Opinion

퍼베이시브 센싱

더 많이 센싱할수록, 더 많이 해결한다

by Deanna Johnson

에머슨 프로세스 매니지먼트 글로벌 솔루션 무선 마케팅 책임자

과거에는 센서를 제한적으로 사용되는 시절이 있었습니다. 센서의 구매, 설치, 유지에는 고가가 소요되었고, 기업들은 절대적으로 필요한 경우에만 센서를 사용했습니다. 그렇지만, ‘아는 게 힘이다’라는 격언대로, 플랜트에 대해 더 많이 알수록, 플랜트의 유지 관리가 보다 용이해집니다. 같은 의미로 ‘불운한 사건’이 작게 발생할수록, 소요되는 비용이 낮아집니다.

이와 관련해, 에머슨 프로세스 매니지먼트의 Deanna Johnson의 글을 통해 에머슨의 퍼베이시브 센싱의 개념에 대해 논의하고, 퍼베이시브 센싱이 플랜트에 어떠한 도움이 되는지 설명하며, 현재 사용되는 방식 사례를 살펴보고자 합니다.

퍼베이시브 센싱을 간략히 표현하자면, 플랜트 내에서 운영에 영향을 미칠 수 있는 모든 사안에 관해 데이터를 수집하는 센서들을 사용하는 것을 뜻합니다. 퍼베이시브 센싱은 많은 부분 저가 센서의 가용성 증가에 의해 주도되고 있는데, 이들 센서의 대부분은 무선입니다. 현재 업계에서는 퍼베이시브 센싱이 점차 수용되고 있고, 산업 부문이 아닌 일반적인 일상 생활 일부에서도 그 모습을 드러내고 있습니다.

일상생활 내 퍼베이시브 센싱

오늘날 자동차는 15년 전과 비교해 15배 더 많은 센서를 장착하고 있으며, 그 숫자는 점점 더 증가고 있습니다. 추력 및 크랭크 축 위치 센서, 산소 센서, 에탄올 연료 센서, 사출 압력 센서, 엔진 노킹 센서, 공기 질량 센서 등은 엔진 제어 컴퓨터에 필수적인 입력 정보를 제공하고, 엔진 오일과 냉각제 레벨의 모니터링과 같이 신뢰성을 유지하는데 도움이 되는 다른 온보드 센서들이 이를 지원합니다. 현재 차량의 센서는 각 타이어의 압력까지 확인하고 압력이 너무 낮게 떨어지면 경고를 울리기도 합니다.

차량 안전성 측면에서는, 브레이크 오일과 세척액을 모니터링 하는 레벨 센서와, 에어백을 구동하는 가속도계, 잠김 방지 브레이크를 활성화하는 운전대 장착 속도 센서가 있습니다. 이외에도 센서는 안전벨트 착용 여부 확인, 차량 후방부나 사각 지대의 물체 감지, 차량 문의 개방 시 운전자 경고를 수행하기도 하고, 일부 차량의 경우, 운전자가 졸음이 오거나 차선에서 벗어나기 시작할 때 경보를 울리는 센서도 있습니다.

산업 부문에서 퍼베이시브 센싱

퍼베이시브 센싱은 공정을 비롯해 인력 안전성, 규제 준수, 장비 신뢰성, 에너지 효율성의 개선을 추구합니다. 위험성의 조기 감지 및 대응, 인력과 장비의 보호, 고장 예측, 감속 및 가동 중지 감소를 가능하게 하며, 환경 문제 및 과태료 방지와 잠재적 보안 위협의 조기 발견에도 도움이 됩니다.

퍼베이시브 센싱은 복잡성은 추가하지 않으면서 새로운 통찰력을 더하는 주요 비즈니스 결과를 목표로 하며, 공정 운영 통찰력을 개선하고 공정 최적화를 통한 생산성 및 수익성 상승을 기대합니다.

