계장기술(PROCON)

기획특집 생산성 극대화로 미래를 손에 쥐다

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작성자 최고관리자 댓글 0건 조회 19회 작성일 21-11-15 15:55

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서 론

소규모로 운영되던 과거 플랜트는 대부분의 작업을 수동으로 수행하였고, 수동 조작을 위한 숙련된 기술자들과 함께 제어되어왔다. 이후 플랜트는 생산성과 생산 방식에 있어 더 큰 단위로 변화됨에 따라 점차 기계화를 이루었다. 하지만 급속한 생산 능력 확장과 많은 기계들의 조작은 공정 과정에서의 오작동을 초래하였고, 작업자의 오류는 결과적으로 심각한 경제적, 질적 문제를 야기하게 되었다. 산업은 자동화와 자동제어의 패러다임 속에 있으며, 산업용 장치 간의 원활하고 방대한 정보를 위한 다양한 통신 프로토콜이 산업을 주도하고 있다.

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한 통계 기록에 따르면, 산업용 이더넷은 46%의 시장점유율(기존 38%)과 22%의 연간 성장률을 기록하고 있으며, 48%의 시장점유율(58%에서 감소)로 Fieldbus를 빠르게 추월하고 있다. 또한 EtherNet/IP는 11%의 시장 점유율을 가지고 있으며, 2015년에 출하된 모든 IE 장치의 25%를 차지하였다. 1,650만 개 이상의 장치가 공급된 PROFINET은 11%의 시장점유율을 가지고 있으며, 연간 28%의 성장률을 보였다. 5,600만 개 이상의 장치가 공급된 선도적인 필드버스 네트워크인 PROFIBUS는 32%의 IE 부문에서 가장 높은 연간성장률을 보이는 무선을 완벽하게 지원하고 있다.

산업용 사물인터넷(IoT), 빅데이터 및 인더스트리 4.0을 포함한 트렌드로 인해 산업용 장치는 빠르고 안정적인 IE 네트워크를 통해서 데이터를 수집하고 교환할 수 있어야 한다. PROFI NET 및 EtherNET/IP는 지배적인 프로토콜로, KROHNE는 빠르게 급변하는 산업 트렌드에 맞게 한 발 앞선 최고의 기술력을 제공하고자 끊임없이 고민하였고, 기존 필드버스 네트워크를 통합하면서 전체 작업에 걸쳐 더 빠른 통신을 제공하고자 다양한 산업용 이더넷 기반 네트워크인 Profinet, EtherNet, Power link 등을 제공하고 있다. 산업용 통신 프로토콜 외에도, 무선통신인 블루투스를 통해 최대 20m 거리에서 간편하게 휴대폰으로 유량계를 확인할 수 있다.


전자유량계(OPTIFLUX) 이더넷 적용 사례

먼저 수도 및 폐수 산업 현장 기기의 이더넷 기반 PRO FINET 통합 사례를 살펴본다.

