하나는 노후된 장비 제어 시스템을 교체하는 것입니다. 구형 시스템은 지원이 되지 않는 경우가 많고, 현대적인 플랫폼과 통합 제어 및 안전이 계속적으로 증가하는 수요를 지원할 수 있기 때문입니다. 선두적인 한 폭약 제조업체는 제어 시스템에 대한 대대적인 업그레이드를 수행하기로 결정하고 이 프로젝트를 입찰에 부쳤습니다. 입찰을 통해, 산업용 자동화 및 제어 서비스의 선두 공급업체인 SAGE 오토메이션(SAGE Automation)이 이 제조업체의 현재와 미래의 요구사항에 적합한 솔루션을 개발하게 되었습니다.

완벽한 통합

고성능 폭약 제조공장의 제어 시스템은 여러 곳에 분산되어 있는 프로세스 영역에서 다양한 장비, 프로세스 및 안전 제어 기능을 담당합니다. SAGE 오토메이션은 지원이 되지 않는 하드웨어를 현대적인 플랫폼과 기술로 교체하기 위한 새로운 솔루션 개발 작업을 수행하게 되었습니다.

SAGE 오토메이션의 수석 프로젝트 관리자인 스티브 로이드(Steve Lloyd)는 "새로운 제어 시스템을 17개의 프로세스 빌딩 전반에서 통합하고, 새로운 통제실을 구축하며, 안전 계기 시스템이 현행 표준을 준수하도록 만들어야 했다"며, "이 프로젝트에는 분산 제어 시스템(DCS), 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC), 운전자 인터페이스, 네트워크 인프라 및 운전자와 유지보수 담당자 교육을 위한 시뮬레이션 시스템의 공급이 포함되었다"고 말했습니다.

제어 시스템의 업그레이드는 성공 사례에 따른 설계, 고가용성 시스템, 공장 컨트롤러에서 보고와 자산 관리를 아우르는 통합 아키텍처에 중점을 두었습니다. 이를 달성하기 위해 프로세스 컨트롤러에서 엔터프라이즈 레벨의 보고와 자산관리를 포함하는 통합 아키텍처와 세부적인 설계 프로세스가 성공적으로 구현되었습니다.

로이드는 "다양한 옵션을 검토한 후, 로크웰 오토메이션의 PlantPAx® 프로세스 자동화 시스템과 ControlLogix® 통합 아키텍처, 그리고 AADvance® 폴트 허용 시스템이 통합 제어와 안전을 제공해야 하는 이 애플리케이션에 가장 적합한 선택이라고 결론을 내렸다"고 말했습니다.

로크웰 오토메이션의 솔루션이 포함된 이러한 규모의 통합은 각 개별 제품에 사전 통합된 기능을 십분 활용할 수 있도록 해주어, 신속한 구현, 사전 검증된 소프트웨어 기능 제공, 운영 효율성에 대한 정보와 진단지표에 대한 액세스를 가능하게 해주었습니다.

PlantPAx 프로세스 자동화 시스템은 세계 수준의 분산 제어 시스템(DCS)에서 기대되는 모든 핵심적인 기능들을 제공합니다. 이 시스템은 다분야 제어, 완벽한 통합, 지속적인 수요 증가를 지원하는 확장성을 제공하는 통합 아키텍처 컴포넌트를 사용해 표준 기반의 아키텍처에 구축이 됩니다.

AADvance 폴트 허용 제어 시스템은 진정으로 분산된 확장 가능한 아키텍처로, 애플리케이션의 특정 부분에서 필요로 하는 경우 여러 다른 수준의 모듈 이중화를 적용할 수 있도록 해주는 소프트웨어 환경과 하드웨어 컨트롤러로 구성됩니다.

로크웰 오토메이션의 솔루션 아키텍트인 나이젤 데스젝(Nigel Dezdjek)은 "이는 꽤 큰 규모의 설치가 필요한 최첨단 제어 시스템이다. 이 솔루션은 혁신적인 설계의 결과물로, 제어 시스템이 기존의 중앙화된 모델에서 벗어나 PlantPAx와 AADvance가 제공하는 완전한 기능과 역량을 그대로 유지하고 활용하는 분산된 가상 아키텍처를 사용한다"고 설명했습니다.

대안

폭약 제조공장이기 때문에, 다수의 제어 시스템 계층 전반에서 이중화를 적용하는 것이 안전 측면에서 상당히 중요한 문제였습니다. 로컬 프로세스 영역들로부터 완전한 제어를 할당할 수 있어야 하는 것이 특히 중요한 고객 요구 사항이었습니다 그렇기 때문에, 중앙 통제실과 프로세스 영역 간에 제어 경로가 손실된 경우, 안전하고 제어된 방식으로 프로세스를 종료할 수 있도록 해당 프로세스 영역에 대한 완전한 제어가 필요했습니다.

이를 확보하기 위해 아키텍처 설계를 수정해 모든 장소에 있는 주요 및 예비 SCADA 서버들을 분리했습니다. 이를 통해 요구사항을 충족하기는 했지만 많은 수의 하드웨어 컴포넌트가 필요하게 되었습니다. PlantPAx 플랫폼은 이러한 이중화를 위해 효과적이고 안정적인 솔루션을 제공했습니다.

이 솔루션의 핵심 기능은 HMI 폴트 허용입니다. 이는 네트워크 장애가 발생하는 경우 각 빌딩이 지속적으로 독립적인 역할을 수행할 수 있도록 로컬 제어 기능을 제공합니다. 이뿐 아니라, 고가용성을 통해 각 빌딩에 위치한 주요 HMI 서버 노드에 장애가 발생해도 시스템의 가동이 중단되지 않도록 해줍니다. 통제실 데이터센터의 부차적인 HMI 서버가 그 기능을 대신하기 때문입니다.

