Zigbee 네트워크를 이용한 공정자동화

세연테크놀로지㈜와 하이텍홀딩스의 공동 연구 개발로 구축한 화력발전소 스팀 트랩 모니터링 시스템
공장 내에는 설비 또는 배관 등이 복잡하여 유선 자동화 시스템은 많은 제약이 따른다. 그러나 무선을 통한 자동화는 이러한 제약에 영향을 적게 받는다. 기존에는 유선으로 공정 자동화를 구축하였지만, 최근에는 무선 네트워크를 이용한 공정자동화가 각광받고 있다.
글_ 세연테크놀로지㈜
산업혁명 이후 우리 사회는 많은 변화를 겪게 되는데, 가장 큰 변화는 공장의 기계화가 시작되면서 대량생산이 가능해졌다는 것이다. 기계화 이후에도 기계를 이용하기 위한 인력이 필요했다. 그러나 점차 인력으로 행하던 모든 일을 자동 처리를 통해 생산성을 향상시키고, 사람의 개입을 최소화시키면서 짧은 시간 안에 일정한 품질의 제품을 대량으로 생산하고자 하는 욕구로 인해 공정 자동화가 시작되었다.
오늘날에는 기술의 발달로 대부분의 공정이 자동화 시스템을 갖추고 있으며, 사람은 자동화 공정의 관리만을 담당하는 경우가 많아졌다. 현재에는 무인 자동화 공장이 등장하는 등 공정 자동화를 위한 기술 개발이 꾸준히 이루어지고 있으며 향후에도 발전 가능성이 충분한 분야이다.
Zigbee 무선 네트워크
공장 내에는 설비 또는 배관 등이 복잡하여 유선 자동화 시스템은 많은 제약이 따른다. 그러나 무선을 통한 자동화는 이러한 제약에 영향을 적게 받는다. 기존에는 유선으로 공정 자동화를 구축하였지만, 최근에는 무선 네트워크를 이용한 공정자동화가 각광받고 있다. 무선을 이용한 자동화 방식은 설치 측면에서 유선에 비해 설치 비용이 저렴하고, 설치가 간단하며, 설비 이전이 용이하고, 재사용이 가능하다. 유지보수 측면에서는 통신라인의 무선화로 반영구적 사용 및 신뢰성이 보장되고, 유지보수 비용이 낮다는 것이 장점이다. 그리고 유선에서는 기대할 수 없는 통신장애 발생시, 자동 복구 기능이 지원된다는 것이 큰 장점이다.
공정자동화에 사용되는 여러 무선 네트워크 기술이 있는데 최근 그 중에서도 저가, 저전력의 빠른 데이터 전송 기술을 특징으로 하는 Zigbee 기술이 가장 주목 받고 있다.
Zigbee는 전력 소모가 적고, 시스템 구성 비용이 저렴하며, 다수 네트워크 노드를 수용하고, 단순 프로토콜 구조를 가진다. 또한 Zigbee는 ‘Mesh 네트워크’라는 특징을 가지고 있다. Mesh 네트워크는 흩어져 있는 무선으로 통신이 가능한 Node들이 상호 통신하는 네트워크 구조이다. Mesh 네트워크 구현 시 일정 구간의 장애로 인해 데이터 전달이 어려울 경우, Node 간 상호 통신을 통해 대체 루트를 찾아 데이터를 전달할 수 있다.
이는 Zigbee기반의 Sensor Network구조에서 많이 활용되고 있다. 이러한 특징으로 Zigbee는 무선센서 및 제어분야에 굳건한 자리를 차지할 것으로 전망된다. 그림 1은 Mesh 네트워크의 특징을 그림으로 보여주고 있다.
Zigbee는 여러 분야에서 응용되고 있다. 표 1은 Zigbee의 활용 분야 및 제어 서비스 내용을 보여준다.
화력발전소 스팀 트랩 모니터링 시스템
삼천포화력발전소 공정자동화를 주관하는 하이텍홀딩스 컨소시엄에 참여한 세연테크놀로지㈜에서는 Zigbee를 이용하여 삼천포화력발전소에 산재되어 있는 스팀 트랩의 동작 상태를 무선 통신을 이용하여 원격 모니터링 시스템을 구축하였다. 이를 통해 스팀 트랩의 오동작에 의한 증기에너지의 불필요한 손실을 방지하고, 점검업무의 비효율성을 제거하였다.
스팀 트랩은 일정 온도 이하로 떨어지면 증기에너지에 손실이 발생하기 때문에 특정 온도 이상을 유지해야 한다. 그래서 온도를 수시로 점검해야 하는 데 스팀 트랩이 매우 고온이고 복잡한 배관 구조를 가지고 있어서 작업자가 직접 확인하기 어려웠다.