용수 및 폐수 산업에서는 EMF(전자기 유량계)의 측정된 유량값과 같은 기존의 점대점 배선을 통해 많은 양의 공정 데이터가 여전히 현장에서 전송된다. 각 와이어 쌍에 대해 4-20mA 신호와 같이 하나의 프로세스 값을 전송할 수 있다. 운영자의 요구사항은 지난 몇 년 동안 꾸준히 변경되어왔다. 유지보수 개념의 변화 및 에너지 효율성 측정과 같은 외부 영향으로 인해 현장 수준의 정보에 대한 수요가 증가하였으며, 플랜트 운영자를 위한 한 가지 대안으로 하나의 케이블을 통해 여러 프로세스 값을 전송할 수 있는 ModbusⓇ 또는 PROFIBUSⓇ와 같은 필드버스 프로토콜을 사용하고자 했다. 이러한 유형의 통신은 특수 케이블과 필드버스 커플러(예 : PROFI BUSⓇ Master) 형태의 추가 하드웨어가 필요하다. 제어시스템에서 PLC(프로그래머블 로직 컨트롤러)까지 이더넷 기반의 통신이 필요하였으며, 정보는 PROFIBUSⓇ Master와 PROFIBUSⓇ 프로토콜을 통해 PLC(프로그래머블 컨트롤러)에서 현장 기기로 전송되어야 한다. 이러한 매우 복잡한 커뮤니케이션 채널이며, 운영 직원에게 큰 어려움을 안겨줄 것이라 생각했다.
오늘날 점점 더 복잡해지는 기술로 개별 구성요소를 깊이 있게 다룰 수 없기 때문에 고도로 맞춤화된 통합 시스템에 의존한다. 핵심 요구사항 중 하나는 현장 기기를 공정 제어 시스템에 간단히 통합하여 독립적인 처리가 가능하도록 하는 것이고, 또 다른 초점은 현장 기기에서 고급 유지관리 및 프로세스 정보를 비용 최적화된 방식으로 전송하는 것이다. 폐수 산업에서는 유량계의 통합 전도도 측정이 매우 중요하다. 전기전도도는 물과 폐수의 품질에 대한 정보를 제공하는 지표 중 하나이기 때문이다. 일반적으로 간접 배출기 또는 공동 유입 구역의 폐수에는 알려진 평균 전기전도도가 있다. 측정된 전기전도도가 평균값과 크게 다를 경우 무단 방전을 가정할 이유가 있다. 이것은 추가 테스트로 이어진다. 펌프 스테이션에 설치된 유량계에 통합된 전도도 측정은 설치, 통합 및 유지보수 비용을 상당히 줄여준다. 유량계에서 제어 기술로 데이터를 전송하기 위한 여러 아날로그 출력 또는 다양한 버스 기술이 필요하나, 이 방법은 현장 기기에서 제어실까지 프로토콜을 통한 지속적인 통신을 허용하지 않는다. 이에 유량계, 절연 증폭기 및 필드버스 구성요소를 위한 다중 아날로그 출력과 같은 추가 하드웨어의 증가된 비용과 제어 기술 및 유지보수에 통합하기 위한 관련 비용을 감안하기 위하여 운영자는 점점 더 많은 대체 솔루션을 찾고 있다.

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현장 장비 제조업체는 제어 기술에 간단한 통합을 보장하면서 현장 기기에서 보다 자세한 유지관리 정보 및 기타 프로세스 데이터에 대한 운영자의 요구를 충족해야 하는 과제에 직면해 있다. 이더넷 기반 통신 프로토콜인 PROFINET을 사용하면 모든 관련 프로세스 데이터의 표준화되고, 제조업체의 독립적인 전송이 가능하다. PROFINET이 가능한 현장 기기(이 경우 EMF)는 절연 증폭기 기술, 전송 단자 및 아날로그 PLC 입력 모듈을 통한 값비싼 배선 대신에 PROFINET 케이블을 통한 PROFINET 스위치를 통해 자동화 네트워크에 직접 통합된다. IFC 300 컨버터가 포함된 OPTIFLUX 2000 전자유량계는 스타 토폴로지 외에 라인 또는 링 토폴로지도 활성화하는 통합 PROFI NET 스위치가 있으며, 시스템 구조에 따라 별도의 PRO FINET 스위치가 필요하지 않다. 이더넷 배선은 기존 이더넷 네트워크 커넥터(M12)와 일반적으로 녹색 PRO FINET 데이터 케이블의 형태를 취한다. IT에서 일반적으로 사용되는 RJ45 커넥터 외에도 PROFINET 사양은 산업용 M12 커넥터를 규정한다. 측정 장치는 요청된 시스템 토폴로지(별, 라인 또는 링)에 따라 1개 또는 2개의 M12 부싱과 함께 제공된다. 이것은 연결 오류(전압 역전)를 사실상 불가능하게 만든다. 데이터는 이더넷 기반의 제어장치에서 직접 사용할 수 있으며, PLC에서 필드버스 프로토콜을 이더넷 기반 프로토콜로 값비싼 변환할 필요가 없다. 필드 기기는 드래그 앤 드롭 방식으로 선택 목록에서 PLC 프로그래밍 소프트웨어의 자동화에 통합된다. 이에 필요한 드라이버 파일(PROFINET용 GSD 파일)은 기기 제조업체에서 제공하고, 다운로드한 다음 프로그래밍 소프트웨어로 가져올 수 있다.

