프로세스 제어가 아닌 장비 상태에 초점을 맞춘 퍼베이시브 센싱 인프라를 추가로 구축함으로써 플랜트 내 신뢰성 및 유지보수 팀과 기타 부서들은 시간을 절약하고 플랜트 보전성을 향상시킬 수 있다.
과거에는 장시간에 걸친 턴어라운드(turnaround)를 자주 하는 것을 규범처럼 받아들였습니다. 그러나 현재는 플랜트의 정기 가동중단 주기는 길어지고 턴어라운드는 짧아지는 추세입니다. 반면, 계획되지 않은 공장의 가동 중단은 줄이고, 유지보수비는 절감해야 합니다. 이러한 설비 및 가동중단은 산업 전반에서 플랜트가 안고 있는 문제이며 미래에는 경험 있는 전문 인력의 부족으로 더 심각해질 것입니다. 더욱이 대다수의 플랜트는 신뢰성 프로그램이 고려되지 않은 채 설계되었고 최소한의 운영 및 유지보수만 디자인되었습니다. 그 결과 플랜트는 주로 예측 유지보수 절차가 거의 전무하다시피 하여 일정기간에 따른 예방적 유지보수 방식에 의존하고 있는 실정입니다.
과거에는 배선으로 연결하는 4-20mA 및 온-오프 신호 케이블과 시스템 I/O 카드로 자동화를 구축했기 때문에 비용이 많이 들었습니다. 이 때문에 자동화를 추구하는 운영 상 요구와 프로젝트 예산 사이에서 갈등이 빚어지곤 했습니다. 그러나 오늘날 자동화는 버스(bus), 무선 및 클라우드 컴퓨팅(cloud computing) 같은 산업정보통신기술(industrial information and communications technologies, IICT) 덕분에 비용 문제가 적습니다. 그리고 이제는 프로세스 제어가 아닌 장비의 상태에 초점을 맞춘 퍼베이시브 센싱(Pervasive Sensing) 인프라를 추가로 구축하여 가용성을 향상할 수 있게 되었습니다.
데이터를 실행 가능한 정보로 변환하는 분석 소프트웨어를 포함한 이 2단계 자동화를 통해 플랜트 내 신뢰성과 유지보수 팀 및 기타 부서는 시간을 절약하고 플랜트 보전성을 향상시킬 수 있게 되었습니다. 자동화는 유지보수, 수리 및 정비(maintenance, repair and overhaul, MRO)의 방식을 근본적으로 바꾸는 데 활용될 수 있습니다.
가동중단 문제
가동중단이나 성능 저하를 일으키는 고장은 예측하기 어렵습니다. 영향을 받는 장비는 다음과 같습니다.
● 펌프
● 송풍기
● 냉각탑
● 열교환기
● 공랭식 열교환기(ACHE)
● 파이프 및 Vessel 부식
● 밸브
유지보수 계약
많은 플랜트가 정기적인 데이터 수집, 회전 장비의 진동 분석, 펌프 및 기계 씰 플러시(seal flush) 시스템 검사 등을 위해 유지보수 계약을 맺고 있습니다. 그러나 검사 기간이 한 달을 넘겨 버리면 이런 서비스 계약만으로는 충분하지 않다는 생각이 들 수도 있습니다. 거기다 수집된 데이터를 분석하는 과정에서 또 지연이 발생할 수 있습니다. 초기의 “약한 신호”는 간과될 수 있습니다. 반면에 스마트 플랜트는 신뢰성과 유지보수 일정에 대해 데이터 기반 접근법을 사용합니다. 기존 플랜트는 현대화를 통해 스마트 플랜트로 거듭날 수 있습니다.
수동 데이터 수집 활동
대부분의 플랜트는 증기 터빈, 가스 터빈, 대형 압축기 및 대형 펌프에 기계 보호 시스템을 갖추고 있으면서, 수백 개에 달하는 모터와 펌프, 냉각탑용 팬, 송풍기, 공랭식 열교환기 팬, 소형 압축기 등은 상태 모니터링을 하고 있지 않습니다. 온라인 기계 보호 시스템을 완전히 갖추려면 비용이 너무 많이 들기 때문입니다. 일부 장비는 진동이 지나치면 기계를 작동시키는 진동 스위치가 있지만 문제는 진동 스위치로 인해 프로세스 가동중단이 일어나 수리에 더 비용이 많이 드는 사태가 발생할 수 있기 때문에 권장하지 않습니다.
