산업용 네트워크로 플랜트 성능 최적화하기

다 운타임 위험성 제거, 고객이 언제든 접근할 수 있는 모든 프로세스 데이터, 두 대륙의 두 플랜트내 모든 구성품의 중앙 집중식 진단 때문에 사전 예방적 유지보수와 성능 최적화가 가능합니다. 내셔널 오일웰 바르코(National Oilwell Varco)는 산업용 네트워크가 디지털화를 활용하여 수익을 올려주는 방식을 보여주는 좋은 예입니다.

석유/가스 산업용 대형 플렉시블 파이프는 주로 해저에서 연안 플랫폼이나 유조선으로 석유 및 가스를 수송하는 데 사용되기 때문에 더욱 가혹한 조건에 대응할 수 있도록 만들어집니다. 일부 파이프는 길이가 12~14km에 달하는데, 이러한 파이프는 대형 릴(reel) 위의 플랜트 주변에 보관 및 수송됩니다.

대형 파이프는 여러 층으로 이루어지기 때문에, 제조 공정의 부품들이 여러 건물에 나뉘어 수용됩니다. 하지만 자동화 엔지니어인 클라우스 요르겐센(Klaus Jørgensen)은 자신의 아늑한 사무실에 편히 앉아 생산 과정을 모니터링하고 모든 장비의 작동 상태를 확인할 수 있습니다.

사실 전 세계 어디서든 원격 모니터링과 작동 상태 확인이 가능합니다. 조만간 플랜트 내 모든 구성품이 현재 가장 현대적인 산업 기반 시설 중 한 곳에 연결될 예정이기 때문입니다. 더욱 인상적인 점은 내셔널 오일웰 바르코 측에서 정확히 동일한 구성품(덴마크 플랜트에서 전반적인 모니터링 및 작동이 가능)을 사용하는 자매 플랜트를 브라질에서 설계했다는 것입니다.

이 기반 시설을 탄생시키기 위한 첫걸음은 2012년 내셔널 오일웰 바르코가 NKT Flexibles Company를 인수한 후 사무실과 산업용 생산 기반 시설을 분리하는 것으로 시작되었습다. 이러한 시스템은 연중무휴 운행되고 예약 생산 다운타임에 상당한 비용이 드는 플랜트에서는 타당성이 있기 때문에 지금도 꼭 필요한 산업 요건이 되고 있습니다.

수석 업무 분석가 핀 멜가드(Finn Meldgaard)는 “이런 파이프의 내부 라이너는 압출 가공된 중합체 층으로 구성됩니다. 아무리 파이프 길이가 길어도 한 번의 연속 공정으로 해당 가공 작업이 이루어져야 합니다. 밀리초(ms) 단위 동안만 중단돼도 플라스틱에 구멍이 생겨 그 부분을 모두 벗겨낸 후 공정을 처음부터 다시 시작해야 합니다”라고 말합니다.

새 기반 시설과 해당 장비 업그레이드를 통해 갑작스러운 다운타임 위험이 없어졌습니다. “현재 갑작스러운 중단을 일으킬 수 있는 유일한 요인은 현지 발전 설비에 문제가 발생하는 경우입니다. 전자 장비 관련 문제로 인한 다운타임 발생 요인은 모두 제거되었습니다”라고 멜가드는 덧붙였습니다.

무선 네트워크 상의 비상 정지

이렇게 험한 산업 조건 하에서 절대적으로 완벽하게 작동하는 네트워크는 일반적인 스위치 및 라우터를 투입할 수 없습니다. 당시 지멘스의 Simatic S5가 이미 자동화 장비의 핵심으로 사용되고 있었기 때문에 내셔널 오일웰 바르코 측에서는 지멘스에 Simatic S7으로의 업그레이드가 포함된 완전한 솔루션을 원했습니다.

수석 업무 분석가 조니 젭슨(Johnny Jepsen)은 “지멘스는 최적의 파트너였습니다. 이유는 Pro net 형태의 적절한 기술과 우리 조건에 맞게 설계된 견고한 필요 구성품을 제공해주었고 우리로서는 기계 한 대의 공정 층까지 표준 구성품이 필요하기 때문입니다”며, “우리 설비는 연중 무휴로 운행되며, 스위치 교체를 위해 생산을 중단할 수는 없습니다. 이러한 고성능 환경은 산업 제품 관련 10년 납품 보증이라는 제도로 보완되며, 이는 우리에게 중요한 조건입니다”라고 설명했습니다.

표준 구성품을 사용하는 것이 정말 중요하기 때문에 내셔널 오일웰 바르코에서는 허용 구성품 및 장치의 화이트 리스트를 마련했습니다. 화이트 리스트는 신속하고 간편한 장비 교체를 포함한 여러 이점을 제공합니다. 표준화는 디지털화의 바탕이 되며, 내셔널 오일웰 바르코가 각 맞춤형 파이프에 맞게 생산 장비가 조절되도록 관리할 수 있는 것은 디지털화 덕분입니다.

