PLC·PAC· IPC 비교 분석, 통합의 제어 아키텍처 ‘IPC’
지난 20년 동안, 장비 제조업체는 투자 및 장기적 이익을 보호함 과 동시에 원하는 성능과 품질을 제공하는 올바른 장비 제어 아 키텍처를 선택하기 위해 분투해왔다. PLC(Programmable logic controllers), IPCs(industrial PCs) 및 PAC (programmable automation controllers)는 모두 장점과 가능성을 제공하므로 대상 기계의 복잡성과 확장성을 다루는 특정 요구 사항을 기반으 로 선택된다.
인더스트리4.0과 IIoT는 선택 기준을 IPC에 유리하게 완전히 바꾸고 있다. 오늘날의 기계 제어 요구사항은 x86 하드웨어에서 실행되는 모든 소프트웨어 기반 IPC로서 잘 달성할 수 있는 통합 성 및 적응성을 요구하고 있다.
또 기본적인 기계 컨트롤러 기능 외에도 인더스트리 4.0 시대 의 기계 자동화는 성능 최적화를 위해 클라우드 분석의 피드백에 따라 OPC-UA, EtherCAT, PLCopen과 같은 표준을 수용하여 기 계 통신 및 구성을 단순화해야 한다. 그리고 엔드 포인트 분석 패 키지와 같은 컨트롤러에서 타사 소프트웨어로서 가치를 높이고 시장 출시 시간을 단축시킨다.
타사 소프트웨어를 최적으로 실행해야 하는 컨트롤러에 대한 이 새로운 요구 사항은, PLC 또는 PAC보다 IPC를 선호하는 결정 기준으로 완전히 바꾼다. 윈도 또는 리눅스를 실행하는 x86 기 반 IPC만이 기계 제작자가 즉시 사용할 수 있도록 다양한 타사 기 성 소프트웨어를 제공한다. 공급업체 또는 기계 제작자는 친숙한 PAC 또는 PLC와 IPC를 비교하고, IPC용으로 이미 제공되는 네트 워크 및 애플리케이션으로서 다시 개발해야 한다.
이 기사는 PLC, PAC 및 IPC 기반 기계 제어 간의 차이점을 설명 하고 인더스트리 4.0이 가치 있는 기계 제어 아키텍처에 대한 요구 사항을 어떻게 바꾸는지를 살펴본다. 그리고 IPC가 PLC 및 PAC와 비교하여 최고의 제어 아키텍처가 된 이유에 대해 설명한다.
세 가지 제어 아키텍처 PLC, PAC, IPC의 비교
오늘날의 제어 시스템은 훨씬 더 강력하고 유연하다. 보다 쉽게 구성하고 프로그래밍할 수 있으며 이전보다 더 다양하고 간소화 된 통신 메커니즘을 제공한다. 시장에 많은 제어 벤더가 치열한 경쟁을 하고 있기 때문에, 엔지니어가 제어 시스템 아키텍처의 기 능과 가치 차이를 비교하는데 어려움을 갖는다. 지난 20년 동안 어떤 엔지니어는 PLC, IPC 및 PAC라는 세 개의 제어 아키텍처를 기계에 설치해 왔다.
1960년대 후반까지 제어 시스템은 개별 기능을 제어하는 릴레 이와 아날로그 기능을 감시 및 제어를 하는 독립적인 루프 컨트롤 러로 구성되었다. 이 설계는 컨트롤러 사이의 릴레이를 위한 넓은 공간 소비, 비용이 많이 드는 변경, 문제 발생 시 복잡한 문제 해 결 등 많은 문제를 야기했다.
PLC는 1970년대 초에 만들어졌으며 릴레이 시스템을 대체하 는 산업용 애플리케이션에 사용되기 시작했다. 개발된 최초의 PLC는 원래 릴레이보다 작지만 여전히 크고 전용 터미널과 제한 된 명령어 세트로 프로그래밍이 수행되었다. 1970년대 후반에는 DCS(distributed control systems; 분산 제어 시스템)이 개별 루 프 컨트롤러를 대체하기 시작하여 프로세스 아날로그 제어 환경 을 중앙 집중화했다. 역사적으로 DCS는 최종 제어 장치와 PC 기 반 시각화 및 엔지니어링 스테이션 가까이에 위치한 여러 IO랙으 로 구성된다. 엔지니어링 화면은 프로세스 루프와 상호 작용하는 데 사용되므로 DCS에 필수적이다. 1980년대 초반까지 PLC 시스 템은 DCS 시스템의 경로를 따르기 시작했고 분산 구성 요소와 랙 을 포함했다.
