Jonas Berge

에머슨 응용 기술 분야 이사

Jonas Berge는 이번 글에서 무선 시스템이 어떻게 기존의 플랜트를 스마트 플랜트로 현대화 할 수 있는지를 설명한다.

그림 1. 수동 밸브 위치 피드백은 다양한 실수를 예방할 수 있다.

과거에는, 4-20㎃ 고정 배선과 온오프식 신호 케이블 그리고 시스템 I/O 카드로 인해 자동화에 많은 비용이 필요했지만, 오늘날에는 필드버스, 그리고 특히 무선 덕분에 자동화 비용은 훨씬 낮아졌다. 특히 기존의 필드버스 네트워크나 무선 네트워 크에 센서를 추가하는 것으로 작업자들의 상황 인식을 높이고 규제적 준수를 단순화함으로써, 직원들의 보건과 안전을 향상하는 것이 가능해진 점에 우리는 주목해야 한다. 바로 플랜트의 보건, 안전 및 환경(HS&E)가 관리되는 방식을 디지털화를 통해서 말이다.

더 큰 생산량을 위한 기계를 교체하고 제품 라인의 속도를 향상하기 위해 장비를 현대화하는 것은 흔한 일이다. 글로벌 EPR회사인 에피코(Epicor)가 실시한 최근 설문조사에 따르면, 테라바디트급의 비구조화 데이터를 새로운 소프트웨어, 도구, 기능성 및 시스템으로 재정 업무 부문을 ‘개편’하는 것으로 많은 이득을 얻을 수 있다.

보건, 안전 및 환경 과제

다음과 같은 사고나 잠재적인 위험들을 발견하고 정확히 찾아내는 것은 쉽지 않다.

•잘못된 위치의 수동 밸브

•석탄 축적 화재

•저장 탱크 손상

•비상샤워기 또는 안구 세정기 활성화

•필드 오퍼레이터의 빈번한 점검

•릴리프 밸브 해제

플랜트는 보건 및 안전을 보장하고 환경을 보호하기 위한 다양한 수동 절차들을 갖추고 있다. 스마트 플랜트는 추가적인 센서를 기반으로 보건, 안전 및 환경에 데이터 중심의 접근 방식을 적용하여 수동 절차를 보완하고 있다. 오퍼레이터들은 항상 이런 변수들을 확인 필요가 없으며, 알람과 인터로크를 받게 된다. 기존의 플랜트들은 무선 기술을 통해 현대화를 거쳐 스마트 플랜트로 거듭날 수 있다.

안전

플랜트는 여전히 로딩 및 오프로딩, 가동 및 셧다운, 제품 및 등급 변경, 배치 사이 등과 같은 전환 활동 시 밸브 열기와 닫기 등 수동 절차를 통한 필드 오퍼레이터들의 작업을 요구한다. 가끔은 인적 오류로 인해 사고 및 트립이 일어나며, 그 중 일부는 수동 밸브의 작동과 관련이 있다. 예를 들어, 탱크 팜 내 제품 변환 밸브가 적절하게 정렬되지 않은 경우 제품이 잘못된 탱크로 펌프되어 과충전, 유출, 그리고 어쩌면 화재나 폭발로 이어질 수 있다. 문제의 일부는 필드 오퍼레이터의 작업이 제어 시스템 으로 로그인되는 대신 수동 기록에 의존하여 누락이나 손실됨 으로써 다음 작업이나 작업자에게 전달되지 않는다는 점이다.

수동 밸브에 위치 피드백을 추가하는 것으로 모두에게 현재 밸브 상태가 정확한지를 보장하는 지표를 제공할 수 있다. 이는 오퍼레이터들이 수동 절차와 관련된 상황적 인식을 향상할 수 있도록 하고 전체 작업자들의 실수를 줄일 수 있도록 돕는다. 밸브 위치는 수동 필드 오퍼레이터작동에 대한 감사 추적을 제공하는 제어 시스템 전자 일지에 자동으로 전송된다. 더 나은 작업 교대 소통 및 관리를 통해 교대 작업의 인계와 같은 일일 업무를 향상시킬 수 있다. 밸브 상태도 제어 시스템 내 인터로크에 사용되어, 밸브가 적절하게 정렬되지 않는 한 펌프 및 기타 장비가 시작되는 것을 예방할 수 있다. 이를 통해 탱크 과충전이나 릴리프 밸브 해제와 같이 잘못된 밸브 정렬로 인한 실수들을 줄이는 것이 가능하다. 이러한 실수로부터 배우고 정정하기 위해 릴리프 밸브 해제와 같은 프로세스 이벤트는 밸브의 열기 및 닫기와 같은 작업에 대해 상호 연계될 수 있다.