플렉시블 파이프에 카커스 층을 추가하는 장비가 위치해 있는 건물에 가보면 해당 장비가 얼마나 잘 작동하는지 확인할 수 있습니다. 지름이 약 2미터인 이 장비는 1초당 한 바퀴를 회전합니다. 벽면에는 무선 액세스 포인트(AP)가 있으며, 회전 장치에는 골프공 모양 안테나 두 개가 서로 마주 보고 부착되어 있습니다. 32ms 동안 신호가 잡히지 않으면 장비가 즉시 비상 정지합니다. 무선 네트워크에서 비상 정지를 할 수 있는 기능은 지멘스가 제공하는 산업용 무선 LAN의 여러 장점 중 하나입니다. 비상 정지 중에도 이IWLAN 시스템 덕분에 데이터 캡처 및 관리가 가능합니다.




모든 것이 기록된다

석유 산업에서 장비 수송 시 핵심은 전입니다. 파이프 중 하나라도 붕괴되면 인간과 환경에 막대한 피해를 줄 수 있습니다. 이러한 사고를 예방하기 위해 생산 공정의 모든 단계가 면밀히 모니터링 및 기록됩니다.

“모든 파이프는 온도와 염분, 파도의 구조, 수송 배지의 산도, 특히 설치 장소를 고려하여 맞춤 제작된다. 고객과의 긴밀한 협업으로 설계되며, 생산 시에는 우리가 모든 것을 측정한다. 매 초마다 8개 항목을 측정하며, 플라스틱 두께와 용접점의 품질 등을 기록한다. 그 데이터의 양은 정말 방대하며, 이 데이터를 인쇄하려면 5~10개의 보관용 판지 상자가 필요하다.” (Meldgaard)

현재 고객들은 기록된 문서를 종이 인쇄본으로 받을지 디지털 방식으로 받을지 선택할 수 있습니다.

모든 데이터가 새로 구축된 산업용 네트워크를 통해 전송되어 데이터 센터에서 수집되기 때문입니다. 젭슨의 설명에 따르면 1주일 동안 테스트를 할 경우, 무려 11 테라바이트의 데이터가 생성된다고 말합니다. 테스트 장비는 항구 주변에서 위치 이동이 가능한 두 대의 컨테이너에 보관됩니다. 여기에서 무선 네트워크의 가치가 다시 한 번 입증됩니다. 컨테이너를 원하는 곳에 위치시킬 수 있고 무엇보다 원거리에서 제어가 가능하기 때문입니다.

“고객과 함께 산업용 WLAN을 통해 테스트를 모니터링하고 제어한다. 즉, 압력을 가하는 동안 아무도 해당 테스트 컨테이너 내부나 가까이 있을 필요가 없다는 뜻이다. 따라서 혹시 모를 사고가 발생해도 사상자가 발생할 염려가 없다.”

구역 전체에 산업용 WLAN을 적용하려면 컨트롤러 기반 AP가 필요합니다. 악천후를 견뎌야 할 뿐만 아니라 정박 중인 선박 및 기타 무선 장비로 인한 간섭에도 기능을 완벽히 수행할 수 있어야 하기 때문입니다.

“구역 전체에 네트워크가 적용되고 있으며, 해당 네트워크는 일반적인 사무실 IT 장비로는 전송할 수 없는 대용량 데이터를 전송하도록 설계되어 있다. 지멘스는 대용량 데이터를 ms 단위 속도로 전송할 수 있는 시스템을 보유하고 있다. 이 점 또한 우리가 지멘스를 파트너로 선택한 이유이다.” (Jepsen)

사전 예방적인 유지보수

클라우스 요르겐센의 사무실 벽면 모니터를 보면 각 노드를 포함하여 산업용 네트워크에 연결된 모든 구성품을 확인할 수 있습니다. 몇 개 노드가 노란색인 것을 제외하고 대부분의 노드는 녹색 상태입니다. 노드 한 개라도 적색이 되면 즉각적인 대응이 필요합니다. 해당 시스템은 지멘스 네트워크 관리 소프트웨어인 ‘Sinema Server’로 모니터링 됩니다. Sinema Server는 효율적인 유지 보수가 가능하고 사용이 간편한 소프트웨어입니다. 하지만 이 수준에 이르는 데에는 여러 꼼꼼하고 세부적인 네트워크 계획과 노력이 있었습니다.

“우리가 보유한 기계 중 가장 큰 기계는 IP 주소가 220개에 달하며, 가장 작은 기계 하나도 IP 주소가 86개나 된다. 해당 기반 시설을 완벽하게 재설계하고 체계화했으며, 다양한 비즈니스 상황을 고려하여 10년 앞선 네트워크 구조를 계획했다. 데이터 제공 및 확보는 우리 회사의 미래에 필수적인 부분이기 때문에 즉시 경영진으로부터 필요한 지원과 자금을 확보했다.” (Jepsen)

또한 모든 것이 체계화되어 있고 잘 계획되어 있는 것으로 보입니다. 캐비닛은 매우 잘 정돈되어 있고 장치를 추가할 여유 공간이 충분하며, 모든 케이블은 기능별로 색상이 분류되어 있습니다. 요르겐센은 설명합니다.

