사물인터넷(IoT)에 대한 구현방안이 산업 도메인별로 하나씩 하나씩 프레임워크와 솔루션들이 출현하고 있다. 개념속에서만 존재하던 사물인터넷이 이제 산업용사물인터넷(IIoT: Industrial IoT)이라는 새로운 영역에서도 움직임이 활발해졌다. 공정 제어 분야에서의 스마트 플랜트를 위한 퍼베이시브 센싱(Pervasive Sensing)이라는 개념을 처음 제시했던 에머슨프로세스매니지먼트는 이제 공정 제어와 안전을 넘어, 그 이상의 역할을 하는 센서를 출시하고 있다. 페베이시브 센싱이란 무엇이고, 공정 플랜트에서 어떻게 혁신을 이루고 있는 지에 대해 사례를 들어 알아본다.

대한민국 구석구석!
플랜트 구석구석!

사물인터넷(IoT)에 대한 구현방안이 산업 도메인별로 하나씩 하나씩 프레임워크와 솔루션들이 출현하고 있다. 개념속에서만 존재하던 사물인터넷이 이제 산업용사물인터넷(IIoT: Industrial IoT)이라는 새로운 영역에서도 움직임이 활발해졌다.

산업용 사물인터넷은 사물인터넷의 산업현장 최적화 구현방안이다. 이를통해 스마트 공장과 스마트 플랜트로 발전해 나가는 것이 가능해졌다. 사물인터넷의 가장 기본적인 추진방안은 센싱이다. 산업용 사물인터넷도 마찬가지다. 사람이 직접 접근할 수 없거나, 접근하기 어려운 곳에 센서를 배치하고 이를 유무선 통신을 통해 측정 데이터를 네트워크로 끌어와 모니터링과 데이터 분석을 자동으로 수행하도록 하는 것이다. 이러한 구석구석까지 가능해진 센싱으로부터 산업용 사물인터넷은 구현이 가능하다.

“플랜트 전체의 넓은 구역을 구석구석 센싱하는 기술”

에머슨 프로세스 매니지먼트(이하, 에머슨)는 지난해 ‘Emerson Global Users Exchange’라는 글로벌 기술 컨퍼런스에서 ‘퍼베이시브 센싱(Pervasive Sensing)’이라는 개념을 제시했다. 에머슨 프로세스 매니지먼트 한국법인인 한국 에머슨 프로세스 매니지먼트(이하, 한국에머슨)은 퍼베이시브 센싱에 대해 “플랜트의 넓은 구역에 걸쳐 속속들이 구석구석 스며들어 미처 접근하지 못했던 곳까지 센싱하는 기술”이라고 설명했다. 이로써 공정 접근성이 높아지면서 리스크 예측 가능성 또한 높아지고, 문제 상황 발생시의 해결 능력도 변화하게 된다는 것이다.

“플랜트의 더 많은 영역을 센싱, 더 쉽고 빠르게 더 많은 문제를 해결하는 것”

에머슨은 “The more you sense, the more you solve.”라고 정리했다. 플랜트의 더 많은 영역을 센싱할수록 사용자의 플랜트에 대한 통찰력은 더 넓어지고 깊어지게 된다. 결국은 더 쉽고 빠르게, 더 많은 문제를 해결하게 되는 것을 설명하고 있다.

특히 무선기술과 계측 및 분석기술의 발전은 산업분야에서 큰 변화를 가능하게 하는 핵심기술이 되고 있다. 무선기술과 계측 및 분서기술은 이전에는 전혀 사용할 엄두를 내지 못했던 데이터를 측정하고 제공함으로써 광범위한 산업분야에서 플랜트의 안전성, 신뢰성, 수익성을 높여주는 방안을 제시한다.

플랜트 구석구석 찾아가는 퍼베이시브 센싱

퍼베이시브 센싱(Pervasive Sensing)이라는 개념을 처음 제시했던 에머슨은 이제 공정 제어와 안전을 넘어, 그 이상의 역할을 하는 센서를 출시하고 있다.

에머슨은 “빅 데이터(Big data)와 사물인터넷(IoT)의 핵심은 센서다.”라고 강조한다. 당연하다. 센서는 사실상 거의 모든 영역에 존재한다. 스마트 기기는 물론 거대거나 대량의 데이터를 수집하는 것에서부터 수집한 데이터를 축적하고 분석하기 위해 전송하는 것에 이르기까지 모든 곳에서 센서를 필요로 한다.

여기에 더해서(연관되어) 독창성과 신뢰성도 주요 이슈가 됐다. 에머슨은 지난해 미국 올란도에서 개최한 ‘Emerson Global Users Exchange’ 컨퍼런스에서 퍼베이시브 센싱과 함께 Ingenuity(독창성)와 Reliability(신뢰성)을 새로운 이슈로 제시한 바 있다. 여기에서도 센싱은 한층 더 구석구석까지 퍼져나가, 거의 모든 주제들과 함께 융합되었다.

