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기획특집 <특집: 공정 자동화 분야의 무선 기술 최신 동향>DX를 뒷받침하는 무선 디바이스

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작성자 댓글 0건 조회 194회 작성일 21-09-02 13:18

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그림 1. Plantweb 디지털 에코 시스템



서론

새롭게 강력한 무선 사양(WiFi 5/4G/5G)이 등장하여 모바일/클라우드, AI(Artificial Intelligence) 등의 활용도 더불어 프로세스 오토메이션 분야의 DX(Digital Transformation)에 대한 다양한 운용 형태가 만들어지면서 안전하고 안정적인 조업 및 환경 보전 등에 빠르게 적용되고 있다.

여기에서는 이러한 DX의 전개를 뒷받침하는 무선 기기의 적용 방향과 활용 사례에 대해 알아본다.


무선 기기 동향

무선 시장 예측에서 약 1년 전에 도입된 당초부터 현재, 그리고 미래의 예측도 안정적인 성장을 보여주고 있다.

이것은 공업용(산업용) 무선 규격 책정 시의 착안점(안정성, 신뢰성, 보안 등)에 대한 담보 이외에 유선 디지털 전송과 달리 눈에 보이지 않는 전송 경로 확정 등과 같은 엔지니어링 작업 외에 에머슨의 시스템 관리/네트워크 관리, 즉 자가 확립, 자가 복구의 무선 네트워크 설계 사상이 크게 기여한 것과 무선 계기만의 특징을 살린 제품 포트폴리오가 널리 수용된 결과라고 생각한다.

최근에는 프로세스 감시에서부터 중요한 기기, 장치의 건전성 감시, 진단, 검사라고 하는 범위도 망라하기 위하여 퍼베이시브 센싱의 저변이 확대되고 있다.


하나의 규격인 WirelessHART 네트워크만으로 동일 네트워크에서 프로세스 감시도 기기나 장치의 건전성, 이상 전조 감지 등의 센서 네트워크를 구축할 수 있다. 이것은 사용자에게 있어서는 큰 장점이 된다.

동일한 센서 네크워크이긴 하지만 그곳에서의 디지털 데이터를 필요한 사람, 필요한 장소, 그 사람들마다 필요한 데이터, 통지 방법 등 적재적소에 선택하여 구축하기 위한 플랫폼도 갖추었기 때문에 네트워크의 이용 형태를 순차적으로 넓혀나가도 각각 사용자에게 불필요한 데이터가 전송되지 않기 때문에 지장은 없다.


한편, 프로세스 오토메이션 분야의 DX 국제 표준화 및 모델화는 팩토리 오토메이션 분야와 달리 논의되고 있기는 하지만 구체적인 형태가 좀처럼 보이지 않는 것이 현실이 아닐까?

그래서 Namur가 NOA(Namur Open Architecture)로서 요구 사항을 정리하고 있는 것도 감안하여 “Plantweb Digital Ecosystem”으로 솔루션을 구성 및 적용하였다.

이 적용에 속도를 높이고 있는 것이 무선 기기군이며, 앞서 ‘뒷받침’이라고 부른 이유이다. 또한, Plantweb Digital Ecosystem는 센서군에서 클라우드까지의 통합 형태를 포함하고 있기 때문에 주로 측정・제어 시스템에 대한 강력한 보안의 담보가 요구된다.

따라서 본 솔루션은 IEC 62443의 보안 관리 시스템 구축의 가이드라인에 준거한 아키텍쳐를 채용하였다.


안전・안정 조업에 기여하는 무선 센서

(1) 초음파 두께 측정: Permasense

배관이나 장치 안쪽의 부식 감시에 필요한 센서류의 경우 ‘침입식’ 센서를 이용한 감시와 ‘비침입식’ 센서를 이용한 감시 솔루션을 제공하고 있으며 제유소를 비롯한 플랜트 장치의 부식 감시를 널리 지원하고 있다. 지금까지 정기 수리 시 등 필요에 따라 계측한 두께 계측을 ‘비침입식’으로 연속 감시할 수 있게 해주는 것이 Permasense이다. 초음파 측정 기술로 직접 두께를 측정하고 그 정보를 무선으로 전송하기 때문에 케이블 부설 등의 공사도 불필요하다.


두께를 직접 측정하기 위한 기본 원리는 정기적으로 발신되는 초음파 펄스가 우선 측정 개소의 배관 표면으로부터의 첫 번째 반사파가 되돌아오고 그 후 배관을 전파하여 안쪽 벽으로부터의 반사파가 되돌아온다. 이들 파동의 정점 사이의 소요 시간과 이미 알고 있는 초음파의 속도를 통해 두께를 계산할 수 있게 된다.

연속 측정하여 감시한 후 실제 배관, 장치에서는 그 운전 조건에 의한 온도 변화와 정지 시 온도 저하 등 온도가 크게 변하는 케이스가 다수 있으며, 두께의 온도 보상이 없으면 온도에 따라 지시하는 두께가 크게 바뀐다. 따라서 실제 두께 측정점의 온도를 동시에 측정하여 보상 계산을 자동으로 실시함으로써 보상 후의 실제 두께를 실시간으로 감시하는 일이 매우 중요하다.