“우리는 다운타임을 줄이고 사전 예방적으로 유지보수를 계획할 수 있다. 특정 장치가 노란색으로 바뀌면, 유지보수를 위해 해당 장치를 분해할 경우 다른 장치들이 어떤 영향을 받을지 도표를 통해 전반적으로 확인할 수 있다. 또한 화이트 리스트 덕분에, 특정 부품을 교체해야 하는 경우 어떤 구성품을 사용해야 하는지 정확히 알 수 있다. 세부 정보가 제공되는 실시간 진단과 도표를 통한 상황 분석, 케이블 색상 분류 덕택에 어떤 근무자라도 긴급 상황에 적절히 대응할 수 있으며, 누군가 실수로 잘못된 케이블을 당기는 시행착오 상황이 발생할 가능성이 없다.”

또한 Sinema Server 네트워크 관리 소프트웨어는 휴대용 장치에서 접근이 가능하며, 필요시 해당 담당자에게 경계가 발령되도록 설정할 수 있습니다. 예를 들어, 특정 구성품이 60초 이상 응답하지 않을 경우 젭슨과 멜가드에게 동시에 텍스트 메시지가 전송됩니다.

“우리는 매우 신속히 대응하고 또한 신속히 문제를 해결할 수 있다. 시스템이 매우 정밀하게 설계되어 있기 때문에 특정 케이블에 문제가 발생할 경우 정확히 어디에 어떤 충격이 가게 될지를 판단할 수 있다. 또한 특정 캐터필러 내 모터를 구동하는 드라이브 하나가 고장날 경우 문제 부위를 찾기 위해 해당 캐터필러 전체를 일일이 점검하지 않아도 된다. 정확히 어느 드라이브인지 알 수 있기 때문이다.” (Jepsen)

두 대륙에서의 성과

클라우스 요르겐슨은 덴마크 칼룬보르의 플랜트뿐만 아니라 브라질에 위치한 자매 플랜트까지 자신의 사무실에 앉아 모니터링할 수 있습니다. 브라질은 세계 최대 정유회사 중 한 곳에서 발주한 파이프 생산을 위해 National Oilwell Varco 측에서 최근 플랜트를 건설한 곳입니다. 브라질의 플랜트는 완전히 새로운 설비이기 때문에 여러 공정 기계장치가 위치한 건물들의 배치 방식과 관련하여 더욱 간결한 공정이 적용되도록 설계되어 있습니다. 단, 구성품 및 네트워크 구조는 덴마크 플랜트와 동일합니다.
완전히 디지털화된 플랜트를 만드는 적절한 접근법은 표준화라는 것이 다시 한 번 입증되었습니다.

“화이트 리스트를 적용했고, 회사 전반적으로 표준 구성품을 사용했을 뿐이다. 덕분에 재고로 보유해야 하는 부품 수량이 최소화되었다. 이 점이 매우 효과적으로 작용했고, 결과적으로 이곳에서 플랜트의 80~90%를 모니터링하고 관리할 수 있게  브라질 플랜트에서도 데이터가 캡처됩니다. 캡처된 데이터는 고객 관련 기록에 사용되며 플랜트 성능 최적화에도 사용됩니다.

“특히 브라질 플랜트에는 새로운 기계류와 구성품들이 갖춰져 있기 때문에 성능을 비교할 수 있고, 부품 교체나 설정 변경을 통해

“또한 우리는 이 데이터를 이용해 ISO 50001에 맞게 에너지를 모니터링하고 관리하기도 합니다. 그렇지 않을 경우 해당 데이터를 수동으로 캡처해야 할 겁니다.” (Jepsen)

로컬로 저장되는 데이터

두 대륙 간 이렇게 완전히 통합된 자동화 구성 덕분에 데이터 보안이 위태로워지는 상황은 발생하지 않습니다. 껍질 속에 또 다른 껍질 형태로 설계되어 있기 때문에, 해당 산업용 네트워크에 접근하려면 여러 보안 층을 통과해 방향을 찾아야 합니다. 네트워크에 연결된 기계를 분리할 경우에도 두 플랜트 모두 완전한 작동 상태를 유지해야 합니다.

“전체적으로 문제가 발생할 경우 로컬 SCADA 시스템에 데이터를 저장할 수 있다. 모든 기계가 전체 네트워크에 연결되지 않은 상태에서 7일간 작동하는 상황이 있을 수 있기 때문이다.” (Jepsen)

이런 상황은 상상하기조차 어렵습니다. 이러한 기반 시설 설계와 산업 전용으로 개발된 하드웨어와 소프트웨어는 복잡한 대형 산업용 제품을 연중무휴 생산하며 의료, 항공, 식품 업계와 같이 문서 기록 표준에 부합해야 하는 회사에 안성맞춤으로 보입니다.