지난 컨퍼런스에서 밥 카쉬니아(Bob Karschnia) 에머슨 무선부문 부사장은 퍼베이시브 센싱은 “(1)혁신적인 센서, (2)시운전이 손쉬운 구성부품, (3)유지보수 불필요”라는 3가지 특성위에서 구축된다고 설명했다. 밥 카쉬니아 부사장은 “퍼베이시브 센싱은 구현이 어렵고 많은 비용이 든다는 이유로 활용이 제한적이었다.”고 밝히고, “이제는 혁신적 센서, 무선통신, 비간섭설치, 전원공급기술, 분석기술, 전문가시스템, 모바일 위치 기술 등과 같은 다양한 기술들이 발전”함으로서 퍼베이시브 센싱의 활발한 구축이 가능해 졌다고 말했다.

컨프런스에서 피터 조르니오(Peter Zornio) 에머슨 최고전략책임자(CSO)는 “작년의 주제는 아주 새로웠다. 에머슨에서 진행하고 있던, 완전히 새로운 프로그램이었다. 하지만 이제 에머슨은 단순한 공정 제어와 공정 안전을 넘는 애플리케이션들을 보고있다. 흔히 대부분은 공정의 안전한 오퍼레이션과 안전 유지에 집중하는 경향이 있는데, 사실 해결해야 할 다른 많은 부분들이 있다.”고 말했다.

플랜트에서의 더 많은 분야에서 더 많은 데이터 수집과 분석, 실행이 수행될 때, 스마트 플랜트로의 발전이 가능해 진다는 의미일 것이다.

에머슨은 시설의 노후화(Corrosion), 에너지 소비, 보건 및 안전, 그리고 환경과 같은 문제들에 더 많은 관심을 갖고 현재 우리의 사업 분야를 넘어, 그 범위를 넓혀가고 있다.

피터 조르니오 CSO는 통계를 통해 본 제조업체 및 플랜트의 현실은 다음과 같다고 설명했다.
1) 정유공장 유지보수 예산의 36%가 시설 노후화를 위한 대처 및 보수에 쓰인다.
2) 제조산업부문의 에너지 사용이 50% 증가될 것으로 예상된다.
3) 미국 화학업계는 안전, 보건 및 환경에 연간 160억 달러(약 17조 5천억원)를 투자하고 있다
4) 환경 개선과 가스 유출 사고에 소요되는 환경비용은 연간 15억 달러(약 1조 6400억원)에 달한다.

더욱이 유지보수와 교정이 필요없는 비간섭적(non-intrusive) 자가동력 무선 센서의 확산에 힘입어 고급 센싱의 설치와 유지관리가 보다 용이해졌다. 또한 전략적인 해석기술의 활용으로 이제 데이터는 즉각 대응 가능한 정보(actionable information)로 발전했다.

핵심 오퍼레이션에서의 프로세스 공정 센싱은 오랫동안 필수적인 요소였다. 그러나 에너지, 신뢰성 그리고 HSEE(health, safety, security and environment)와 같은 애플리케이션 부문에서의 구축 논쟁은 여전히 진행 중인데, 특히 비용이 많이 들기 때문이다. 따라서 센서의 가치와 센서 설치비용 간의 저울질이 많은 부문에서 지속적으로 진행중이다.

하지만 이제 가용해진 몇몇 요소들로 인해 기존의 저울질이 새 국면에 들어섰다. 바로 센서의 혁신, 무선 통신, 비간섭적 설치, 이동 및 위치 식별기술, 고급 분석 기술, 내장형 전문지식, 그리고 전력 공급기술의 영향이다.
조르니오 에머슨 CSO는 우리 가정과 자동차, 그리고 소비재 부분의 퍼베이시브한 센서를 예로들며, “우리가 일상에서 실제로 사용하는 것들이다. 이런 일이 공정 시설에서도 가능해질 것이다. 공장도 마찬가지다.”라고 말했다.

퍼베이시브 센싱의 성공사례들

사례1. 100여개의 DVC 밸브 액추에이터에 적용된 Mobile Worker(모바일 작업자) 기술
턴어라운드(turnaround) 혹은 DeltaV 이관 시마다 300개의 루프와 인디케이터를 체크하고 약 100여개의 DVC 밸브 액추에이터를 검증해야 했던 Ergon Refining사의 사례. Mobile Worker 기술은 설치 시간을 4주에서 2주까지 절반으로 줄였으며 필요인력도 절반으로 줄었다. 또한 시동(스타트업, startup) 중 루프 관련 문제는 전혀 발생하지 않았다.

