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조선, 해양의 안전과 효율, 키(Key)는 분산제어시스템(DCS)이 쥐고 있다!

메탈넷코리아(월간 해양과조선) 취재부 이명규 기자
최근 육상 플랜트 등 신규 계획들이 감소하는 추세를 보이는 등 전반적인 산업 시장 상황이 불안정한 것으로 파악되고 있으나, 에너지에 대한 수요가 급증함에 따라 Oil & Gas 시장이 부각되고 실정이다.
또한, 석유에 대한 매장량 및 환경 오염으로 인해 시장은 LNG쪽에 집중되고 있는 현상이며, 미국 시장에서 셰일가스 수출이 이슈화되고, 기술이 발달함에 따라, 좀더 멀리, 좀더 깊이 해양플랜트 자원채굴에 집중되고 있는 추세다.

이러한 상황에 맞춰 전반적으로 활용되지 않는 산업이 거의 없는 DCS(Distributed Control System) 산업계 역시 이 시장을 주목하고 있다.
DCS는 자동제어 프로그램이 내장된 여러 개의 제어용 제품을 기능별로 분산시켜 위험을 최소화시키고 전체 관리는 중앙에서 집중감시 및 제어할 수 있도록 한 자동제어 시스템으로서 산업전반에 걸친 각종 공정의 제어 및 감시에 사용되는 핵심설비라고 할 수 있다.

특히 조선, 해양산업은 일반적으로 A/S시 서비스센터 직원의 현장방문이 용이한 육상과는 달리, 해상이라는 한정된 공간으로 인해 계기들의 모니터링, 인명안전 등을 관리하는 것이 매우 중요하다.
이러한 부분에 이바지하고 있는 DCS 산업은 전체 공정에서 약 3% 정도를 차지하고 있는 것으로 추정되지만, 바로 이 3%가 산업의 키를 쥐고 있는 것으로 판단된다.

특히 셧다운(Shutdown) 없이 라이프사이클(Life cycle)이 20년이었던 예전에 비해, 최근에는 상승된 25년을 해양업계에서 요구함에 따라 24시간 동안 안전하게 운행할 수 있도록 육상과 연계해주는 DCS 산업의 중요성은 나날이 더욱 부각되고 있는 실정이다.
오늘날 해상근무자 채용이 어렵고 근로 조건 개선이 요구되어 인건비 상승이 불가피하고 운항경비 절감과 유지 보수 효율성이 중요한 과제로 등장하고 있다.

조선, 해양산업은 가장 중요한 핵심 목표인 안정성 및 효율성 확보를 통해 보다 경쟁력 있는 선박을 제조하는데 주력할 수 있도록 이바지하는 DCS 제품이 매우 중요하다고 할 수 있다. 또한 선박의 화물과 해양플랜트의 자원채굴 등 고부가가치 재산의 보호는 물론, 상주하고 있는 인명의 안전을 위해서도 DCS의 기여도는 크다고 할 수 있다.
자, 기자재의 약 3%에 지나지 않지만 선박과 해양플랜트에서 300%, 3,000% 그 이상의 효율을 보이고 있는 DCS, 분산제어시스템(Distributed Control System)의 최근 동향과 전망에 대해 알아보자.

Ⅰ. 분산제어시스템(DCS)의 개요
1. 분산제어시스템(Distributed Control System)의 정의
분산제어시스템(DCS, distributed control system)은 제어기능을 분산시키고, 정보처리 및 운전·조작 기능은 집중화시킴으로써 신뢰성을 향상시키면서 데이터 관리를 원활하게 하는 핵심적인 공정제어시스템이다.
이 시스템은 제어대상 접점의 수가 매우 많고 다양한 제어기능을 필요로 하면서 전체 시스템의 안전운용을 위해 감시 및 통신기능을 필요로 하는 대규모 시스템에서 필요로 하는 복합적인 제어시스템으로, 국내에서는 발전소를 포함하는 전력계통의 제어에 이러한 분산제어시스템이 도입되어 성공적으로 운용되고 있다.
기술축적을 바탕으로 분산제어시스템은 최근 공정의 대규모화에 따른 운전제어의 복잡화에 대응하고, 최적화 제어 등 고효율 운전법 적용 및 감시진단기능에 의한 안전운용을 목표로 하여 공장자동화를 선도하는 시스템으로 발전하고 있는 상황이다. 이에 따라 분산제어시스템의 구성 자체가 공정단위의 분산제어 개념에서 더 나아가 플랜트 통합의 공정관리 및 정보 제어시스템으로서 일원화된 시스템 구성을 제공하고 있다.
이와 같은 분산제어시스템의 효율적인 적용을 통하여 생산성 향상은 물론 에너지 절감, 생산원가 절감 등의 여러 가지 효과를 함께 얻을 수 있어서 국내 여러 산업계에 적용이 확산되고 있는 추세이다. 현재 분산제어시스템은 발전소는 물론이고 제강 및 제철소(Iron and Steel Plant), 석유화학공정, 시멘트·유리·펄프 및 제지 공정, 수처리, 조선·해양산업 등에 접목되고 있다.
분산제어시스템은 그림 1과 같이 운전부(operator interface station), 공정제어부(process control station), 통신네트워크(communication network) 등으로 구성된다. 운전부는 크게 세 가지 기능을 주로 담당하는데, 플랜트 운전감시에 필요한 전체계통 구성요소의 공정정보를 총괄적으로 관리하는 부분, 현재 공정의 상황을 다양한 그래픽 화면으로 나타내주는 MMI(man machine interface) 부분, 공정정보를 다양한 형태로 관리하는 데이터베이스 부분으로 구성된다.
공정제어부는 대상공정에 연결되어 제어하는 부분으로서 운전부의 지시나 계획에 따라 공정을 제어하고 제어상태를 네트워크를 통해 운전부에 전송한다.

