[FA저널 SMART FACTORY 홍보영 기자] 니켈과 구리는 자동차부터 의료기기, 가정용 배터리까지 다양한 곳에서 사용되고 있다. 미국 내 유일한 1차 니켈 채광 작업소인 이글 광산(Eagle Mine)은 미시건주 서부 마켓 카운티에 위치하고 있으며, 니켈 제품 시장에서 주요한 역할을 하고 있다.

이글 광산은 고급의 지하형 그린 필드 니켈 및 구리 광산으로 미시건의 Part 632, 비철 미네랄 광업법 하에 허용된 첫 광산이다. 2014~2022년까지의 추정 광산 기간인 8년 동안 이글 광산에서 3.65억 파운드의 니켈과 2.95억 파운드의 구리, 그리고 소량의 기타 미네랄이 생산될 것으로 예상된다.

서부 마켓 카운티의 Yellow Dog Pla
nts의 광산은 150에이커 표면 사이트에서부터 1마일로 이어지는 하강 터널을 통해 광체에 연결된다.

장공 채굴 방법을 통해 수평 공간에서 광석을 제거하며 나머지 공간에서 채굴하기 전에 이를 다시 메운다. 그 후 광석은 1950~1980년대에 철 가공용으로 사용됐던 브라운필드 사이트인 대략 60마일 떨어진 미시건주 챔피언에 위치한 훔볼트(Humboldt) 밀로 이동된다. 문을 닫은 후 이 밀은 몇 년간 방치됐다가 2.75억 달러의 매립 및 개축 공사를 마친 후 2014년도에 재개됐다.

니켈 및 구리를 1,000피트 깊이의 지반에서 채굴한 뒤, 이를 사용할 수 있는 제품으로 만드는 데는 몇 가지 단계가 요구된다. 첫 번째인 광석 가공 단계에서는 세 개의 파쇄 단계와 연삭 단계를 사용, 구리 및 니켈을 분리하기 위해 부유 선별 과정을 거쳐 잘게 분쇄한다. 이 과정을 거쳐 대형 암석의 크기가 모래 수준의 균일한 입자로 줄어든다. 그 뒤 제련소로 이송할 수 있도록 두 개의 금속 슬러리가 필터 돼 수분을 감소시킨다. 채굴 및 제분 공정을 통해 하루 2,000톤의 고품위 니켈 및 구리 정광을 생산할 수 있으며, 이는 전 세계 생산량의 1.5%에 해당한다.

	▲ 훔볼트에 설치된 에머슨 프로세스 매니 지먼트의 1420 Smart Wireless 게이트웨이 4대는 최대 80개의 무선 트랜스미터에서 데이터를 수신

분쇄기, 베어링 등 중장비에 무선 솔루션 적용
훔볼트 공장의 중장비는 주요 설비에 큰 피해를 가할 수 있으며 효율적이고 안전하게 유지보수를 해야 하는 관리자에게 큰 부담을 줄 수 있다. 모든 채광 작업이나 기타 공정 플랜트처럼 경쟁력을 유지하기 위해서는 지속적인 개선이 필요하며, 보통은 기존의 장비에 계기를 추가하는 작업이 필요하다. 공장이 설계되고 자동화 시스템이 설치된 후에는 추가적인 측정 장치, 특히 주요 장비의 진동 및 온도 모니터를 설치하기 위한 빠른 방법이 필요하다.

그러나 그동안 유선 계기에 새로운 포인트를 추가하는 데는 많은 비용이 필요하고, 계획 및 실행에도 많은 시간이 요구됐으며, 시운전 및 증가 일정을 방해할 수도 있었다. 무선 방식이 처음부터 고려된 것은 아니지만 프로젝트 완공 시기가 다가올수록 무선 방식으로 추가하는 것이 효율적이다. 공정 측정을 추가하는 데 비용이 절감되고 안정성은 향상되면서 계획되지 않은 가동 중단을 예방할 수 있다.

