PLC(Programmable Logic Controller)와 공중통신망을 이용한 하천수위감시시스템 구축 사례 연구 A Case Study on the Implementation of a River Water Level Monitoring System using PLC(Programmable Logic Controller) and Public Telecommunication Network원문보기
낙동강 하굿둑의 주요 기능인 염수피해 방지와 홍수 배제를 효과적으로 수행하기 위하여, 주요 지점의 하천 수위 변화를 감시하여 하굿둑 수문(水門) 운영에 신속히 반영할 수 있도록 하천수위감시시스템을 구축하였다. 하굿둑 운영에 직접 영향을 미치는 낙동강 본류 3개 지점에 PLC와 공중통신망을 이용하여 시스템을 구축하고, 하굿둑 통합운영시스템과 연계하였다. PLC를 활용하여 안정성과 범용성을 확보하고 유지관리의 편의성을 제고할 수 있었다. 전원 제어장치를 설치하여 경고장 발생 시 원격에서 신속히 조치를 취한 뒤, 초기화할 수 있도록하여 현장까지의 출동 횟수를 대폭 감소시킬 수 있었다. 현장 데이터 저장 기능을 추가하여, 통신망 이상 등으로 데이터가 센터로 전송되지 못할 경우를 대비하였으며, 통신망은 공중통신망인 ADSL(FTTH)을 이용하여 경제성을 고려하였고, CDMA(M2M)를 보조망으로 구성하여 이중화하였다. 공중통신망의 보안 취약성을 보완하기 위하여 전용망과 같은 효과를 볼 수 있도록 VPN을 각각 설치하고, 가상사설망을 통하여 센터와 관측국이 통신하도록 하였다. 일반적으로 하천 수위관측국에는 목적에 따라 전용의 원격터미널을 이용하고 있으나, 본 사례는 범용적인 PLC를 이용하여 개방적 구조의 시스템을 구축함으로써, 향후 유역통합물관리에 대비하여 여러시스템간의 인터페이스와 유지관리의 용이성, 보안성, 경제성을 고려한 모델이라는 점에 의의가 있다.
낙동강 하굿둑의 주요 기능인 염수피해 방지와 홍수 배제를 효과적으로 수행하기 위하여, 주요 지점의 하천 수위 변화를 감시하여 하굿둑 수문(水門) 운영에 신속히 반영할 수 있도록 하천수위감시시스템을 구축하였다. 하굿둑 운영에 직접 영향을 미치는 낙동강 본류 3개 지점에 PLC와 공중통신망을 이용하여 시스템을 구축하고, 하굿둑 통합운영시스템과 연계하였다. PLC를 활용하여 안정성과 범용성을 확보하고 유지관리의 편의성을 제고할 수 있었다. 전원 제어장치를 설치하여 경고장 발생 시 원격에서 신속히 조치를 취한 뒤, 초기화할 수 있도록하여 현장까지의 출동 횟수를 대폭 감소시킬 수 있었다. 현장 데이터 저장 기능을 추가하여, 통신망 이상 등으로 데이터가 센터로 전송되지 못할 경우를 대비하였으며, 통신망은 공중통신망인 ADSL(FTTH)을 이용하여 경제성을 고려하였고, CDMA(M2M)를 보조망으로 구성하여 이중화하였다. 공중통신망의 보안 취약성을 보완하기 위하여 전용망과 같은 효과를 볼 수 있도록 VPN을 각각 설치하고, 가상사설망을 통하여 센터와 관측국이 통신하도록 하였다. 일반적으로 하천 수위관측국에는 목적에 따라 전용의 원격터미널을 이용하고 있으나, 본 사례는 범용적인 PLC를 이용하여 개방적 구조의 시스템을 구축함으로써, 향후 유역통합물관리에 대비하여 여러시스템간의 인터페이스와 유지관리의 용이성, 보안성, 경제성을 고려한 모델이라는 점에 의의가 있다.
A river water level monitoring system which prevents salt water damages and effectively excludes floods has been developed to contribute efficient operation of Nakdong river estuary barrage. The system can be used for monitoring upstream conditions more quickly and do appropriate responses over chan...
