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한국수자원공사의 수처리분야 필드버스(Fieldbus) 기술 실용화

글_ 김한경, 한국수자원공사 수도기술처 kimdwh@kwater.or.kr
곽준근, 한국수자원공사 수도기술처 jkkwak@kwater.or.kr

한국수자원공사(K Water)에서는 수처리분야에 국내 최초로 국제표준의 필드버스(Fieldbus) 기술을 도입하여 핵심기술을 실용화 하였다.

본 필드버스 기술의 도입은 다양한 국제표준의 필드버스들에 대한 특성 및 하부 디바이스의 지원규모와 제어분야에서 범용성이 우수하고 현장기기의 필드버스 기술지원 범위가 넓은 프로피버스(PROFIBUS)를 시범 도입하였고, 이를 정수장 여과지에 적용하여 약 30% 정도의 원가절감 효과를 거두었다.

아울러, 원격감시제어설비(RCS: DCS, PLC)의 이상시나 여과지 현장조작반(FCC: Filter Control Console)을 제거하는 경우에 그 기능을 대체할 수 있는 필드버스 기술인 “현장제어를 우선으로 하는 프로피버스 시스템”을 개발하였다.

이러한 수처리 설비에 대한 필드버스 기술은 기존의 여과지에서 취수장, 가압장, 전체 정수장, 분기점, 배수지 등으로 적용범위를 넓히고 있다.

수처리 설비 필드버스 도입 배경 및 목적

최근 들어 세계 물시장의 개방화, 표준화에 대비한 글로벌 경쟁력 강화가 필요한 시점으로 수처리분야에서 원가절감이 중요하게 여겨지고 있지만 수돗물 생산공정에 필요한 수처리 설비를 원격에서 감시제어하기 위한 기존 I/O방식의 시스템은 그 특성상 시스템 구축시 복잡성과 비효율성을 피할 수가 없기에 매년 구축비용이 증가되는 추세이다.

현재의 필드버스 시스템은 안정성과 신뢰성이 급속도로 향상되어 다양한 분야의 생산 공정에 폭넓게 운영되고 있다. 필드버스는 여러가닥의 케이블로 접속된 하부기기들을 하나의 통신선으로 연결하여 수처리설비의 기능과 성능을 그대로 보장하면서도 자동화 여건에 적합하도록 네트워크를 구성하는 산업통신망 국제표준 기술을 말한다.

한국수자원공사에서는 정수장 여과지에 국제표준의 필드버스 기술을 적용하여 기존의 복잡하고 비효율적이었던 설비들을 슬림화 또는 완전 제거하였다.

본 자료에서는 수처리 설비에 적합한 국제표준의 필드버스 기술, 정수장 여과지 필드버스 적용, 핵심 실용기술의 개발 및 향후계획 등을 다루기로 한다.

수처리분야에 적합한 국제표준의 필드버스 기술

기존의 특정 제어기기(DCS, PLC등) 제조업체가 독자적으로 구축한 “Closed System” 에서는 사용자가 원하는 모든 기능을 맞추기가 어려운 경우가 발생하거나 다른 제조업체에서 생산된 제품의 추가 설치가 필요한 경우에는 별도의 데이터 변환장치 등을 사용해야 하는 문제가 발생하게 된다.

이러한 문제를 해결하기 위해서 “Closed System”과는 반대 개념인 ”Open System”이 생기게 되었다.

“Open System”은 대개 특정단체(조합, 협회, Club 형태) 중심으로 제조업체와 사용자가 그룹성격을 가지고 관련정보 공유 및 공동마케팅을 그 목적으로 한다. 그러나 어느 특정업체가 각종 산업현장에 필요한 모든 제품을 생산하는 것이 불가능하므로 이러한 단체를 통해 공통된 표준을 제정하여 제조업체간 공동으로 공유하여 관련 제품들이 서로간의 호환성을 유지하는 것이 필요하게 되면서 90년대 이후 필드버스가 본격적으로 현장에 적용되기 시작하였다.