2차 장비이지만 꼭 필요한 장비의 경우 플랜트는 휴대용 진동 시험기를 이용해 수동으로 데이터를 수집하는 정기적인 현장 점검에 의존하고 있는데, 매주 점검하려는 의도가 있겠지만 자원에 대한 수요가 늘어나면서 실제로는 한 번 점검하는 데 한 달 이상이 걸리기도 합니다. 이처럼 노동 집약적인 데이터 수집 방법으로는, 데이터가 늘 분석되거나 전자 데이터베이스에 저장되는 것이 아닙니다. 전문지식을 갖춘 공인 분석가가 진동 데이터를 분석하고 해석해 고장을 미리 포착할 수는 있지만, 진동 분석 소프트웨어에 데이터 포인트가 거의 없고 프로세스 상태 데이터가 부족하기 때문에 근본적으로 원인을 분석하거나 성능 저하 상태를 가시적으로 보여주기에는 데이터가 충분하지 않습니다.
게다가 현장에는 적시에 모든 데이터를 검토할 수 있는 3~4급 공인 분석가가 부족한 것도 문제입니다. 상황이 이러니 다음 점검이 있기 전까지 플랜트는 취약한 상태로 남을 수밖에 없습니다. 한달 후, 혹은 며칠 후에라도 문제가 확대되어 다음 정기 점검 전에 가동중단이나 고장으로 확대될 수 있습니다. 더욱이, 플랜트 내 일부 위험 지역일 경우 사람이 직접 데이터를 수집하는 위험한 작업을 최소한으로 줄여야 합니다.
무선 진동 트랜스미터 활용
무선 진동 트랜스미터는 온라인 기계 보호 시스템과 휴대용 진동 시험기를 보완하는 도구로서 상대적으로 중요하지 않은 회전 장비의 진동을 모니터링할 수 있는 또 하나의 방법입니다. 이 세 가지 도구를 활용하면 플랜트의 신뢰성 프로그램을 최적화할 수 있습니다. 무선 진동 트랜스미터는 자동으로 데이터를 수집하고 소프트웨어는 모니터링을 실시하여 시간을 절약하고 생산성을 향상시키지만, 휴대용 진동 시험기를 이용한 수동 데이터 수집을 완전히 대체하지는 않습니다.
무선 진동 트랜스미터는 기계 보호 시스템보다 비용은 훨씬 적게 들고 일체의 기계 보호 시스템까지 필요가 없을 때 사용할 수 있습니다. 전원 케이블과 시그널 배선, 캐비닛 또는 작업을 위한 지면 공간이 따로 필요 없기 때문에 사용이 훨씬 더 간편합니다. 진동 센서를 부착하려면 에폭시나 희토류 자석만 있으면 되고, 영구 설치하려면 프로세스에 직접 삽입하여 장착할 필요없이 볼트를 이용해 센서를 기계에 고정하면 됩니다.
팬은 직원들의 부상이나 사망 사고을 방지하기 위해 인클로저에 설치되는데, 수동으로 계측값을 얻기 위해서는 높은 곳에 올라 작업해야 하는데 진동 포인트까지 닿기 힘든 경우가 많습니다. 무선 진동 트랜스미터는 회전하는 장비, 특히 냉각탑, 공랭식 열교환기, 송풍기 등의 팬 블레이드(fan blade)의 위험성 때문에 수동으로 진동 데이터를 수집할 수 없는 어플리케이션에 쉽고 빠르게 채택될 수 있습니다. 진동 센서는 인클로저 안에 설치하고 인클로저 밖 무선 트랜스미터에 유선으로 연결합니다.
소프트웨어를 통해 좀 더 자주 자동 데이터 모니터링 할수 있게 되면서 데이터 분석력을 향상시킬 수 있고 고장 또는 가동중단 등이 발생했을 때 초기 단계에 문제를 포착할 수 있습니다. 데이터 수집 빈도가 증가되고 최신 데이터를 수집할 수 있어 소프트웨어의 심각도 추이를 통해 진단에 예측을 더하고, 근본원인 분석이 쉬워지며, 장비의 상태 저하가 가시적으로 보여집니다. 무선 진동 트랜스미터는 일주일에 한 번 또는 한 달에 한 번이 아닌, 한 시간에 한 번 업데이트 되어 조기경보신호를 초기에 포착할 수 있습니다. 이러한 솔루션은 모터, 펌프, 냉각탑 팬, 송풍기, 공랭식 열교환기, 소형 압축기 등에 이상적입니다. 사후 수리에서 예측 유지보수로 관리 포인트가 전환되어 그림 1과 같이 현재 감지되지 않는 장비에 고장이 발생하기 전에 문제를 처리하여 유지보수 비용을 절감할 수 있습니다.