A river water level monitoring system which prevents salt water damages and effectively excludes floods has been developed to contribute efficient operation of Nakdong river estuary barrage. The system can be used for monitoring upstream conditions more quickly and do appropriate responses over changes. Telemetry and telecontrols using PLCs have been built at the three sites that directly influence on the operation of barrage gates, and are linked to Nakdong river estuary barrage's IOS (Integrated Operation System) through public communication networks. By using PLC, the system can achieve even higher reliability and versatility than before as well as easy management. By power control devices, we can remotely control the power of PLCs to treat the minor troubles instantly without going on-sites. The power control devices also save data in preparation for the cases of communication failures. The system uses ADSL (FTTH) as a main network between SCADA server and PLCs, and CDMA (M2M) as a secondary network. In order to compensate security vulnerabilities of public communication network, we have installed the VPNs for secure communication between center and the observation stations, just like a dedicated network. Generally, river water level observations have been used custom-manufactured remote terminals to suit their special goals. However, in this case, we have established a system with open architecture considering the interface between different systems, the ease of use and maintenance, security, price, etc.
A river water level monitoring system which prevents salt water damages and effectively excludes floods has been developed to contribute efficient operation of Nakdong river estuary barrage. The system can be used for monitoring upstream conditions more quickly and do appropriate responses over changes. Telemetry and telecontrols using PLCs have been built at the three sites that directly influence on the operation of barrage gates, and are linked to Nakdong river estuary barrage's IOS (Integrated Operation System) through public communication networks. By using PLC, the system can achieve even higher reliability and versatility than before as well as easy management. By power control devices, we can remotely control the power of PLCs to treat the minor troubles instantly without going on-sites. The power control devices also save data in preparation for the cases of communication failures. The system uses ADSL (FTTH) as a main network between SCADA server and PLCs, and CDMA (M2M) as a secondary network. In order to compensate security vulnerabilities of public communication network, we have installed the VPNs for secure communication between center and the observation stations, just like a dedicated network. Generally, river water level observations have been used custom-manufactured remote terminals to suit their special goals. However, in this case, we have established a system with open architecture considering the interface between different systems, the ease of use and maintenance, security, price, etc.
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문제 정의
K-water(한국수자원공사)는 하굿둑의 평시와 홍수기 수문 운영에 대한 보다 신속하고 정확한 의사결정을 위하여 상류 주요 지점의 수위에 대한 실시간 감시시스템을 구축하여 운영하고 있다[12]. 낙동강하굿둑의 하천수위감시시스템은 낙동강 삼랑진과 구포 지점의 수위, 대동수문의 수위 및 주수문의 상태 등 하굿둑 수문 운영에 직접 영향을 미치는 데이터를 낙동강하굿둑의 중앙조정실에서 원격으로 실시간 감시하여, 평시 하굿둑 상류 수위 조절과 홍수시 보다 신속하고 정확한 수문 운영에 대한 의사결정을 지원하는데 목적이 있다.
하굿둑의 효과적인 수문운영은 낙동강 하류 지역의 생·공업 및 농업용수에 대한 염수 피해를 방지하고, 상류 수위 조정을 통한 제방 안정성 및 홍수량 증가에 따른 치수 안전의 확보를 위해 매우 중요하다. 본 논문에서는 수문운영에 관한 보다 신속하고 정확한 의사결정을 지원하기 위하여, 기존의 하천수위관측시스템을 개선한 사례를 다루었다. 하굿둑 운영에 직접 영향을 미치는 삼랑진, 구포 지점과 대동 수문에 PLC와 공중 통신망 이용하여 하굿둑 SCADA 시스템에 연계하였다.
본 논문은 SCADA 시스템의 통합과 관련된 연구정보가 부족한 상황에서, 새로운 하천수위감시시스템의 구축 사례를 소개하여, PLC와 공중통신망을 이용한 SCADA 시스템의 구축 과정에 대한 이해를 돕고, SCADA 시스템의 통합과 관련된 유사 문제를 고민 중에 있는 기업과 기관에 참고가 될 수 있도록 작성되었다. 제1장에서는 기존 하천수위감시시스템의 개선 필요성에 대하여 설명하였고, 제2장과 제3장에서는 PLC를 활용한 신규 하천수위감시시스템의 설계와 구현에 대해 다루었다.