PLC는 초기 컨셉으로부터 처리 능력 증가, 메모리 증가, 비트 처리 증가, 크기 감소 등 많은 발전을 이루어 왔다. 이러한 중요한 발전은 또한 자동화 시스템의 다른 많은 분류를 위한 길을 열 었다. 이러한 분류 중 두 가지가 PAC와 IPC이다. PLC가 좋은 성능 을 갖고 있지만 PAC와 IPC는 이들을 차별화하는 새로운 기능과 기능을 추가하고 있다. 이 세 가지 아키텍처를 비교하려면 각각의 기본 이점에 대한 기본적인 이해가 필요하다.IPC가 PLC 및 PAC와 비교하여 최고의 제어 아키텍처가 된 이유에 대해 설명한다.
PLC 개요
PLC는 강력하고 우수한 컨트롤러이며 많은 자동화 프로젝트에 서 사실상의 표준으로 남아 있다. PLC는 OEM 기계를 포함하여 넓은 범위의 시스템에서 일반적으로 사용되며 몇 가지의 패커 (packers), 팔레타이저(palletizers), 필러(fillers) 및 컨베이어가 포 함될 수 있다. PLC는 종종 시각화를 위해 HMI(human-machine interface; 인간-기계 인터페이스) 패키지와 쌍을 이룬다. 고속 I/O, 디지털 및 아날로그 I/O, 시퀀싱을 처리한다. PLC는 또한 고속 카운 팅, 네트워크 인터페이스 및 모션 제어를 처리할 수 있다.
거의 모든 PLC에는 필드, 장치 또는 이더넷 수준의 통신이 내장 되어 있다. 이러한 예로는 EtherCAT, Modbus, Profinet 및 이더넷 이 있다. 이러한 네트워크는 PLC 간 통신, 분산 I/O 기능 및 HMI/ SCADA 통신을 위한 것이다. PLC는 종종 매우 비용 효율적이며 다 른 제어 시스템과 경쟁력을 유지하지만 처리할 수 있는 I/O의 양 에는 한계가 있다.
적용할 수 있는 프로그래밍의 정교함이나 논리의 종류에도 한 계가 있다. 예를 들어 하드웨어 기반의 PLC는 일반적으로 래더 로직(Ladder logic)을 지원하며 C++ 또는 객체 지향 로직(objet oriented logic)을 지원하지는 않는다. IoT의 요구를 기반으 로 하지만 일부 첨단 소프트웨어 기반 PLC는 이미 21세기 OOP (object oriented programming; 객체 지향 프로그래밍) 기술을 지원하고 있으며 OpenPLC 표준은 현재 PLC 표준에 대한 새로운 OOP 구조를 고려하고 있다.
PAC 개요
PAC는 PLC 시스템의 모든 기본 기능과 동일하게 설계되었지만 성능 향상을 위해 기능이 추가되었다. 즉, PAC는 대형 포장 라인, 이산 제조 제어 시스템, 대형 스키드 또는 공장 공정의 공정 제어 와 같은 애플리케이션을 위해 훨씬 더 큰 분산 제어를 처리할 목 적으로 설계되었다.
PAC에는 시퀀싱, 장치 제어, 프로세스 제어 및 일괄 처리와 같은 고급 특수 목적 명령 세트가 있다. 또한 석유 및 가스, 원자력 및 기타 전문 분야에 초점을 맞춘 지침 세트를 사용하여 산업별로 프로그래밍할 수 있다. 이러한 특수 명령어 세트는 매우 강력하므 로 블랙박스 방식으로 명령을 올바르게 실행하려면 PAC의 향상 된 기능이 필요하다. 이로 인해 최종 사용자의 시스템 디버깅 능 력이 제한될 수 있다.
