Jonas Berge
에머슨 오토메이션 솔루션즈 응용 기술 이사
에머슨의 Jonas Berge가 센서의 퍼베이시브 네트워크(pervasive networking of sensors)를 통해 플랜트의 성능을 더욱 더 발전시킬 수 있는 방법을 소개한다.
현재도 우수한 플랜트의 성능을 어떻게 하면 더욱 더 발전 시킬 수 있을까? 대부분의 플랜트 소유주들은 지금의 표준 운영 절차(SOP)가 적절하게 가동되고 있다고 믿고 있다. 그러나 더 많은 센서를 통해 운영을 디지털화 할 수 있고 부족한 인력을 더욱 효율적으로 활용할 수 있다. 플랜트 직원은 데이터를 수집 하는 작업에 집중하기 보다는 새로운 센서와 소프트웨어가 발견한 문제들을 해결하는데 더 많은 시간을 할애할 수 있다.
현재 많은 플랜트들은 필드 오퍼레이터의 점검과 같은 수작업을 자동화하고 추가 센서를 설치하여 프로세스 운영 및 생산성을 향상할 수 있다. 확립된 필드버스 네트워크를 활용하고 무선 센서 네트워크를 활용하는 등의 퍼베이시브 네트워크는 기존 플랜트에서 이런 센서들을 추가할 수 있는 가장 쉽고 비용 효율적인 방식이다. 기존 설치물에 손상을 입히지 않고 추가적인 4-20mA 케이블, 마샬링(marshalling), I/O 카드, 캐비닛을 추가하는데 필요한 비용이 요구되지 않으며 예비 I/O 용량을 유지할 수 있다. 또한, 디지털 네트워킹과 퍼베이시브 센서는 산업 사물인터넷(IIOT)을 통해 운영의 개선 효과를 확인할 수 있다.
생산성
비록 플랜트들이 그리 오래되지 않은 제어 시스템을 갖추고 있다고 하더라도 필드 오퍼레이터 점검과 같은 수동 작업이 여전히 수행되고 있다. 따라서 개선의 여지는 충분하다. 디지털 네트워킹과 퍼베이시브 센서를 사용하면 시간 소모가 큰 노동 업무들을 자동화하여 플랜트 직원은 부상 위험을 최소로 낮추며 빠르게 작업할 수 있다.
오퍼레이터의 순회 점검
필드 오퍼레이터들은 기록지나 휴대용 터미널을 들고 플랜 트를 순회하면서 기계적 압력 및 온도 게이지, 관측 레벨 게이지, 가변면적 유량계에서 수동으로 데이터를 수집하며, 일부 플랜 트에서는 여전히 측정 막대를 들고 다니며 게이지 레벨을 측정 한다. 이는 매우 시간 소모적인 작업이며 데이터를 읽고, 쓰고, 타이핑하면서 인적 오류가 일어날 가능성이 있다. 필드에서 사람들이 보내는 시간도 최소화하여 잠재적인 위험으로의 노출도 줄여야 한다. 무선 센서를 통해 수동 오퍼레이터 점검을 자동화하면 생산성이 향상되고 더욱 빠르고 정확한 업데이트 를 통해 문제가 발생하기 전에 빠르게 방지할 수 있게 된다.
외부 탱크팜 저장 탱크
저장 탱크는 보통 중앙 제어실로부터 어느 정도 떨어진 탱크팜 내에 위치하고 있다. 장거리를 위한 각 개별 신호에 4-20mA 및 온오프 배선을 운영하는데 많은 비용이 들어가기 때문에, 대부분의 위치는 탱크에 설치된 계기가 적거나 아예 없다. 그러므로 필드 오퍼레이터들은 탱크팜으로 직접 가서 각 탱크 위로 올라가 측정해야 하며, 이는 매우 시간 소모가 크다. 탱크팜 전체에 걸쳐 최신 디지털 네트워킹을 적용하면 탱크는 케이블 없이도 충분한 설비를 갖출 수 있다. 이렇게 자동화를 추가하면 생산성은 향상하고 직원들이 다른 작업에 집중할 수 있게 된다.
