기계/조선

계측과 제어_Vol.59 No.12 특집 (889~890)

릴레이 기사 FACE the future
더욱 스마트한 세계 실현을 목표로 하는 새로운 시스템 어프로치
IoT기술을 도입한 플랜트 엔지니어링

● 총론
사회적 과제 해결을 목표로 하는 새로운 시스템 어프로치 실현 추진

〈시스템의 구조∙모델링〉
● 해설
사회 기반 스마트 플랫폼을 위한 설계∙계획∙운용의 개념적 틀
-- 시스템의 최적화 시점에서 --
구조적 시점에서 본 시스템 연계 과제
경계와 관계성을 관점으로 하는 시스템 어프로치
-- 그 구축을 위해 --
지구 커뮤니티의 System of Systems를 위한 관계성 구동형∙매개형 시스템 디자인

〈시스템의 최적화〉
● 해설
블랙박스의 최적화와 응용
목적 함수의 추정: 순환∙나선형 시스템 어프로치에 도움이 되는 모델링과 의사 결정 과정 파악
기계학습과 최적화의 융합을 통한 상호진화시스템 설계

〈시스템 적응과 진화〉
● 해설
에이전트 시뮬레이션과 게이밍을 이용한 시스템 사고(思考)의 실천을 목표로
사회경제시스템의 인과 추론
적응적 의사결정 프로세스로서의 공창(共創)적 모델링
더욱 스마트한 사회시스템과 인간이 ‘함께 성장하는 관계’
SoS의 진화 매니지먼트를 목표로
-- 사회∙기술시스템의 의의와 과제 --

〈사례: 전력∙교통∙홈 시스템〉
●사례 소개
시스템 어프로치를 통해 진화되는 전력시스템

전력네트워크시스템 기술
-- SoS를 중심으로 --
철도의 System of Systems
-- 상호 노선 연장 구간의 타임테이블 개정을 예로 --
스마트홈 기술의 현황과 미래
-- SoS 시점도 포함 --

IoT기술을 도입한 플랜트 엔지니어링
1. 지금까지의 나와 ‘에너지 x 제어’
나는 때때로 비일상적인 것을 경험하는 것을 좋아해 학생 때 휴일에는 아무 것도 없는 산이나 섬에서 캠프를 하거나 해외여행을 가곤 했다. 물론 비일상을 만끽하는 것 자체도 즐거움이었지만 일상과의 차이, 가치관의 차이를 체험하며 자신이 얼마나 혜택 받은 환경에서 살고 있는지 실감하는 것을 소중하게 생각하고 있었다. 일부러 일상에 필요한 것들로부터 멀어져 불편함을 감수함으로써 자신이 누리는 ‘편리한 생활’의 감사함을 깨달을 수 있었다.

내가 가장 먼저 편리한 혜택이라고 깨닫게 것은 전기∙가스∙수도 설비를 당연하게 이용할 수 있는 환경에 있다는 것이었다. 또한 자원 확보를 위한 전쟁과 동일본대지진을 계기로 에너지에도 관심을 갖게 되었다. 학생 시절에는 라인트레이서 제작을 계기로 목표했던 동작에 가까워지는 과정에 관심을 가지게 되면서 제어공학을 전공. 풍력발전소 운용과 전력 계통을 상정한 대규모 시스템 분산 제어에 대해 연구했다. 이러한 경험들을 통해 ‘에너지 x 제어’가 내 인생의 일대 테마가 되었고 대학원 수료 후 엔지니어링 회사를 지망해 현재 닛키(日揮)글로벌(이하 닛키)의 계장(計裝) 제어 엔지니어로서 LNG 플랜트의 설계∙건설에 종사하고 있다.

2. LNG 플랜트의 발전과 닛키글로벌
1960년대 후반, 일본의 클린에너지 전략에 따라 석유와 석탄에서 LNG를 원료로 하는 발전(發電)으로의 전환이 시작되었으며 도시가스 수요 증가에 따라 LNG 개발이 시작되었다.

