가스공급을 최적화하는 데이터 전송

산업용 가스를 공급하는 경우, 충전된 가스의 양을 모니터링하고 측정값을 전송하기 위해 원격 측정 모듈로 전체 물류를 관리할 수 있다. 앞으로는 이러한 통합 모듈로 사업 모델이 바뀌고 있다.

마뉴엘 슈베츠카(Manuel Schwestka): Wika Alexander Wiegand SE & Co. KG 프로세스 장치 제품 매니저

감수: 비카코리아(주) 마케팅팀 장아람 주임

메카트로닉스 측정 장비의 수요가 지속적으로 증가하고 있다. 프로세스의 모든 측정 결과를 확인하기 위해 제어실에서 출력신호를 이용하고, 동시에 백업 시스템으로 대부분 외부 전원이 없는 현장에 디스플레이가 제공된다. 파워 서플라이에 이상이 있을 경우에도 프로세스 또는 측정 포인트를 모니터링할 수 있고, 필요할 경우 수동으로 제어할 수 있다. 압력 또는 온도 측정 장치의 전자 신호는 일반적으로 케이블을 통해 수신기로 전송된다. 이러한 신호는 원격 측정법을 통해서 안전하게 전송될 수 있어, 데이터 원격 전송은 공정 효율성이 지속적으로 강조되면서 점차 그 중요성이 커지고 있다.

원격 계측으로 가동 중지시간 방지하기

제조사는 일반적으로 기계를 원활하게 가동하고 가동 중지시간을 줄이기 위해 노력한다. 이를 위해 가치 창출 프로세스에서 관련 센서장치와 액추에이터를 지속적으로 추적하고 모니터링하는 것이 효과적인 운영 도구가 될 수 있다. 분산된 공정 과정이나 영역으로부터 이러한 정보를 취합해야 한다면, 원격 측정이라고 하는 무선 원격조회가 이상적인 솔루션이다. 액화가스 탱크의 충진레벨 측정에서 측정 기술과 원격계측 상호 협력의 수많은 장점이 있다. 대부분의 기술 영역과 의료 분야에서 사용하는 아르곤, 질소, 산소, 이산화탄소 등의 산업용 가스는 물리적 특성 때문에 극저온으로 액화된 저온 유체(cryogen)로 특수 탱크에 보관한다. 저온 유체는 그리스어 Kryos에서 유래한 것으로 서리, 얼음을 의미한다. 과거에는 최종 사용자가 자신의 탱크에 일정량을 체크하고 필요한 경우 직접 주문을 하였다. 비생산적인 이유로 이런 프로세스는 점차 아웃소싱되고 있다. 더불어 최신 계측기술은 사업 모델 전체를 바꾸고 있다. 이제 가스 회사 또는 공급업체는 공급과 물류 전체를 담당하고 있다. 여기에는 재고 관리, 재주문, 납품 외에 탱크 리스와 유지 보수도 포함된다. 소비자는 이제 공급자와 임대 계약만 체결하면 된다.

탱크 주입을 중앙에서 제어하다

공급자는 소비자에게 병목현상이 나타나지 않도록, 국가 전역에 분산되어 있는 개별 탱크의 상태를 모니터링하기 위해서 신뢰할만한 장비가 필요하다. 이런 모델은 현장에서 직원을 통해 관리하는 드라이브 바이 솔루션(drive-by-solution)으로 실현 가능하게 되었다. 물류 계획을 비용면에서 효율적이고 적합한 계산을 하려면 필요에 따른 충전이 이루어지도록 중앙에서 제어하고, 매개변수인 충전 상태와 작동 압력을 단일 데이터 시스템에 모아야 한다. 이 두 변수는 극저온의 주변 조건으로 정확하게 파악하는 것이 어려운 점이 있는데, 이는 탱크 내부를 지배하는 온도가 최대 -250°C이기 때문이다.

Wika의 Cryo-Gauge-모듈은 극저온 탱크 시스템의 충전 레벨을 모니터링하기 위한 토탈 솔루션이다.

Wika는 이러한 문제로부터 발생하는 요건을 해결하기 위해 Cryo-Gauge 컨셉트를 개발하였다. 이 컨셉트는 콤팩트한 모듈러 측정 시스템으로 3가지 구성 요소 즉 충전 상태 모니터링을 위한 메카트로닉스 차압 측정기, 압력 송신기가 연결된 기계적 작동 압력 표시기, 데이터 원격 전송을 위한 유닛으로 구성되어 있다. 측정 물질과 접촉하는 모든 구성 요소는 측정 작업을 위해 특별히 설계되었다. 이 장치는 오일과 그리스를 사용하지 않고 제작하여, 산소를 사용하는 환경에도 사용하기에 적합하다.