다음 단계에서 계측기는 PLC의 프로그래밍 소프트웨어를 통해 자동으로 이름이 지정하며, 네트워크에서 사용할 수 있는 모든 PROFINET 가입자는 지정된 네임스페이스에서 PROFINET 이름을 부여받는다. PROFINET을 사용하면 기기가 IP 주소가 아닌 PROFINET 이름으로 고유하게 식별되고 검색된다. 이제 계측기가 PLC에 연결되어 버스 케이블을 사용할 수 있다. 운영자는 제공된 문서를 사용하여 수신한 데이터 항목을 조각화하고, 현장 계측기에서 관련 정보를 처리해야 한다. 이 단계는 PLC의 응용프로그램에서 현장 기기가 제공한 정보를 사용하기 위해서 필요하다. 현장 기기를 제어하기 위한 응용프로그램이 PLC에서 그래픽 프로그래밍 언어로 생성된다. 사용자의 시동 및 문제 해결을 돕기 위해 현장 기기 통합을 위한 완전한 그래픽 기능 블록을 사용할 수 있다. 블록 라이브러리의 제조업체가 기능 블록을 생성할 때 현장 기기와의 전체 통신을 처리하기 때문에 블록 라이브러리에서 버스 제어 필드 기기의 경우 단일 비트로의 변환이 미리 수행된다. 그 결과 그래픽 프로그래밍 언어 FBS(기능 블록 언어)의 완전한 기능 블록이 생성되어 사용자가 PLC에 있는 현장 기기의 측정값, 오류, 매개변수 설정에 액세스할 수 있으며, 상위 항목에 대한 인터페이스 역할도 한다. 따라서, 기능 블록에는 제어시스템에 간단하게 통합할 수 있도록 OPC 기반으로 구성된 인터페이스가 있다. PROFINET 통신을 사용한다는 것은 미래에 하나의 측정값만이 아니라(4-20mA 2-와이어 통신의 경우와 같이) 기기에서 제공하는 모든 측정 및 진단 정보를 사용할 수 있음을 의미한다.

이를 통해 고객은 관리 수준에서 현장 도구로 직접 액세스하여 기기를 직접 통합하고, 오류 발생 시 오류가 있는 기기를 직접 식별하고, 현장 기기의 양방향 통신 및 파라미터를 설정할 수 있다. 또한 LC 입력 모듈 필요 없으며, 배선 및 연결 기술 감소와 측정 장치용 아날로그 출력 모듈 절약을 통하여 하드웨어 절약을 얻을 수 있다. 측정 장치에서 사용 가능한 모든 측정 및 진단 데이터는 하나의 통신 채널을 통해 전송될 수 있다. 제어 기술에 더 간단하게 통합하여 엔지니어링 비용을 절감할 수 있으며, 이더넷 케이블을 통해 제어실에서 현장 기기까지 균일하게 표준화된 케이블링 되며, PROFINET을 표준으로 제공하는 중소 규모의 제어 장치에 유리한 연결을 제공하고, 단순히 기기 교체를 할 수 있기 때문에 다운타임 감소를 제공함으로 제조 현장은 안정적이고, 지속적인 생산이 가능한 시스템 환경을 구축할 수 있다.


질량유량계(OPTIMASS) 이더넷 적용

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세계적인 화학회사인 BASF의 SIS(Safety Instrumented System)에 적용됨으로써 뛰어난 성능을 입증한 KRO HEN의 질량유량계(OPTIMASS)에 산업용 이더넷을 적용하였다. 질량유량계 OPTIMASS의 컨버터인 MFC 400은 신뢰할 수 있는 측정을 보장하기 위해서 광범위한 유량계 및 프로세스 진단 기능을 제공한다. Entrained Gas Management(EGM™)를 사용하면 미터가 광범위한 가스 분획 및 복잡한 흐름 조건에서 작동을 유지할 수 있다. SIL 2/3 인증을 통하여 환경에서 사용하기에 적합한 전류 출력을 제공하며, 측정값 및 진단 정보는 HARTⓇ, RS485 Modbus, FOUNDATION™ Fieldbus, PROFI BUSⓇ PA 및 DP, PROFINET I/O 및 EtherNet/IP를 포함한 통신 프로토콜을 통해 전송할 수 있다.

