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무선(Wireless), 무선이 대세다

접근이 어려웠던 현장의 데이터를 최신 무선 테크놀러지를 통해 더욱 쉽게 수집하고 전달할 수 있기 때문에 이제는 플랜트에서 좀 더 넓은 시야를 확보할 수 있게 되었다. 국내외적으로 이러한 플랜트에서의 무선 솔루션 도입은 우리가 생각하는 것보다도 빠르게 진전되고 있다.

무선 필드 통신 시스템의 등장 덕분에 플랜트 현장 및 주변 환경에서 좀더 많은 정보를 수집하는데 있어서 겪게되는 실질적이고 경제적인 장벽이 크게 감소되었다. 이제는 기존의 컨트롤 시스템을 갖고 있는 플랜트에서 조차도 독립적으로 떨어져 있는 장비에서 정보를 전송시키는 기술을 활용할 수 있게 되었다. 즉 예전에는 접근이 어렵거나 가능하지 않았던 정보를 현재에는 수집이 용이해져 무선 디바이스에서 플랜트 컨트롤 시스템까지 전송시킬 수 있다. 결국 담당자에게 자산 건전성과 프로세스 상황 데이터를 빠르고 지속적으로 전달해줌으로써 다음과 같은 결과가 나타난다.

o 자산 유지보수 개선

o 장비 신뢰성 강화

o 플랜트 downtime 감소

o 프로세스 컨트롤 개선

o 안전성 향상

o 환경 관련 규정을 확실히 준수

o 대체적으로 유선 시스템보다 낮은 비용으로 설치 가능

이러한 무선 시스템은 전형적인 플랜트 환경에서 작동하는 다른 무선 네트워크와 공존하고 이를 보완해 줍니다. 예를 들면 기존의 IEEE 802.11 Wi-Fi 광대역 무선 이더넷과 TCP/IP 표준은 산업 플랜트 내부나 주변에서 사용되는 수천 개의 제품에 이미 장착되어 있다.

산업 등급의 Wi-Fi 인프라를 사용해서 새로운 솔루션을 찾고 새로운 모범 사례를 도입할 수 있다. 현장 작업자들은 개인 컴퓨터의 어플리케이션에 쉽게 접근하고, 사무용 PC에서도 작업을 수행할 수 있다. 이 작업에는 위급사항 검토 및 대응, 프로세스 관찰 그리고 작업 내용 검색 등이 포함된다. 개인 통신 방식 덕분에 작업자들은 통제실에서 벗어나 있더라도 더욱 생산적으로 장비를 확인할 수 있다.

변화의 도전

제어에 대한 필요 요건과 주변 환경은 시간에 따라 변한다. 이에따라 컨트롤 시스템도 변하거나 애초 필요했던 것보다 더 많은 정보를 소화해야 할 필요가 있다. 예를들면 현재 많은 국가에서는 건강, 안전성 그리고 환경(HSE)에 관해 새롭거나 더욱 엄격한 규정들이 시행되고 있다. 이런 규정들 때문에 플랜트 주변의 Safety shower 상태를 지속적으로 모니터링해 도움이 필요할 때 지원해야 할 상황이 생길 수 있다. 마찬가지로 수동밸브의 경우, 오작동에 의해 사고가 발생하는 일을 피하기 위해 이 밸브 상태를 반드시 알고 있어야 하는 경우가 발생할 수 있다. 또한 새는 곳이 있는지 확인하기 위해 Safety Relief 밸브를 체크해야 할 경우가 발생할 수도 있다.

무선 플랜트 네트워크

인력을 줄이거나 혹은 더 자주 업데이트를 해야 할 경우 플랜트 현장을 다니는 작업자들의 육안검침에만 의지한다는 건 거의 불가능하다. 혹은 실수할 가능성이 있거나 개인적인 부상 위험이 있는 현장에서는 수작업 측정을 줄이는 편이 나을 수 있다. 다운타임을 줄이려면 펌프, 모터와 같은 자산을 지속적으로 체크하는 것이 오히려 현명한 판단일 것이다.

컨트롤 룸으로 보고할 수 있는 현장 계기로 이 모든 일들을 완수할 수 있다. 그러나 기능을 새로 추가하기 위해 유선 트랜스미터를 설치하는 일은 일반적으로 엄청난 비용이 수반된다. 플랜트에서 새로이 유선 Signal, 트레이 공간, DCS I/O 포인트를 추가하는 것은 실제로 쉽지 않은 일이다.

