에머슨, ‘자유로운 추가’ 무선 자동화 기술

Chevron사는 석유 탐사 및 생산 성장과 수익성 높은 정유 설비 부문에서 전 세계 우위를 점하고 있는 기업이다. 공정 자동화는 이러한 목표를 달성하기 위한 매우 중요한 부분이다. 사업 가치 증진을 위한 지속적 노력의 일환으로, 당사의 자동화 전문가들은 초창기 무선 센서/메쉬(Mesh) 네트워크 개발 및 시험과 IEC 62591(WirelessHART) 기술에 참여했다. 캘리포니아 주 San Joaquin Valley 지역 업스트림 설치에서 보여준 무선 현장 시험의 긍정적 결과를 기반으로, Chevron은 새로운 ‘자유로운 추가(Add-at-Will)’ 무선 기술이 자사의 업스트림 및 다운스트림 시설 전체 향상에 기여해 즉각적이고 지속적인 효율성을 산출할 수 있다고 판단하게 됐다.

광범위한 규모에 행해지는 배치의 타당성 조사를 위해, 당사 무선 연구 센터(Chevron Wireless Center of Excellence)에서는 심도 깊은 연구를 수행했다. 기술 검증과 공급 업체 선정 이후, 무선 인프라는 미국 정유 시설 한 곳의 80%를 포괄하도록 설치됐다. 이를 통해, 엔지니어링에 따른 경비와 일정 지연을 배제하고, 배선 및 케이블 트레이(Cable Tray), 도관, 시굴 등의 설치 없이 단순한 계기 설치 및 구동만으로도 향상시켜 무선 기술의 임의 추가 성능을 확증하게 됐다(그림 1 참조). 전체 시설 범위에 대한 루프(Loop)별 적용을 가능케 하는 확장성을 보여준 것이다.

또한 Chevron은 유연성, 신뢰성, 안전성, 업스트림 및 다운스트림 시설 전반의 환경 및 사업 성과의 향상을 위해, 무선 기술의 이점을 획득하는 방안에 대해서도 주지하게 됐다. 당사가 세계적으로 운영하는 사업체들 중 다수는 현재, 무선 계획 및 설치를 증진할 수 있도록 조사 결과를 검토하고 최적 수행 방안을 모색 중에 있다.

향후 사용을 대비해 추가 무선 기능성이 검토되고 있으며, 여기에는 모바일 근로자(Mobile-Worker : 모바일 IT 기기와 인터넷 서비스들을 자유자재로 활용하는 근로자)의 생산성 강화, 공정 애플리케이션 및 시설 보안을 위한 무선 영상 활성화, 안전성 발현 허용, 직원/제품/장비 위치 추적 등이 포함된다.

사업 과제

업스트림에 대한 기회는 분명히 제시되고 있다. 오프쇼어(Offshore) 플랫폼은 유정 생산 최적화를 위해 한층 개선된 정보의 수집 방법을 필요로 한다. 특히 유정 발견과 생산에 각각 10여 년이 소요되기 때문에 정보는 그 어느 때보다 더욱 중요하다.

생산 효율성은 대규모 투자를 회수할 수 있도록 수십 년에 걸쳐 지속돼야 한다. 이러한 필요조건의 충족을 위해, 자동화는 반드시 소형 및 경량이어야 하고, 오프쇼어 플랫폼 및 FPSO(Floating Production Storage and Offloading : 부유식 원유 생산 저장 설비) 시설의 조밀한 환경에서도 구현이 용이해야 한다.

온쇼어(Onshore) 지상 현장 역시 유정 생명 주기와 생산 극대화가 필요하다. 생산 수집 시스템 모니터링, 회수 분배 시스템, 공정 시설 강화를 비롯해, 지리적으로 분산된 유정 및 시설을 제어하는 운영 센터의 정보 증진을 위해 발전이 요구된다. 적용되는 기술은 전반적으로 인력 안전, 환경 보호, 신뢰성 및 안정성에 기여해야 한다.

수요에 필적하도록 산출량을 맞추면서도 정유 이윤을 향상하는 데 일조할 수 있는 자동화를 구현하기 위해서는 발전된 장비, 계기, 공정 모니터링을 갖춰야 한다. 이를 통해, 가동 시간 및 성과 증가는 물론, 신규 환경 규제 준수와 운영/유지보수 비용 절감을 성취할 수 있게 된다.

