EPC관점에서 Wireless HART 기술을 활용한 무선 네트워크 구성

EPC(Engineering, Procurement and Construction) 관점에서
Wireless HART 기술을 활용한 무선 네트워크 구성

에머슨 프로세스 매니지먼트

 

현장의 기기들이 플랜트(Plant) 공정에 도입된 이래, 현장 기기의 센싱(Sensing), 모니터링(Monitoring), 통신기술은 획기적으로 발전해 오고 있다. 특히 현장기기의 통신 기술은 DCS(Distribute Control System)라는 분산 제어 시스템이 도입되면서부터 본격적으로 HART, Foundation Fieldbus, ProfiBus 등의 유선 통신 기술로 발전하여, 군용, 민간용 무선 통신 기술이 적용되던 것이 이제는 Wireless HART 통신이 적용된 전송기(이하, 무선 기기)가 플랜트 공정 현장에 차츰 설치되고 있는 실정이다. 산업용 무선 통신 기술은 크게 그림 1과 같이, 무선 플랜트 네트워크와 현장 계기 네트워크로 나눌 수 있다.
무선 플랜트 네트워크는 보안과 암호화가 적용된 산업용 WIFI 망(IEEE 802.11a/b/g/n)을 활용하여 PLC(Programmable Logic Controller)나 DCS 시스템간의 무선으로 결합 할 수 있는 개념이며, 무선 CCTV나 스마트폰(Smart Phone), 노트북 컴퓨터(Notebook PC)를 통해서 모바일 워크(Mobile Work)가 구현 가능하다. 그리고 현장 계기 네트워크는 앞에서 설명한 Wireless HART 통신 기술을 활용하여 현장 무선 전송기간의 통신을 통해 무선 게이트웨이(Gateway)라는 기기로 신호를 수집하여 Web 기반의 노트북, PC로 모니터링 가능하며, Modbus나 OPC를 통하여 PLC, DCS로 모니터링할 수 있는 네트워크를 말한다.
Wireless HART란, 기존의 유선 HART(Highway Addressable Remote Transducer) 프로토콜을 토대로 한 무선 센서 네트워크 기술이다. Wireless HART는 공정 현장 기기 네트워크의 필요에 의해 정의된다. 이 프로토콜은 시간 동기, Self-Organizing과 Self-Healing 메쉬 구조를 가진다. 이 프로토콜은 IEEE 802.15.4 표준 라디오(Radio)를 사용한 2.4 GHz ISM 주파수 대역에서 송수신을 한다.
Wireless HART 기술을 활용하면, 기존의 유선 기기가 정상적으로 동작하는지 추가적으로 확인하기 위한 무선 구축, 유선으로 설치하기 어려운 모니터링 지역, 공장 재건축(Plant Revamping)을 하면서 모니터링 지점이 누락되는 등의 상황에 설치하기에 그 용도가 적합하다고 할 수 있다.
특히 현장에서 설치된 기기들이 그림 2와 같이, 낙뢰 및 폭발로 인한 화재로 인해 케이블이 단선(short)되어 복구의 어려움을 겪고 있는 운전원(Operator)들은 무선에 대해서 더욱 더 관심을 가지고 있으며, 무선기기의 설치의 필요성을 느끼고 있다.

이런 현상은 고객사(Client)에서 ITB(Invite To Bid)를 발행할 때부터, 특수 시방 조건(Special Condition)으로 공급사(Vendor)를 선택할 때, 무선 통신이 적용된 전송기를 사용해야 한다는 것을 사전에 제시하기도 한다.
따라서 EPC(Engineering, Procurement and Construction) 업체들(Contractor)은 이를 반영하기 위해서 노력하고 있는 실정이다.
이번 주제는 그런 관심을 반영하여, EPC의 관점에서 현장 무선 네트워크를 구성하는 방안에 대해서 서술하려고 한다.
EPC 수행 과정을 보면 ITB를 받아 입찰 제안(Bid Proposal)을 수행하고, 입찰에 낙찰이 되면, 본격적으로 실행(EPC)을 하는 구조로 설명될 수 있다. 당연히 ITB를 받아서, 입찰에 투찰할 것인가에 대해서 경제적으로나, 재정적으로나 또는 엔지니어링 관점에서 적합성 분석(Feasibility Study)를 하여 결정하는 과정이 선행될 것이다. 적합성 분석(Feasibility Study)에서 Project에 대한 입찰이 결정되면, 현장 기기 네트워크 구성은 Pre-FEED(Front End Engineering Design)나 FEED에서 가장 중요한 요인인 통신 방식을 결정하게 된다. 유선의 HART나 Foundation Fieldbus, Profibus를 선택할 지 무선의 Wireless HART를 선택할 지 Loop Control을 할 것인지 Monitoring을 할 것인지에 따라서 설계 개념(Design Concept)이 적용될 수 있다. 무선의 WirelessHART 기술은 모니터링을 위해서 선택될 수 있을 것이다. 즉 그림 3과 같이, 적합한 활용에 맞게 적절한 통신 방식을 선택해야 할 것이다.

설치 비용, 인건비, 설치에 소요되는 시간을 기존의 유선 네트워크와의 비교에서부터 시작하여, EPC를 진행할 수 있다. 또한 무선의 범위, 업데이트율(Update Rate), 기기의 사양을 결정하고 무선 기기의 배치 계획을 세울 수 있다. 이는 AMS(Asset Management System) SNAP ON이라는 프로그램을 통해서 그림 4와 같이 플롯 플랜에 기기를 배치해 봄으로써 Instrument DWG을 설계할 수 있게 도움을 줄 것이다.