닛키글로벌의 LNG플랜트 제 1호는 1973년에 운전을 개시한 부르나이 LNG(Brunei LNG)이다. 생산 능력은 1MTPA(Million Tones Per Annual) x 5Train(계열)의 소형 플랜트이지만, 경제성과 운전 안전성이 달성된 것이었다. 그로부터 반세기, 관련된 LNG Train 수는 총 54 Train으로 그 생산량은 전세계의 39%를 차지한다. 건축지는 북극권의 극한지와 적도 아래 정글 등, 주로 벽지이다. 최근에는 대용량 가스전 개발이 추진되고 있고 또한 냉매를 순환시키는 대형 가스터빈 구동 압축기의 실용화로 인해 8.2MTPA/Train의 세계 최대급의 거대 플랜트를 운용하게 되었다.

한편, 세계 각지에는 많은 중소 규모의 가스전이 분포되어 있으며, 그 대부분이 해저에 존재한다. 이러한 가스전 개발을 위해 해상에 LNG의 정제∙액화∙저장∙출하 설비와 계류 설비가 갖춰져 있으며, 약 2,000m 심해에서 끌어올린 가스를 선상에서 처리하는 FLNG(Floating Liquefied Natural Gas, 부유식 LNG 생산설비) 플랜트의 수요가 높아지고 있다. 해저 가스 조성의 변화에 대응한 범용성이 높은 플랜트를 설계함으로써 복수의 가스전에 이용 가능한 플랜트를 설계할 수 있게 된다. 즉, 초기의 가스전이 고갈되면 다른 가스전으로 이동해 생산할 수 있는 것이다.

FLNG는 선상이라는 한정된 스페이스이기 때문에 3D 모델에서는 센티미터 단위로 상세하게 설계된다. 또한 유지보수와 수리를 위해 기기를 선박 외부에 반출하는 경로를 고려한 최적의 기기 배치가 요구되며 선체 진동에 대응한 설계와 구조 설계, 기재 중량의 밸런스 설계 등, 육상 플랜트에 비해 난이도가 높은 설계라고 할 수 있다. 최근 IEC(International Electrotechnical Commission)를 통해 안전 설계 규격이 확립되었지만, FLNG에서는 그 외 선급(船級) 규격이라는 선체 특유의 안전 설계도 요구된다.

닛키가 지금까지 운용해온 FLNG는 3척으로, 나는 작년에 그 중 1척의 건설 업무를 담당했다. 산성가스 제거, 액화, 출하 유닛과 계기실 등 각 장치 별로 육상에서 모듈화하여 선박에서 조립하는 공법을 채택. 생산량은 1.5MTPA였지만, 탑 사이드의 1/0 점수가 약 13,000점에 달해 복잡하게 뒤얽힌 로직이 바르게 동작하는지 여부를 선상에서 테스트했다. 현재 남태평양 적도 아래에서 시험 운전 중이다.

3. IoT기술로 달라지는 플랜트 엔지니어링
플랜트 엔지니어링은 몇 만점에 달하는 제어 신호와 기기, 공사 재료를 취급한다. 건설 단계에서는 몇 만 명에 달하는 건설 작업자들도 관리하지 않으면 안 된다. 플랜트는 각각 다른 양식을 가지고 있다는 특성이 있기 때문에 공장에서의 조립 과정과는 달라 로봇 도입을 통한 자동화가 어려운 노동 집약 산업이라고 알려져 있다. 하지만 이 문제를 해결하기 위해 닛키는 IoT기술을 이용한 다양한 시스템 개발을 추진하고 있다. 지금부터는 IoT기술 도입의 실적과 활동 사례를 소개한다.