심지어는 새 플랜트에서도 유선이나 케이블로는 현실적으로 접근할 수 없을 만큼 멀리 떨어진 현장도 많이 있다. 게다가 효율적인 문제 해결을 위해서는 플랜트 곳곳의 기능에 대한 더 많은 정보가 컨트롤 룸으로 전달되어야 한다. 결과적으로 이런 도전과제는 물론 그 이상을 해결하기 위해 수천 개의 플랜트는 새로운 무선 인프라를 의지하게 될 것이다.

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예를 들면 어느 시스템과도 유선으로 연결되지 않고 어디에 설치되었건 상관없이 반드시 수동으로 검침을 해야 했던 압력측정기와 온도 측정기, 진동지역 유량계 그리고 레벨 사이트글라스 등도 이제 무선으로 연결시킬 수 있다.

무선 플랜트 시스템은 새로운 솔루션을 제공하고 장착이 빠르다는 점을 포함해서 이미 인상적인 성과를 내고 있습니다. 사용자들이 사용하고 있는 혁신적인 무선 솔루션에 대한 내용은 최근 도입된 무선 솔루션 표( 표 1. 참조)에 요약되어 있다.

HART에서 WirelessHART로

무선 트랜스미터가 상대적으로는 새롭지만 생산 및 사용에 대한 기준은 이미 시행되고 있다. WirelessHART는 전체 디지털 무선 프로토콜로서 2007년 컨트롤 산업 표준에서 승인 받았다. 따라서 무선 테크놀러지 도입을 원하는 기업들은 단 한 명의 생산자가 제공하는 한정된 수량의 제품만을 믿고 있을 필요가 없다. 다수의 납품업체가 제공하는 디바이스는 이 표준에 맞게 생산되기 때문에 쉽게 호환이 가능하기 때문이다.

WirelessHART 트랜스미터는 Wi-Fi와 동일한 공간에서 상생할 수 있도록 해주는 IEEE 802.15.4 표준을 활용한다. 유선 HART 디바이스에 사용되는 같은 IEC 61158 어플리케이션 레이어가 가장 위에 사용되기 때문에 기존의 디바이스 관리 소프트웨어와 쉽게 통합될 수 있다.

IEEE 802.15.4는 종종 ZigBee와 같은 뜻으로 사용되지만 사실은 그렇지 않다는 것에 주시해야 할 필요가 있다. ZigBee는 단지 IEEE 802.15.4의 물리적 레이어와 데이터 링크 레이어 프로토콜을 사용하는 여러개의 네트워크와 어플리케이션 레이어 프로토콜 중 하나에 불과하다. WirelessHART는 IEEE 802.15.4를 사용하지만 ZigBee와는 다르다. 블루투스(Bluetooth)는 IEEE 802.15.1이고, ZigBee 보다 전력 소모량이 더 크며 좀 더 짧은 거리에서 작동하고 메쉬(mesh) 토폴로지가 없기 때문에 무선 현장 네트워크에서는 사용되지 않는다.

WirelessHART 표준을 따르는 디바이스는 어떤 형태의 센서라도 지원할 수 있기 때문에 오늘날 모든 HART 제품처럼 컨트롤이 목적이건 혹은 모니터링이 목적이건 상관없이 이런 디바이스는 거의 모든 산업 어플리케이션에서도 작동이 가능하다. 이미 수많은 제조업체들이 WirelessHART 표준을 만족시키는 트랜스미터와 게이트웨이를 제공하겠다고 발표했다.

인프라 결정

신규 플랜트에 설치되거나 업데이트가 진행 중인 플랜트에 설치되어도 무선 인프라는 수년 동안 사용이 가능하다. 따라서 무선에 대한 결정은 컨트롤 시스템에 대한 결정과 마찬가지로 매우 중요하다. 산업 무선 네트워크 상 주요 고려 요인은 신뢰성과 보안이며 WirelessHART는 두 가지 요인을 모두 만족시킨다.

WirelessHART의 고유한 특징은 자가 구성형태(Self-organizing)의 메쉬를 기반으로 한 네트워크로서 방해물에 의한 통신 장애가 발생할 경우 이 주변의 다른 루트를 통해 메시지를 전송함으로써 신뢰성을 제공한다는데 있다. 프로토콜의 구성 데이터는 ‘상태와 값’ 데이터가 포함된다. 이로 인해 사용자들은 보고된 측정 값이 정확한지 확인하고 측정 방법의 타당성에 대한 통찰력을 갖게된다. 무선망 네트워크의 자가 구성 능력은 기중기와 같은 방해물이 나타나거나 트럭이 기존 신호 경로를 일시적으로 막을 경우에 그 능력이 발휘되는 것을 볼 수 있다.