외부 예비 펌프
많은 플랜트들은 바다, 강, 또는 호수에서 냉각수를 가져온다. 냉각수 취수 시설은 일반적으로 주 플랜트와 중앙 제어실에서 떨어진 곳에 위치하고 있다. 보통 펌프들은 개별 제어의 자동 예비 배치로 되어있으나, 4-20mA와 온오프 신호를 위한 케이블을 운영하는데 많은 비용이 들기 때문에 주제어 시스템에 연결되어 있지 않다. 필드 오퍼레이터들은 펌프 상태를 확인 하여 어떤 펌프가 작동 중이고 어떤 펌프가 멈췄는지 그리고 고장 났는지를 확인하기 위해서 점검을 해야 한다. 제어 시스템과 통신하는 무선 트랜스미터를 설치하면 제어실의 오퍼레이터 에게 펌프 작동 상태가 표시된다. 생산성이 증가하고, 오퍼 레이터들은 수동 점검을 하지 않아도 되어 시간을 절약할 수 있으며, 펌프 문제들을 더 빨리 해결할 수 있다.
웰헤드
해상 웰헤드는 보통 무인 플랫폼이고, 육지 웰헤드는 넒은 지리적 영역에 걸쳐 위치하고 있다. 두 경우 모두 전력 공급이 문제가 되며, 대부분의 웰헤드는 기계적 차트 기록기에 의존 하거나 계기가 아예 없기도 하다. 직원은 각 사이트를 이동하며 웰헤드의 기계 게이지의 측정값을 기록하며, 기록 차트를 가지고 온 후 데이터를 읽고 수동으로 입력한다. 운영, 저장 엔지니어링 및 최적화 직원이 이 데이터를 사용하고, 데이터를 수집하기 보다는 운전을 하거나 보트 또는 헬리콥터로 이동하는데 더 많은 시간을 소요하기 때문에 생산적이지 못하다. 생산 및 주입 웰에는 전원이 필요하지 않은 무선 센서를 쉽게 부착할 수 있으며 데이터 수집을 위해 이동하는 시간을 없앨 수 있기 때문에 생산성이 향상된다. 직원은 데이터에 따라 해야 하는 일에 집중할 수 있고 운영성을 향상하고, 비용과 시간을 절약 할 수 있다.
웰헤드 제어 패널(WCP)
해상 웰은 중앙 제어실에서 어느 정도 떨어진 플랫폼에 위치한 웰헤드에서 가까운 WCP(Wellhead control panel)에 지하 안전밸브, 주 밸브, 윌 밸브, 초크 밸브 및 공기식 또는 유압식 제어를 갖춘 가스 리프트 밸브를 갖추고 있다. WCP는 흔히 제어 시스템에 연결되지 않은 기계적 계기만을 갖추고 있기 때문에 오퍼레이터들은 WCP에 와서 상태를 확인해야 한다. 이제 WCP가 제어실에 표시되는 정보를 통해 공기식 또는 유압식 시스템 내 압력 손실이나 누출, 유압유 레벨 및 가동중단 상태를 모니터링하기 위해서 무선 센서로 현대화되고 있다. WCP 제어 및 안전 기능은 여전히 공기식 및 유압식이지만, 무선 계기를 통해 더 뛰어난 상황적 인식을 갖추게 되었다. 이는 오퍼레이터의 시간을 절약하여 문제가 생겼을 때 더욱 빠르게 대응할 수 있도록 한다.
현장 제어 패널(LCP)
펌프, 팬 및 압축기에서 일반적인 기계 압력 게이지 어플리 케이션을 찾아볼 수 있으며, 오퍼레이터들은 이를 LCP(local control panel)에서 수동으로 시작 및 정지할 수 있다. 기계식이 아닌 무선으로 현대화된 압력 게이지는 필드 오퍼레이터를 위한 알림뿐만 아니라, 히스토리안과 DCS로 표시, 트렌드 및 알림을 위한 측정값을 전송한다. 이를 통해 제어실 오퍼 레이터와 직원들은 수동 절차와 관련된 상황적 인식을 높이고 실수를 줄일 수 있다.