본 사례에서는 다음 항목들이 HMI 기능의 적정성을 판단하는 주요 요구사항으로 검토되었다.
장비와 통신 상태를 실시간 점검하여 이상 발생 시 알람을 발생하여 중앙조정실의 근무 자에게 알려주고, 단문문자를 담당자에게 전송하는 등 운영관리의 편의성 또한 제고하였다.
가설 설정
5) 물리적인 공간: PLC는 다른 솔루션보다 적은 공간을 차지한다.
제안 방법
그러나 PLC만으로는 수위관측에서 요구하는 특정 기능을 구현하기 어려운 점이 있었는데, 대표적으로 현장에서 일정 기간의 수위자료를 저장해야하는 요구사항은 별도의 장치를 구성하여 보완해야 했다. 데이터의 현장 저장 및 원격 전원제어 장치는 통신회선의 이상 등으로 데이터가 중앙조정실로 전송되지 못하는 경우를 대비하여, 현장의 분 단위 수위관측 데이터를 일정 기간(1년 이상) 저장할 수 있도록 구성 되었다. 뿐만 아니라 원격에서도 전원 제어를할 수 있게 하여, 수위관측국에서 시스템 지연 대기(System Holding)와 같은 경고가 발생할 경우 현장까지 가지 않고도 Reset할 수 있도록 하였다.
VPN은 인터넷과 같은 공중망을 사용하여 전용망과 같은 효과를 볼 수 있도록 구현한 가상사설망을 의미하는데, VPN에서는 두 노드 사이에 모든 데이터가 암호화되어 전송되는 가상의 경로를 만드는데, 이를 통해 평문 통신을 보호하고, 잠재적인 공격자가 해당 서비스를 발견할 가능성에 대비하여 특정 IP(또는 대역) 만 접근을 허가하는 접근제어 기능을 갖추고 있다. 또한 각 사이트에 설치된 VPN 장치는 전송계층에서 응용계층간 패킷의 유해 트래픽, 규격에서 벗어난 프로토콜, DDos(Distributed Denial of Service) 공격, 트래픽의 이상 폭주 등을 탐지하고 차단한다. VPN은 보안정책을 기초로 사전에 정의된 규칙에 따라 내부 및 외부 네트워크 사이의 트래픽을 제어한다.
본 사례에서도 이러한 경향에 맞추어 Control Level ～Information Level 간의 통신망은 산업용 이더넷을 적용하였다. 또한 산업자동화시스템의 네트워크는 신뢰성(무고장성)과 데이터 실시간성, 경제성이 중요하다.
본 연구 사례에서 활용된 PLC와 유사한 기능을 하는 수위 원격측정용 RTU의 가격을 [Table 7]에 비교·정리하였다.
데이터의 현장 저장 및 원격 전원제어 장치는 통신회선의 이상 등으로 데이터가 중앙조정실로 전송되지 못하는 경우를 대비하여, 현장의 분 단위 수위관측 데이터를 일정 기간(1년 이상) 저장할 수 있도록 구성 되었다. 뿐만 아니라 원격에서도 전원 제어를할 수 있게 하여, 수위관측국에서 시스템 지연 대기(System Holding)와 같은 경고가 발생할 경우 현장까지 가지 않고도 Reset할 수 있도록 하였다.
반면, ADSL(FTTH) 은 거리와 무관하며 비교적 저렴한 요금이 장점 이지만, 공중망의 특성상 보안성이 낮다[5]. 새로운 하천수위감시스템에서는 경제성이 높은 ADSL(FTTH)을 이용하되, 보안성을 높이기 위하여 각 관측국과 중앙조정실에 VPN(Virtual Private Network) 장비를 설치하였다.
이러한 시스템 개선을 통한 효율성 향상으로 정규 근무시간 중에 발생하는 시간 절감을 생산 활동의 증대로 해석하여 효과를 계량화하였다. 절감시간은 시스템 기획 전문가 의견(시스템 기능 개선시 5～10% 절감)중 5%를 반영하여 월평균 근로시간 160시간 중 8시간을 적용하고 시간당 급여액은 1인당월 평균 급여액 542만 원을 기준으로 계산하였다.