PAC는 전사적 수준의 SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition) 시스템과 함께 사용되어 전체 플랜트 제어 및 데이 터 수집 및 처리에 사용할 수 있다. PAC는 종종 IPC와 유사한 아 키텍처를 기반으로 하며 x86 칩을 사용하기도 하지만 타사 PC 소 프트웨어를 실행하지는 않는다. 기계 제작자는 일반적으로 특정 공급업체의 PAC 모듈을 사용한다. PAC 명령어 세트와 해당 HMI 라이브러리가 더욱 발전함에 따라 PAC와 DCS 사이의 경계가 모 호해졌다. DCS의 대부분의 기능, 통합 및 성능은 이제 PAC 제조 업체에서 제공한다. PAC는 이전에 대형 DCS 시스템용으로 적용 되었던 고급 제어가 가능하며 PID가 부적합한 복잡한 폐루프 제 어에 사용된다.
PAC의 주요 이점 또한 하나의 단점으로 작용할 수도 있다. 대 부분의 PAC는 확장을 쉽게 해주는 모듈식 하드웨어이며 강력한 개발 언어를 가지고 있다. 문제는 PAC에서 처리할 수 없는 작업 이 있고 공급업체가 기계 제작자를 ‘지정’하는 경우 발생한다. 예 를 들어 인더스트리4.0 시대에 점점 더 많은 회사가 기계에 에지 분석을 적용하려고 한다. 컨트롤러와 클라우드에 의존하지 않는 다. PAC에 타사 소프트웨어를 로드할 수 있는 기능이 없는 경우 시스템이 경쟁력 있고 가치 있는 기능을 제공하지 못하거나 모든 분석 처리를 위해 데이터를 클라우드로 전송하는 데 많은 비용이 청구될 수 있다.
IPC 개요
산업용 PC는 자동화 회사가 표준 PC에서 실행할 수 있는 PLC 환 경과 비슷한 소프트웨어를 설계하기 시작한 1990년대에 등장했 다. 처음에는 호스트 OS(운영 체제)가 항상 안정적이지 않았기 때문에 자동화를 위해 PC를 사용하는 것은 신뢰할 수 없었다. 그러나 강화된 산업용 컴퓨터와 훨씬 더 안정적인 OS를 사용 하여 IPC 분야에서 상당한 발전이 있었다. 일부 제조업체는 자동 화를 위해 실시간 커널로 자체 IPC를 만들었다. 이 실시간 커널을 사용하면 자동화가 OS 환경과 분리되고 I/O 인터페이스와 같은 특정 작업 및 기능에 대해 OS보다 우선 순위를 가질 수 있다. 실시간 커널의 예는 IntervalZero의 RTX64 이다. RTX64는 마이크로소프트 윈도를 RTOS (Real Time Operating System; 실시간 운영 체제)로 변환 한다.
IPC는 PC 플랫폼에서 실행되기 때문에 표준 PLC 보다 최신 프로세서와 더 많은 메모리를 포함한다. IPC의 중요한 장점은 자동화 프로그램과 동일한 기 계에서 HMI 애플리케이션을 실행할 수 있어 기계 비용이 절감된다는 것이다. IPC의 일부 사용에는 공간이 더 제한될 수 있는 OEM 기계 및 기타 소규모 프로젝트가 포함된다. IPC를 활용하면 기계 제작자가 동일한 IPC에서 바로 타사 소프트웨어를 기계 제어로 활용할 수 있다. 이러한 패키지의 예로는 클라우드 연결을 위한 OPC-UA와 같은 보안 통신 또는 클라우드로 전송되 기 전에 데이터를 요약하고 분석하는 타사 분석 패키지가 있다.
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인더스트리 4.0, 제어 아키텍처의 기준을 바꾼다!
최근까지 PAC, PLC 또는 IPC 중에서 선택할 때 예산, 크기, 지 원, 복잡성 및 향후 확장과 같은 많은 요소를 고려해야 했다. 또 한 안전 및 MTBF(Mean Time Between Failure) 시간에 대한 SIL(safety integrity level; 안전 무결성 수준) 인증이 필요한 시 스템을 무시할 수 없다.
종종 기계 설계 엔지니어가 제어 시스템의 브랜드를 결정한다. 이는 일반적으로 고객이 소유한 기존 프로그래밍 라이선스 유형, 수행해야 하는 유지 관리 및 엔지니어링 교육, 지역 계약자 지원과 관련이 있다. 이러한 모든 기준은 총 소유 비용에 영향을 미치며 브랜드 친숙도는 재교육을 줄이고 일반적으로 일관된 품질을 유지한다.