2. 분산제어시스템(DCS)의 기본 특징과 기능
(1) 분산제어시스템(DCS)의 특징
(2) 분산제어시스템(DCS)의 기능
3. 분산제어시스템(DCS)의 구성요소
(1) System Interface
1) CPU(Central Processing Unit)
2) Data Highway
(2) Process Interface
(3) Operator Interface
4. 분산제어시스템(DCS)의 역사
(1) 분산제어시스템(DCS) 출시 초기
(2) 1980년대 중반
(3) 1990년대

Ⅱ. 분산제어시스템(DCS)의 현황
1970대 초반에 등장한 마이크로프로세서 기술은 산업공정제어분야에 큰 영향을 미쳐, 오늘날의 디지털 분산제어시스템을 등장하게 했다. 제어계측시스템 기술은 지식기반 기술로서 부가가치가 높기 때문에 선진각국에서는 제어계측시스템의 기술개발과 시장확대를 위한 투자와 노력을 쏟고 있고, 타국으로의 기술정보 유출을 꺼리고 있다.
대규모 플랜트의 제어용으로 주로 이용되는 분산제어시스템 기술은 다른 산업분야의 디지털 관련 선진국기술에 비해 기술격차가 커서 국내의 일부 업체에서 시제품을 개발하고는 있지만, 국내 기술이 국내 시장의 욕구를 충족시키지 못하고 있다. 그래서 국내 발전소의 계통을 운용하는 분산제어시스템은 대부분 외국산 설비에 의존하고 있어 시스템의 구매에 필요한 외화유출은 물론 유지보수에도 많은 문제가 발생하고 있다. 이러한 비경제성을 극복하기 위해 국산화 개발 필요성이 대두되고 있다.
한편, 이번 월간<해양과조선>에서는 1990년대와 최근 국내 DCS산업의 현황을 비교해보는 시간을 가졌다. 생각보다 관련 업체들의 협조가 잘 이뤄지지 않아 어려움이 있었으며, 그 와중에도 관심을 가지고 협력해주신 업체들에게 감사말씀 보낸다.
국내 DCS산업은 1980년대 중반부터 한국시장에서 급격한 신장을 해왔지만, 1992년 이후부터 그 성장세가 급격히 둔화되었고, DCS시장이 PLC시장에 많이 잠식당했다.
그러나 PLC를 중점적으로 적용했던 산업분야에서도 DCS에 관한 많은 관심을 갖게 되고 그 외에 환경산업분야, 제지, 식품 등의 시장이 점차 확대되고 있는 실정이다.
PLC SYSTEM의 고기능화에 의해서 어떤 분야에서 PLC-SYSTEM을 사용할지 DCS-SYSTEM을 사용할지 구분이 모호하지만 통상적으로 구분하고 있는 제어신호들이 Analoge 신호가 많은지 Digital 신호가 많은지 혹은 연속 공정인지에 따라서 DCS-SYSTEM과 PLC-SYSTEM으로 구분되지만, 실제 시장은 PLC에 의해 DCS가 고유영역을 많이 빼앗겼다.
이러한 단점을 보완하기 위해 DCS와 PLC를 연관시켜 각자의 장점을 잘 활용할 수 있도록 PLC와 DCS간의 Interface를 위한 다양한 Application들이 개발되고 있다.
1994년 기준, 20여 개 남짓한 국내 업체들이 시장쟁탈전을 벌이고 있는 국내 DCS시장 규모를 보면 전년도 대비 시장이 증가했다고 하는 반응이 전체 업계의 60%를 차지하고 있어 잇단 경기침체의 악조건 속에서도 시장규모가 매년 증가했었음을 알 수 있다.
DCS시장은 크게 민수분야와 관수분야로 구분할 수 있는데, 이중 관수는 수처리 분야, 전력분야, 발전설비로 크게 대별되며, 민수는 석유. 화학, 제철. 제강, 열병합 등으로 분류할 수 있다.
그림 2를 보면 1997년에는 DCS는 석유화학분야 36.1%, 수처리분야 19.4%, 발전설비분야 17.7%, 금속철강분야 8.5%, 식품분야 2.0%, 등의 시장분포를 보였으나, 2013년에는 그림 3과 같이 석유화학분야 31.7%, 발전중전기분야 21.7%, 조선해양분야 13.3%, 철강금속분야 10.0%, 전기전자분야 6.7% 등의 분포를 나타냈다.