특히, 이 기종간의 인터페이스와 엔지니어링 및 유지보수성이 높아야 하며, 최소의 비용으로 향후의 업그레이드가 가능할 수 있어야 한다. 이러한 요소들을 고려하여, 본 연구의 하천수 위감시시스템은 최종적으로 PLC+HMI 시스템으로 구성되었다.
이를 위해서 개방형 구조를 지니는 네트워크형 SCADA 시스템이 낙동강하굿둑 통합운영시스템의 기본 아키텍처로 선정되었으며, 따라서 하천수위감시시스템도 낙동강하굿둑 통합운영시스템의 일부분으로 직접 연계될 수 있는 개방형 구조이고 표준화된 장비와 프로토콜을 활용하여야 한다.
통신망의 이중화를 위해서 CDMA 무선망 (M2M)을 구성하여 보조적으로 운용할 수 있도록 하였다. 이는 홍수기 기상 악화로 하천의 수위가 급격하게 상승하거나 다른 사유로 관측국 주변의 통신망이 손상을 입을 경우를 대비하여, 유선과 무선망으로 이중화한 것이다.
본 논문에서는 수문운영에 관한 보다 신속하고 정확한 의사결정을 지원하기 위하여, 기존의 하천수위관측시스템을 개선한 사례를 다루었다. 하굿둑 운영에 직접 영향을 미치는 삼랑진, 구포 지점과 대동 수문에 PLC와 공중 통신망 이용하여 하굿둑 SCADA 시스템에 연계하였다. 기존 시스템보다 경제적이면서도 안정성, 범용성 및 확장성을 향상시켜, 전체 시스템의 위험요소를 효과적으로 저감할 수 있었다.
하천 수위 감시를 이용한 물관리시스템의 대표적인 해외 사례를 [Table 1], [Table 2] 및 [Table 3]을 통해 간략히 소개하였다.
대상 데이터
본 연구 사례에서 활용된 PLC와 유사한 기능을 하는 수위 원격측정용 RTU의 가격을 [Table 7]에 비교·정리하였다. PLC의 가격은 물가자료(2015년 9월호, p.1181, 한국물가협회)를 참조하였고, RTU의 가격은 종합물가정보(2015년 3 월호, p.640, 한국물가정보)를 참조하였다. 이 결과에 따르면, PLC를 이용하는 것이 RTU에 비하여 개소당 945만 원의 절감 효과가 있는 것으로 나타났다.
Graphic Station은 Server와 연결되어 전체 프로세스를 감시할 수 있도록 한다. SCADA Server는 유역의 주요 지점에 설치된 자동계측국(Automatic Measuring Stations)으로부터 수위, 유량, 유속, 수온, 강우, 강설, 기상 등의 필요 데이터를 수집한다. Database Server는 필수적인 데이터를 저장하고 장기적인 기록을 유지하며 Report를 생성하고 분석과 예측에 사용되는 Trend를 만든다.
성능/효과
1) 경제성: 고객 맞춤형 제어시스템으로 특정 용도로 주문 제작되는 컨트롤러나 RTU 및 릴레이 고정 배선 방식에 비해 대량 생산되는 PLC가 비용 면에서 저렴하다.
2) 다기능성과 유연성: 변경요구에 따라 PLC는 쉽게 제어 로직과 하드웨어 구성을 변경할 수 있으며, 표준화된 소프트웨어를 통해 유지관리가 용이하다. 하드웨어가 모듈화 되어 있어서, CPU, I/O 및 통신 모듈의 확장, 변경, 보수가 편리하다.
3) 구현 용이성과 정교한 제어: PLC는 소프트웨어에 중심을 두고 있어서 SCADA 시스템의 설계와 구현을 보다 쉽게 만들며, 소프트웨어 능력을 활용하여 RTU에 비해 정교한 제어가 가능하다.
4) 향상된 신뢰성: 비교적 단기간에 제조된 RTU나 전통적인 시퀀스 제어 회로에 비해 올바르게 구현된 PLC가 더 높은 신뢰성을 보여 준다.
