초보자를 위한 감독 제어 및 데이터 수집(SCADA) 소개

SCADA(감시 제어 및 데이터 수집) 시스템은 산업 현장에서 효율성을 유지하고 시스템 문제를 감지하여 가동 중지 시간을 줄이며, 데이터를 분석하여 더 나은 의사 결정을 내리는 데 핵심적인 역할을 합니다.

과거에는 많은 산업 현장, 원격 시설 및 제조 공장에서 아날로그 다이얼과 푸시 버튼을 사용하여 전기 장비를 수동으로 모니터링하고 제어하는 데 많은 인력이 필요했습니다.

산업 현장과 원격 위치가 점차 확장되면서, 장거리에서 전기 장비를 제어할 수 있는 효과적인 솔루션의 필요성이 대두되었습니다. 일부 조직에서는 타이머와 릴레이를 활용하여 일정 수준의 감시 제어를 시도했습니다.

타이머와 릴레이는 어느 정도의 자동화를 제공했지만, 구성이 복잡하고 제어 패널 및 결함 찾기에 많은 공간을 차지하는 등 여러 제한 사항이 있었습니다. 이러한 요소들이 추가적인 문제를 야기했습니다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 'SCADA' 기술이 도입되었습니다.

SCADA 시스템이 발전하면서 PLC(프로그래머블 로직 컨트롤러)와 마이크로프로세서의 발전은 기업들이 이전보다 훨씬 효율적으로 자동화된 프로세스를 모니터링하고 제어할 수 있도록 했습니다.

본 기사에서는 SCADA 시스템의 정의, 용도, 기능, 구성 요소, 유형 등에 대해 자세히 살펴보겠습니다.

그럼 시작해 볼까요!

SCADA란 무엇인가?

SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition)는 산업 공정을 원격으로 실시간 모니터링하고 제어할 수 있는 시스템입니다. 이는 원격 위치에서 데이터를 수집하고 실시간으로 장비 상태를 제어하며 데이터 기반 의사 결정을 내리는 데 필요한 다양한 도구를 제공합니다.

SCADA는 1970년대부터 산업 현장의 다양한 모니터링 및 제어 문제들을 해결해 왔습니다.

1990년대 후반과 2000년대 초반에 SCADA는 폐쇄적인 시스템에서 벗어나 다양한 공급업체의 통신 프로토콜과 개방형 시스템 아키텍처를 채택하며 변화를 맞이했습니다. 이더넷과 같은 통신 기술을 활용하여 시스템 간 상호 운용성이 향상되면서, 이전 SCADA 시스템의 한계를 극복했습니다.

최신 SCADA 시스템은 전 세계 어디에서든 산업 현장의 실시간 데이터에 접근할 수 있도록 합니다. 이러한 접근성은 기업, 개인 및 정부가 프로세스를 개선하는 방법에 대한 더 나은 의사 결정을 내릴 수 있도록 지원합니다. SCADA 소프트웨어가 없이는 충분한 데이터를 효율적으로 수집하기가 어렵습니다.

또한 최신 SCADA 디자인 소프트웨어는 RAD(Rapid Application Development) 기능을 제공하여 소프트웨어 개발에 대한 전문 지식이 없는 사용자도 쉽게 응용 프로그램을 설계할 수 있도록 합니다.

웹 기반 응용 프로그램과 SQL과 같은 현대적인 IT 기술을 SCADA 소프트웨어에 통합함으로써 SCADA 시스템의 보안, 안정성, 생산성 및 효율성이 향상되었습니다.

SQL 데이터베이스를 사용하는 가장 큰 이점은 ERP 및 MES 시스템과의 통합이 더욱 쉬워져 조직 전체에서 데이터가 원활하게 흐르도록 보장한다는 것입니다.

요약하자면, SCADA는 산업 조직이 다음과 같은 작업을 수행할 수 있도록 하는 하드웨어 및 소프트웨어 요소들의 통합 시스템입니다.

원격 또는 로컬에서 산업 프로세스 제어
실시간 데이터 모니터링, 수집 및 처리
HMI 소프트웨어를 통해 펌프, 밸브, 센서, 모터 등과 같은 장치와 직접적인 상호 작용
모든 이벤트 로그 파일 기록

아키텍처의 기본은 RTU(Remote Terminal Unit) 및 PLC(Programmable Logic Controller)와 같은 장치로 구성됩니다. 이 두 가지 장치는 센서, 최종 장치, HMI 및 공장 기계와 같은 다양한 요소와 통신하는 마이크로컴퓨터입니다. RTU와 PLC는 SCADA 소프트웨어를 사용하여 데이터를 해당 요소에서 컴퓨터로 전송합니다.

SCADA 소프트웨어는 데이터를 처리, 표시 및 배포하여 직원과 운영자가 정보를 분석하고 중요한 결정을 내릴 수 있도록 돕습니다.