이후 각 국별로 표준화한 제안을 받아들여 2003년도에 국제표준(IEC 61784-1, ISO 15745)을 지정하게 되었고 2006년 이후에는 Ethernet 기반의 필드버스 국제표준(IEC 61784-2, ISO 15745)을 추가로 지정하였다.

필드버스는 전 세계적으로 널리 운영되고 있다. 특히 유럽시장에서는 PROFIBUS, 북미시장에서는 Foundation Fieldbus가 주류를 이루고 있으며, 아시아 시장은 전세계 필드버스 시장의 40% 정도를 차지하고 있지만 아직까지도 혼재된 양상을 보이고 있다.

한국수자원공사에서는 국제표준의 필드버스들 중에 PROFIBUS를 선정하여 적용하였다.

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정수장 여과지내 필드버스 적용을 통한 슬림화 개선

필드버스 적용대상 사업장인 정수장 여과지는 전체 5개 여과지로 되어 있으며, 각 여과지에는 밸브 전동조작기(유입밸브, 유출밸브, 역세척밸브, 표면세척밸브, 퇴수밸브, 사수밸브) 및 현장계측기류(수위계, 탁도계 등)가 설치되어 있다.

여과지에 대한 필드버스 기술을 적용하기 위한 구성개념은 다음(그림 2)과 같다.

위 그림(그림 2)은 I/O 모듈 대형화로 인하여 복잡성과 비효율성이 포함된 원격감시제어시스템(RCS)을 슬림화된 시스템으로 개선, 다량의 데이터를 처리하기 위하여 반복 결선한 아날로그신호 전송방식의 케이블을 하나의 필드버스 전용케이블로 변경, RCS내 I/O module의 완전 제거 및 사용빈도에 비해 구축비용이 고가인 여과지조작반(FCC)의 기능을 휴대용 단말장치로 대체를 통하여 여과지 조작반(FCC)을 완전 제거하는 것을 보여주고 있다.

여과지내 필드버스(PROFIBUS DP) 시스템은 이중화 마스터를 통하여 필드버스 통신을 할 수가 있으며 각 마스터의 출력단에는 프로피버스 이중절체스위치(PRS)를 두어서 하나의 마스터가 이상시에도 자동으로 절체되어 지속적인 통신이 이루어 진다.

여과지내 LOS는 상위와 연결된 이더넷 포트를 통하여 평상시에는 “Water-K”에서 여과지 제어를 하고 상위 마스터 또는 네트워크 이상시에는 현장에서 개별 원격제어가 가능하도록 필드버스 통신망과도 별도로 연결하였다.

필드버스 통신망은 하나의 프로피버스 전용 케이블로 여과지별 밸브류(유입, 유출, 역세, 표세, 퇴수, 사수) 및 수위계 등을 직렬 연결하였으며 리피터를 사용하여 단위 네트워크(세그먼트)를 확장하였다. 기존 시리얼 방식(RS-485)의 지별 탁도계는 신호변환기(RS-485 To PROFIBUS DP)를 통하여 필드버스 통신망과 연결하였다. 마스터부에 탑재되는 소프트웨어내의 셋업 작업은 여과지내 하부 디바이스별 ID 부여, GSD 파일 등록, 파라메터 설정 및 다운로드 등의 절차를 수행하였다.

전체 필드버스 시스템에 대한 기능시험은 전체적인 유지관리용 툴킷 소프트웨어 등을 활용하여 구축에 따른 점검 및 시험을 수행하였다. 필드버스 구성시 하나의 통신선으로 모든 기기와 시스템을 연결하기 때문에 노이즈 차단을 위해 실드차폐 전선관내에 필드버스 전용케이블을 인입하고 전선관내 실드선은 새들을 이용하여 양단 접지처리를 하였다. 정수장 여과지에 대한 필드버스 적용을 통한 슬림화 개선결과는 아래 그림(그림 4, 5)과 같다.