Chevron 소속 엔지니어링/운영 담당자들은 기존 시설의 모니터링, 신뢰성, 전체 사업 성과를 증진하는 계장 설치에 대한 경제적 사업 사례를 개발하는 데 어려움을 겪어 왔다. 계기 자체 비용은 상대적으로 낮은 반면, 기존 시설에서 유선 장비의 계획, 엔지니어링, 연결, 시운전에 소요되는 비용은 엄두를 못 낼 정도의 고가였기 때문이다. 더욱이, 자본 비용을 현저히 절감하는 시설 전역 기술을 적용할 경우에는 수백만 달러의 절약과 사업 향상 프로젝트의 진행을 타당케 한다고 추정됐다.

무선 기술의 유용성 검증

무선 기술은 다년간 Chevron 자동화의 일부로 자리잡아 왔다. 특히, SCADA 시스템은 광범위한 온쇼어/오프쇼어 현장 전반에서 사용되고 있다. 이와는 대조적으로, 보다 장소가 국한되고 인접한 산업 시설 및 오프쇼어 플랫폼, FPSO 시설에서의 무선 측정 계기의 사용은 그간 성공적이지 못한 결과를 양산했다. 1990년대 사용 가능했던 기술은 통신 안정성, 보안, 전지 수명 결함으로 인해 산업 환경에 적합하지 않았기 때문이다.

더욱이, 전무한 산업용 무선 표준 및 공정 적용에 필요한 기능성의 심각한 부재가 더해져, Chevron은 모니터링 및 측정에 대한 무선 현장 센서 네트워크의 사용을 연기하게 됐다. 하지만 당사 운영 전반에 무선 기술이 그 가치를 발현할 수 없었음에도 불구하고, 무선 기술에 대한 필요성은 업스트림과 다운스트림 양측 모두에서 끊임없이 제기돼 왔다. 다행히, 산업용 무선 기술에 적합한 반도체 및 전지 전력 기술이 무르익고, 1990년대 후반 주요 공정 자동화 공급 업체들은 산업 시설 환경에 대한 무선 기술 연구 개발을 검토하기 시작했다. 이와 동시에 관련 표준 개발도 착수됐으며, Chevron을 비롯한 최종 사용자들은 통신 안정성 및 보안 요구 사항을 충족하는 표준의 기초 작성과 베타 시험 접근법을 시행했다.

이와 같은 노력은 개방형 IEC 62591 기술 통신 표준상으로 구축된 광범위한 무선 측정 계기와 더불어 절정을 이뤄, 99.9%의 통신 안정성 제공 및 소수 루프에서 시설 전체까지 포괄하는 무선 기능성 적용이 가능해졌다.

Chevron 소속의 자동화 전문가들은 이 같은 여러 변화들이 무선 기술에 대한 또 다른 기회의 장을 마련했다는 결론에 도달했다. 통신 안정성 및 공정 기능성을 갖춘 무선 아키텍처는 세계 전역의 신규 및 기존 시설에 단계적 향상을 가능하게 했다. 엔지니어링 및 설치의 감소는 건설을 간소화하고 무선 프로젝트 자본 비용을 절감해, 이전에는 감당할 수 없었던 중요 현장 측정을 활성화시켰다. 부가적으로, 설치 비용 감소를 통해 경제적 문제로 배제됐던 기존 시설의 유선 기술 추가 영역에도 업그레이드가 시행될 수 있었다.

무선 기술 조사

무선 기술을 적용하기로 결정한 Chevron 자동화 전문가들은 캘리포니아주 Rich mond 소재의 Energy Technology Com pany 사무소에 기업 Wireless Center of Excellence를 설립하기에 이르렀다. 이 센터는 다양한 자동화 제조업체의 무선 기술 및 계장 시험을 목적으로 하는 무선 기술 시험소와 연구실을 포함하고 있다. Chevron의 업스트림, 다운스트림, 미드스트림 운영 업체 전문가들은 센터의 기업 기술자들과 상의해 자문을 구하고, 전 세계에서 시행되는 자체 무선 애플리케이션의 조사를 위해 연구실을 사용하고 있다.

이 연구실에서는 RF 환경하에서의 무선 통신 안정성도 시험한 바 있다. 기존 출처의 신호와 현존 신호가 공존하고 있는 실제 운영 시설과 비교해도 오히려 훨씬 어려운 시험 환경이었다. Chevron은 소프트웨어를 점검했고, RF 환경에서 여타 장비/계기와의 공존 시험을 수행했다. 연구실 시험에 이어, 미국 정유 시설 한 곳에서도 설치가 진행됐다. 이 시설에는 철재 구조물 및 이동 차량, 도로, 대략 2.5×2마일 규모의 경계를 가진 까다로운 지형 등의 전형적 장애 조건들이 존재했다.