일부 플랜트들은 쌓여진 가연성 고체 물질들을 보유하고 있는데, 이런 더미의 온도가 너무 높아지면 화재의 위험이 있다. 한 예로, 석탄 화력 발전소는 석탄을 쌓아서 보관한다. 석탄이 하나의 더미에서 소비되고 새로운 비축량에서 빠져나가면서 이런 석탄 더미가 한 곳에만 머무는 것이 아니기 때문에 석탄 더미의 온도를 모니터링하는 것은 어렵다. 현재 플랜트들은 석탄 더미에 넣은 ‘막대기’에 설치된 무선 온도 트랜스미터를 사용하고 있다. 열화된 석탄 더미에서 이를 쉽게 제거하여 새로운 더미에 삽입하는 것으로 오퍼레이터들은 화재가 일어나기 전에 온도 상승을 탐지하고 이에 대한 경고를 확인할 수 있다.

고장 난 저장 탱크의 브리더 밸브는 로딩 또는 언로딩 시 또는 온도 변화로 인한 탱크의 폭발이나 붕괴를 유발할 수 있다. 트랜스미터가 달린 센서는 브리더 밸브의 작동을 모니터하여 고장 시 이를 탐지 및 경고하여 유출, 화재 및 폭발로 이어질 수 있는 잠재적인 탱크의 파열을 예방할 수 있다. 비슷하게, 트랜스미터는 탱크 블랭키팅(blanketing) 밸브 기능을 모니터링하고 문제가 있을 경우 경고한다.

오퍼레이터들은 프로세스가 안전한 상대로 되돌아 갈 것이라고 안심하기 위해서 비상정지(ESD) 밸브의 성공적인 작동에 대해 확인하고 싶어 한다. 많은 플랜트에서 이런 피드백이 제공되고 있지 않지만, 무선 위치 센서를 사용하여 쉽게 추가가 가능하다. 또한, ESD 밸브의 응답 시간은 주기적으로 테스트되어야 한다. 새로운 플랜트들이 ESD 밸브의 스트로크 시간을 모니터링하는 장치를 갖추고 있는 반면, 많은 플랜트들은 여전히 그러지 못하며 시간이 많이 소요되는 수동 스트로크 시간 테스트에 의존하고 있다. 모니터링 되지 않는 ESD 밸브는 스트로크 시간을 측정하여 부진한 성능과 점검이 필요한 부분을 찾아내는 무선 위치 트랜스미터를 추가하는 것으로 개량이 가능하다.

보건

유해한 화학물질과 접촉한 작업자는 플랜트 곳곳에 설치된 비상샤워기와 안구 세정기를 사용하여 이를 씻어낼 수 있다. 하지만, 무전기를 통해서 도움을 청할 수 없거나 정확한 위치를 알리기가 어려울 수 있으며, 심지어 라디오 수신기가 씻어내는 과정에서 물에 의해 망가질 수도 있다. 특히 오래된 플랜트에 설치된 비상샤워기와 안구 세정기는 제어 시스템과 연결 되어있지 않아 상황이 더욱 좋지 않을 가능성이 높다. 그러나 무선 트랜스미터를 갖춘 센서를 추가하면 비상샤워기가 언제 활성화 되었는지를 응급 처치 요원에게 자동으로 통지하여 더욱 빠르게 위험에 처한 사람을 도울 수 있다. 일부 국가에서는 비상샤워기가 빠른 사고 대응뿐만 아니라 정기 검사 및 기능 시험을 갖추고 있는지에 대한 규정을 두어 안전사고에 대한 예방을 철저히 하고 있다. 활성화와 테스트가 자동으로 기록되기 때문에 사고 및 시험과 관련된 보고는 규제 감사를 위한 안전 규제준수의 증거로 사용될 수 있다.

수동으로 데이터 수집 시 필드 오퍼레이터는 고온의 배관, 용기 및 장비로 인한 화상의 위험뿐만 아니라 배관이나 용기 위 또는 아래를 오르내리면서 입을 수 있는 부상의 위험에 노출된다. 특히 궂은 날씨나 높은 위치에서 미끄러지거나 넘어지거나 떨어지는 일도 다반사이다. 유해한 물질에 노출된 위험도 존재한다. 무선과 필드버스를 통해서라면 추가적인 센서로 데이터 수집을 자동화하는 것이 어려운 일이 아니다. 직원들은 필드에서 더 많은 시간을 보내지 않아도 되고 그로 인해 위험한 지역에서 벗어나 유해한 부분에서의 노출을 줄일 수 있다. 작업량의 감소는 스트레스를 해소할 수 있다. 또한, 더욱 정확하고 시기적절한 기록 관리가 가능하다. 직원들은 부가 가치가 있는 작업에 보다 많은 시간을 할애하게 된다.

그림 2. 위치 트랜스미터는 상황 인식을 향상 시킨다.

환경

불량 펌프 씰, 닳은 밸브 스템 패킹, 탱크 과충전, 또는 부식된 탱크 바닥과 같은 탱크 손상은 탄화수소 누출이나 유출로 이어질 수 있다. 탄화수소 탐지 센서를 탱크 아래나 주변, 배출 펌프, 피트 및 빗물 배수관 내부 등에 추가하여 액체 탄화수소의 누출을 보다 빠르게 탐지하고 교정할 수 있다. 이는 배출 및 화재 위험의 감소로 이어진다.