[그림 - 1] 무선 그물망에서 일반적으로 배터리 작동 방식인 소형 장치는 상호 간에 그리고 중앙 스테이션과 통신합니다. 해당 장치들은 상당한 거리까지 메시지를 전달하고, 장애물을 피해 신호의 경로를 지정하며, 일부 장치의 전원이 꺼지더라도 통신을 지속할 수 있는 자가 구성형 네트워크이다.

퍼베이시브 센싱의 시작

퍼베이시브 센싱이 가능하게 된 기반은 무선 그물망(mesh) 기술 입니다. 소형 장치 (통상 배터리 작동 방식)로 이루어진 네트워크는 장치 간 그리고 중앙 스테이션과 통신하는데, (그림 - 1 참조), 네트워크의 각 장치는 불과 몇 미터로 무선 범위가 제한될 수 있지만, 장치들은 상당한 거리까지 메시지를 전달하고, 장애물을 피해 신호의 경로를 지정하며, 일부 장치의 전원이 꺼지더라도 통신을 지속할 수 있는 자가 구성형 네트워크입니다. 더불어, 네트워크 설계의 필요성을 최소화할 뿐 아니라, 장치는 배터리로 작동되기 때문에 케이블을 끌어와 연결할 필요도 없어졌습니다. 사실상 시스템에는 영향을 미치지 않으면서 장치의 추가와 제거, 이동까지 가능해졌습니다.

이러한 그물망 네트워크를 제일 처음 광범위하게 사용한 센싱 애플리케이션은 진동 모니터링입니다. 이는 펌프 및 여타 회전 장비에 무선 신호를 내는 장치가 달린 센서를 장착하여, 장비의 상태를 보고(일반적으로, 몇 분에서 몇 시간까지 나뉜 간격 범위)한 사례로, 자산 관리 소프트웨어는 측정값을 계속 추적하고, 고장 징후를 예측하였습니다. 본 애플리케이션으로 예측하지 못한 가동 정지 시간이 현저하게 감소하였습니다.

이후, 무선 센서는 대단히 급증하였습니다. 향후 10년 동안 이 분야의 장비 매출이 160억 달러 가치의 전통적인 측정 시장과 비교해 2배 이상 확대될 것이라는 예측도 있습니다. 일예로, 동유럽의 한 오일 처리 플랜트에서는 에너지 손실, 장비 부식, 안전성 손상에 대한 감지를 강화하기 위해 완전한 무선 인프라를 전체적으로 배치하고 있는데, 이는 12,000대의 퍼베이시브 센싱 계기를 추가할 수 있는 규모로 기존 공정 측정 장치 기반의 60%를 초과한다고 합니다.

결과적으로 얘기하면, 퍼베이시브 센싱은 대부분 무선의 형태인 (전체가 무선이 아닐 수도 있지만) 여러 대의 센서를 모든 위치에서 사용하는 것으로 축약될 수 있습니다. 현재, 온도, 압력, 밸브 위치, 증기 트랩 개방, 액체 탄화수소 유출, 비상용 안전 샤워기, 압력 방출 밸브 개방, 부식 및 침식 등의 모니터링을 위해 센서를 적용하고 있습니다. 광범위한 공간과 일정 지점의 위치에 대한 가스 누출 감지와 화염/연기 감지를 목적으로 한 무선 센서도 사용되고 있습니다.

주요 공정 애플리케이션의퍼베이시브 센싱

제조 업계에서, 퍼베이시브 센싱은 주요 공정 애플리케이션 및 주요 비즈니스 애플리케이션 모두에 도움이 됩니다. 이 때, 주요 공정이란 공정 제어와 공정 안전성을 의미합니다.

주요 공정 데이터는 사양에서 벗어난 제품을 방지하고 플랜트 가동 중지까지도 예방할 수 있게 즉각적인 반응을 필요로 하는데, 이를 위해서는, 초점의 극대화가 요구됩니다. 다행히, 관련 장비 및 운영 대부분은 이미 자동화되어 있고, 새로운 센서는 대체적으로 기존 공정 제어 시스템에 연결되고 있습니다. 그렇지만, 한 가지 단점으로 잠재적인 정보 과부하 가능성이 존재합니다. 퍼베이시브 센서가 수집하는 정보 대다수는 공정 루프를 폐쇄하도록 작동하는 것이 아니라, 플랜트 운영자에게 정보를 제공하기 위해 작동하는데, 만일 센서의 설계자가 인간 중심 설계 원칙을 적용하지 않았다면, 경고와 경보가 너무 많이 발생해 운영자가 지속적으로 파악하기 어려울 수도 있습니다.