Ⅲ. 분산제어시스템(DCS)의 전망

Ⅳ. 분산제어시스템의 당면과제와 육성방안

Ⅴ. 마무리
과거 DCS는 소수의 산업분야에서만 관심을 가졌던 것이었지만 최근에는 전 산업분야에 적용됨에 따라 현재 성숙단계에 이르렀다고 할 수 있다. 2000년대와 현재를 비교했을 때 기존의 운용방식에서 크게 벗어나지 않은 것으로 판단된다. 아무래도 리스크가 크기 때문에 보수적인 측면이 강한 Oil & Gas 시장의 경우, 운영방식을 쉽게 바꾸려 하지 않기 때문이다.
또한 기존 인력들의 경우, 새로운 시스템에 대한 재교육이 어려워 큰 문제가 발생하지 않는 이상, 안전에 대한 위험을 무릅쓰려 하지 않는 특성이 있다. 다만, 최근 효율성과 비용절감적인 측면에서 대기업, 중견기업들은 임베디드 통합솔루션에 주목하고 있는 것으로 파악되고 있다.
한편, 2000년대와 최근을 비교했을 때, 최근 DCS 산업을 비롯해 전 산업적으로 가장 뜨거운 이슈는 ‘환경’으로 판단된다. 조선, 해양과 관련해 국제적인 환경 규제는 외래 해양생물종의 규제, 선박 방오도료 규제, 배기가스 규제 등으로 분류할 수 있으며, 이러한 규제에 따라 선박과 해양플랜트에서 버려지는 오수와 굴뚝을 타고 배출되는 배기가스 관리에 대한 시스템 요구가 늘고 있는 추세다.
기술적인 측면에서는 2000년대까지는 조선, 해양산업에 탑재되는 DP 등 DCS 어플리케이션들의 해외의존도가 매우 높았다. 이는 선진국에 비해 DCS 산업의 전문적인 지식 부족 등으로 국내에서 주도적으로 진행하기 어려웠기 때문으로 판단된다.
하지만 최근 들어 중국, 동남아 국가 등 경쟁자들이 증가함에 따라 DCS 산업은 물론, 조선과 해양산업에서는 코스트 세이빙(Cost Saving)과 고부가가치 어플리케이션(Applications)이 개발의 키워드로 작용하고 있다. 이에 따라 국내 DCS 관련 업체들은 앞서 언급한 DCS 산업의 해외의존도를 낮추고 현지화(Localization)해 비용절감을 도모하고 있으며, FLNG 등 고부가가치 어플리케이션 개발에 주력하고 있는 것으로 판단된다.
조선, 해양산업에서의 한국은 독보적이라고 할 수 있다. 물론, 중국의 추격이 나날이 거세지고는 있으나 아직까지는 한국의 기술력에는 따라오지 못하고 있는 것으로 판단된다. 한국은 일본의 원천기술과 중국의 가격경쟁력 등 각국의 장점을 모두 보유하고 있다.
또한 조선소의 도크 생산케파와 뛰어난 용접기술, 구축된 관련 인프라 등 해양산업이 발전하기에 매우 유리한 위치를 선점하고 있으므로 조선, 해양산업에 종사하고 있는 인재들이 합심해 개발을 위해서 노력한다면 더욱 발전할 것으로 사료된다.

■ 참고문헌
· IMS Research
· CMR
· 중국공공망
· 정보통신산업진흥원
· 월간<해양과조선> 2008년 10월호, 2010년 4월호
상 호: 메탈넷코리아 매체사업부문(Metal Network Korea Company)
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