계장기술(PROCON)

자동화성공스토리 합성가스 생산을 위한 최신 프로세스 기술

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작성자 최고관리자 댓글 0건 조회 1,250회 작성일 19-11-19 16:32

본문

과 제

• 합성가스를 생산하고, 공정의 기술적 및 환경적 성과를 모니터링하기 위한 파일럿 공장 설계, 구축 및 시운전
솔루션

• PlantPAx® 분산제어시스템 – 공장 전반의 고급 제어와  공장 최적화를 지원한다 

• Allen-Bradley® CompactLogix™ 컨트롤러 – 생산성을 최적화하고, 시운전 시간을 단축해준다 

• PowerFlex® 525 인버터 – 안전 토크 차단(STO:Safe Torque-Off) 기능을 갖춘 PowerFlex® 525 인버터는 통합 모터 제어와 안전을 제공해준다 

• FactoryTalk® View SE – 시스템에 대한 통찰과 가시성을 제공한다 

• FactoryTalk VantagePoint – 생산 데이터에 대한 원격 액세스,  트렌드 분석 및 환경 보고서를 제공한다
결 과

• 고가용성 – 시스템은 다운타임 없이 상시 가동되었다.

• 성공적인 합성가스 생산 – 파일럿 프로젝트 기간 동안, 하루 최대 7.5mmcf(백만 입방 피트)의 합성가스를 성공적으로 생산했다

• 설정된 환경 파라미터 내에서 ISG 가스화장치를 안전하게 운영했다


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리 크릭 에너지(Leigh Creek Energy)는 최신 프로세스 제어와 자동화 기술을 사용하여 합성가스를 생산하고 있다.
리 크릭 에너지(Leigh Creek Energy Limited)는 혁신적인 에너지 기업으로 남호주 애들레이드에서 550km 북쪽에 위치한 리 크릭 에너지 프로젝트(LCEP)를 개발하는데 주력하고 있었다.
이 기업의 주요 프로젝트인 리 크릭 에너지 프로젝트는 석탄을 기체 형태로 전환하는 원위치 가스화(ISG) 공정이다.
ISG 공정은 석탄을 고열로 기체화하여 메탄, 수소 등 여러 가치 있는 성분이 포함된 합성 천연가스를 만들어낸다. 합성가스는 직접적으로 발전에 사용될 수도 있고, 정제 과정을 거쳐 합성 메탄, 암모니아 등의 다양한 제품으로 만들어질 수 있다.
향후 상업적 생산시설 구축을 위한 설계 정보를 확보 하기 위해, 리 크릭 에너지는 ISG 데모 시설을 구축했다. 이를 위해 지상에는 공장이, 지하에는 ISG 기화 챔버가 건설되었다.
ISG의 환경, 기술 및 상업적 측면을 모두 고려하는 검토 과정을 거쳐, 리 크릭 탄전이 파일럿 프로젝트에 적합한 시설로 선정되었다. 프로젝트 수행 결과, 이 현장이 안전하면서도 환경에 미치는 영향을 최소화하는 방식으로 ISG 공정을 수행하는데 최적의 선택이었음이 입증되었다.
파일럿 공장은 시운전을 거쳐 90일 동안 시범 가동되었고, 이 기간 동안 안정적으로 가동하며 합성가스를 생산하여, 공정에 대한 기술적 및 환경적 성과를 분석할 수 있도록 해주었다.
공장에 대한 철저한 조사
프로젝트의 도전 과제는 ISG 공정을 설계하며 파일럿 공장을 중단 없이 지속적으로 가동하는 것이다. 로크웰 오토메이션의 RcSI(Recognized System Integrator)인 ATSys가 이 공장의 전기 및 제어시스템 구축을 담당했다.
ISG 공정은 고체인 석탄을 기체로 만드는 화학적 전환 과정이다. 화학 반응이 일어나게 하려면, 유입 유정에 공기를 주입하고, 개시 장치를 사용해 고온 환경을 만들어야 한다. 온도와 산소 농도가 적정 수준에 도달하면 다양한 화학반응이 일어나면서 고체 연료가 합성가스로 전환 된다. 이렇게 생성된 가스를 유입 통로를 통해 추출한다.
기화가 발생하는 탄층 영역을 기화 챔버라고 하며, 합성가스가 생성되는 화학반응은 보통 900°C 에서 1,200°C 사이에서 일어난다. 이러한 공정과 안전, 환경적 고려사항들을 감안할 때, 올바른 제어와 자동화 시스템을 선택하는 것이 대단히 중요했다.
ATSys의 전무이사인 안드레 테소니(Andre Tassone) 는 “이 프로젝트를 위해 로크웰 오토메이션의 하드웨어와 소프트웨어를 선택한 이유는 그 안정성이 입증되었을 뿐만 아니라, 기술이 이 프로젝트에 적합할 것이라고 확신할 수 있었기 때문”이라고 말했다.