신규 무선 기술 검증 및 가용한 무선 제공 사안의 철저한 시험/검토를 마친 Chevron은 당사의 현재와 미래에 필수적인 단위/시설 규모 성과와 수익성 향상을 염두에 두고 가장 적합한 표준 무선 계장 제공 업체를 선택했다. 선택에는 비용, 보안, 통신 안정성, 전력 관리, 시설 규모 기능성에 대한 제공 효용 범위, 전체 시설 자동화 아키텍처의 일부분인 유선 기술과 연계되도록 무선 기술을 성장/확장할 수 있는 자원 및 지식 등이 고려됐다.

Chevron의 고유한 사업 접근 방식인 The Chevron Way의 일환으로, 선택된 자동화 공급업체 기술자들은 당사와 공조했으며, Chevron의 비전 달성에 조력하는 기술과 최적 수행 방안을 공동 개발하도록 계획을 진행했다.

무선 기술 구현

선택된 공급업체의 신규 무선 기술 적용시 Chevron이 겪은 초기 경험 중 하나는 캘리포니아 San Ardo에 소재한 기존 유전에서의 석유/가스 회수를 위한 증기 주입 건이다.

무선 송수신기 네트워크는 과다 증기 주입 최소화와 폐수 배출 감소에 도움을 주는 신뢰도 높은 데이터를 제공한다. 이로써 주입 데이터는 유전 제어실로 직접 전송되기 때문에, 담당자가 주입정을 방문해 기존 차트 기록기에서 데이터를 수집하거나 운영 적합성을 위해 계기를 점검할 필요성이 사라졌다. 또한, 고압/온도 연결 설정을 관리자가 직접 실행할 필요도 없어졌다. 결과적으로 인력 안전성이 향상된 것이다.

유전의 2차 무선 네트워크는 무선 전지식 송수신기를 사용해 하향공 유정 압력을 측정한다. Chevron에서는 증기 주입 요구 사항, 석유 유동 패턴, 신규 유정 위치 결정을 포함해, 독점적 석유 형성 산정을 위해 수집된 데이터를 사용하고 있다. 기존 원격 계측 장치와 비교시 새로운 무선 네트워크는 설치 비용은 절약하고 유지보수는 감소시켰다.

위에서 거론된 캘리포니아 설치 작업은 기존 업스트림 현장에 통합되고 이전 장거리 통신에도 통용되는 무선 애플리케이션의 장점을 묘사하는 단적인 예시라 하겠다.

Chevron의 또 다른 정유 시설에서는 무선 기술에 대한 심화 탐구가 진행됐다. 엔지니어링, 운영, 유지관리, IT 인력으로 구성된 종합 프로젝트 팀은 자유로운 추가 성능에 대한 Chevron의 지속적인 추구를 주도했다. 이 혁신적인 프로젝트를 통해, 이 정유 시설은 통합 게이트웨이 네트워크, 접근점, 소프트웨어로 구성된 무선 통신 인프라로 무장함으로써 운영 향상을 위한 부가적 모니터링 지점의 신속하고 용이한 추가가 가능할 것으로 예견되고 있다.

이 시설 네트워크를 위해, Chevron은 상대적으로 소형 무선 현장 네트워크를 통합하는 IEEE 802.11 Wi-Fi 접근점을 사용해 시설 전반의 중요 위치에 무선 통신을 설치했다(그림 2 참조). 또, 공정 측정 및 제어 계기가 현장 네트워크에 추가됨은 물론, 통신에는 IEC 62591(Wire lessHART) 기술이 이용될 수 있다.

이 시설의 네트워크 개발은 현장 평가로 시작됐다. 그 첫 단계로, 자동화 공급업체는 Wi-Fi 접근점 최적 설치를 위해 위성 매핑을 사용했다. 이후, Chevraon과 자동화 공급업체는 접근점 및 통신 장비 도구를 이용해 시설 규모 Wi-Fi 인프라에 대한 현장 평가를 완수하도록 수많은 탱크/설비 단위 주변으로 위치를 시험하고 측정했다. 이 과정을 통해 Wi-Fi 장비의 최적 위치 결정이 도출될 수 있었다.

도출된 정보를 활용해, Chevron과 공급업체는 설치 장비의 계획, 엔지니어링, 세부 구성을 진행했고, 시설 전반의 전체 장치가 Wi-Fi 네트워크로 통신하는 것을 보장하는 공장 출하 시험도 이어졌다.

최종 단계로는 안정적 시설 전역 통신을 위한 현장 수용 시험이 수행됐다. 마지막 단계까지 완료된 후, 시설 설치 작업에는 정유 시설 전역에 분산된 12개 현장 장치 네트워크에 무선 통신을 제공하는 16개의 Wi-Fi 접근점을 포함하게 됐다.