회전 킬른 및 원자로
회전 킬른(kiln), 연소실, 건조기 및 원자로를 담당하는 플랜트 직원은 축을 중심으로 돌아가는 장비의 문제들을 알고 있다. 이런 모든 온도 프로필 모니터링과 기타 측정을 위한 계기가 필요하지만, 회전 때문에 기존의 4-20mA 계기의 고정 부품 및 가동 부품 사이에 슬립링이 있어야 한다. 이런 슬립링은 마모되며, 제어 시스템의 측정 손실은 오퍼레이터 들의 가시성 저하로 이어질 수 있는 고장에 취약하다. 무선 인프라를 사용하면 슬립링을 사용하지 않아도 된다.
밸브 및 댐퍼 위치
플랜트들은 DCS I/O 카드, 배선 4-20mA 및 온오프 신호의 높은 비용으로 인해 전통적으로 댐퍼, 베인, 루버 및 기타 작동 장비, 그리고 가끔은 제어 밸브, 온오프 밸브에 대한 위치 피드백 없이 지어졌다. 그렇기 때문에, 오퍼레이터들은 밸브나 댐퍼가 올바르게 이동하는지 아니면 유체의 흐름이 방해 받거나 막혔는지에 대한 여부를 알 수 없다. 이런 작동 문제들은 제어 성능에 영향을 미친다. 필드버스 기반의 현대적인 플랜트들은 포지셔너를 기반으로 설계되어 때문에 항상 위치 피드백을 받는다. 기존의 플랜트들은 무선 위치 트랜스미터로 전환하면 밸브가 완전히 열리거나 닫히지 않거나 또는 레버 암이 휘어졌거나 하는 등의 정보를 알 수 있도록 실제 위치 피드백을 오퍼레이터에게 제공할 수 있다. 이런 정보를 빠르게 발견하여 수정하는 것으로 생산 성능을 되찾을 수 있다.
공정 문제해결
모든 플랜트는 조사하고 해결해야 하는 밸브 사이즈의 조절 문제, 펌프, 또는 기타 공정 문제들을 갖고 있다. 그럼에도, 공정 문제를 해결하기 위해 4-20mA계기를 사용하기 위해서는 임시로 케이블을 배선해야 하고 이는 비용과 시간 소모가 크며 기존의 설치에 손상을 입힐 위험이 있기 때문에 테스트 및 시험을 수행하지 않는 경우가 많다. 그러나 이는 무선 계기를 통해 쉽게 해결이 가능하다. 무선 네트워크 인프라가 갖춰진 플랜트의 경우, 센서가 쉽게 설치되고 이력장치, 제어 시스템 또는 독립형 데이터 수집 컴퓨터로 통합될 수 있다. 이는 임시(ad-hoc) 단기 엔지니어링 시험을 통해 공정 문제를 해결하는데 적합하다. 무선 센서는 압력, 차압, 진동, 위치, 레벨 또는 온도를 측정하기 위해 필요할 때마다 투입될 수 있으며 시험 후 쉽게 제거할 수 있다.
배치
많은 플랜트들이 FOUNDATION 필드버스 기반으로 구축 되어 왔는데, 더 많은 센서를 배치하면 더 큰 성과를 올릴 수 있다. 필드버스를 기반으로 지어진 플랜트는 디지털 기술의 확 장성으로 인해 더 많은 유휴생산능력을 갖추게 된다. 필드버스 네트워크 세그먼트는 보통 16 장치 용량의 약 반 정도만을 채운다. 평균 네트워크는 8개의 장치에만 로딩되었을 수 있으 며, 이는 즉 추가적인 케이블 설치 없이 다른 8개가 동일한 필드 정션 박스에 연결될 수 있다는 것이다. 각 필드버스 트랜스 미터는 8개의 입력을 지원하는 필드버스 온도 트랜스미터와 같이 여러 측정값을 추가할 수 있다. 곧 적은 비용으로도 더 많은 I/O 용량을 추가할 수 있다는 뜻이다.