압력 릴리프 밸브는 프로세스의 안전성에 있어 매우 중요하지만, 배출 시 불꽃이나 분출로 인해 환경에 영향을 미칠 수 있다. 시간이 흐를 경우, 시머링(simmering)과 시트 통과도 마찬가지다. 리프팅 및 시머링은 무선 위치 또는 어쿠스틱 트랜스미터를 설치하여 탐지하고 자동으로 보고할 수 있다. 또한, 이런 이벤트를 기록으로 남기고 이를 프로세스 데이터와의 연관성을 찾는 것으로 플랜트는 근본 원인을 찾고, 프로세스나 장비를 조정하여 불꽃 및 분출을 줄일 수 있다. 어쿠스틱 트랜스미터는 시트 통과도 탐지가 가능하며, 밸브의 점검 일정을 세우는데 사용되어 이전보다 더욱 빠르게 손실을 막을 수 있다. 압력 트랜스미터는 파열판 핀홀 누출을 탐지한다. 일부 국가에서는 이를 적용하도록 규제하고 있다. 제품 손실이 줄어들면서 결국 효율성의 증가로 나타나게 된다.

많은 플랜트들은 냉각수를 바다, 호수 또는 강에서 가져온 후 다시 배출한다. 배출되는 물의 온도가 높을 경우 해양 생물이 영향을 받게 된다. 그렇기 때문에, 많은 나라에서 배출되는 냉각수의 온도를 규제하고 있으며 이를 모니터링해야 한다. 플랜트가 이런 온도 측정을 갖추고 있지 않을 시 필드버스나 무선 트랜스미터를 추가하는 것은 아주 간단하다.

그림 3. 비상샤워기 모니터링으로 보다 빠른 응급 대응이 가능하다.

기타 보건, 안전 및 환경 솔루션

이는 플랜트들이 더 나은 상황 인식을 위해 추가적인 센서를 적용하고 있는 많은 보건, 안전 및 환경 어플리케이션 중 몇 가지 예제에 불과하다. 다음과 같이 훨씬 더 많은 경우가 존재한다.

•윤활유 쿨러 누출

•화재 보호 시스템 CO2 압력

•소화전 라인 압력 모니터링

•이차적 레벨 과충전 예방

•부식

안전성을 보장하고 건장 및 환경을 보호하기 위한 기타 다른 어플리케이션도 있다. 플랜트 내에 무선 센서 네트워크가 설치되고 나면, 문제를 완전히 다른 방식으로 바라볼 수 있다. 문제가 발생했을 때, 엔지니어들은 배선을 통한 자동화로 인해 실용적이지 못했던 자동화 솔루션을 무선 센서를 기반으로 쉽게 적용하여 이런 문제를 해결할 수 있다. 수년간 지속돼왔던 어려운 문제들도 이제 비교적 쉽게 해결이 가능하다.

공유 인프라

플랜트 전체에 걸친 무선 계기 네트워크는 DCS가 제공하지 않는 정보를 필요로 하는 다수의 부서에서 공유된다. 보건, 안전 및 환경부서, 신뢰성 엔지니어, 유지보수 부서, 에너지 팀 및 영업 부서에서는 흔히 플랜트 전역의 WirelessHART 네트워크 인프라에 대한 투자를 공유한다.

모니터링을 위해 사용되는 무선 트랜스미터 및 Wireless HART 게이트웨이는 모든 제어 시스템 및 이력장치에 통합될 수 있다. 이들 솔루션의 혜택을 누리기 위해서 기존 시스템을 업그레이드 하거나 특별한 소프트웨어에 투자할 필요가 없다. 플랜트 보건, 안전 및 환경 관리자에게 이들 솔루션을 적용할 계획에 대해 말해보라. 많은 플랜트들이 이미 플랜트 전역에 걸친 WirelessHART 네트워크를 갖추고 있으며 이 경우 이들 센서를 쉽게 통합할 수 있다. 무선 센서 네트워크가 없는 플랜트의 경우에는 I&C 부서와 무선 인프라를 적용하는 방안에 대해 논의해 보자.

데이터 중심의 스마트 플랜트를 향한 현대화

무선 트랜스미터는 사고로 이어질 수 있는 플랜트 내 위험을 탐지할 수 있도록 한다. 상황 인식을 위해 새로운 플랜트를 설계하거나 기존 플랜트를 현대화하지 않는 경우, 불필요한 사고로 이어질 수 있다. 어떤 보건, 안전 및 환경 솔루션이 권장할만한지를 확인하고 이에 들어가는 비용을 예상할 수 있도록 계기 노하우를 갖춘 보건, 안전 및 환경 전문가와 상의한 후 기존 플랜트나 새로운 플랜트 설계에 대한 감사를 수행한다.