현장 장치는 IEC 62591 기술을 사용하는 자체 네트워크 내에서 통신이 이뤄진다. 상대적으로 까다롭고 원거리인 부분에 지원이 필요할 경우, 네트워크 범위 확장을 위해 장치가 추가될 수 있다. 전체 현장 네트워크 데이터는 Wi-Fi 네트워크 접근점에서 중앙 공정 제어 시설 및 IT 컴퓨터로 연결 혹은 백홀된다.

결과적으로 광범위한 현장 계기가 펌프/모터 진동 모니터링, 유틸리티(Utility) 모니터링, 기둥 온도 자료 수집, 유수량, 탱크 과류 방지 및 부식 등에 적용하도록 가동될 것이다. 추후 현장 평가가 필요하지 않기 때문에 추가 무선 현장 장치를 최적 장소에 배치하는 것은 비교적 용이할 것이며, 장치 설치에서 측정 제공까지의 시간 주기 역시 짧을 것으로 예상된다. 그래픽 소프트웨어 패키지는 유지보수 및 네트워크 관리 인력에게 명확한 네트워크 시야를 제시하는 것은 물론, 운영자에게는 네트워크를 통과하는 데이터의 안정성을 확인할 수 있도록 지속적인 화면을 온라인으로 제공하게 된다.

시설 네트워크의 소유권은 이 시설의 IT 부서가 담당한다. 무선 기술에 대한 IT 최적 수행 방안이 수립되고, 내부 보안 표준이 확정됐다. IT와 공정 네트워크 사이에 유일한 연결 구성으로 보안의 손쉬운 확립과 관리가 가능해졌고, 방화벽이 장착된 안전 구역 연결은 네트워크 간 보안 통신을 허용하게 됐다.

방화벽 안전 구역을 통해, 현장 데이터는 네트워크에서 이력 저장소(Historian)와 자산 최적화 소프트웨어로 상향 전송돼, 마치 기기 상태 관리와 같은 기능 전달 과정을 거친다. 자산 최적화 소프트웨어는 해당 인력이 유지관리 콘솔 화면에 표시되는 현재 및 과거 정보를 사용해 반응기 같은 장비를 관찰하고 관리할 수 있도록 한다. 상태 모니터링 및 예측 유지관리 정보는 네트워크를 통해 운영자 용도의 공정 자동화 시스템으로 하향 전송되며, 데이터는 공정 운영을 위해 운영자 화면으로도 표시된다.

현장 네트워크 애플리케이션의 평가와 우선순위 결정을 위해서, 무선 거버넌스(Governance) 팀이 구성됐는데, 이 팀에는 기업의 무선 기술 책임자와 엔지니어링/유지관리/운영 책임자가 포함됐다. 이 팀은 이미 구현된 무선 측정 적용 결과를 추적하고, 새로운 애플리케이션을 위한 제안을 검토하는 책무를 맡고 있다.

결과 및 교훈

현재 무선 기술 인프라는 설치가 완료됐고, 운영/안정성/엔지니어링 부문의 현장 측정 추가에 대한 프로젝트 요청이 빈번히 발생하고 있다.

Wireless Governance Commit tee는 정기 회의를 통해 무선 기술 적용 가능성을 점검해 제안 내용을 평가한다. 과거 어려운 난이도와 높은 비용으로 수년간 지연됐던 작업이, 이제는 무선 기술을 적용함으로써 손쉽게 구현 가능해졌다는 점은 인프라 프로젝트 전반으로 예상됐던 바였다. 무선 기술과 관련해 전기 공사 및 엔지니어링에서 절감될 것으로 추정된 기존 수치는 수백만 달러며, 이에 대한 검증은 현재 진행 중이다.

기존 인프라 프로젝트가 백홀 운영 검증을 허용하는 현장 측정 장치까지만 포함했음에도 불구하고, 무선 장치 숫자는 이미 증가 중에 있으며 계속적으로 확장되고 있다.

향후 전망

Chevron사는 정유 시설에 이어 다른 다양한 사업체에서도 무선 기술을 적용하기 위한 계획을 진행하고 있다. 이미 경제적으로 무선 측정 기술을 추가하는 것에 대해서는 입증을 마친 상태며, 세계 전역의 업스트림 및 다운스트림 사업체들은 추가적인 프로젝트를 조사하고 있다.

본 기사는 에머슨프로세스매니지먼트(TEL. 02-2017-2033)에서 제공한 것입니다

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