하굿둑 운영에 직접 영향을 미치는 삼랑진, 구포 지점과 대동 수문에 PLC와 공중 통신망 이용하여 하굿둑 SCADA 시스템에 연계하였다. 기존 시스템보다 경제적이면서도 안정성, 범용성 및 확장성을 향상시켜, 전체 시스템의 위험요소를 효과적으로 저감할 수 있었다.
변경된 시스템은 이전의 시스템보다 범용성과 확장성이 높고 모듈화된 PLC를 활용하여, 전체 시스템의 위험요소를 낮추고 안정성을 향상시켰다. 또한 RTU에 비하여 설비의 하드웨어 및 소프트웨어 유지관리 측면에서 제작사에 대한 의존도를 현저하게 낮출 수 있었다.
반면 일반적으로 잘 증명된 하드웨어와 소프트 웨어를 이용한 설계는 시스템의 실패 위험을 크게 감소시키며, 특히 모듈방식은 시스템의 부분 요소에 이상이 발생 시 신속한 대응에 효과적 이다[5]. 변경된 시스템은 이전의 시스템보다 범용성과 확장성이 높고 모듈화된 PLC를 활용하여, 전체 시스템의 위험요소를 낮추고 안정성을 향상시켰다. 또한 RTU에 비하여 설비의 하드웨어 및 소프트웨어 유지관리 측면에서 제작사에 대한 의존도를 현저하게 낮출 수 있었다.
HMI는 공정의 감시, 제어 및 분석을 효율적으로 실행하고, 변화에 쉽게 대응할 수 있도록 설계 및 구현된 통합 소프트웨어로, 설비들과 연결된 PLC(Programmable Logic Controller), DCS(Distributed Control System), RTU 등의 컨트롤러와 이를 운영하는 사람 사이를 연계하는 역할을 한다. 본 사례에서는 적합한 HMI 의 선정을 위해 ① 시스템 통합성, ② 표준지원 여부와 함께, 운영 편의성과 시스템 안정성을 포함한 ③ HMI 기능의 적정성이 주요 요소로 고려되었다.
640, 한국물가정보)를 참조하였다. 이 결과에 따르면, PLC를 이용하는 것이 RTU에 비하여 개소당 945만 원의 절감 효과가 있는 것으로 나타났다.
공중통신망인 ADSL(FTTH)과 CDMA 무선망(M2M)을 이용하여 [Table 6]에 비교한 것과 같이 전용회선에 비하여 연간 약 7백만 원의 통신요금 절감 효과가 있다. 주 통신망의 상태를 주기적으로 점검하여 이상 발생시 보조 통신망으로 자동 절체되게 함으로써 데이터 결측요인을 줄일 수 있었다. 특히 공중망을 이용하는 구간에 VPN을 설치하여 전용회선과 같은 높은 보안성을 유지할 수 있게 되었다.
뿐만 아니라 하굿둑의 배수문을 감시·제어하기 위한 SCADA 시스템과는 별도의 시스템으로 구축되어 있어서 시리얼 통신으로 두 시스템을 연결하는 등, 전체 시스템의 통합 측면에서도 바람직하지 않았다. 특히, 수위관측국과 통제국 사이가 ADSL망으로 연결되고 외부 호스팅 업체의 웹 서버를 이용하여 데이터를 제공받는 구조를 지녀, 보안 측면에서도 높은 취약성을 지니고 있었다. 산업이 발달할수록 SCADA 시스템을 다른 네트워크와 연결하려는 요구가 커지게 되는데, 위와 같은 취약성은 심각한 보안 문제를 유발할 위험을 높이게 된다.
후속연구
하천수위감시시스템은 범용성을 갖춘 신축적인 구조로 개방성과 확장성이 우수해야 한다. 특히, 이 기종간의 인터페이스와 엔지니어링 및 유지보수성이 높아야 하며, 최소의 비용으로 향후의 업그레이드가 가능할 수 있어야 한다. 이러한 요소들을 고려하여, 본 연구의 하천수 위감시시스템은 최종적으로 PLC+HMI 시스템으로 구성되었다.