예를 들어, SCADA 시스템은 결함을 나타내는 제품 배치에 대해 운영자에게 즉시 알립니다. 운영자는 작업을 일시 중지하고 HMI를 통해 시스템 데이터를 검토하여 문제의 원인을 파악합니다. 운영자가 정보를 분석한 결과 '머신 4'가 작동하지 않는다는 사실을 확인합니다.

이처럼 SCADA 시스템은 운영자가 문제를 식별하고 즉시 해결하여 추가적인 손실을 방지하는 데 중요한 역할을 합니다.

SCADA 시스템의 구성 요소

SCADA 시스템은 현장에서 실시간 데이터 수집을 위해 배치되는 다양한 구성 요소로 이루어져 있습니다. 이러한 구성 요소들은 효율적인 데이터 수집과 산업 자동화를 가능하게 합니다.

각 구성 요소에 대해 자세히 알아보겠습니다.

#1. 센서 및 액추에이터

센서는 산업 프로세스에서 입력 기능을 감지하는 장치 또는 시스템입니다. 액추에이터는 산업 프로세스의 메커니즘을 제어하는 장치입니다. 센서는 기계의 상태를 표시하는 미터나 게이지와 같은 기능을 수행합니다.

액추에이터는 장치를 제어하는 데 사용할 수 있는 다이얼, 컨트롤 또는 스위치와 같은 역할을 합니다. 두 장치 모두 SCADA 필드 컨트롤러에 의해 모니터링 및 제어됩니다.

#2. SCADA 필드 컨트롤러

필드 컨트롤러는 액추에이터 및 센서와 직접적으로 연결됩니다. 여기에는 두 가지 주요 유형이 있습니다.

RTU(Remote Terminal Unit): 센서와 연결되어 원격 측정 데이터를 수집하고, 수집된 데이터를 기본 시스템으로 전송합니다.
PLC(Programmable Logic Controller): 액추에이터와 연결되어 RTU에서 수집한 실시간 데이터를 기반으로 산업 프로세스를 관리하고 제어합니다.

#3. SCADA 감독 컴퓨터

감독 컴퓨터는 SCADA와 관련된 모든 프로세스를 총괄합니다. 산업 프로세스를 제어하기 위해 현장 장치에서 데이터를 수집하고 장치에 명령을 전송하는 데 사용됩니다.

#4. HMI 소프트웨어

HMI(Human-Machine Interface) 소프트웨어는 SCADA 필드 장치에서 데이터를 확인하고 표시하는 시스템을 제공합니다. 또한 운영자는 SCADA 제어 프로세스의 상태를 이해하고 필요한 경우 수정할 수 있습니다.

#5. 통신 인프라

통신 인프라는 SCADA 감독 시스템이 필드 컨트롤러 및 필드 장치와 원활하게 통신할 수 있도록 합니다. 이를 통해 SCADA 시스템은 현장 장치에서 데이터를 수집하고 이러한 장치를 효율적으로 제어할 수 있습니다.

SCADA 시스템의 특징

SCADA 시스템은 특정 응용 프로그램이나 산업에 특화된 기능들을 포함하며, 대부분의 시스템은 다음과 같은 핵심 기능들을 지원합니다.

데이터 수집: 센서를 통해 데이터를 수집하고 이를 필드 컨트롤러에 전달하는 것은 SCADA 시스템의 기본입니다. 필드 컨트롤러는 수집된 데이터를 SCADA 컴퓨터에 전송합니다.
원격 제어: 필드 센서에서 수집한 데이터를 기반으로 필드 액추에이터를 제어하여 시스템을 원격으로 관리합니다.
네트워크 데이터 통신: SCADA 시스템의 모든 기능을 가능하게 하는 중요한 요소입니다. 센서에서 수집된 데이터는 SCADA 필드 컨트롤러로 전송된 다음 SCADA 감독 컴퓨터와 통신합니다. 원격 제어 명령은 감독 컴퓨터에서 액추에이터로 다시 전송됩니다.

데이터 표시: SCADA 시스템을 운영하는 데 필요한 실시간 및 과거 데이터를 나타내는 HMI를 통해 사용자에게 정보를 제공합니다.
경보: SCADA 시스템의 중요한 조건을 운영자에게 경고합니다. 프로세스가 중단되거나, 일부 시스템이 오류가 발생하거나, 다른 측면에서 중지, 시작 또는 조정이 필요한 상황을 운영자에게 알리도록 쉽게 구성할 수 있습니다.
실시간 및 과거 데이터: SCADA 시스템의 핵심적인 부분으로, 사용자는 과거 추세를 기준으로 현재 상황의 성능을 분석할 수 있습니다.
보고: 여기에는 프로세스 성능, 시스템 상태 및 사용자 정의 보고서가 포함됩니다.