Amazon은 전통 산업에 긴밀하게 통합된 디지털 전략을 적용 하여 소매를 변화시켰고 Google은 광고를 지배했다. 인더스트리 4.0은 Amazon이 공급 및 가치 사슬을 파괴하고 혁신하기 위해 소매업에서 했던 것과 동일한 개념을 제조에 적용한다. 인더스트 리 4.0 기술을 수용하고 공장에서 구현하는 기계 제작자와 제조 업체는 각각의 수직 시장을 지배하는 반면 그렇지 않은 기계 제조 업체는 경쟁력이 없게 된다.
독일 정부가 시작한 인더스트리4.0 운동은 가치 사슬(value chains)을 디지털 화하여 스마트 제조 시설을 만드는 데 중점을 둔다. 이는 전 세계 제조 비즈니스에 심오하고 장기적인 영향을 미칠 것이다. 사실 제조업의 4차 혁명은 이미 시작됐다는 사실을 대부분이 알고 있다.
또한 Gartner 인용에서 입증된 바와 같이 인더스트리 4.0에서 종종 간과되지만 마찬가지로 중요한 구성 요소는 ‘스마트’ 기계 컨 트롤러다. 기계 컨트롤러는 클라우드 기능만큼 중요하고 어쩌면 더 중요할 수도 있다. 이는 정보 수집, 집계 및 클라우드로의 안전 한 전달이 시작되고 끝나는 실제 아키텍처 혁신의 원천이다. 즉, 실행 가능한 통찰력이 구현되는 곳이다.
Gartner는 또한 엔드포인트 분석이 시간이 지남에 따라 매우 정 교해지고 예측 가능해져 시스템 전반의 응답성을 개선할 것이라 고 믿는다. 기계 컨트롤러가 실행 가능한 통찰력 또는 컨트롤러가 자체적으로 생성할 수 있는 통찰력을 기반으로 변화하는 제조 조 건에 적응할 만큼 충분히 스마트하지 않다면 Industry 4.0 비전은 달성되지 않을 것이다.
또한 Deloitte가 2019년 관점 보고서에서 소프트웨어가 실제로 “(기술)세계를 먹고 있다”고 지적했듯이 가장 효과적인 솔루션은 독점 하드웨어가 아닌 IPC의 모든 소프트웨어이다. 그들은 시장 이 주로 하드웨어 중심 경제에서 소프트웨어 및 디지털 중심 경제 로 전환한 25년 동안의 추세를 문서화한다. 이는 변화에 저항해 왔지만 인더스트리 4.0의 요구로 인해 더 이상 그렇게 할 수 없는 기계 컨트롤러에 해당된다.
통합과 연결의 아키텍처, IPC
인더스트리 4.0은 모든 것을 바꾼다. 모든 기계 제어 아키텍처는 이제 인더스트리 4.0 요구사항을 고려해야 하기 때문이다. 인더 스트리 4.0 이전까지 대부분의 기계 제작자와 기계 사용자는 기계 세계가 대체로 자동화의 섬이 될 것이라고 생각했다. 그러나 인더스트리 4.0은 품질, 작업 현장 성능 및 가치의 혁신을 달성하 기 위해 전례 없는 연결성을 요구한다. 단순히 클라우드에 연결하 는 것만이 아니다. 컨트롤러는 다른 컨트롤러와 정보를 공유할 수 있고 전체 작업 현장 성능을 향상시킬 수 있도록 하는 작업현장의 기계 간의 연결이다. 인더스트리 4.0은 엔드포인트가 스마트 공 장 구축의 초석인 스마트 기계 컨트롤러 및 지능형 에지 장치가 될 것으로 기대한다.
그러나 인더스트리 4.0은 단일 기계를 위한 단일 컨트롤러에 만 초점을 맞추는 것이 아니다. 밀접하게 통합된 공장 현장이 있 는 오늘날의 산업 네트워크는 네트워크 내의 여러 기계를 위한 라 인 컨트롤러인 단일 PC에서 여러 컨트롤러를 지원할 수 있다. 생 산 현장의 통합을 통해 기술이 발전함에 따라 고객은 보다 유연해 질 수 있으며 인더스트리 4.0 미래를 향해 나아가면서 시간이 지 남에 따라 모든 것이 더욱 통합된다.