새로 적용된 기술을 통하여 네트워크에 쉽게 설치할 수 있는 통합 스위치와 최대 100Mbps의 데이터 전송 속도로 모든 토폴로지에 설치할 수 있도록 1개 또는 2개의 M12(D 코딩) 커넥터 옵션이 있다. 기본적으로 1개의 M 12(D 코딩) 커넥터가 MFC 400과 함께 옵션으로 M12(A 코딩) DC 전원공급장치가 제공된다. 또한 네트워크의 다른 장치와 데이터 전송 속도 및 반이중/전이중 전송 방식(양방향 또는 단방향)을 협상하는 자동 협상과, 전송 및 수신 장치를 연결하는 데 필요한 케이블 크로스오버를 자동으로 제공한다. 이를 통해 MFC 400은 기존 필드버스에 매력적으로 만들며, 사용자는 기존 장치를 유지하면서 산업용 이더넷 시스템으로 업그레이드할 수 있으며, 무선통신까지 완벽하게 지원받을 수 있다.


내 곁에 있는 관리 – myDevice

블루투스는 소비자가 핸드폰과 태블릿을 통하여 빠르고 편리하게 제품과 연결할 수 있는 통신으로 전 세계에서 사용되고 있다. 유량계의 블루투스 통신은 기존의 통신 프로토콜들과 모두 호환 가능하며, 많은 전문가들은 이러한 기본 구조 추가가 자동화 및 통신 프로토콜의 미래라고 말하고 있다.

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최근 KROHNE가 myDevice 스마트 서비스 개념으로 출시한 이 기술은 사용자가 최대 20m 거리에서 유량계에 Bluetooth 통신을 통하여 무선으로 연결할 수 있다. 심지어, 위험지역에서도 빠르고 안전하게 연결 가능하다. 조작은 Opticheck Flow 앱을 휴대폰이나 태블릿에서 무료로 다운로드하는 방식으로 이루어진다.

myDevice는 현장 커미셔닝, 검증 및 모니터링을 위한 일련의 스마트 서비스를 제공한다. 온라인 교육 및 튜토리얼 포트폴리오를 통해 모든 기기에 편리하게 접근할 수 있으며, 플랫폼은 유기적으로 운영되어 계속 확장됨에 따라 사용자를 위한 많은 정보 및 서비스가 제공된다.

또 블루투스를 사용하여 유량계에 연결하면 “Process control”, “Monitoring”, “Optimisation”와 같은 인터페이스가 제공된다. 현장 커미셔닝, 모니터링 및 검증은 최종 사용자와 서비스 엔지니어에게 많은 이점이 있다. 이는 유량계와 유량계의 디스플레이에 직접 가지 않고도, 모든 장치의 정보를 손 안의 앱을 통하여 설정 및 출력을 관리할 수 있는 매우 이상적인 서비스 도구이다. 이 통신의 주요 이점으로는 영점 교정, 진단 구성, NE 107 구성, 성능 모니터링 및 유체의 매개변수 등 다양한 커미셔닝 작업을 무선으로 완료할 수 있다.

커미셔닝 및 서비스를 지원하기 위해 KROHNE의 제품 정보 센터인 PICK에 있는 모든 장치 관련 정보에 직접 접근할 수 있으며, 터치스크린에서 유량계 정보를 보면 모든 측정값의 그래픽 표시, 입력된 가스에 대한 2상 신호 설정, 프로세스 이벤트의 시각화 및 NE107 상태 경보 설정을 포함한 다양한 모니터링 도구에 훨씬 쉽게 접근할 수 있다. 뿐만 아니라 프로세스를 중단하지 않고도 모든 장치의 설정을 전체 백업할 수 있고, 이전 백업 또는 원래 설정인 무선으로 복원할 수 있다. 또한, 서비스센터에 전자메일을 보내 고장 발생 시 과정을 분석할 수 있는 유량계의 “스냅샷”도 촬영하여 전송할 수 있다.


결 론

최근의 산업 트렌드는 안전과 신뢰성을 갖춘 자동제어의 패러다임 안에 있다. 산업 자동화가 다시 한번 세계경제를 부응하게 할 것이며, 산업 자동화의 성공은 신뢰성과 효율성을 갖춘 통신 네트워크에 달려있다. 기기 간 상호 연동이 전 공정의 데이터 통합에 매우 중요하며, 어떻게 공장의 디바이스 레벨에서 클라우드 레벨까지 정보를 빠르게 이동하는지가 점점 더 중요하게 될 것이다. 이 길에는 크로네가 항상 함께 할 것이다.


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