네트워크상의 신호가 게이트웨이까지 도달할 수 있는 대체 경로를 스스로 간단하게 알아낸다. 따라서 메쉬 네트워크는 더욱 강력 할 수 밖에 없는 것이다.

WirelessHART의 메쉬 네트워크의 자가 구성(Self-organizing)은 기 구축된 신호 경로가 막힐 경우에 다른 경로를 바로 찾도록 작동된다. 또한 망 프로토콜은 모든 디바이스가 트랜시버(Transceiver) 같이 작동하기 때문에 게이트웨이(트랜스미션 리시버 ) 수를 줄여 주고, 게이트웨이의 통신라인에서 빠진 다른 디바이스에서 받은 메시지를 연결할 수 있다. 일반적으로 이러한 통신 시스템에서는 필요한 현장 조사가 빠질 수 있기 때문에 무선 필드 네트워크는 설치가 용이하다.

채널 노이즈에 대한 대응 방안으로는 채널 호핑, 노이즈 채널 블랙 리스트 작성 그리고 ‘스프레드 스팩트럼’ 전송이 포함된다. 보안 대응에는 암호화, 연결 인증 그리고 메시지 확인이 포함된다.

대부분 플랜트에서는 보안 디바이스에 유선의 HART, 컨트롤 장치로는 Foundation fieldbus 그리고 모터 스타터와 드라이브에는 Profibus-DP와 같은 프로토콜을 혼용하여 사용하는 것이 일반적인 경향이다. 이들은 컨트롤 및 디바이스 관리 시스템으로 통합되어 모든 디바이스가 정확하고 실행 가능한 정보를 시기 적절하게 담당자에게 전달해 줄 수 있기 때문에 이 부분에서 차이가 생긴다. 무선 장치는 새롭기 때문에 기존과 다른 요구조건들이 무선 필드 네트워크에 적용된다. 이런 내용은 새로운 시스템을 설계하거나 업그레이드할 때 명확하게 정의되어야 한다.

기존 시스템의 Wireless 확장 및 호환성

얼핏 보면 플랜트에 있는 분산 제어 시스템( DCS )이 무선을 지원하기에는 너무 오래 되었다고 생각될 수 있다. 그렇지만 새것이거나 오래됐거나 상관없이 기존 시스템과 통합될 수 있는 필드 디바이스인 ‘무선 게이트웨이’를 사용하면 이런 분명한 장애물도 극복될 수 있다. 사실, WirelessHART를 지원하지 않는 통제 시스템에도 WirelessHART 게이트웨이를 부착할 수 있다.

무선 게이트웨이는 Modbus/RTU, Modbus/TCP 그리고 OPC를 지원한다. 따라서 태생적으로는 무선지원 기능이 부족했던 DCS로 무선 트랜스미터에서 받은 프로세스 변수들을 제공하면서, 기존의 컨트롤 시스템으로 연결될 수 있다. 더불어 무선 게이트웨이에 내장된 HTTP Web서버 덕분에 컨트롤 시스템 지원 없이도 일반 웹 브라우저에서 WirelessHART 네트워크 셋업이 가능하다.

모든 디바이스 관련 정보가 필드 장치와 디바이스 관리 소프트웨어 사이를 효율적으로 통과하면서 기존 통제 시스템과 함께 지능형 디바이스 관리 소프트웨어를 설치할 수 있다. 따라서 오래된 플랜트라도 무선과 디바이스 관리의 장점을 함께 누릴 수 있다.

또한 유선 HART 디바이스 역시 무선과 함께 확장될 수 있습니다. 수천개의 플랜트는 유선 HART 디바이스를 사용하지만 이 컨트롤 시스템에는 HART 인터페이스가 부족하다. 유선형 트랜스미터와 밸브 포지셔너는 ‘무선 어댑터’와 조화를 이뤄서 디바이스 관리 소프트웨어에서 이들의 진단을 위해 접근할 수도 있고, 구성될 수 있다. 이런 기능을 일상적인 업무 관행과 잘 통합시킴으로써 기존 자산의 수명과 가치를 증대시키고 연장시킬 수 있다.

또한 무선 인프라 노화에 대해 생각해보자. 이는 일반 컨트롤 시스템처럼 약 15년 정도 사용할 수 있다. 오늘 구입한 디바이스 관리 소프트웨어가 앞으로 플랜트에 도입될 다른 종류와 새로운 버전의 무선 디바이스를 어떻게 구성하고 진단할 수 있을까?

유선 HART, 파운데이션 필드버스(Foundation fieldbus) 그리고 프로피버스(Profibus) 디바이스에 대한 이러한 호환성은 IEC61804-3 표준 EDDL(Electric Device Description Language)을 통해 확보된다.