SCADA의 작동 원리

SCADA 시스템은 데이터 수집, 데이터 통신, 정보/데이터 표시 및 모니터링/제어와 같은 핵심 기능을 수행합니다. 이러한 기능은 센서, RTU, 컨트롤러, 통신 네트워크와 같은 SCADA 구성 요소에 의해 수행됩니다.

센서는 필수 데이터를 수집하는 데 사용되며, RTU는 이 데이터를 컨트롤러로 전송하여 시스템 상태를 표시하는 데 사용됩니다. 시스템 상태에 따라 사용자는 다른 구성 요소에 명령을 내려 해당 기능을 수행하도록 합니다. 통신 네트워크는 이러한 기능을 가능하게 합니다.

이제 SCADA 시스템의 작동 원리를 이해하기 위해 각 기능을 자세히 살펴보겠습니다.

데이터 수집

실시간 SCADA 시스템은 정보를 수집하고 추가 처리를 위해 데이터를 전송하는 다양한 센서와 구성 요소로 구성됩니다.

예를 들어, 일부 센서는 저수지에서 물탱크로의 물 흐름을 측정하고, 다른 센서는 저수지에서 물이 방출될 때 압력을 측정합니다. 이러한 센서들은 모든 프로세스가 원활하게 진행되고 있는지 확인하기 위해 다양한 유형의 데이터를 수집합니다.

데이터 통신

SCADA 시스템은 유선 네트워크를 사용하여 사용자와 장치 간에 데이터를 수집하고 전송합니다. 실시간 SCADA 애플리케이션은 원격으로 제어되는 구성 요소와 센서를 사용하며 인터넷 통신도 활용합니다. 릴레이와 센서는 직접적으로 통신할 수 없기 때문에 RTU는 네트워크 인터페이스와 센서 간의 통신을 담당합니다.

데이터 프레젠테이션

일반 네트워크는 제어 목적을 위해 정보를 표시하는 지표로 구성됩니다. 실시간 SCADA 애플리케이션은 동시에 처리하기 어려운 많은 경보와 센서를 포함할 수 있습니다. SCADA 시스템은 HMI를 사용하여 다양한 센서에서 수집된 모든 데이터를 사용자에게 제공합니다.

모니터링 및 제어

SCADA 시스템은 다양한 스위치를 사용하여 장치를 작동시키고 제어 영역의 상태를 표시합니다. 이러한 스위치를 사용하여 스테이션 내의 모든 부분을 켜고 끌 수 있습니다. SCADA 애플리케이션은 사람의 개입 없이 자동으로 작동하도록 구현되어 있으며, 필요한 경우에만 사람이 직접 개입하여 처리합니다.

SCADA의 유형

SCADA 시스템은 모놀리식 SCADA 시스템, 분산 SCADA 시스템, 네트워크 SCADA 시스템 및 IoT SCADA 시스템의 네 가지 유형으로 분류할 수 있습니다.

#1. 모놀리식 SCADA 시스템

초기 또는 1세대 SCADA 시스템은 모놀리식 SCADA 시스템으로 알려져 있습니다. 이러한 시스템에는 미니 컴퓨터가 사용되었으며, 공통 네트워크 서비스를 사용할 수 없을 때 개발되었습니다. 모놀리식 SCADA 시스템의 설계는 독립적인 시스템과 같아서 하나의 시스템 설계가 다른 시스템과 관련될 필요가 없었습니다.

백업 메인프레임을 사용하여 RTU에서 데이터를 수집할 수 있었습니다. 1세대 시스템의 주요 기능은 프로세스에 플래그를 지정하고 센서를 모니터링하는 것으로 제한되었습니다.

#2. 분산 SCADA 시스템

분산 SCADA 시스템은 2세대 시스템이라고도 불립니다. 제어 기능은 LAN을 통해 연결된 다양한 시스템에 분산됩니다. 제어 작업은 명령 처리 및 실시간 데이터 공유를 통해 수행됩니다.

이 시스템에서는 각 스테이션의 비용과 크기가 줄었지만 일관된 네트워크 프로토콜은 존재하지 않았습니다.

#3. 네트워크 SCADA 시스템

네트워크로 연결된 SCADA 시스템은 3세대 시스템으로 알려져 있습니다. 현재 SCADA 시스템의 통신망은 전화선이나 데이터 회선을 통해 WAN 시스템을 통해 작동합니다.

노드 간 데이터 전송은 광섬유 또는 이더넷 연결을 사용하여 이루어집니다. 이 시스템은 PLC를 사용하여 필요한 경우 플래그 지정 작업을 조정, 모니터링 및 제어합니다.

