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이중화 네트워크 통합 솔루션, 환경 개선을 위한 수처리장 성능 확대

우리는 생활속에서 수질과 환경 오염에 대한 부분을 자주 간과한다. 그러나 수질정화 장치와 같은 수처리시설이나 환경 오염 저감기술을 더욱 고도화 시키기 위한 전문가들의 부단한 노력을 지금도 계속되고 있으며, 앞으로도 지속될 전망이다. 이러한 가운데 산업용 이중화 네트워크를 통한 통합 솔루션을 통해 수처리장의 환경개선 프로젝트가 성공적으로 추진되었다.

세계 인구의 대부분은 폐수를 바다로 배출하거나 수질 재생에 적합한 물로 처리하는 문제에 대해 심각하게 생각하지 않는다. 그러나 호주 웨리브에 자리잡고 있는 호주 최대의 하수 처리 시설인 Melborne 수처리 회사는 웨스턴 수처리 플랜트(WTP)의 “환경 개선 계획” 발표에 큰 의미를 갖는다.

1990년에 진행된 환경 연구를 통해 빅토리아 필립만으로 질소 성분 유입이 감소되었다는 사실이 밝혀지자 Melborne 수처리 회사는 11,000 헥타르에 달하는 웨스턴 수처리 플랜트에서 하수 처리 프로세스를 획기적으로 개선하기 시작했다. 주요 목표는 빅토리아 필립만으로 방출되어 처리되는 방출수로부터 질소 제거 수준을 높이는 데 있다. 관련 프로젝트는 기존 2개의 석호(lagoon) 시스템 강화와 기존의 토지 여과 방법 중단을 포함했다. 2차 석호 시스템이 업그레이드 작업 1년 후에는 년간 1000톤의 질소 방출 감소 목표를 달성하였다.

석호 시스템 개발은 만만한 작업이 아니었다. 전통적인 석호 처리는 일련의 낮은 연못을 통과하는 하수의 중력에 의한 유입 과정에서 자외선의 자연스러운 진행과 미생물학과 생물학적 처리 프로세스가 유기성 폐기물과 기타 미생물을 분해했다. 이러한 시스템은 여전히 존재하지만 질소 제거 능력을 향상시키기 위해 하수 정화용 진흙처리는 동쪽과 서쪽에 각각 위치한 석호 시스템의 전방 끝부분에 추가되었다. 하수 정화용 진흙처리는 자연스러운 처리 속도를 가속시키기 위하여 박테리아를 포함한 일련의 산소 발생 및 산소 제거 구역 사이에서의 하수 펌핑 작업을 포함한다.

지난 2001년 동쪽에 위치한 석호 시스템에서의 성공적인 업그레이드 이후 Melborne 수처리 회사는 서쪽 플랜트에 업그레이드가 필요한 여러 곳을 찾아냈다. 첫 번째 업그레이드는 표면 기계적 통풍기 대신에 프로세스에 산소 확산을 제공하는 대형 송풍기를 도입하는 것이었다. 또 다른 업그레이드는 상이한 컨트롤 방식을 적용한 것이었는데 이는 로크웰 오토메이션의 통합 아키텍처 솔루션에 포함된 최신 분산식 프로세스 및 인텔리전트 모터 컨트롤 기술을 활용하는 것이었다.

하수 및 하수 정화용 진흙

Western 처리 시설에 근무하는 프로세스 엔지니어인 Trevor Gulvosen씨는 하수 처리의 1단계는 Pond 1이라고 하는 염기성 구역에서 이루어지며, 이곳에서 오염 폐수의 60%인 메탄과 탄화수소, 황화수소와 같은 가스 형태로 제거된다고 말한다.

“이곳에서 하수 정화용 진흙 플랜트로 1일에 180ML 가량의 속도로 펌핑되며 질소 함량은 약 리터당 60mg에서 15mg으로 감소됩니다.”라고 밝혔다.

주요 하수 정화용 진흙 플랜트 통(basis)에 유입된 후 하수는 프로세스 종반에 돌아온 하수 정화용 진흙(RAS)과 혼합된다. 이것은 처리용 박테리아를 제공하며 이 과정은 탈산소 구역에서 시작한다. 이곳에서부터 폐수는 인접 호기성 구역으로 이동하며 이곳에서 산소는 암모니아를 질산염으로 전환하는 프로세스를 촉진하기 위하여 침수된 확산 기를 통해 추가된다. 질산염을 공기 중의 질소로 변환하기 위하여 호기성 구역에서 유입된 폐수는 비산소 구역으로 높은 속도로 펌프되며, 이곳에서 이러한 반응이 일어난다.
로크웰 오토메이션의 컨트롤 시스템은 모든 과정이 효율적이며 자동으로 작동되도록 지원한다.