측정 장치의 핵심 구성요소는 탱크 내 액상 상태와 가스 상태 간의 차압으로부터 도출되는 충전 레벨을 모니터링하기 메카트로닉스 차압 측정기이다. 이 장치의 내부 구조는 압력 스프링을 통해 압축되는 특수 격막을 기반으로 한다. 이 특수 격막은 압력에 비례하여 편향 정도를 기계식 측정 장치에 전달하고 궁극적으로 다이얼의 숫자판의 포인터를 조절하여 값을 표시한다. 탱크의 기하학적 구조와 다양한 가스의 밀도를 고려하여 압력 측정을 통해 양 또는 부피와 같은 내용물 정보를 게이지 위에 표현한다. 이 예시에서 기계식 차압 측정은 순수한 전자식 솔루션에 비해 정확도가 높다는 장점을 지닌다. 수많은 전자식 솔루션이 두 번의 개별 측정으로 차압을 비교하고 탱크가 작은 경우 큰 오차 (>10%)를 초래하는 반면, 기계식 방법으로는 측정 범위에 상관없이 적어도 1.0%의 정확성이 유지된다.

지속적인 GRPS 연결이 바람직하다

Wika가 개발한 Intellimetry 모듈은 아날로그 측정값을 디지털 값으로 변환하고, 이를 GSM기술을 통해 GPRS 또는 SMS 모드로 온라인 데이터 센터로 전송한다.

메카트로닉스 크리오 게이지 측정 기기에 체결되는 트랜스미터는 자기적으로 비접촉 커플링(회전 각도 원격 센서)를 통해 바늘의 위치를 4 ~ 20mA 신호로 변환한다. 결과적으로 전자식으로 전송된 값과 로컬 표시되는 값이 정확하게 항상 일치한다. 두 번째 모듈은 안전을 위해 필요한 탱크 내 작동 압력 모니터링에 이용된다. 온도 변화와 외부적인 영향에 의해 압력이 최대값을 넘어가면, 최악의 경우 과잉된 가스와 압력이 안전 밸브를 통해 대기 중으로 방출될 수 있다. 잠재적인 제품 손실과 탱크 안전의 위험을 조기에 파악하기 위해, 작동 압력은 기계식 디스플렝, 즉 압력계를 통해 부착되어 있는 압력 트랜스미터의 4 ~ 20mA 신호를 통해 감시한다. 이때 압력계는 다기능 밸브 블록에 설치된다. 다기능 밸브 블록은 탱크 유지보수와 같은 경우 전체 측정 시스템을 차단할 수 있다. 이 두 측정 요소의 전기 출력부는 데이터 원격 전송을 위한 유닛인 측정 장치의 제3의 모듈, 즉 Wika가 개발한 Intellimetry 모듈을 형성한다. 이 모듈은 아날로그 측정값을 디지털화하고, 이를 GSM기술을 이용하여 GRPS모드 또는 SMS모드를 통해 온라인 데이터 센터로 전송한다.

원칙적으로 지속적인 GPRS 연결이 바람직하다. 이 장치는 네트워크 품질을 바탕으로 GRPS 연결이 가능한지 감지하고, 필요 시 자동으로 안정적인 네트워크 수준인 SMS모드로 전환한다. 네트워크에 장애가 발행하면, 데이터는 버퍼링되고, 그 다음으로 가능한 루틴 호출로 전송된다. 이 장치에는 무선 연결 외에 측정값을 국지적으로 사용할 수 있는 두 개의 케이블 출력부가 있다. 이 측정 장치는 메카트로닉스 시스템으로서 외부 전원이 필요 없는 두 개의 압력 측정값을 현장에 디스플레이를 통해 백업 기능을 제공한다. 탱크 시스템의 경우 데이터의 무선 전송은 고객별 주기에 따라 시간별로 또는 일별로 이루어진다. 이 외에 Intellimetry 모듈을 통한 다른 모니터링 기능도 있다. 비정상적인 소비로 인해 또는 탱크 누출로 인해 충전 레벨이 예상치 못하게 갑자기 내려가는 경우 즉각 경고 메시지가 발동되고, 충전 완료도 알려준다.

원격 측정 모듈을 온라인으로 구성한다

탱크 제어로부터 획득한 모든 정보는 온라인 데이터 센터로 흘러 들어간다. 온라인 데이터 센터는 브라우저나 앱으로 불러올 수 있는, 암호로 보호되는 웹사이트를 통해 접근할 수 있다. 유입된 정보는 기록되고 시각화된다. 이 플랫폼을 통해 원격 측정모듈을 구성하고 매개변수를 입력한다. 이는 데이터 전송 모드와 모니터링 기능에만 적용되는 것이 아니라 사용자 지정 알람과 그와 연결된 일종의 알림 기능도 지정할 수 있다. 원격 측정 데이터를 제3의 시스템이나 ERP 소프트웨어에 통합하는 것도 가능하다. 위에서 제시한 분산된 탱크 시스템의 충전 레벨 제어에서 전통적인 측정 기술과 원격 측정법을 조합한 것은 많은 응용 사례에 적합하다고 할 수 있다. 원칙적으로 이러한 형태의 데이터 전송을 위한 전기적 출력 신호를 갖는 측정 장치는 모두 적합하다. 따라서 더욱 효율적인 프로세스를 추구하고, 4차 산업의 범위에서 새로운 사업 영역을 개발하는 과정에서 이러한 M2M 시스템의 중요성이 증가할 것으로 예측하는 것은 어렵지 않다.