주요 비즈니스 애플리케이션의 퍼베이시브 센싱

주요 비즈니스는 안전성, 신뢰성, 에너지 효율성을 뜻하며, 주요 비즈니스 데이터는 주요 공정 데이터가 요구하는 즉각적인 반응이 아니라 시의 적절한 반응을 필요로 합니다. 이 때, 반응에 대해 조치를 취하지 못한다면, 플랜트 속도 둔화나 에너지 사용 증가와 같은 결과를 빚을 수 있습니다. 또한, 주요 비즈니스 데이터는 상대적으로 우선 순위가 낮기 때문에, 이에 대한 주목도가 제한적일 수 있습니다. 과거, 해당 데이터는 작업 라운드를 통해 수동으로 수집되었고, 일부 전혀 수집되지 않는 경우도 있었기 때문에, 확실한 정보란 존재하지 않았고, 가정이나 추정, 추측이 만연했습니다. 이러한 문제를 해결한 것이 바로 퍼베이시브 센싱입니다.

예시: Saudi Aramco 기술 저널1)에 따르면, 일반적인 정유사의 유지 보수 예산 중 36%는 부식 개선과 보수 작업에 소모되고 있다고 합니다. 또한, 최근까지 단순하게 부식 사항을 추적하는 것에도 기술자가 휴대용 분석기와 감지 신청서를 사용하여 수동 검사를 실행하는 것을 포함하는 노동 집약적인 작업이 필요했습니다. 하지만, 오늘날의 무선 부식 모니터링 트랜스미터(그림 - 2)는 과거 접근할 수 없었던 위치에서 저렴한 비용으로 연속 온라인 모니터링을 가능하게 만들었습니다.

[그림 - 2] 오늘날의 무선 부식 모니터링 트랜스미터는 이전에는 접근이 불가했던 장소에서도 저렴한 비용으로 연속적인 온라인 모니터링을 허용한다.

고급 센싱 예시

고급 센싱을 배치하는 기업의 사례는 많이 있습니다. 차세대 공정 플랜트 한 곳의 경우, 주요 애플리케이션에 대한 측정을 60% 확대하기 위해 무선 인프라를 배치하는 중인데, 현재 12,000여 주요 비즈니스 애플리케이션(현장 안전성 용도 2천, 신뢰성 용도 8천, 에너지 효율성 용도 2천)을 포함하여 2만 곳의 유선  I/O 지점을 사용하고 있다고 합니다.

주요 공정 애플리케이션에적용된 고급 센싱 예시

미국 남부의 한 가스 저장 시설에서는 변화하는 가스 가격을 기회로 활용하기 위해, 천연 가스를 소금 동굴에 주입하고 있습니다. 이를 위해, 당사는 주입정의 상태를 모니터링 해야 하는데, 주입정의 숫자는 수 십 곳에 달하고 몇 평방 마일에 걸쳐 넓게 퍼져있어 어려움을 겪었습니다. 과거, 당사에게 모니터링은 각 주입정을 살펴보도록 인력을 보내는 것을 의미했는데, 굉장히 광범위한 구역에 넓게 퍼져있는 위치적 특성으로 인해 매일 각 주입정을 점검하기란 불가능했습니다. 결국, 누출이 발생하는 경우에도 2 ~3일 동안 모르고 지나치는 사태도 생겨났습니다. 이에 따라, 당사는 각 주입정을 실시간으로 모니터링 할 수 있는 능력을 제공하는 500대에 가까운 무선 모니터링 장치를  설치하게 되었습니다. 무선 장치의 설치는 저장 용량을 능률적으로 활용하는 능력은 증대시켰고, 모니터링 비용은 절감시켰습니다. 모든 센서의 시운전에는 단 100 인시(man hour)만이 소요되었는데, 이는 과거 현장을 돌면서 모니터링 하는 시간보다도 적은 시간입니다. 무선 모니터링 장치를 통해, 당사는 설치비용에서만 100만 달러 가까이 절약하게 되었고, 현장의 보다 효과적인 운영에도 많은 도움을 받을 수 있었습니다.