작업 과정에서 장비 진동의 변화를 즉각적으로 탐지할 수 있어야 한다. 예를 들어, 공장 베어링에 갑자기 문제가 생기면 수리 작업과 그동안의 생산 손실로 수백만 달러의 비용이 소요될 수 있다. 전문 기술자가 현장에 매일 근무하지만 하루 24시간 1주일 내내 상주할 수는 없다. 만약 기술자가 없는 밤이나 주말에 고장이 난다면, 베어링과 관련 고장, 그리고 가동중지가 장비에 영향을 미쳤는지를 확인해야 한다.

따라서 많은 잠재적 문제들을 고려해 무선 진동 트랜스미터를 설치, DCS로 경고 상태를 확인할 수 있도록 해 운전자가 장비의 중지를 알 수 있도록 했다. 네트워크 커버리지에 충족한지 테스트 한 뒤, 공장 전체에 걸쳐 에머슨의 1420 Smart Wireless 게이트웨이 4개를 설치했다(사진 1). WirelessHART 진동 트랜스미터를 무선 그물형 네트워크에 연결하기 위해서 모든 트랜스미터가 표준 또는 원거리 안테나로 설치됐다.

무선 트랜스미터는 원뿔형 분쇄기 및 볼 분쇄기 베어링 하우징에 장착된 진동 센서로부터 떨어진 관리가 편한 곳에 설치했고, 세 개의 중요 분쇄기와 두 개의 볼 분쇄기에 무선 진동 모니터를 설치했다. 무선 트랜스미터와 진동 센서를 복합적으로 사용함으로써 측정을 확인하기 위해 중장비에 직접 접근하지 않고도 멀리 떨어진 무선 트랜스미터로 진동 측정을 빠르게 확인할 수 있다.

신뢰성 기술자는 또한 에머슨 AMS 자산 관리 소프트웨어를 사용해 문제를 확인하고 능동적으로 관리하며, 계획하지 않은 공정 중단을 예방할 수 있다. 무선 측정 방식 확장 진동 모니터링 외에도 압력, 레벨, 온도 및 pH를 측정하기 위해 공장 주변에 WirelessHART 무선 트랜스미터를 설치했다. 다수의 별도 무선 트랜스미터도 설치해 멀리 떨어진 위치에서부터 모터 피드백을 받을 수 있도록 했다.

펌프 하우스, 내화 라이저 실, 야외 배수조를 포함하는 원격 위치에도 무선 온도 트랜스미터를 설치했다. 이 위치에는 하루 24시간, 1주일 내내 직원이 상주하지 않기 때문에 동결이나 과도한 열을 탐지하기 위해 주변 온도를 모니터할 필요가 있었다.

또한 물탱크 히터 시동 장치로부터 고정 배선 입력을 수신하는 원격 위치(사진 2)에도 또 다른 디지털 무선 트랜스미터를 설치했다. 시동 장치가 들어오면 보조적인 접촉에 따라 닫히고 트랜스미터로 신호를 전송하며, 이 신호는 무선 네트워크를 통해 DCS로 재전송된다. 이 정보를 사용해 겨울에 히터를 부주의로 끄지 않도록 주의하고 있다.

원거리에서 관리할 수 있게 된 수처리 관리
공장 건물의 무선 네트워크에서 약 1마일 떨어진 곳에 수처리 플랜트와 매립 물탱크를 보유하고 있다. 유선 방식의 트랜스미터로 공정 정보를 얻기 위해서는 배선을 위한 거리로 큰 문제를 감당해야 했으나, 무선 온도 트랜스미터를 쓰면 배선에 대해 고민할 필요가 없다.

수처리 플랜트는 테일링 저수지로부터 유출량을 처리하며, 가동 후 더 많은 트랜스미터를 설치해달라는 다수의 요청을 받았다. 그러나 건물 내 장비의 배치와 천장 근처에서 가동되는 케이블 트레이 때문에 유선 트랜스미터를 추가할 수 있는 빠르고 쉬운 방법은 없었다.