시설 전체에 걸친 무선 인프라는 자동화가 배선으로 구성되든 디지털 필드버스를 사용하든 모든 플랜트에 유용하다. 무선 및 필드버스는 100개의 트랜스미터를 지원하는 각 무선 게이트 웨이를 갖춘 디지털로 연결된 동일한 에코시스템에서 함께 작동한다.
빠른 업데이트 주기는 더 짧은 배터리 수명을 의미하기 때문에 무선 트랜스미터가 배치될 때마다 업데이트 주기를 신중히 선택하는 것은 중요하다. 각 어플리케이션에 어떤 업데 이트가 필요한지를 고려하고 필요 이상으로 빠른 업데이트 주기를 설정하지 않아야 한다. 예를 들어, 필드 오퍼레이터가 이 데이터를 매일, 매주, 매달 수집하거나 또는 전혀 수집하지 않았었다면 이제 와서 1초 업데이트 주기가 필요할까? 아닐 것이다. 1초 스캔 시간은 공정 제어 및 알람에 사용되는 유선 계기에서 기본 설정으로 되어 있다. 그러나 필드 오퍼레이터의 순회 점검을 줄이기 위한 어플리케이션과 같은 경우, 1분이 충분하며 이는 일일 점검보다 훨씬 더 잦은 주기라고 할 수 있다. 무선 어플리케이션의 경우 1분이 기본 설정이지만, 이보다 더 빠른 주기도 가능하다. 대부분의 센서는 10년의 배터리 수명을 갖고 있기 때문에 무선에는 1분이 적합하다고 할 수 있다. 오퍼레이터에 의해 특별한 경우에 빠른 업데이트가 요구되는 제어 루프나 어플리케이션에는 필드버스나 4-20mA를 사용 한다.
무선 센서 네트워크는 여러 가지 기능이 많고 상태 및 성능 모니터링 장비의 센터와 함께 작동하여 신뢰성을 높이고, 유지 보수 비용을 감소시키고, 에너지 효율성을 향상시키며, 또한 위험을 줄일 수 있다. 계기 및 제어 부서가 플랜트 네트워킹을 유지할 책임이 있지만, 모든 부서가 센서 및 소프트웨어에서 수집되는 정보의 혜택을 받는다. 무선 게이트웨이는 다중 프로토콜을 지원하여 무선 센서의 데이터가 모든 제어 시스템 이나 이력장치에 쉽게 통합되어 의도된 수신자에게 도달할 수 있도록 한다.
성능 향상
최상의 성능을 갖춘 플랜트도 비자동화 영역에 계기를 적절히 추가 배치하면 플랜트의 성능은 더욱 더 향상할 수 있다. 플랜트의 유지 관리 운영은 수기 점검 기록지나 휴대용 데이터 수집 터미널의 태그 목록과 같이 시간과 비용이 많이 소요되는 작업을 확인하는 것으로 시작되는데, 교대와 일일 점검 작업에 부터 시작하여 해당 태그들을 자동화해야 한다. 특히 이동 시 차량이 필요하거나 보트 또는 헬리콥터의 의존하는 현장의 경우는 더욱 그러하다. 다음으로는 펌프 하우스 및 탱크 팜과 같은 외부 위치들에 자동화를 실현해야 한다.
모든 부서들은 공유된 무선 센터 네트워킹 인프라를 통해 혜택을 얻을 수 있으므로, 모든 부서와 논의하여 자동화로 인해 측정할 수 있는 포인트에 대한 수요를 결정하는 것이 중요하다. 일반적으로 다양한 부서의 수요를 평가하기 위해서 외부 업체를 통해 플랜트 현대화 감사를 수행할 수 있다. 플랜트는 이와 같은 첫 번째 단계를 시작으로 더욱 더 우수한 플랜트 성능 향상을 향한 도약을 실현할 수 있을 것이다.