주요 비즈니스 애플리케이션에 적용된 고급 센싱 예시

공정 안전이 실질적으로 억제를 의미한다면, 현장 안전은 일반적으로 작업자 안전이나 가스 감지에 관련된 것이기 때문에, 현장 안전성은 주요 비즈니스 애플리케이션으로 간주될 수 있습니다. 일예로 비상용 안전 샤워기의 모니터링을 들 수 있는데, 오늘날 플랜트에 설치된 안전 샤워기 다수는 모니터링 되지 않습니다. 또 다른 예시로는 누출 감지와 같은 안전성 및 환경 규제 준수가 해당되는데, 가스 누출이 있는 현장/구역 주변에 인력을 배치하는 것은 위험하며, 가스 누출은 많은 경우 북미 EPA(환경 보호청)과 같은 기관의 규제 쟁점과 연관되어 있다는 점도 유의해야 합니다.

[그림 - 3] 압력 하에서 새어 나오는 가스는 20 ~ 100kHz 범위의 초음파 휘슬을 생성하는데, 이는 바람이나 날씨와 상관 없이 10m를 초과하는 거리에서도 즉시 감지가 가능하다.

주요 비즈니스 애플리케이션 예시: 현장 안전성 및 규제 준수

탄화수소 가스를 지하에 저장하는 한 캐나다 시설에서는 유정구를 덮기 위해 셸터(shelter: 사실상 단순하게 판자로 된 가건물)를 사용해 왔는데, 이는 유지 보수 활동을 어렵게 만들었고, 대부분은 철거가 계획되어 있었습니다. 문제는, 기존의 레거시 단일 지점 촉매 비드 방식 감지기가 폐쇄된 환경에서는 각 유정구의 위험한 가스 누출을 그런대로 효과적으로 모니터링 할 수 있지만, 야외에서는 바람이 새어 나오는 가스를 희석시키고 센서에서 멀리 날려버리는 경향이 높다는 점입니다. 또한, 이 센서는 반드시 날씨로부터 보호되어야 하고(눈에 파묻히면 작동되지 않음), 일부 유형은 고농도의 가스에 노출될 시 포화 상태가 되어  교체가 필요하며, 정기적인 재검교정 역시 필수입니다.

당사는 [그림 - 3]에 제시된 초음파 누출 감지기를 사용해 보기로 결정하였습니다. 압력 하에서 새어 나가는 가스는 20 ~ 100kHz의 초음파 휘슬(ultrasonic whistle)을 생성하는데, 이는 바람이나 날씨와 무관하게 10m를 초과하는 거리에서도 즉각적으로 감지가 가능합니다. 또한, 본 감지기는 전체가 눈으로 뒤덮였을 때에도 제대로 작동하며, 한번 설정을 마친 이후에는 주기적인 재검교정이 불필요합니다.

당사에서 측정한 결과 주변 잡음은 55dB로 나타났고, 이에 따라 감지기는 70dB에서 구동되게 설정하였습니다. 이후, 몇 가지 테스트 시나리오가 실행되었는데, 감지기 장치는 약간의 누출에도 반응하였고 허위 경보는 전무하였습니다. 또한, 주기적인 테스트는 해당 구역에 고압 공기나 질소를 배출하는 것으로 구성되었는데, 감지기의 완벽한 작동이 확인되었습니다.

이와 관련해, 한 가지 주의해야 할 사안은, 초음파 감지기는 저 전력 장치가 아니며, 반드시 외부 전력의 공급이 필요하다는 점입니다.

[그림 - 4] 증기 트랩 옆에 장착된 음향 모니터는 트랩 당 10 분 미만으로 설치가 가능했고, 에너지 절감을 통해 이의 투자비용은 1년 내에 회수될 수 있었다.