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공장 전반의 제어,  이동성 및 가시성

로크웰 오토메이션의 PlantPAx® 분산제어시스템은 공장 전반의 고급 제어와 공장 최적화를 제공해주었다. PlantPAx 시스템은 공장의 핵심 공정 영역들을 하나의 공통된 자동화 플랫폼으로 밀접하게 통합해주었다. 이외에도 Allen-Bradley® CompactLogix™ 컨트롤러와 안전 토크 차단(SFO : Safe Torque-Off) 기능이 있는 Power Flex® 인버터가 완전한 통합 아키텍처를 제공해주었다. 통합 아키텍처® 솔루션은 Ethernet 상에서 모든 장비를 컨트롤러에 밀접하게 통합하여, 이 중대한 애플리케이션을 위해 빠르고 안정적인 제어와 세부적인 진단 정보를 제공해준다.
설치 및 시운전과 관련된 엔지니어링 시간을 단축하는 것이 프로젝트의 주요 관건이었다. PlantPAx 프로세스 오브젝트 라이브러리는 사전 정의된 오브젝트들로 구성된 라이브러리로, 검증된 전략, 다양한 기능, 그리고 알려진 성능 수준으로 대형 애플리케이션을 신속하게 조립 할 수 있도록 지원하는 컨트롤러 코드(애드온 명령어), 디스플레이 요소(글로벌 오브젝트) 및 페이스플레이트를 제공한다.
ATSys의 제어시스템 수석 엔지니어인 필 갤브레이스 (Phil Galbraith)는 “리 크릭 프로젝트에 PlantPAx 프로세스 오브젝트 라이브러리를 사용하여, 엔지니어링 및 테스트 시간을 크게 단축할 수 있었습니다. 또한, 현장 설치 시간을 줄이기 위해 스키드로 모든 장비를 설계했습니다.”라고 설명했다.
FactoryTalk® 제품군은 시스템에 대한 실시간 가시성을 제공하여 공장을 모니터링 및 관리할 수 있도록 해 주었다. FactoryTalk View SE 를 사용해 현장 통제실에서 사용되는 PC 두 대에 시각화 및 제어를 위한 이중화 구성을 하여, 핵심적인 제어 및 모니터링 기능에 대한 안정성이 보장되도록 했다. 클라우드로 호스트되는 시스 템에서 이력 데이터를 로깅 및 시각화하기 위해, Factory Talk Historian SE와 FactoryTalk VantagePoint를 사용했다.
파일럿 공장이 매일 24시간 동안 쉼 없이 가동되기 때문에, 작업자들이 원격으로 데이터에 액세스할 수 있는 것이 중요했다. 플랫폼은 또한 생산 데이터에 대한 원격 액세스를 가능하게 해주었다. 실시간 데이터에 대한 액세스를 확보하는 것 이외에도, 분석을 위해 데이터를 기록하고, 분석 트렌드를 보고하며, 비효율을 파악하고 환경적 KPI를 모니터링할 필요가 있었다.