따라서 기계 제어 아키텍처를 선택할 때에 예산, 크기, 지원, 복잡성 및 향후 확장 등은 여전히 중요하다. 이러한 모든 요소는 Industry 4.0에 연결하는 기계 제작자의 능력에 도움이 되거나 해가 되는지에 대해 추가적으로 검토되어야 한다. 결국 인더스트리 4.0은 이상적인 기계 제어 아키텍처를 선택할 때 고려해야 하는 세 가지 주요 기능을 추가한다.
첫째, 인더스트리 4.0은 일반적인 컨트롤러를 ‘스마트 컨트롤 러’로 변환하는 기계 자동화에 대한 모든 소프트웨어 접근 방식을 요구한다. 모든 소프트웨어 접근 방식만이 클라우드 또는 기타 컨 트롤러에서 통찰력을 얻고 즉시 결정을 내려 기계 작동을 변경하 는 데 필요한 유연성을 제공할 수 있다.
둘째, 실시간 활용하는 모든 소프트웨어 기반의 아키텍처가 핵 심이지만 모든 소프트웨어는 아니다. 이상적인 모든 소프트웨어 아키텍처는 단일 플랫폼 광고에서 여러 컨트롤러를 실행할 수 있 는 개방성을 요구하며 컨트롤러에서 직접 디지털 트윈 또는 분석 패키지와 같은 타사 소프트웨어를 실행할 수 있다.
셋째, 이상적인 기계 제어 아키텍처는 제조 가치 사슬의 통합 및 디지털화에 대한 장벽을 낮추기 위한 표준을 수용해야 한다.
결국, Deloitte가 문서화하고 Marc Andreessen이 소스 중 하 나에서 예측한 것처럼 모든 소프트웨어 접근 방식만이 전략적이 며 미래의 요구 사항을 충족할 것이다. 따라서 개방형 IPC 기반 컨트롤러만이 일반 컨트롤러를 스마트 컨트롤러로 변환할 수 있다. PLC 및 PAC는 모든 소프트웨어 접근 방식을 지원하거나 타사 소프트웨어를 실행하도록 충분히 개방되거나 설계되지 않았다. PAC 및 PLC는 인더스트리 4.0 목표에서 요구되는 연결성 증가에 서 나타날 미래 요구 사항을 예측하거나 적응할 수 없다. 처음부 터 IPC를 기반으로 올바른 제어 플랫폼을 선택하면 프로젝트가 성공할 가능성이 높아지고 궁극적으로 인더스트리 4.0 호환 미래 에 대비할 수 있다.
결론
오늘날의 보다 유연하고 빠르고 스마트한 기계는 서로 통신하고 데이터를 실시간으로 처리·분석하여 판도를 바꾸는 경제 및 생산 성 기회를 창출할 수 있다. 중요한 것은 인공 지능과 결합된 인더 스트리 4.0 표준을 통한 정보 공유는 시스템에 대한 요구 속도를 증가시킬 뿐이다. 가장 유연하고 정밀하며 성능이 뛰어난 기계 자 동화 및 기계 제어 시스템을 제공하는 회사는 고객에게 최고의 가 치를 창출할 것이다.
최근까지 PLC, PAC 및 IPC 아키텍처는 독립형 기계 또는 자동 화의 섬이라는 맥락에서 유사한 기능을 제공했으며 회사는 올바 른 아키텍처를 선택하는 데 어려움을 겪을 수 있었다. 인더스트리 4.0은 자동화의 섬을 없애고 이를 스마트 제조 패브릭을 형성하 는 클라우드 연결 컨트롤러 네트워크로 대체함으로써 모든 것을 바꾼다. PLC 및 PAC 기반 기계 제어 아키텍처는 인더스트리 4.0 요구로 인해 동일한 수명을 갖지 못할 것이다. 이러한 네트워크 및 스마트 컨트롤러 요구 사항은 IPC 제어 아키텍처에서만 제공 되는 모든 소프트웨어 접근 방식을 요구한다.
자료제공: Kingstar(www.kingstar.com)