새 무선 트랜스미터나 새 버전이 플랜트에 시행될 때마다, 디바이스의 EDDL 파일을 시스템에 복사해서 소프트웨어를 지속적으로 업데이트 할 수 있는 것이다. 파일은 디바이스 제조업체의 의도대로 정확하게 디바이스 관리 소프트웨어를 디스플레이 하도록 해주고, 헬프 텍스트와 문장이미지 형태로 노하우를 제공해 줄 수 있게 한다.

처음 단계와 그 이후

이제 무선 인프라는 기존 디바이스 그리고 컨트롤 시스템과 함께 사용하도록 쉽게 설치할 수 있다. 수많은 플랜트는 단일 게이트웨이와 통신할 여러 개의 디바이스로 구성된 무선 필드 네트워크로 작게 시작한다.

트랜스미터 하나를 설치하려면 게이트웨이, 컴퓨터 그리고 소프트웨어 등을 설치해야 하기 때문에 첫 번째 무선 포인트는 불가피하게 가장 비쌀 수 밖에 없다. 그렇지만 일단 이런 인프라가 자리를 잡으면 게이트웨이 하나가 수많은 트랜스미터를 지원하기 때문에 후속 트랜스미터를 설치할 때마다 금액의 추가없이 무선 디바이스 비용만을 지불하면 된다.

이런 첫 번째 무선 네트워크가 구동 되자마자 운영 및 유지보수 담당자들은 플랜트 주변을 대상으로 수많은 다른 어플리케이션을 발견할 수 있다. 그리고 자산 모니터링과 프로세스 데이터 수집에 대해 오랫동안 품고 있던 바람을 충족시키게 될 것이다. 현재 수동으로 수집되고 있거나 또는 전혀 손을 못 대고 있는 측정방식 리스트를 작성해서 여러분의 플랜트에 있는 어플리케이션을 찾아 보자. 모니터링 어플리케이션은 최소한의 리스크도 없이 기술을 평가할 수 있는 좋은 기회를 제공해 줄 것이다.

유지보수 예산으로 Wireless Starter용품 한 셋트를 구입해 보자. 이 용품을 가지고 일단 무선 기술을 체험한 뒤, 모든 부서 – 엔지니어링, 운영, 유지보수 등 – 를 참가시켜 이렇게 빠르게 등장하는 테크놀러지가 어떻게 장비 신뢰성을 제고하고, 플랜트 고장을 줄여주고 프로세스 통제를 개선시키고 결과적으로 더 안전한 작업장을 만들 수 있는지를 모든 이들이 볼 수 있는 기회를 갖도록 하자.

제공_ 한국에머슨프로세스매니지먼트, www.emersonprocess.kr


무선 계기를 통한 모니터링으로 플랜트 가용성 향상

호주 브리스베인 인근지역에 위치한 ‘브리티시 페트롤리엄 비튜멘(BP Bitumen)’은 에머슨 프로세스 매니지먼트의(Emerson Process Management)의 스마트 무선 기술을 통해 원료 공급 중단 문제를 성공적으로 해결하였다. 일반적으로 무선 계기는 BP 정제소 근처 전송선의 파이프라인상에 무결성을 모니터링 한 후, 사용이 간편한 자동구성 무선 네트워크를 통해 문제발생시 제어실 운영자에게 보고하도록 되어있다. 최근 정규 연료 시스템의 정제장치가 고장나 급조된 LPG 탱크로부터 연료 공급을 받을 때 신속하게 배치된 두 개의 무선 트랜미스터가 무선 솔루션 관리를 함으로서 이 무선 솔루션의 뛰어난 적응성을 입증하였다.

BP Bitumen의 임원들은 스마트 무선(Smart Wireles)이 임시 연료가스공급 시스템을 감시하는데 있어 비용효과가 크고 믿을 수 있는 방법임을 이해하게 되었다. 기존에 이 플랜트는 히터에서 천연가스를 점화시켜 핫 오일 네트워크(hot oil network)를 280°C로 유지한다. 모든 플랜트의 비튜멘 라인에는 핫 오일 트레이싱이 있어 지속적으로 점성물질을 흐르게 한다. 히터로의 연료공급이 잠시 잠깐 중단되더라도 운영에는 나쁜 영향을 줄 수 있는데 히터가 중단되면 플랜트가 급속히 냉각되기 때문이다. 플랜트가 완전히 식으면, 다시 가동을 하는데는 3-4일이 걸릴 수 있다. 기존 계약에 맞추어 대체 생산물을 구하는 비용도 1주일 연료중단을 기준으로 약 13만 8,000달러가 들 수 있다. 이런 이유로, 임시 LPG 공급에 면밀한 육안감시가 하루 24시간 유지되어야 한다. 에머슨의 스마트 무선 솔루션은 2008년 5월에 전송선을 감시하기 위해 설치되었으며, 그 후 바로 연료 모니터링이 개시되었다.