공장의 운전자 인터페이스는 중앙 통제실 내 위치한 4대의 듀얼 모니터 FactoryTalk® View SE 클라이언트와 프로세스 영역 전반에 분산된 9대의 듀얼 모니터 FactoryTalk® View SE 클라이언트로 구성되며, 모두 분산된 이중화 HMI 서버의 설정을 따릅니다. 설치된 시스템은 2-1-0 성능 저하를 갖춘 듀얼 이중화 시스템으로, 하나의 모듈에 장애가 생기면 단일 제어 상태가 되고 마지막 모듈에 장애가 발생하면 종료됩니다.

이 솔루션은 또한 중앙화된 엔지니어링 워크스테이션으로부터 모든 프로젝트를 관리할 수 있도록 해주기 때문에, 독립적인 프로젝트를 위해 각 프로세스 영역에 변경 사항을 이중으로 적용할 필요가 없습니다. 로이드는 "빌딩 레벨의 핵심적인 프로세스 영역 내에 이중화된 프로세스 컨트롤러를 구현했고, 이중화된 광섬유 Ethernet 네트워크를 통해 전체 시설을 연결하였다. 또한 이중화된 전원 공급장치들이 구현되어 전원 공급 시스템에 이중화를 제공한다"고 말했습니다.

그는 "이중화된 무정전 전원 공급(UPS) 아키텍처가 구축되었으며, 여기에는 이중화 UPS 시스템 7대와 비이중화 UPS 시스템 11대가 포함되어 총 34kW의 백업 전력을 제공한다. 이는 모든 PlantPAx와 AADvance 컨트롤러, HMI 서버 및 클라이언트, 네트워크 스위치, 그리고 프로세스 계기 전반에 1시간 이상의 백업 시간을 제공한다"고 덧붙였습니다.

가상화 및 개별화

공장 제어 아키텍처의 규모와 복잡성 때문에, SAGE는 현장의 고유한 요구사항을 기대 이상으로 충족시키는 가상화된 서버 환경과 관련 네트워크 아키텍처를 설계 및 구축했습니다. 50만 평방 미터의 부지를 연결하기 위해 Cisco와 Allen-Bradley Stratix™ 매니지드 스위치 구성을 활용하며 네트워크 인프라를 구축하였고, 폴트를 허용하는 새로운 기가비트 광섬유 이더넷 네트워크가 포함되었습니다.

로이드는 “PlantPAx는 개방형 IT 표준과 네트워크에 기반하기 때문에 모든 PlantPAx 워크스테이션과 서버를 손쉽게 가상화할 수 있다. 가상 머신 템플릿을 생성하고 이들을 가상 머신 호스트 전반에 구현함으로써 구현이 빨라졌고 엔지니어링 시간이 단축되었다. 또한 호스트간에 가상 머신을 쉽게 이동할 수가 있기 때문에 유연성이 향상되었고 가상 환경 내에 보다 쉽게 이중화를 설정할 수가 있게 되었다"고 설명했습니다.

그는 "가상화가 이 프로젝트에 가져다 준 추가적인 혜택은 전력 소비가 감소되었다는 것과 가상환경을 통한 중앙화된 관리로 가동 및 지원 비용이 절감되었다는 점"이라면서, "또한 이 아키텍처의 일부는 비용과 점유 면적이 적게 드는 컴퓨터인 씬 HMI 클라이언트를 사용하는데, 이러한 씬 HMI 클라이언트는 일반적으로 기존의 PC 기반 클라이언트보다 친환경적이고 더 견고하다"고 덧붙였습니다. 이 솔루션은 FactoryTalk 제품  군에 포함된 다양한 제품을 사용하여 완전 통합된 솔루션을 제공합니다. 모든 추세 분석과 보고를 위해 FactoryTalk Historian과 VantagePoint가 사용되었고, 자산 관리를 위해서는 FactoryTalk AssetCentre가, PlantPAx 솔루션의 HMI 컴포넌트를 위해서는 FactoryTalk View가 사용되었습니다.

로이드는 "이 솔루션에 FactoryTalk 플랫폼을 사용하여 얻은 또 다른 혜택은 개별화를 가능하게 하는 유연성이 생겼다는 점이다. 로크웰 오토메이션이 제공하는 프로세스 객체 라이브러리의 표준 템플릿을 개별화하고, FactoryTalk 환경 내에 개별화된 코드를 개발하여 특정 고객 요구사항을 충족하고, 태그 검색, 추세 페이지 툴 및 교차 내비게이션 등 일반적인 기능과는 차별화된 고유한 기능들을 추가적으로 제공할 수 있었다"고 말했습니다.

성공적인 구현

고객의 고유한 요구사항과 사양을 충족하는 것이 로크웰 오토메이션과 SAGE가 최우선 목표였습니다. 데스젝은 "우리는 AS61508 기능 안전 규제와 AS60079 위험 영역 규제를 준수하는 완전 통합된 제어 및 안전 솔루션을 제공하는데 성공했다. 이 새로운 솔루션은 시스템 내에서 모든 기능을 제공하는 보편적인 접근방식과 플랫폼을 중심으로 획기적인 혜택을 제공한다. 또한 공장의 정상 가동 스케줄을 중심으로 솔루션을 공급했기 때문에 설치중의 다운타임을 최소화할 수 있었다"고 말했습니다.

위에서 언급한 결과는 SAGE 오토메이션이 로크웰 오토메이션의 제품과 서비스를 타 제품과 함께 사용하여 얻은 결과입니다. 다른 고객의 환경에서 얻어진 결과와는 다를 수 있습니다.