그러나 스팀 트랩에 온도와 전극 센서를 부착해서 스팀 트랩 내 온도 하강으로 수분이 발생하면, 센서가 감지하여 그 정보를 Zigbee 무선 통신을 이용해 상위 서버에 보낸다. 관리자는 이 정보를 컴퓨터 화면을 통해 실시간으로 확인할 수 있으며, 이상이 생기면 알람 서비스를 통해 알 수 있기 때문에 신속한 조치가 가능하다. 또한, 수기 입력으로 인한 데이터 오류를 없애고 Sensor 네트워크를 통한 신뢰성 있는 데이터 수집 가능하다.
그림 3은 온도 센서를 통한 온도의 정보를 체크하여 실시간으로 모니터링 되는 화면을 보여준다. 알아보기 편하게 그래프로도 표현되며 평균 온도보다 30도 하강 시 스팀 트랩을 점검할 필요가 있다는 것도 알려준다.
그림 4는 스팀 트랩 공정 모니터링 화면으로 센서 노드의 배터리 충전여부 및 온도 변화, 전극 센서를 통한 수분이 생성되었음을 알 수 있도록 해준다.
시스템 구축 성과
세연테크놀로지㈜에서 공정 자동화를 구축한 화력발전소에는 공정을 모니터링하기 위한 시스템 마련에 애로사항이 많았다. 우선 고온을 측정할 수 있는 센서가 필요했고, 센서와 센서 노드는 3개월 정도 되는 기존 배터리의 수명을 1년까지 연장함으로써 배터리 소모로 인한 문제점을 해결하였다. 또한 화력발전소는 배관이 복잡하고 공정 상의 환경이 열악함에도 불구하고 난관을 극복하고 Zigbee통신을 기반으로 한 공정 자동화를 성공적으로 구축했다는 데 큰 의미가 있다.
또한 요즘과 같이 에너지 문제가 중요한 이슈로 대두되고 있는 점을 감안했을 때, 스팀 트랩 모니터링 시스템은 에너지를 절감할 수 있다는 장점이 있다. 최근 유가의 급등으로 인해 정부, 기업, 일반 소비자 등 많은 사람들이 어려움을 겪고 있다. 화력발전소에서 사용되는 석탄 가격도 100% 이상 올라 원재료 급등의 현 상황을 걱정해야 하는 입장이다. 그러나 스팀 트랩 공정 모니터링 시스템을 통해 스팀의 낭비와 손실을 사전에 방지함으로써 에너지 절감 효과를 누릴 수 있다. 에너지 가격이 하늘 높은 줄 모르고 치솟는 지금과 같은 상황에서는 이러한 모니터링 시스템이 효자 역할을 톡톡히 하고 있는 셈이다.
공정자동화와 무선통신
세연테크놀로지㈜와 하이텍홀딩스의 스팀 트랩 공정 자동화 사례를 보면, 화력 발전소뿐만 아니라 열악한 환경의 다른 산업 현장에서의 공정 모니터링 구축도 가능함을 시사한다. 이미 세연테크놀로지㈜에서는 다양한 분야에서 공정 자동화 시스템을 구축하였다. 앞서 살펴보았듯이 무선 통신은 많은 장점을 가지고 있기 때문에 향후 복잡한 공정일수록 무선 통신을 이용한 공정 자동화 시스템이 각광받을 전망이다.
*세연테크놀로지㈜ 소개
세연테크놀로지㈜는 2001년에 RFID리더기 개발 업체로 설립되어 주파수 전대역에 걸쳐 30종 이상의 리더기를 자체 개발하였으며, 2007년부터는 USN 기술 또한 자체 개발 확보하여 국내외에 판매하고 있는 RFID/USN 전문기업이다.
– 2001. 12 : 산업기술평가원주관 신기술 개발 창업 지원 업체 선정
– 2004. 06 : ISO 9001:2000 인증
– 2004. 06 : 2005 BEST 기술 혁신 우수기업 선정(RFID 부문/일간스포츠)
– 2005. 06 : 벤처기업 인증
– 2006. 02 : 차세대 유비쿼터스 연구소 설립
– 2006. 09 : S/W 자산관리 모범 기업 인증
– 2006. 10 : 경영혁신형 중소기업 선정
– 2007. 02 : INNO-BIZ 기업 선정
– 2008. 02 : 올해의 RFID기업 선정(RFID저널코리아)
– 2008. 04 : ‘한국 RFID 산업화대상’ 지경부 장관 표창
아이씨엔 매거진 2008년 07~08월호