성공적인 합성가스(Syngas) 생산

모든 파일럿 프로젝트는 상업적으로 실현이 가능하지 않을 가능성이 항상 존재한다. 그러나 리 크릭 에너지 프로젝트는 기대 이상의 성공을 거두었다. 이 파일럿 프로젝트는 하루 최고 7.5mmcf(백만 입방 피트)의 상용 합성가스를 성공적으로 생산했다. 이는 ISG 공정에 대한 기대치를 훌쩍 뛰어넘는 결과였다. 이밖에, 이 파일럿 프로젝트는 실험 전, 중간 및 후에 주변의 환경 관측정에서 분석된 데이터를 통해 리 크릭 에너지가 ISG 기화장 치를 안전하게 운영했음을 보여주었다.
기록된 데이터에 따르면, 이 가스 자원은 어마어마한 크기로, 호주 동부 해안 가스 시스템 중에서 개발 및 계약이 되지 않고, 저평가된 가장 큰 가스 자원 중 하나라는 사실이 밝혀졌다. 그러한 막대한 가치의 에너지 자원을 발견함으로써, 리 크릭 에너지는 이 프로젝트를 상용 단계로 진척시킬 굳건한 기반을 마련하게 되었다.
무엇보다도 리 크릭 에너지의 전무이사인 필 스태블리 (Phil Staveley)는 “이번 파일럿의 성공으로 막대한 가치의 대규모 에너지 자원을 효과적으로 발견하게 되었고, 입증된 ISG 기술이 상용 애플리케이션에서 성공적으로 사용될 수 있다는 사실을 검증해주는 핵심 데이터를 수집할 수 있었다.”고 말했다.


스마트 안전 솔루션, 생산량과 안정성 향상 지원

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윈스턴 월보드, 스마트 안전 솔루션으로 자재 처리 향상

지난 90년간, 윈스턴 월보드(Winstone Wallboards)는 뉴질랜드에서 유일하게 석고보드와 관련 제품을 제조 판매하는 기업이다. 윈스턴 월보드는 오크랜드, 크라이스트 처치 및 웰링턴에 공장이다. 윈스턴 월보드는 뉴질랜드의 주요 산업 연구 및 개발 센터와 대학의 연구진과 밀접하게 협력하며 제품, 시스템 및 솔루션을 지속적으로 향상하는데 매진하고 있다. 공장의 핵심 영역이라 할 수 있는 이음매 마감재 제조는 오크랜드에 위치한 석고보드 공장에서 이루어진다. 이 공장은 뉴질랜드에서 유일하게 이음매 마감재를 생산할 수 있는 역량을 보유한 시설이다. 이 자재 처리 영역에서는 복잡한 공정의 마지막 단계로 완제품에 대한 밀봉, 운반, 경로 지정, 펠렛 포장이 진행된다. 이음매 마감재를 위한 자재 처리 장비는 2002년에 도입되었다. 이 장비는 생산성과 기술적인 측면에서 큰 도약 이라고 할 수 있었다. 기존에 수작업으로 처리되었던 부분들이 대폭 줄어들었기 때문이다. 그러나 지난 15년간 제조 분야의 기계 안전 표준은 강화되었고, 장비에 대한 일반적인 기대치도 크게 상승했다. 최신 안전 표준을 준수하고 안정성을 향상시키기 위해, 윈스턴 월보드는 로크웰 오토메이션의 제품 및 서비스 공급업체인 NHP 일렉트리컬 엔지니어링 프로덕츠(NHP Electrical Engineering Products)에게 펠렛 포장 요구사항과 늘어나는 생산량을 충족하는데 도움을 줄 수 있는 업계 선두적인 솔루션을 설계해 공급해줄 것을 요청했다.
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자동화된 자재 처리