Gulvosen씨는 “이 프로세스에서 가장 중요한 부분은 산소처리입니다. 박테리아는 용해된 산소 수준이 부적절할 경우 죽게 되므로 산소 수준은 직접적인 산소 검사를 통해 측정됩니다. 이를 토대로 컨트롤 시스템은 송풍기에 대해서 의무 사이클을 할당합니다. 통(basin)의 길이에 따라 상이한 공기 분포도를 가진 5개의 컨트롤 구역이 존재합니다.”라고 말한다.

자동화 시스템은 플랜트 전반에 걸쳐 놓여 있는 무수한 유량계 및 레벨 센서들을 모니터한다. 유량측정은 다양한 회수 흐름에 따라 하수를 단계별로 배출하는 다양한 펌프장의 가변 속도 컨트롤에 통합된다. 이러한 흐름은 플랜트 전반에 걸쳐서 최적의 흐름이 이루어지도록 컨트롤 시스템에 의해 모두 조정된다.

코드 분리

시스템 엔지니어링 그룹의 멜버른 지사인 SEMF사는 25W로 가동되는 슬러지 플랜트에 대한 컨트롤 솔루션을 제공하기 위하여 로크웰 오토메이션과 Melborne 수처리 회사와 긴밀하게 협력했다. 이것은 인텔리전트 모터 컨트롤을 제공하기 위하여 로크웰 오토메이션의 강력한 하이브리드 컨트롤러인 Allen-Bradley ControlLogix를 토대로 Sinclair Knight Merz씨가 설계하였다. 또한 이 설계는 광섬유 및 이중화 EtherNet/IP 통신을 포함한다.

SEMF사의 기계공학 엔지니어인 James Manners씨는 이중화 EtherNet/IP 통신 백본은 대규모 플랜트 주변의 옥외에 배치된 6개의 모터 컨트롤 센터(MCC) 시리즈를 연결한다고 설명한다. 그것들은 가동된 하수 정화용 진흙 플랜트의 각기 다른 3개의 섹션인 750kW 송풍기와 혼합 기(부유 상태의 박테리아를 유지하기 위하여 저장 통을 충분히 혼합하기 위해), 다양한 펌프장을 포함한 확산된 탄산가스 포화 시스템을 컨트롤하는 역할을 한다. 각각의 MCC는 로컬 Allen-Bradley 터치판넬, 로컬 Allen-Bradley Powermonitor와 CompactBlock I/O을 연결하기 위하여 최소 1개의 ControlLogix와 이중화 DeviceNet 네트워크를 포함하고 있다.

컨트롤 시스템과는 별도로 로컬 수동 모터 컨트롤 기능을 제공하기 위하여 Allen-Bradley DeviceLogix가 활용되었다. 소형 DeviceLogix 프로그램은 안쪽에 마이크로 프로세서를 가지고 있는 각각의 CompactBlock I/O로 다운로드 된다. 각각의 CompactBlock I/O는 배선에 의해 접속된 유사 프로세스 계측기 뿐만 아니라 직접적인 온라인(DOL) 모터 스타터에 있는 가변 속도 드라이브(VSD) 또는 전자식 과부하 릴레이와 한 쌍을 이루게 된다.

이때 정상 동작 시 ControlLogix는 DeviceLogix 프로그램을 통해 각각의 드라이브 및 모터 스타터에 명령어를 송신하고, 이곳에서 정보를 수신한다. 이 경우 DeviceLogix 프로그램은 전통적으로 PLC에서 구현되고 이중화를 위하여 hard wiring 상태로 복제되는 드라이브 인터로크 및 안전 기능을 가지고 있다. 어떠한 이유로든 PLC로의 통신이 이루어지지 않을 경우 DeviceLogix 프로그램은 계속 실행되면서 충분한 수동 드라이브 기능을 유지하게 된다.

Melborne 수처리 회사에 근무하는 프로세스 컨트롤 및 계측 전문가인 David Ellis씨에 따르면 이 수동 컨트롤 기능은 중요한 공공 인프라 플랜트에 반드시 필요한 특성이다. “수동 컨트롤은 이중화가 중요합니다. PLC가 고장이 날 경우, 당사는 CompactBlock을 통해 드라이브를 여전히 ‘가동’ 할 수 있습니다. 또한 당사는 이중화 기능을 제공하기 위하여 사용되는 다량의 릴레이를 제거했기 때문에 모터에 있는 다수의 구성 부품들을 단순화 시켰습니다.”

hilscher

ControlLogix는 플랜트의 순차 제어뿐만 아니라 하이브리드 특성으로 용해된 산소 수준과 다량의 흐름 및 레벨 루프(loop) 등과 같은 중요한 프로세스 제어에도 이상적이다. “저희 연구팀은 ControlLogix을 조사했으며 장비에 매우 만족하는 사람들과 대화를 나누었습니다. 견고한 시스템임을 자체적으로 입증했으며, 기술을 채택한 데 대해 만족스러웠습니다.” Ellis씨는 말한다.