세부적인 Engineering에서 ISA 기준에 의해 적용 가능한 P&ID(Pipe and Instrument Design) 설계와 Instrument Datasheet, Hook Up Drawing 등을 생성하게 될 것이다. 여기서 무선 Gateway라는 무선 데이터를 취득하는 기기와 DCS나 PLC와의 통신케이블, 전원케이블을 위한 도면은 제외하고 케이블 포설이나 케이블 트레이, 도관에 대한 도면, 정션 박스(Junction Box)에서 마샬링 패널(Marshalling Pannel)까지의 케이블 도면은 필요가 없기 때문에 엔지니어링 측면에서도 도면을 그리는 시간과 인력투입을 절약할 수 있다.

또한 Integraph사의 SPI(Smart Plant Instrumentation) 솔루션도 그림 6과 같이 기존의 유선 전송기와 유사한 형태로 무선 전송기의 심볼 및 데이터 시트, 그림 5와 같이, 무선 P&ID를 제공받아 설계에 사용할 수 있다.

본격적인 Construction과 Commissioning에서는 일반 유선 기기와 비교해서 무선 현장 기기는 획기적으로 시간을 단축할 수 있다. 단지 배관이나 벽체에 앵커 볼트(Anchor Bolts)를 마운팅(Mounting)하는 시간이 설치하는 시간 중에 가장 많은 시간을 할애하게 된다. AMS SNAP ON 프로그램의 설치 계획에 따라 무선기기를 설치하면, 신호의 수신강도(RSSI, Received Signal Strength Indicator) -75dBm이상이 되고 신뢰성(Reliability)이 99%, Path Stability가 60%이상이 측정되면, 성공적으로 설치가 되었다는 것을 확인할 수 있다. 만약 수신 강도나 신뢰성(Reliability), 경로 안전성(Path Stability)가 만족하지 않는다면, 리피터(Repeater)를 설치하거나 기기를 조금씩 이동시키면서 무선 네트워크를 성공적으로 설정할 수 있다. 또한 루프 체크(Loop Check) 라던지 라인 체크(Line Check)는 기기가 무선이기 때문에 앞에서 서술한 설치에 대한 신호 확인, 신뢰성(Reliability), 경로 안전성(Path Stability)로 무선 전송기가 접속이 되었는지를 확인할 수 있다.
이렇게 EPC 관점에서 무선 현장 기기 네트워크를 구성하더라도, 모니터링과 진단을 위해서 충분히 적용이 가능하다는 것을 알 수 있다.

정리를 해보면, 그림 7과 같이 EPC 수행에 있어 Project Management 관점에서 비용(cost)을 좌우하는 요인은 일정(Schedule), 인력투입(Manpower), 업무 변경(Change order), 업무분장(Work Split)이 있다. 따라서 무선기기를 채택하면, 그림 8과 같이 기기의 설치 비용은 30~40% 절감할 수 있으며, 기기를 배치하고 설계, 설치하는 스케줄을 유연하게 할 수 있고 그림 9와 같이 시간도 기존의 유선 기기에 비해 90% 가량 줄일 수 있어서 비용을 절감할 수 있다. 또한 설치, 배치, 설계 시간이 줄어듦에 따라 인력투입이 줄어들어 인건비가 절감되는 효과가 있다.

그리고 타 공종(Disciplines)과의 스케줄이나 장비투입의 계획이 어긋나거나, 배관, 기계 등의 자재들과의 혼선으로 인한 Change Order 에 대해서 유연하게 대처할 수 있다. 또한 업무 분장이 명확하지 않은 부분들, 즉 Machine Health Monitoring(MHM), 소방(Fire Fighting, FF)이나 공조시스템(Heat, Ventilation and Air Conditioner, HVAC)에 대해서도 무선 기술을 적용하면, 업무 분장이 확실히 되고, 혼선을 미연에 방지 할 수 있다.
이처럼, 무선 기기를 현장 네트워크에 구성함으로써, EPC와 O&M(Operation and Maintenance)에서 시간과 비용을 절감할 수 있게 된다. 

'Wireless HART 기술을 활용하면,
기존의 유선 기기가 정상적으로 동작하는지 추가적으로 확인하기 위한 무선 구축, 유선으로 설치하기 어려운 모니터링 지역, 공장 재건축(Plant Revamping)을 하면서 모니터링 지점이 누락되는 등의 상황에 설치하기에 그 용도가 적합하다고 할 수 있다.'

'타 공종(Disciplines)과의 스케줄이나 장비투입의 계획이 어긋나거나, 배관, 기계 등의 자재들과의 혼선으로 인한 Change Order 에 대해서 유연하게 대처할 수 있다. 또한 업무 분장이 명확하지 않은 부분들, 즉 Machine Health Monitoring(MHM), 소방(Fire Fighting, FF)이나 공조시스템(Heat, Ventilation and Air Conditioner, HVAC)에 대해서도 무선 기술을 적용하면, 업무 분장이 확실히 되고, 혼선을 미연에 방지 할 수 있다.

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - EPC관점에서 Wireless HART 기술을 활용한 무선 네트워크 구성