자재 처리 장비는 다른 재질로 포장되어 유입되는 두 가지 유형(분말형, 레디믹스형)의 제품을 동시에 처리해야 하는 어려운 작업을 담당한다. 완성된 마감재는 세 가지 영역으로 이동된다. 분말 혼합 영역은 5~20kg 단위로 포대에 담겨 최종 사용자가 직접 혼합해 사용해야 하는 분말 형태의 제품을 처리하고, 레디믹스 영역은 2~15리터 또는 14리터 용기에 담겨 바로 사용이 가능한 반죽 형태의 제품을 처리한다. 세 번째 영역은 로봇 펠렛 시스템으로 두 가지 제품을 한데 모으는 일을 한다. 이러한 상황에서는 시스템 작업자의 안전이 최고 우선 사항이다. 자재 처리 영역들을 검토하는 과정에서, 윈스턴 월보드는 두 가지 새로운 표준을 충족할 수 있도록 업데이트 가 필요한 영역을 파악하기 위해 위험 평가를 수행했다. 윈스턴 월보드의 제조 안전 엔지니어인 숀 샌더스(Shaun Sanders)는 “노후화되어 생산 능력이 떨어지는 펠렛 로봇을 교체하는 것이 애초에 프로젝트의 목표”였지만 “펠렛 셀을 위한 표준을 준수하기 위해 제어에서 장치들까지 새로운 안전 시스템을 구현하여 이음매 마감재 영역의 안전을 업그레이드하기로 결정했다”고 말했다.

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스마트 안전 솔루션

기능 안전 사양을 기반으로 윈스턴 월보드의 안전 요건을 가장 효과적으로 충족해주는 제품과 솔루션을 파악했다. 샌더스는 “로크웰 오토메이션의 모든 제품군을 사용해 완전하게 통합 및 연결된 안전 시스템을 구현하기로 했다”고 설명했다. Allen-Bradley® GuardLogix® 컨트롤러(PAC)로 자재 처리 장비를 위한 통합 제어와 안전을 제공했다. 밀접 한 통합을 위해 Ethernet/IP에서 Studio 5000® Logix Designer 소프트웨어를 사용해 이 제어시스템을 프로그래밍하였고, 최소한의 배선 테스트만 필요한 간소화된 검증 및 확인 절차를 통해 설계, 엔지니어링 및 프로젝트 개발 시간을 단축할 수 있었다.

공장의 자재 처리 장비와 관련된 안전 위험을 고려해, 필요한 경우 안전 모드에서 장비에 접근할 수 있도록 위험 요소로부터 작업자를 보호해주는 안전장치를 제공하는 것이 중요했다. Guardshield® POC 안전 라이트 커튼은 공장 내 각 구역을 분리할 수 있도록 해주었으며, Guardmaster® 442G 다기능 접속함(MAB)은 이 애플리케이션을 위해 이상적인 솔루션을 제공해 주었다. 다기능 접속함은 전신 접근이 필요한 애플리케이션에서 완전한 보호를 제공하는 통합 액세스 제어 및 가드 잠김 장치다. 442G MAB 게이트 접근 잠금은 Ethernet/IP로 연결이 가능하여 시스템을 직접 배선할 필요가 없다. 로크웰 오토메이션의 연결 컴포넌트 기술 컨설턴트인 사이몬 존슨(Simon Johnson)은 “MAB는 사전 구축된 장치로 쉽 게 설치가 가능하고, 솔레노이드 잠금, 래치 메커니즘, 기계적 정지, 다수의 버튼, 지시기, 비상 정지 오퍼레이터, 비상 해제 장치 등을 별도로 통합 및 엔지니어링할 필요가 없다. 사전 엔지니어링된 간단하고 경제적인 선택일 뿐 아니라, PLe 성능 수준에 대한 TUV 인증도 받았다”고 설명했다. 새로운 스마트 안전 솔루션은 윈스턴 월보드가 정교한 안전 제어를 수행할 수 있는 유연성을 제공했다. 모든 작업이 가능하며, MAB와 GuardLogix로 다양한 진단 정보가 수집된다. 안전 및 운영 데이터의 저력을 활용하면 안전 규제 준수와 성능이 획기적으로 향상되고, 커넥티드 엔터프라이즈에서 스마트 머신을 활용할 수 있는 것은 물론, 총소유비용(TCO)을 감소시키며 생산성을 향상시키고 다운타임을 최소화할 수 있다. 샌더스는 “MAB를 사용해 설치 및 시운전 시간이 획기적으로 줄었다. 기존 시스템을 제거하고 안전 업그레이 드를 설치 및 시운전하는데 약 14일간의 가동 중단을 계획했었는데, 통합 안전 솔루션이 아니었다면 정시에 완료 하기가 어려웠을 것이다. 게다가, 현장에서 시스템에 다른 공정들을 통합하는 작업도 디지털 통신을 통해 모두 쉽 게 실행할 수 있었다”고 말했다.