Ethernet 통신

서쪽에 위치한 플랜트의 마스터 컨트롤은 Pond 1가까이 자리잡은 소형 컨트롤 건물에 위치한 중앙 ControlLogix 및 PanelView1400 HMI가 제공한다. 또한 이곳에는 hiper-ring 컨피규어레이션에 마련되어 있는 이중 이중화 EterNet/IP 통신 네트워크의 통합성을 보증하기 위하여 로크웰 오토메이션 글로벌 파트너 업체인 Hirschmann이 기술을 제공하였다.

“Hirschmann ring-manager 스위치는 신호를 한방향으로 전송하며 그것이 다른 쪽으로 돌아가는 이상 스위치는 네트워크에서의 인위적인 차단을 초래합니다. 그러나 Ethernet 통신에서의 차단이 발견될 경우 ring-manager는 장애를 제거하고 연결을 복구합니다.” SEMF의 Manners씨가 말한다.

컨트롤 건물과 다양한 MCC간의 EtherNet/IP 네트워크는 매설된 2개의 광섬유 케이블에 제공되고 ControlLogix는 이중화 네트워크와 통합하기 위한 2개의 Ethernet 카드를 포함하고 있다.

Ellis씨에 따르면 Melborne 수처리 회사는 전체 웨스턴 처리 플랜트(WTP)에 걸쳐서 이중-이중화 Hirschmann hiper-ring 배열을 채택했다. 개별적인 EtherNet/IP hiper-ring 아키텍처는 동쪽 시설과 기타 각종 펌프장 및 현장에 마련된 신규 플랜트에 배치되었다. 이것들은 현재 컨트롤 빌딩에 위치한 중앙 ContolLogix gateway을 통해 연결된다.

ContolLogix gateway는 시설의 상이한 부문들간의 원활한 연결성을 제공할 뿐만 아니라 거대한 WTP 현장의 주요 현장 운용 센터에 위치한 현장 전반 SCADA 시스템으로의 직접적인 연결을 제공한다. 이러한 SCADA 터미널은 외부 세계와 Melborne 수처리 회사의 무수한 기타 플랜트 및 도시 전역에 설치된 펌프장에 WTS를 연결한다.

손쉬운 해결책

SEMF사는 로크웰 오토메이션의 기술을 사용하여 유사한 프로젝트를 성공리에 완성한 후 2003년 초에 서쪽 플랜트 업그레이드 프로젝트에 관여했다.

“당사는 2003년 8월 경에 서쪽 플랜트에 대하여 소프트웨어 및 품평 테스트에 관한 개발 연구를 개시 했습니다.” Manners씨가 말한다.

Manners씨의 설명에 따르면 하드웨어 및 소프트웨어를 개발하기 위하여 모듈러 방식이 채택되었다. “예를 들어 이것은 펌프장에 있는 각 펌프용 스타터는 동일한 코드와 동일한 결선, 동일한 구조를 가지고 있습니다. 10개에 달하는 펌프가 있는 곳에서 동일한 작업 수행은 MCC에 있는 기타 드라이브와 스타터를 복제할 수 있기 때문에 매우 쉬웠습니다. 또한 10개가 한 하나의 코드 모듈을 디버그해야 한다는 것을 의미했습니다. 결국 시운전은 4개월 만에 완료되었으며 MCC는 2일 내에 완전히 시운전되었습니다.”

이 모듈러 방식은 로크웰 오토메이션의 RSLogix 5000 프로그래밍 소프트웨어에 의해 가동되며 프로그래밍 및 시운전 시간을 감소시킬 뿐만 아니라 보수 및 진단을 위한 지속적인 이점을 제공한다.

또한 그것은 SEMF사가 컨트롤 시스템 철학을 현장에서 실시되는 후속적인 프로젝트로 확장했고 최근 완성된 바이오 가스 재생 및 물 회수 플랜트를 완성했다.

이 2개는 환경 개선 계획(EIP)의 중요한 요소이다. 바이오가스 플랜트는 염기성 단계로부터 방출된 가스를 전기로 전환하는 한편 물 재생 플랜트는 관개에 적합하게 만들기 위하여 서쪽 플랜트에서 동쪽 플랜트에 이르는 고품질 폐수를 처리한다.

새로운 활성 하수 정화용 진흙 플랜트는 2004년 9월 20일에 시운전되었다. 양쪽 플랜트에서는 현재 1일 180ML(1일 100ML으로부터 증가된)에 달하는 용량을 가지고 있다. 이것은 초기에 WTP에서 1일 받아들인 500ML의 하수의 약 30% 수준으로 처리된 전통적인 토양 여과 시스템은 더 이상 필요치 않다는 것을 의미한다. Melborne 수처리 회사는 Phillip항만으로 유입되는 질소 폐기물 양을 3,700톤에서 2,700톤으로 줄였다.

아이씨엔 매거진 2008년 04월호

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