“현장제어를 우선으로 하는 프로피버스 시스템”기술 개발

기존의 아날로그 신호전송 방식의 시스템에서는 여과지 현장운전을 위한 여과지조작반(FCC: Filter Control Console)은 사용 빈도수에 비해 구축비용의 고가, 잦은 고장발생 등으로 인하여 여과지내 필드버스를 적용하여 여과지조작반(FCC)을 제거하게 되었고 그 기능을 대체할 수 있는 별도의 수단을 강구하게 되었다.

최근 한국수자원공사에서 개발한 “현장제어를 우선으로 하는 프로피버스 시스템”은 현장에서 여과지조작반(FCC) 기능을 대체할 수 있는 최적의 방법이라고 본다.

평소에는 여과지 운전을 위한 HMI(Water-K)를 LOS내에 설치하여 운영하고 원격감시제어시스템(RCS) 이상시나 여과지내에서 현장운전이 필요한 경우에 사용할 수 있도록 LOS내에 프로피버스 전용 소프트웨어를 설치한다.

여과지 프로피버스 통신망에서부터 LOS간에는 프로피코아를 이용하여 프로피버스 전용 케이블로 연결하여 여과지내의 하부디바이스(밸브 액츄에이터, 수위계 등)에 대한 감시 및 제어가 가능하도록 하였다. 또한 현장여건상 필요시에는 원격접속제어장치(UMPC)를 활용하여 여과지 주요설비에 대한 개별감시 및 제어를 현장에서 직접할 수 있도록 하였다.

원격접속제어장치는 LOS에 대한 원격접속을 통하여 LOS상의 모든 소프트웨어에 대한 원격감시 및 제어가 가능토록 하며 이때 통신방식은 무선이더넷 방식을 사용하였다.

앞에서 기술한 “현장제어를 우선으로 하는 프로피버스 시스템”은 휴대용 원격접속제어장치를 이용하여 기존의 여과지조작반(FCC)을 대체하여 경제적으로 구성할 수 있는 방안으로서 상위의 감시제어시스템의 이상 발생시에도 여과지 바로 앞에서 설비에 대한 현장운전을 할 수 있도록 하였으며 이는 상․하수도 설비를 포함한 모든 산업플랜트 설비 등에 효과적으로 적용할 수가 있다.

수도사업장내 필드버스 적용 확대

위와 같이 정수장 여과지 설비를 대상으로 국제표준의 필드버스 기술을 적용하여 실용화 하였을 뿐만 아니라 여과지조작반(FCC) 제거에 따른 기능 대체수단을 개발하여 필드버스 핵심기술을 확보하였다.

금년(2008년) 부터는 취수장, 가압장, 전체정수장, 분기점, 배수지 등으로 적용범위를 확대하고 있다. 또한 2009년 이후부터 하나의 필드버스 통신케이블이 이상시에도 안정적으로 설비를 운영하기 위해 이중화 구성개념의 필드버스 통신망으로 발전시켜 운영상의 안정도 향상을 기할 예정이다.

항후 수처리분야 필드버스 적용방향 제시

현재 수처리분야에 적용되는 필드버스 기술은 마스터를 중심으로 하부디바이스(밸브 액추에이터, 계측기기 등)을 필드버스 전용케이블로 직렬연결하는 방식으로 구성한다.

데이터 통신기술의 발전에 힘입어 이더넷(Ethernet) 기반의 필드버스 기술은 여러 응용분야에서 실용화가 가능한 수준으로 급속도로 발전하고 있으나 수처리분야에서 활용가능한 하부디바이스의 기술지원 수준이 낮으므로 현시점에서 이더넷 기반의 필드버스 기술을 바로 적용하기에는 아직은 이르다고 여겨지지만 향후 이더넷 기반의 필드버스 기술을 지원하는 하부 디바이스가 점차 늘어나게 되면 이를 수처리분야에 적용하여 약 40% 이상의 원가절감 효과를 거둘 수 있다고 본다.

아이씨엔 매거진 2008년 10월호

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