#4. IoT SCADA 시스템

IoT SCADA 시스템은 4세대 시스템으로 알려져 있습니다. 클라우드 컴퓨팅을 통해 IoT를 구현하여 시스템 인프라 비용을 최소화합니다. 이러한 시스템을 통합하고 유지 관리하는 것은 다른 시스템보다 용이합니다.

실시간 시스템에서는 구성 요소나 장치의 상태를 클라우드 컴퓨팅을 통해 쉽게 보고할 수 있습니다.

SCADA의 장점

SCADA 시스템의 주요 이점은 다음과 같습니다.

확장성: 최신 SCADA 시스템은 지원되는 소프트웨어 및 하드웨어의 가용성 증가, 클라우드 컴퓨팅 사용 등 다양한 요인으로 인해 확장이 용이합니다.
상호 운용성: 최신 SCADA 시스템은 독점적인 소프트웨어와 하드웨어에 의존하지 않아 특정 공급업체에 대한 의존성을 줄입니다.
통신: SCADA는 SCADA 제어 및 데이터에 대한 접근성을 향상시키는 최신 통신 프로토콜을 지원합니다.
지원: 최신 SCADA 시스템은 공급업체의 기술 지원을 잘 받을 수 있습니다. 개방형 네트워킹 표준, 최신 소프트웨어 개발 플랫폼 및 상용 하드웨어의 사용으로 타사 공급업체도 시스템에 더 쉽게 접근할 수 있습니다.

SCADA의 한계

SCADA 시스템의 몇 가지 제한 사항은 다음과 같습니다.

복잡한 하드웨어 장치 및 종속 모듈과 함께 제공됩니다.
유지 관리를 위해 숙련된 프로그래머, 운영자 및 분석가가 필요합니다.
설치 비용이 높습니다.
일부에서는 SCADA 시스템이 실업률 증가에 기여할 수 있다고 주장합니다.

SCADA의 사용 사례

SCADA는 산업 프로세스 및 목적을 관리하고 자동화하는 것을 지원하기 위해 다양한 산업 현장에서 사용됩니다. 이러한 프로세스는 인간의 제어 및 모니터링에 있어 복잡하고 번거로울 수 있습니다.

특히 낭비를 최소화하고 효율성을 향상시킬 수 있는 프로세스를 원격으로 제어하고 모니터링하는 데 SCADA가 유용합니다.

SCADA 자동화의 일반적인 산업 응용 사례는 다음과 같습니다.

석유 및 가스 정제 작업
발전 및 배전
화학 제조
통신 인프라
제조 및 관련 공정
운송 및 운송 인프라
수도 및 폐기물 관리와 같은 유틸리티 인프라
식품 및 음료 가공

SCADA 기술의 도움을 받아 이러한 프로세스를 면밀히 추적하고 적절하게 제어함으로써 시간이 지남에 따라 성능을 향상시킬 수 있습니다. 효과적인 시스템은 비용과 시간을 크게 절약해 줍니다.

현대 사회에서는 다양한 형태의 SCADA 시스템이 활용되고 있습니다. 몇 가지 예로는 냉동 시스템 유지 관리, 정유 공장에서 생산 안전 보장, 폐수 처리 공장에서 수질 기준 준수, 가정에서 에너지 소비 추적 등이 있습니다.

SCADA 솔루션 구현 방법

SCADA 시스템을 구현하는 동안 다음과 같은 핵심 단계를 고려해야 합니다.

모니터링할 대상을 명확하게 정의하고 이해합니다.
수집하려는 데이터의 유형과 방법을 결정합니다.
최근 데이터 수집 지점을 통합하는 게이트웨이를 추가합니다.
필요한 경우 데이터 수집 지점을 생성합니다.
원하는 모니터링 위치에 데이터를 중앙 집중화합니다.
원하는 SCADA 애플리케이션에 데이터를 매핑합니다.
제어 및 데이터 프로세스의 시각화를 추가합니다.
규칙 및 자동화를 정의합니다.

모든 설정이 완료되면 SCADA 소프트웨어가 나머지 작업을 처리합니다. 시설과 상호 작용하고, 문제를 경고하며, 예측 유지 관리에 정보를 제공하고, 장비에 대한 제어 기능을 제공합니다.

결론

SCADA는 산업 프로세스 및 데이터를 제어 및 관리하고, 시스템 문제를 감지하고 빠른 수정을 위한 통신을 가능하게 하는 효율적인 방법을 제공합니다. 따라서 모든 작업을 수동으로 처리하거나 시간과 비용을 낭비하는 대신 SCADA 시스템을 사용하여 이러한 프로세스를 자동화할 수 있습니다.

SCADA는 특정 목표를 가지고 구현됩니다. 회사가 SCADA를 구현하려는 경우, 요구 사항을 명확히 하고 이에 따라 프로세스를 자동화하는 것이 중요합니다.