또한, Permasense는 내표면 거칠기 정도에 따른 초음파 파형이 흐트러지면서 두께 계산의 오차를 최소화하도록 보정 처리하는 기능을 가진다. 이것은 AXC라고 칭하며, 특허 취득 기술이다.

내면 거칠기 정도의 변화가 초음파 파형에 미치는 영향을 보정하며, 각 계측 데이터의 초음파 파형을 비교해보면 그 파형의 차이에서 내면 형태가 일률적이지 않다는 것을 추정할 수 있게 된다. 그러나 이것을 입력에서 1점 단위로 비교하는 것은 사실상 불가능하다.

그래서 밖에서는 보이지 않는 안쪽 벽의 거칠기 변화 정도를 수치화하고 이것을 다양한 농도로 가시화한 PSI 인디케이터라 부르는 기능도 갖추었다. 이것도 특허 기술이다. (그림 2 참조)


<유럽에서의 사례 (그림 3 참조)>

여름철과 겨울철, 아스팔트 생산 유무에 따라 생산 모드가 다르긴 하지만, 두께 감소 상황을 연속 감시함으로써 고황산 원유를 사용하는 아스팔트를 생산의 영향이라고 특정하여 이 프로세스의 두께 감소 속도를 주시하여 파단에 이르지 않는 메인터넌스 계획을 입안할 수 있게 되었다.


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그림 2. Permasense PSI®: PSI®에서의 전조 감시 예 
 



(2) 핫 스왑 센서 적용의 가스 모니터: RMT928 

RMT928 무선 가스 모니터는 현재 황화수소, 일산화탄소, 산소의 세 가지 센서를 출시하였으며 이후 가연성 가스인 암모니아, 염소 등을 순차적으로 출시할 예정이다.

유독 가스 센서는 소중한 인재를 지키고 더 나아가 회사의 이익 확보에 기여할 것이며, 지금까지 확충하지 못했던 유독 가스 센서야말로 무선을 사용하여 안전성 향상에 기여할 기회가 많을 것이다. 또한, 탱크에 들어가 작업해야 하는 현장에서는 산소 결핍을 방지하기 위하여 산소를 감시・관리하는 것이 중요하다. 플랜트 운전 중은 물론이고 정기 보수 및 시설 건설이나 해체 기간에도 유독 가스가 발생하거나 누설할 가능성이 있어 유독 가스 감지기는 매우 중요한 감시 기기이다.


그러나 이전의 가스 감시 어플리케이션에는 몇 가지 과제가 있다.

기존 정치식 가스 감지기는 가스 감지기 본체 외에 가스의 비중에 의해 추가 설비가 필요하고 흡입형에서는 도관이나 펌프/흡입기, 더 나아가 이를 위한 전원, 공기원이 필수가 된다. 센서 분리형이라면 추가 배선, 도관, 중계박스 등도 필요하다. 또한, 배선・배관이 필요하기 때문에 장소에 따라서는 최적의 위치에 대한 설치가 불가능한 경우도 있다. 설치 후에도 메인터넌스나 교정・교환 작업이 필요하며 많은 사람들과 시간이 필요하고 유독 가스 감지기의 추가는 단순히 비용 증가로 나타나는 경우도 많아 예산을 세우기가 어려워지는 경향에 있다고 생각된다. 고정식 유독 가스 감지기가 설치되지 않으면 휴대용 감지기에 의지할 수 밖에 없어 잠재적인 위험성에 대해 사전에 파악하지 못한 채 현장으로 가게 되므로, 현장에서 유독 가스가 발견되면 작업을 할 수 없을 뿐만 아니라 큰 위험에 노출될 위험이 있다. 휴대용 감지기나 가스 검지기 단독으로는 최적의 피난 방향을 신속하게 판단하기 어렵다는 과제도 있다.


무선 가스 모니터는 이들 과제에 대한 솔루션을 제공한다. 기존 무선 네트워크가 있다면 기본적으로 무선 가스 모니터 본체만 필요 기재가 된다. 또한, 배선이나 배관이 필요 없기 때문에 신속하고 간편하게 장소에 설치할 수 있으며 메인터넌스나 정기적인 교정이 필요하긴 하지만 교정 데이터는 가스 센서를 교환하는 운용이 가능하여 작업자의 현장에서의 부담을 줄일 수 있다. 그 결과 감지기 설치에 필요한 추가 비용, 시간 및 엔지니어링에 대한 노력을 크게 줄일 수 있다. 전체 비용을 줄여 잠재적인 위험성에 대한 사전 파악이 가능해지고 안전 향상으로 이어질 수 있다. 그뿐만 아니라 이 무선 가스 모니터는 설정을 바꾸는 것만으로 다른 종류의 가스 센서를 사용할 수 있도록 설계되었기 때문에 정기 보수 시 등에 감시가 불필요한 무선 가스 모니터를 이동하여 다른 종류의 가스를 감시하는 무선 특유의 운용이 가능하다.(사진 1)


..(후략) 


日高 武雄 / 일본 에머슨

  본 기사는 2021년 9월호에 게재되었습니다. 

  

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본 기사는 월간지[計側技術] (일본일본공업출판주식회사 발행)로부터 번역·전재한 것입니다.

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