무선 압력 트랜스미터 설치로 오류 방지

스마트 무선 필드 네트워크 솔루션에는 두 개의 Rosemount 무선 압력 트랜스미터가 들어있는데 이것은 LPG 탱크로부터의 연료 전송을 모니터링 하기 위해 설치되었다. 천연가스 중단에 대처할 시간이 거의 없기 때문에, 핫 오일 히터의 최대 점화 능력에 맞는 임시 LPG 시스템을 배치하는 것이 불가능하다. 주의깊게 모니터링을 하지 않으면, 히터의 버너 컨트롤 시스템이 가스를 과도하게 요청하여 연료선을 고갈시키고 히터에 오류를 발생시킬 수 있다.

그러나 무선 압력 트랜스미터가 있다면, 버너 컨트롤 시스템은 LPG 공급 압력을 감시하여 발생 가능한 오류를 미리 방지할 수 있다. LPG 연료전송을 무선으로 모니터링하면, 비튜멘 플랜트가 계속 가동되고 운영 생산 손실 1일 1만 8,000 달러를 절감할 수 있다. 또한 무선 솔루션은 운영자가 LPG 시설을 계속 감시하지 않고도 연료공급에 대해 안전하게 원격 모니터링을 할 수 있다. 이 플랜트는 이 방법을 통해 1주일 간의 중지 기간 동안 성공적으로 운영되었다.

연료 모니터링 외에도, 세 개의 Rosemount 무선 온도 트랜스미터가 플랜트의 비튜멘 전송선을 따라 배치되어 핫(170 C) 비튜멘의 흐름을 감시하고 있다. 이 계기들은 끊임없이 상태를 전송하며, 필요한 경우 즉시 조치를 취하여 비튜멘이 계속 플랜트로 흐르게 한다.

BP Bitumen 시설의 운영 매니저인 매튜 제임스는 “이 무선 네트워크는 파이프라인 무결성을 감시하며, 어떤 문제도 잠시 잠깐 그냥 지나치는 법이 없도록 해준다.”고 말했다. “무선 설비를 하지 않았더라면, 이렇게 신속하게 연료중단에 대처하지 못했을 것이며, 1주일 이상 조업이 중단되었을 것이다. 플랜트 어느 곳에서든 프로세스 이상을 해결할 수 있는 도구로서, 절대 없어서는 안될 요소이다.”

메쉬 토폴로지 통해 정확한 데이터 전송 수행

에머슨의 자동구성 무선 기술에서 각각의 필드 장치들은 인근의 다른 장치들에게 라우터 역할을 하며, 네트워크의 스마트 무선 게이트웨이(Smart Wireless Gateway)에 도달할 때까지 메시지를 재전송한다. 스마트 무선 게이트웨이는 들어오는 데이터를 제어 포인트로 채널링한다. 장애물이 있을 경우, 그 게이트웨이로 가는 확실한 경로가 발견될 때까지 메쉬망을 따라 전송경로가 재수정된다. 환경이 변하거나, 임시 비계, 새 장치, 주차된 건축 트레일러 등 새 장애물이 플랜트 내에 생기면, 이 무선 네트워크는 메시지를 전달할 새로운 경로를 찾아낸다.

이 모든 것이 사용자의 개입없이 자동으로 일어나며, 개별 장치와 리시버 사이의 직선 통신보다 더 많은 통신 경로와 우수한 신뢰성을 제공한다. 이러한 자동구성 기술은 데이터 신뢰성을 최적화는 동시에 전력소모를 최소화한다. 또한 성공적인 무선 네트워크에 필요한 수고와 인프라도 감소시킨다. 한 개의 게이트웨이로 최대 99개까지 무선 장치를 사용할 수 있기 때문이다. 새 계기를 네트워크에 추가하는데 채 1분도 안 걸린다.

“이러한 무선 개념은 일시적 유행이나 속임수가 아니다.”라고 제임스는 말한다. “실제로 작동이 되며, 그 운영 거리는 놀라울 정도다. 임시 LPG 지점부터 제어실까지의 거리는 매우 멀다. 그렇게까지 멀리 단 한 번의 신호손실 없이 확실하게 전송할 수 있다는 사실은 거의 마법에 가깝다.”

아이씨엔 매거진 2009년 11월호

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