문제 해결을 위해 베슬 유출 표시를 위한 레벨 스위치를 설치하고 이 스위치와 연결해 무선 트랜스미터를 설치했다. DCS로 배선을 연결할 경우 며칠이 걸릴 것이 몇 시간 내로 가능하다. 공정의 물과 건물 온도를 모니터링하고, 무선 온도 트랜스미터를 추가 설치해 더 많은 시간과 비용을 절약할 수 있었다.

모든 데이터 분석하기
운전자들은 무선 트랜스미터에서 전송되는 데이터의 주사용자로 공정을 모니터하고 개선하기 위해 이를 끊임없이 활용한다. 수신 받는 측정값이 더 많을수록 공정에 대한 정보가 많아지고, 가동 중단을 예방하고 안전성을 높여 플랜트를 더욱 효율적으로 운영할 수 있다.

무선 트랜스미터는 DCS를 통해 AMS 소프트웨어와 연결된다. AMS 자산 관리 소프트웨어는 모든 무선 트랜스미터로부터 데이터를 모니터하고, 알람 관리 정보와 설정을 제공한다(그림 1). AMS 소프트웨어는 진동을 판독해 주기적이고 자세한 분석을 제공, 검교정 지원(Calibration Assistant) 기능으로 계기의 검교정 방법을 계획하고 관리한다.

자산 관리 시스템을 Fisher FieldVue 디지털 밸브 제어기에서 제어 밸브 진단을 관리하는 ValveLink 소프트웨어로 확장해 밸브의 품질 저하를 조기에 확인하고 예정된 중단 기간 동안에 수리를 진행하도록 계획할 수 있다.

무선 이력 데이터는 Eagle Mine의 두 위치에 보관된다. 데이터가 이력 장치로 이송된 후 이는 비즈니스 레벨 네트워크용 PI Historian 소프트웨어로 전송된다. 이력 데이터는 고장 원인 분석에 도움을 줄뿐만 아니라 안전성과 운전자의 책임을 강화한다. 이벤트 발생시, 과거 이력을 통해 운전자가 알람을 인지했는지, 그리고 어떻게 반응했는지 확인할 수 있다. 이러한 방식으로 관리하면 문제가 생겼을 때, 모두가 집중해 조치를 취하게 된다.

무선을 선택해야 하는 이유
모든 제조 시설과 마찬가지로 측정 포인트를 새로 추가할 때 유선 계기나 무선 계기 중 선택을 해야 한다. 소수의 계기로 시작해 결과가 긍정적일 경우 추가한다.
현지 에머슨 대리점인 Novaspect는 데모 무선 게이트웨이와 계기를 제공해 현장에서 무선 신호의 강도를 확인하고 무선 네트워크를 설계할 수 있도록 협조했다. 즉 구매 전에 실제로 현장 테스트를 할 수 있었다.

무선 게이트웨이의 설정은 간단했으며 Novaspect의 협조로 DCS와의 통신도 가능했다. 무선 데이터를 DCS에 연결해 DCS 이력 장치로 데이터의 추세를 반영하고 트렌드 관리를 위해 PI 시스템으로 전송할 수 있었다. 또한 DCS에서 오는 유선 HART I/O 데이터를 AMS 시스템으로 전환하기 위한 데이터 변환을 제공하는 소프트웨어를 설치했다.

플랜트에 무선이 옳은 선택일까
이글 광산은 시운전 일정에 영향을 미치지 않고 생산 요구사항에 빠르게 대처하기 위해 무선에 투자했다. 이 결정으로 공장 전체에 걸친 광범위한 배선 작업을 배제해 설치 시간을 줄이는 것이 가능했다.