사례2. 원유의 예열 공정을 모니터링 하여 실제 에너지 효율 분석
고급 센싱을 사용해 열 교환기(Heat Exchanger), 펌프, 블로워(Blower), 냉각타워와 압축기 등의 필수 자산 모니터링이 가능하다. Conoco Philips사 에서는 원유 유닛의 예열공정에서 파울링(Fouling)이 발생했다. 예열 공정 도중 파울링이 생성되고 있다는 것을 알고는 있었지만, 열이 어디서 얼마나 새고 있는지를 알려주는 데이터가 없었다. 무선 온도 및 유량계측을 통해 Conoco Philips사는 이제 열 교환기의 효율을 분석하고 에너지 비용을 줄일 수 있게 되었다. 실 효율을 항상 시킬 수 있었으며, 효율 상승의 효과는 열 교환기 하나당 연간 55,000달러에 달했다. 뿐만 아니라 이를 위해 투자된 설비에 대한 투자비용은 90일만에 회수되었다.

사례3. 정유 공장에 적용된 무선 진동 모니터링
미네소타 Pine Bend의 Flint Hills사 정유 공장에서 펌프가 고장 났을 때는 공정에 문제가 생긴 것은 아니었다. 하지만 수증기 유출은 화재라는 최악의 부작용을 불러올 수 있었다. 펌프의 진동을 확인하기 위해 사람들은 분주하게 뛰었지만, 중요한 펌프 몇 개의 모니터만이 가능했고 정확히 어느 펌프의 수리가 필요한지는 알 수 없었다. 하지만 무선 진동 모니터를 설치한 이후, 펌프 화재는 한 건도 발생하지 않았다. Flint Hills사는 이제 몇 개의 펌프를 사람이 직접 관리하면서 들었던 비용의 1/10 비용으로 158개의 펌프를 모니터 할 수 있게 됐다. 문제 없이 가동되고 있는 본 시설에서는, 펌프 모니터링이 또한 안전 어플리케이션으로 기능하고 있다고 볼 수 있다.

사례4. 무선 가스 누출 감지기로 규제 준수
BP사는 새롭게 제정된 벨기에의 규제로 인해 모든 연료 저장소를 모니터링해야 했다. BP사는 직원의 안전을 도모하고 환경 사고를 피하기 위해 저장 탱크와 밸브 파이프 플랜지(flanges)의 탄화수소 누출의 감지 및 모니터링을 원했다. 가스 누출 감지기(Gas Detector)라는 해결책이 있기는 하지만 비용이 엄청났다. 그래서 무선 센서 솔루션을 선택했다. 설치도 훨씬 용이하고 비용도 한층 저렴했다. 이제 안전 확보는 물론이고 시설의 모든 누출 상황을 알 수 있게 되었다.

사례5. 무선 어쿠스틱(음향) 센서로 증기 트랩에서 소비되는 에너지 추적
독일 Tanatex Chemicals 사의 에너지 감소를 위한 솔루션 사례. 모든 시설에서 에너지를 가장 많이 소비하게 되는 이유는 바로 증기였다. 증기를 생성하기 위해 들어가는 연료량만 보아도 알 수 있다. 고장이 빈번한 증기 트랩의 경우, 활짝 열린 상태에서 고장이 난다면 증기를 공기 중으로 날려보내게 된다. 깨끗한 증기이기 때문에 환경적인 문제는 아니지만, 에너지 소비 측면에서 본다면 이것은 또 다른 문제가 될 수 있었다. 이러한 문제는 E사의 어쿠스틱(음향) 센서로 해결이 가능하다. 배선도 파이프 관통도 없어 설치도 간편하기 때문이다. 유선 센서를 사용했다면 비용에 대한 언급조차 어려웠을 것이다. 무선 어쿠스틱(음향) 센서 덕분에 Tanatex사의 6 bar system 투자금은 2년이 채 되기 전에 모두 회수되었다. 이에 따라 Tanatex사는 공장 내 더욱 많은 장소에서, 측정을 위한 무선 네트워크를 확장할 예정이다.

미처 놓첬던 곳까지 확인이 가능하다

퍼베이시브 센싱은 이제 플랜트 설비 구석구석에서 그 진가를 발휘할 차례가 됐다. 미처 놓쳤던 곳까지 확인이 가능해졌다. 플랜트의 넓은 구역에 걸쳐 속속들이 구석구석 스며들어 미처 접근하지 못했던 곳까지 센싱하는 기술을 통해 광범위하고 엔지니어의 접근이 어려웠던 위험구역까지도 모니터링과 분석, 관리가 가능하게 된 것이다. 진정으로 공정 접근성이 높아지면서 리스크 예측 가능성 또한 높아지고, 문제 상황 발생시의 해결 능력도 더욱 적극적으로 대응하는 것이 가능해진다.

김홍덕 기자 hordon@icnweb.co.kr