개선된 시스템은 유지관리의 용이성, 보안성 및 경제성 등을 고려한 개방적인 구조를 지녀서, 향후 유역단위의 통합물관리 체계인 IWRM (Integrated Water Resources management) 실현을 위해, 하천 관측국에 설치된 다양한 시스템과 결합되는 경우에도 하부 설비로서 인터페이스에 별다른 문제가 없다는 장점이 있다. 향후 SCADA 시스템과의 통합과 관련된 유사한 문제들을 고민하는 기업과 기관에게 본 연구의 하천수위관리시스템 사례가 하나의 참조 모델이 될 수 있을 것으로 기대된다.
기존의 하천수위감시시스템은 하천의 수위를 원격 전송하기 위해 별도 제작된 RTU로 구성되어서 수위관측국에서의 사용은 편리하였으나, 하드웨어와 소프트웨어가 표준화되어 있지 않아 확장 및 변경이 어렵고, 특정 제조사에 대한 의존도가 높아 장기적인 유지관리에 문제가 발생할 수 있었다. 향후 시스템 확장과 외부 시스템과의 통합을 고려할 때, 하천수위감시시스템에서 사용되는 TM/TC설비가 범용성과 안정성을 갖추면서도 유지보수성이 높은 장비로 대체될 필요가 있었다. 이러한 요구로 인하여 기존의 RTU 기반 구성을 PLC를 중심으로 한 구성으로 대체하게 되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
낙동강하굿둑의 하천수위감시시스템의 목적은?
K-water(한국수자원공사)는 하굿둑의 평시와 홍수기 수문 운영에 대한 보다 신속하고 정확한 의사결정을 위하여 상류 주요 지점의 수위에 대한 실시간 감시시스템을 구축하여 운영하고 있다[12]. 낙동강하굿둑의 하천수위감 시시스템은 낙동강 삼랑진과 구포 지점의 수위, 대동수문의 수위 및 주수문의 상태 등 하굿둑 수문 운영에 직접 영향을 미치는 데이터를 낙동강하굿둑의 중앙조정실에서 원격으로 실시간 감시하여, 평시 하굿둑 상류 수위 조절과 홍수시 보다 신속하고 정확한 수문 운영에 대한 의사결정을 지원하는데 목적이 있다.
낙동강하굿둑이란?
부산시 사하구 하단동과 강서구 명지동에 걸쳐 있는 낙동강하굿둑은 낙동강 상류지역에 안정적인 용수를 공급하고 염수의 침투를 막기 위한 핵심 시설로서, 평시의 효율적인 수문 운영과 홍수기의 급변하는 하천변화에 신속하게 대응하기 위해 상류 지역의 수위와 유하량 변화에 대한 실시간 감시능력이 매우 중요하다. 실시간 감시를 위한 주요 관측지점으로는 낙동강 삼랑 진, 구포 수위관측국과 대동수문을 들 수 있겠다.
기존의 하천수위감시시스템의 보안 관련 문제점은?
뿐만 아니라 하굿둑의 배수문을 감시․제어하기 위한 SCADA 시스템과는 별도의 시스템으로 구축되어 있어서 시리얼 통신으로 두 시스템을 연결하는 등, 전체 시스템의 통합 측면에서도 바람직하지 않았다. 특히, 수위관측국과 통제국 사이가 ADSL망으로 연결되고 외부 호스팅 업체의 웹 서버를 이용하여 데이터를 제공 받는 구조를 지녀, 보안 측면에서도 높은 취약 성을 지니고 있었다. 산업이 발달할수록 SCADA 시스템을 다른 네트워크와 연결하려는 요구가 커지게 되는데, 위와 같은 취약성은 심각한 보안 문제를 유발할 위험을 높이게 된다. 더구나 SCADA 시스템의 통신 프로토콜로 개방형 표준의 사용이 일반화되고 있고, 비용 및 시간을 절감하기 위한 COTS(Commercial Off-theshelf) 기반의 시스템 설계가 늘어나고 있어서, 시스템 전반에 걸쳐 보안에 대한 보다 많은 고려가 필요해지고 있다[1, 3, 8, 23].
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