이글 광산의 경우 무선이 당연한 선택이었지만, 각 설비마다 상황은 다르다. 일부 플랜트에서 공장 운전자들은 프로세스를 모니터하기 위해 더 많은 트랜스미터를 요구한다. 유선 트랜스미터를 추가하기 위해서는 인력뿐만 아니라 더 많은 도관과 배선이 필요하다. 유선 트랜스미터는 또한 기존 I/O 시스템 내 이미 꽉 찬 수용 능력을 필요로 할 수도 있다.

만약 오퍼레이터가 트랜스미터의 추가 설치를 당장 원하는 등 추가 요청이 긴급한 상황이라면, 유선 장치를 설치하는 것이 인력, 비용 및 수용 능력 기준에서 볼 때 실현 가능하지 않을 수 있다. 이런 경우 설치가 빠른 무선 트랜스미터가 훨씬 더 나은 솔루션이다.
또한 배터리로 작동되는 무선 트랜스미터는 1초에서 수 시간마다 데이터를 표본으로 수집하고 전송할 수 있도록 설정할 수 있다. 제어나 모니터링을 위한 빠른 업데이트가 필요하다면 배터리 수명을 고려해야 한다. 대부분의 무선 트랜스미터는 배선을 통해 전원을 공급받을 수 있는 옵션을 갖추고 있으며, 일부는 에너지 재사용을 위해 에너지 하베스팅(Energy Harvesting)에 사용한다.

플랜트에 이미 무선 그물형 네트워크가 존재하고 숙련된 기술자가 있다면 무선 트랜스미터의 설치는 더욱 간편해진다. 트랜스미터를 설치하고, 네트워크 ID/조인키를 설정하면 트랜스미터가 게이트웨이 네트워크로 자동으로 연결된다. 새로운 무선 네트워크를 설치하지만 무선과 관련된 경험이 없다면, 현지 무선 솔루션 담당자와 연락하는 것을 추천한다. 잠재적인 네트워크 차이를 확인하기 위해서 게이트웨이의 위치를 결정하기 위한 부지 조사가 필요할 수도 있다.

훔볼트 공장은 현장 트랜스미터에서 지역 게이트웨이까지의 먼 거리에 다양한 애플리케이션을 적용했다. 이 거리를 횡단하기 위해서 단거리 및 장거리 안테나의 조합을 사용해 연결했다. 기존의 트랜스미터에 무선 어댑터를 추가해 네트워크 차이를 메우는 것으로 리피터를 작용해 그물형 네트워크를 강화했다. 사용자들은 또한 AMS 시스템을 통해 고정 배선 장치를 무선으로 설정할 수 있다.

실제 결과
앞서 살펴본 실제 사례에서는 무선 트랜스미터를 사용해 유선 트랜스미터 대비 약 8만3,000달러의 설치비용 절감을 예상했다. 또한 무선으로 더욱 빠른 설치가 가능했고 시운전 일정을 유지할 수 있었으며 확장된 장비 모니터링의 혜택도 얻을 수 있었다.
무선 설치로 절감된 유지보수 비용은 실제로 측정 가능하다. 원격으로 온도를 모니터링해 펌프의 동결이나 건물의 과열을 예방함으로써 사고 당 3,000달러에서 1만달러의 비용을 절약할 수 있다. 진동 트랜스미터도 장기적인 가동 중단과 수백만 달러의 수리비용을 유발할 수 있는 분쇄기 및 보올 분쇄기의 예상치 못한 고장을 예방할 수 있다.

무선은 전통적인 솔루션에서는 불가능했던 많은 유연성을 제공한다. 4개의 게이트웨이는 20개의 무선 트랜스미터로 시작했으나 다수의 무선 어댑터와 함께 지금은 60개로 늘어났다. 이미 무선 인프라를 갖추고 있기 때문에 새로운 장치를 설치 및 설정하고 몇 시간 이내로 데이터를 스트리밍할 수 있다. 이러한 수준의 적용성과 편리한 사용성은 시간을 다투는 상황에서 특히 중요하다.

에머슨 제공


FA저널 SMART FACTORY 홍 보 영 기자 (fa@infothe.com)

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