데이터 수집이 빨라진다고 해서 진동분석가가 검토할 데이터 량이 압도적으로 늘어나는 것은 아닙니다. 무선 진동 트랜스미터는 다량의 장비를 자동으로 모니터링해서 어떤 장비의 상태가 좋고 나쁜지, 어떤 장비에 진동 문제가 발생하고 세심한 주의가 필요한지 전체적으로 점검하는데 사용됩니다. 이렇듯, 분석가는 상태가 양호한 장비에 귀중한 시간을 허비할 필요 없이 근본원인 분석과 연결 마모, 나쁜 윤활 상태 또는 베어링 결함 같은 문제가 있는 장비를 보고하기만 하면 됩니다.
높은 진동을 스위치가 감지하여 기계가 중단되거나 프로세스를 교란 또는 중지시키는 대신, 소프트웨어의 알람 감지 기능을 갖춘 무선 트랜스미터에서 매시간 업데이트되는 데이터가 신뢰성 관리 팀에 경보를 보내 진동 스위치로 기계를 멈추기 전에 적절한 조치를 취합니다.
진동 알람은 유용하지만 문제가 되는 경우도 많습니다. 고장이 임박한 근접 시점에 특히 진동이 많이 몰리기 때문에 대응할 시간이 부족합니다. 최고값의 가속화를 알려주는 PeakVue 기술은 그림 3과 같이 문제가 발생한 초기에 자동으로 경보를 보내 정보 분석가의 부담을 덜어줍니다.
기계 고장을 수리할 때 신뢰성 엔지니어는 소프트웨어 이벤트 로그와 진동 추이를 검토하여, 고장에 이르기까지 며칠 몇 시간 동안 장비에 무슨 일이 일어났는지 알아볼 수 있습니다. 버튼 한 번만 누르면 무선 진동 트랜스미터에서 진동 스펙트럼과 파형을 확인할 수 있습니다.
모든 기계는 기계의 종류, 설치 방식등에 따라 많게든 적게든 다르게 진동을 하게 되어 있습니다. 최신 멀티파라미터 상태 모니터링 소프트웨어는 성가신 알람을 피하기 위한 자동 알람 기준치를 가지고 있습니다. 예를 들어, 완전히 동일한 2개의 펌프라도 펌프와 모터 사이에 연결 부분이 설치된 방식에 따라 기준치가 달라집니다. 또한 진동은 유량, 속도 혹은 팬 피치(fan pitch)의 복합 함수로 발생합니다. 따라서 알람 레벨은 변속 펌프의 소프트웨어 같은 상태 모니터링 소프트웨어의 운전 조건과 상관이 있을 수 있습니다. 멀티파라미터 상태 모니터링 소프트웨어는 통계적인 방법을 사용해 유의한 진동 증가에만 경보를 발합니다. 센서만으로는 충분하지 않은 경우가 많은데, 이럴 때는 분석 소프트웨어를 함께 활용해야 합니다.
플랜트 유지보수를 위한 멀티파라미터 상태 모니터링
스마트 플랜트는 빌트인(Built-in) 유지보수 기능으로 까지 확장 될수 있습니다. 기존의 신뢰성 엔지니어링은 진동에 치중하지만 진동 모니터링만으로는 다른 장비 문제를 감지할 수 없습니다. 예를 들어, 펌프 문제에는 seal flush fluid의 손실도 포함됩니다. 멀티파라미터 상태 모니터링은 내부 파울링(fouling)이나 고장 신호에 대한 측정 가능한 속성을 관찰하는 것입니다. 장비 압력, 온도, 유량, 보조 seal flush fluid의 레벨, 위치, pH, 전도성 등을 감지하는 센서는 작업 프로세스와 대기조건에 대한 데이터를 공급하여 근본적으로 원인을 분석합니다. 이를 통해 파울링, 스케일링(scaling), 누수 등과 같은 문제를 감지할 수 있습니다. 계장 자산은 분석 소프트웨어와 결합하여 쉽게 이해할 수 있는 조기 경보 시스템을 구축하므로 데이터를 해석해 줄 III 또는 IV급 진동분석가가 따로 필요하지 않습니다. 일부 최신 상태 모니터링 소프트웨어는 펌프, 팬/송풍기, 압축기, 냉각탑, 열교환기, 공랭식 열교환기 등 각 장비 유형에 맞는 고유의 분석 알고리즘을 이용합니다.