가동 시간 유지

샌더스는 “새로운 솔루션은 AS/NZ 표준 4024를 충족하며 쉽게 유지보수와 조정을 할 수 있도록 해주었고, 유지보수와 오류 발견의 측면에서 큰 혜택을 제공해주었다”며 “이번 프로젝트는 공장을 통합 장비로 이동시키기 위한 큰 그림의 일부”라고 말했다. 이 솔루션을 구현한 후 안전 시스템의 고장으로 인한 다운타임이 감소했다. 이전의 안전 시스템은 고장이 발생하면 진단에만도 몇 시간씩 걸리곤 했다. Guardlogix 기반의 새로운 스마트 안전 시스템을 통해, 이제 작업자와 유지보수팀은 안전 시스템의 상태 진단 정보를 즉각적으로 확보할 수 있다. 이로 인해 신속한 수리와 생산 재개가 가능해져 전체 장비 효율성(OEE)이 0.3% 증가했다. 이는 장비 가용성이 향상되어 연간 24시간의 생산 가능 시 간이 늘어났다는 말이다. 이외에도, 시스템은 윈스턴 월보드에게 규제 준수를 향상할 수 있는 도구를 제공하였고, 작업자에게 쉽게 사용 가능한 안전 운영 절차를 제공하여 생산성을 향상시켜 주었습니다. 안전 정보를 환경 보건 안전(EHS) 관리 시스템에 통합함으로써, 정책과 운영 절차들 간의 일상적인 불일치를 파악할 수 있게 되어 작업자 행동과 규제 준수에 대한 통찰이 향상되었습니다.


“GuardLogix와 같은 플랫폼을 통해 안전이 기초가 된 미래형 공장의 기반을  마련할 수 있었습니다. 이 프로젝트의 성공으로 윈스턴 월보드는  새로운 기술을 사용하고 발전소에서 추가적인 업그레이드에  투자할 수 있다는 자신감을 얻었습니다.”


기존 안전 장치들의 경우, 보다 많은 진단 데이터를 확보하려면 배선이 복잡한 솔루션들이 필요했다. 스마트 안전 솔루션은 더 많은 진단 데이터에 대한 액세스를 제공하고, 배선을 간소화할 수 있도록 해준다. 통합 스마트 안전 솔루션은 장비나 생산 라인의 상태에 대한 포괄적인 뷰를 생성하는데 필요한 모든 정보를 제공한다. 이외에도, 안전 시스템 성능과 중단에 대한 가시성이 향상되어 가동 중단의 근본적인 원인을 파악하는데도 도움을 줄 수 있다. 안전과 생산 데이터를 결합하면 안전과 관련된 가동 중단의 빈도, 지속 기간, 시간 및 위치를 이해할 수 있다. “이번 프로젝트는 전체 공장을 위한 통신 인프라스트럭처를 구축한다는 목표로 향한 첫 번째 단계”라고 NHP 의 안전 & HAE 기술 담당자인 아담 케인(Adam Kane)은 말한다. 그는 “GuardLogix와 같은 플랫폼은 통합 안전을 통해 공장의 미래를 위한 토대를 마련해준다. 이번 프로젝트의 성공으로 윈스턴 월보드는 최신 기술을 사용하는데 자신감을 얻어 공장을 한층 더 업그레이드하는데 투자할 계획”이라고 말했다.

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