주요 비즈니스 애플리케이션 예시: 무선 진동 센싱을 통한 펌프 상태 모니터링

미국 중서부 북쪽에 위치한 한 정유사 운영 업체에서는, LPG 서비스에서 필수적인 펌프의 밀봉 씰(seal)에 결함이 생겨 배출되는 가연성 증기 구름의 형성(과거 화재를 일으킴)을 방지하길 원했습니다. 더불어, 고장이 시작된 펌프를 조기에 발견해 손상과 보수비용의 절감도 필요했습니다. 공정 위험성 분석을 통해, 100대에 가까운 펌프가 위험성이 높다는 것이 드러났고, 추가적인 평가와 분석을 수행한 결과 해당 숫자는 더욱 늘어났습니다.

당사는 펌프에 무선 진동 모니터링 트랜스미터를 설치하고, 매 30분마다 자산 관리 시스템으로 보고하도록 설정하게 되었습니다. 본 트랜스미터는, 과도한 진동이 있을 시 운영자에게 경보를 알려 예비 펌프로 전환하게 만들고, 휴대용 분석기를 이용한 추가적인 평가를 위해 기술자에게도 알림 이메일을 전송합니다.

무선 진동 모니터링 트랜스미터의 설치는, 당사에서 과거 사용되던 수동 점검 방식과 비교해 1/10의 비용으로 소요 비용을 절감시켰고, 화재 및 이에 따른 가동 중지를 완벽하게 제거하였습니다.

주요 비즈니스 애플리케이션 예시: 에너지 효율성

증기 트랩에서 나타날 수 있는 상태는 다음의 세 가지입니다:

1. 정확하게 작동, 예상하는 것과 동일하게 개폐

2. 폐쇄 시 고장, 증기 시스템 내에 수분을 계속 두어 수격 작용이나 장비 손상 유발

3. 개방 시 고장, 증기를 대기나 응축수 회수 라인으로 내보내, 에너지 낭비 유발

식품 및 음료 업계의 한 플랜트 운영 업체에서는 증기 트랩에 대해 우려해 왔습니다. 한 조사는, 플랜트 내 25%의 증기 트랩이 고장을 일으킨다고 발표하기도 하였습니다. 당사는 증기 트랩에 거의 200대에 달하는 무선 음향 트랜스미터(그림 - 4)를 설치하였는데, 설치 과정은 트랩 별로 10분도 채 걸리지 않았으며, 전체는 고장 난 트랩에 대해 즉시 경보를 제공합니다. 이에 더해, 압력 안전밸브에도 수 십 대를 추가적으로 설치하였습니다. 본 시스템은 에너지 절감을 통해 1년 내에 투자 회수가 완료되는 놀라운 성과를 보였습니다.

요약

과거, 주요 비즈니스 애플리케이션에 대한 퍼베이시브 센싱은, 설치비용과 어려움, 기술의 복잡성, 결과 데이터의 액세스 및 사용 난제로 인해 대중화되지 못했습니다. 즉, 고가의 비용이 소요되고, 정보 혜택은 낮았던 것입니다.

계측 및 분석 소프트에어의 발전은 이러한 상황을 완전히 변화시켰습니다. 이제, 퍼베이시브 센싱은 신뢰성, 안전성, 효율성, 규제 준수에 엄청난 효과를 발휘하며, 분석 중심의 예측적 유지 보수를 가능하게 합니다.

퍼베이시브 센싱이 모든 유형의 업계 전반으로 계속 확산될 수 있을 거라는 생각에는 충분한 이유가 있으며, 향후 퍼베이시브 센싱은 생산성, 환경 규제 준수, 수익성에 긍정적인 영향력을 미칠 것으로 전망됩니다.

1) Robin Tems & Ahmed M. Al Zharani, "생산 및 정유에 있어 부식의 대가 비용 (Cost of Corrosion in Production and Refining)," Saudi Aramco Journal of Technology, 2006년도 하절기 발간본, p 2.