공랭식 열교환기(ACHE)
일반적으로 공랭식 열교환기(ACHE) 팬은 온라인으로 모니터링하지 않습니다. ACHE는 베어링, 벨트, 기어박스, 연결장치 또는 약해진 기계적 지지물에 마모가 발생하면서 결국 고장이 날 수 있습니다. 혹은 루버(louver)에 문제가 생길 수도 있습니다. 이로 인해 수리 비용 외에 냉각 기능이 저하되고 생산 소실, 플레어링(flaring), 증기 방출로 이어질 수 있습니다. 일부 팬은 공명 속도로 회전해 기계 고장을 가속화시킬 수 있습니다. 소금 같은 침전물로 인해 튜브 안쪽에 생기거나 먼지의 축적으로 인해 튜브 바깥쪽에 생기는 파울링 또는 공기 중에 떠다니는 불순물은 교환기의 열전달 능력을 감소시키는 문제입니다.
저빈도 수동 검사
과거에는 정기적으로 분석할 데이터를 수동으로 수집하는 것이 일반적인 사례였습니다. 그러나 이 방법은 다음 검사까지 ACHE를 취약한 상태로 남겨 둡니다. 또한 팬이 작동하는 동안 기술진이 팬 구역에 들어갈 수가 없습니다. 결과적으로 ACHE는 고장이 납니다.
ACHE 상태 모니터링
ACHE에 무선 트랜스미터를 장착하고 ACHE 상태 모니터링 알고리즘을 분석 소프트웨어에 설치해 ACHE를 현대화하면 상태 모니터링을 자동화하고, 플랜트에 모터-기어박스-팬 결합체의 진동을 추적하는 능력을 부여하며, 시간의 흐름에 따른 진동의 추이를 가시적으로 보여줄 수 있게 됩니다. 최고 진동값이 사전 한도를 초과하면 상태 모니터링 소프트웨어에서 알람이 울려 주의를 환기시킵니다. 필요한 요건 일부는 DCS에서 활용할 수 있지만 WirelessHART 트랜스미터를 이용해 베어링이나 코일 온도 등 누락된 측정값을 추가해야 할 수도 있습니다. 이를 구현하는 것은 쉽고 사용 위험도 낮습니다.
추가로 장착된 트랜스미터와 소프트웨어는 그림 4와 같이 상태를 표시함으로써 일반 ACHE를 스마트 ACHE로 변화시킵니다. 이 정보는 운전원에게 전달될 필요는 없으나 ACHE 가동을 담당하는 신뢰성 및 유지보수 인력에는 전달되어야 합니다. ACHE 진단에 포함되는 항목은 다음과 같습니다.
● 높은 모터/팬 진동
● 높은 모터/팬 베어링 온도
● 공진
● 베어링 고장
● 교환기 파울링
● 냉각 저하
● 루버 기계 결함
●팬 피치 액추에이터(fan pitch actuator) 결함
ACHE 진단은 파울링을 감지해 정기적인 세척을 유도하고, 베어링 결함 시점을 감지해 심각도 정도를 바탕으로 정기적인 정비를 실시하게 합니다. 루버나 팬 피치 문제를 구체화하고 수리 계획을 세웁니다. 또한 공진 주파수 근처에서의 작업을 피해 손상을 예방합니다.
펌프
중요도가 높은 펌프는 이미 상태 모니터링을 하고 있지만 온라인 기계 보호 시스템의 높은 비용 때문에 대부분의 “필수” 펌프는 상태 모니터링을 하지 않습니다. 방류량이 제한되거나 여과기가 막히면 공동 현상이 생겨 펌프가 고장 나고 진동으로 인해 기계의 씰 부분에 이상이 생깁니다. 펌프는 베어링이 마모되면서 펌프와 씰이 진동하고 결국 고장으로 이어집니다. 이로 인해 수리 비용 외에 생산 소실, 프로세스 누수, 화재 등이 발생할 수 있습니다.
저빈도 수동 검사
과거에는 정기적으로 분석할 데이터를 수동으로 수집하는 것이 일반적인 사례였습니다. 그러나 이 방법은 다음 검사까지 ACHE를 취약한 상태로 남겨 둡니다.