3.1 IoT기술을 이용한 설계∙검사
(1) 플랜트는 각 전문 분야의 설계가 밀접하게 연관되어 있어 1개의 변형이 많은 부분에 영향을 미친다. 닛키는 ‘Single source of truth from the latest information’을 목적으로 설계 데이터베이스 통합을 실용화해 오류 축소 및 설계의 효율화를 추진. 또한 설계에서 발주, 검사, 수송, 현장 재고 관리, 건설까지 모든 기재들을 추적할 수 있는 데이터 관리 시스템을 이용하고 있으며 이를 위해 모든 기기와 예비 부품을 포함한 자재에 태그를 붙여 에셋 관리를 하고 있다.
또한 운전 중의 계측기 및 제어 시스템 고장을 실시간으로 모니터링 해 고장과 열화(劣化) 분석, 수리 교환 스케줄을 세우는 에셋 관리 시스템을 구축하고 있다.
(2) 케이블 루트와 배관의 자동 배치 설계를 추진하고 있다.
(3) 플랜트의 기재 및 모듈은 세계 각지에서 제작되며 제작 공장에서의 입회 검사를 거쳐 벽지에 있는 건설 현장에 모인다. 요코하마 본사에서 리모트 검사를 실시. 현지의 검사 요원이 장착한 웨어러블 카메라를 통해 본사의 베테랑 엔지니어가 영상을 확인함으로써 확실한 검사가 가능해졌다. 소프트웨어 검사에서는 전용 방화벽을 통해 시스템 벤더에 설치된 마스터 서버에 접속해 복수의 거점에서 동시에 검사할 수 있는 환경을 개발하고 있다.

3.2 IoT기술을 이용한 건설
(1) 건설 업무를 예정대로 추진하기 위해서는 그에 맞는 작업 계획과 진척 상황 파악, 리소스 관리가 열쇠이다. 이를 위해 닛키는 와이파이 네트워크를 건설 현장에 구축하고 작업자에게 각각 발신기를 소지하도록 하는 FieldOpt 시스템을 운용하고 있다. 현장 감독관은 휴대 단말기로 건설 작업자의 ID와 작업 개시∙완료 시각, 작업 내용을 입력한다. 각 건설 작업자의 헬멧에는 가속도∙온도∙습도∙근접 센서와 발신기가 설치되어 있다. 이러한 신호들을 통해 지시된 대로 지정 구역에서의 작업을 하고 있는지에 대한 확인과 전도∙낙하∙체온 이상 등 안전에 관련된 정보가 1분마다 표시된다. 또한 만일 피난해야 할 상황이 발생했을 시에는 마스터 포인트에서의 인원수 확인과 빠져 나오지 못한 사람 파악도 가능, 상세한 작업 지시 및 관리와 작업자의 안전 확보를 촉진할 수 있다.
(2) 3D모델 상에 발주∙수송∙기기의 시공∙검사∙운전의 개시, 준비, 완료 등의 상황을 색으로 나눠서 표시해 공사의 진척 상황을 가시화하고 있다.

3.3 IoT기술을 활용한 플랜트 운전
(1) 와이파이를 이용한 필드 태블릿을 도입함으로써 프로세스 유체 제어를 관장하는 분산제어시스템(DCS: Distributed Control System)을 화면을 통해 어디서든 실시간으로 확인할 수 있게 되었다.
(2) FLNG에서는 해상 특유의 높은 인건비와 수송 비용, 보험료 절감을 위해 원격지에서 운전을 지원함으로써 안전성과 경제성을 떨어뜨리지 않는 범위에서 해상에서의 업무를 최대한 육상으로 이전해 조업하는 것이 요구되고 있다. 이를 위해 닛키는 고도의 운전 데이터 분석을 통한 운전의 최적화, 계측기∙회전기의 시간 흐름의 변화에 대한 리모트 진단과 이를 통한 유지보수 플랜 작성을 추진하고 있다.

4. 향후 전망
2020년은 코로나19의 영향으로 사람들의 인식이 바뀌면서 Society 5.0 도래를 가속화시킨 해라고 생각한다. IoT기술로 인해 사람들은 보다 많은 것들에 대해 ‘그 자리에 있지 않으면 불가능해’에서 ‘그 자리에 있는 편이 낫다’라고 깨닫게 된 것은 아닐까? 그리고 ‘그 자리에 있는 편이 낫다’에서 ‘마치 그곳에 있는 것처럼 할 수 있다’로 바꿔나가야 한다고 생각한다. 우리들의 산업 기반인 플랜트 구축을 위해 IoT기술을 활용한 엔지니어링에 앞으로 더욱 도전해나가겠다.

 -- 끝 --