펌프 상태 모니터링
ACHE처럼 펌프에 무선 트랜스미터를 장착하고 고정 및 변속 펌프 상태 모니터링 알고리즘을 분석 소프트웨어에 설치하면 펌프의 상태 모니터링이 자동화되고, 플랜트에 모터와 펌프의 최고값과 진동을 추적하는 능력을 부여하는 동시에 시간의 흐름에 따른 상태 추이를 가시적으로 보여줄 수 있게 됩니다. 최고 진동값이 사전에 제한한 한도를 초과하면 상태 모니터링 소프트웨어에서 알람이 울립니다. 필요 조건의 일부는 플랜트의 이력관리(historian) 또는 DCS에서 활용할 수 있지만, 무선 트랜스미터에 흡입압과 배출압, 씰 유층압과 유체 레벨, 또는 베어링 온도와 같이 누락된 측정값을 추가해야 할 수도 있습니다.
그림 5는 추가로 장착된 트랜스미터와 소프트웨어가 상태를 표시함으로써 단순 일반 펌프에서 스마트 펌프로 변모하는 과정을 보여줍니다. 앞에서처럼, 이 정보는 프로세스 운전원에게 전달될 필요는 없으나 펌프 가동을 담당하는 신뢰성 및 유지보수 인력에는 전달되어야 합니다. 펌프 진단에 포함되는 항목은 다음과 같습니다.
● 높은 진동
● 베어링 고장
● 낮은 헤드
● 낮은 배출압
● 씰 압력
● 여과기 청소
● 씰 플러시 시스템 고장
● 액체 탄화수소 누출
펌프 진단은 제한 유출 유량 (restricted discharge flow)와 같은 문제를 감지하여 처리하거나 흡입 쪽 감지하여 정기적인 여과기 청소를 유도합니다. 베어링 결함 시점을 감지해 심각도(severity)를 기반으로 오버홀을 실시하게 하거나 백업 펌프로 전환합니다. 로우 씰 유체(low seal fluid)의 알람은 씰 이 누출되기 전에 작업 지시를 시작할 수 있습니다.
펌프 씰 파이핑 계획 현대화
기계적 씰(Mechanical Seal)을 위한 API Standard 682의 4 edition은 Seal 시스템 알람을 제공하는 파이핑 계획 계측을 스위치에서 트랜스미터로 변경했습니다. 트랜스미터는 더욱 확실한 경보 발령 방법을 제공하는 동시에 스위치로는 불가능한 공정 통찰력을 제공하고 더욱 정교해진 알고리즘으로 펌프 상태를 모니터링할 수 있습니다. 무선 트랜스미터는 배선 변경이나 계측값을 재설정하거나 시스템 I/O 카드 확장이 필요가 없기 때문에 씰 플러쉬(seal flush) 시스템을 스위치에서 트랜스미터로 손쉽게 업그레이드할 수 있습니다. 대신 새로운 트랜스미터는 무선을 사용하면 간편해 집니다.
인프라 공유
신뢰성 엔지니어와 유지보수 관리자는 운전원이 사용하는 DCS 워크스테이션을 사용할 필요가 없습니다. 플랜트 전역의 무선 계기 네트워크와 소프트웨어는 DCS가 제공하지 않는 정보를 필요로 하는 다수의 부서가 공유하는 2차 시스템입니다. 신뢰성 및 유지보수팀, 에너지팀, HS&E 부, 기업 등은 플랜트 전역의 WirelessHART 네트워크 투자를 공유합니다.
모니터링에 사용되는 무선 트랜스미터와 WirelessHART 게이트웨이는 어떤 제어 시스템과도 통합될 수 있습니다. 이 솔루션을 이용하는 기존 시스템은 업그레이드를 따로 할 필요가 없습니다.
데이터 기반 스마트 플랜트로의 현대화
무선 트랜스미터는 목적에 맞게 구축된 분석 소프트웨어와 함께 고장과 가동중단을 일으킬 수 있는 문제를 플랜트 장비로 감지합니다. 이 장비에는 열교환기, 공랭식 열교환기, 펌프, 팬/송풍기, 압축기, 냉각탑 등이 포함됩니다.
신규 플랜트 설계나 유지관리, 가용성을 높이기 위한 기존 플랜트 현대화는 대응적 유지보수의 관례를 위한 것이 아닙니다. 프로젝트 시작 전에 유지보수 및 신뢰성 준비 예산이 프로젝트에 편성되어 있는지 확인해야 합니다. 신뢰성 전문가는 기존 플랜트나 신규 플랜트 설계를 검토하여 어떤 신뢰성 및 유지보수 생산 솔루션이 필요한지 확인하고, 비용과 절감액, 플랜트 투자수익(ROI) 등을 추정할 수 있을 것입니다.
글_ Jonas Berge, 에머슨 프로세스 매니지먼트 응용기술사업부 이사
