키밸브기술, 가혹운전 플랜트 동력구동밸브의 실시간 IIoT 인공지능 원격진단 mFinder 개발

인공지능 밸브 진단 감시 매니저(AI Valve Surveillance Manager; mFinderTM)와 원격 감시 예측시스템

프로세스 플랜트에 있어서 밸브는 플랜트 제어시스템의 마지막 단계에 있는 제어요소로써, 유체 계통을 안정하게 제어하는데 매우 중요한 기기이다.

특히 운전조건이 에너지 수송 및 제어측면에서 가혹하다고 할 수 있는 고온, 고압의 유체시스템이나 높은 수준의 차압이나 온도차를 제어하여야 하는 밸브는 고에너지 서비스 밸브로써, 가혹한 운전조건하에서 운전되어야 함으로 편의상 가혹운전용 밸브라고 부른다.

예로 들어 복합화력발전 시스템에 있어서 전형적인 가혹운전용 제어밸브는 고압드럼레벨제어밸브나 최소유량제어밸브, 고압터빈바이패스밸브 등을 예로 들 수 있겠다. 특히 고압터빈바이패스는 높은 차압에 높은 온도차를 제어하고, 밸브의 기능상 시스템 내에서 핵심 안전 기능을 수행하는 밸브이며, 고온의 증기온도를 낮추기 위한 상대적으로 낮은 온도의 물분사는 밸브의 열 구조의 안정성에 매우 가혹한 부담으로 작용한다.

원자력발전소의 경우, 석탄화력발전이나 복합화력발전에 비하여 상대적으로 총 에너지 레벨은 낮은 수준이지만, 핵 물질에 의한 방사선에 의한 피폭 등의 잠재적 방호 문제에 대하여 안전한 취급이 필요한 밸브들은 다른 어떤 기기보다도 수량은 물론 운전빈도가 많은 밸브는 항상 핵안전문제에 대표적인 잠재적 불안요소이다.

석유화학 플랜트들은 각 단위공정들이 다양한 운전조건에서 운전되고, 또 긴밀하게 연결되어 있기에 하나의 단위공정 뿐만 아니라 전체 프로세스를 아우르는 콤비나트로 통합되어 운전되는 게 일반적이다.

이러한 각 단위공정마다 최종의 제어요소인 밸브의 역할은 종합적인 프로세스 운용에 있어 매우 중요하다. 이들 밸브들은 플랜트 가동 시간동안 주어진 프로세스 운전조건에 따라 지속적으로 운전하지만, 밸브 내부와 외부의 프로세스 운전 환경조건과 밸브 내부의 열화 등의 문제 및 설계조건과 실제 운전조건의 차이에서 발생하는 기계적, 화학적 문제들은 언제나 잠재적인 고장 요인으로 진행된다.

대부분의 자동제어밸브는 중앙제어실에서 제어와 모니터링이 되고 있지만, 이는 직관적인 모니터링으로써 어떠한 고장의 예지나 징후의 모니터링은 안 되고 있는 게 현재의 실정이다. 더욱이 정상적인 운전에서 정상적인 운전의 범위가 모호하게 되어 있는 경우에는 고장은 불시에 일어날 수밖에 없고, 이로 인한 플랜트 운용은 물론 안전상의 문제까지도 발생시키는 도화선이 된다.

따라서 많은 밸브회사들, 특히 제어밸브회사들은 프로세스 계통의 계측 제어신호를 포지셔너에 전송하고, 포지셔너는 제어신호(4~20mA)를 동작 가능한 구동력원으로 변환시켜 제어기의 위치 제어 시그널을 실제 구동이 가능한 공압이나 유압 또는 모터로 하여 밸브를 움직이게 한다.

아울러 밸브의 운전개도는 프로세스의 측정값을 피드백 받아 제어기에 전달하여 밸브를 제어하게 된다.

최근의 포지셔너는 대부분 스마트 포지셔너라고 하는 자가 진단 및 자동 교정기능을 가지고 디지털화되어 있어서, 간단한 조작으로 밸브의 닫힘 위치 및 열림 위치를 자동적으로 설정할 수 있어서 밸브의 0~100% 개도 범위를 보정할 수 있다. 물론 제어신호 지연시킬 수 있는 인위적인 설정도 가능하고 밸브 동작의 속도도 설정할 수 있다.

그러나 포지셔너는 제어신호(4-20mA)를 동작 가능한 구동력원(공압, 유압, 모터)으로 변환하는 기능과 제어기와 밸브 동작 명령사이에서 교환수로서의 역할을 하지만, 최종적으로 유체 제어장치인 밸브에서 일어나는 여러 가지 기계적 기능 불량 혹은 밸브 보조계통의 문제는 물론 밸브의 운전 이력에 대하여 직접적인 정보제공이 불가능할 뿐 아니라, 이런 밸브의 운전이력과 같은 매우 귀중한 밸브 정보자산을 매순간마다 날려버리고 있는 실정이다.

일부 선진 제어밸브 제작사의 하나인 피셔는 이러한 문제에 대응하여 Fieldvue DVC 포지셔너와 소프트웨어인 Valvelink를 출시하고 있고, 일본 아즈빌은 AVP 디지털 포지셔너와 운용소프트웨어로써 프러그인 Valstaff와 IFO, 마소네이란社는 디지털 포지셔너인 SVI-II와 Valvue가 있다.

이중에서 디지털 포지셔너에 마이크로 프로세서를 내장시켜서 포지셔너 기능의 일부를 진단 평가를 위한 도구로써 활용하고, 별도의 소프트웨어를 통하여 포지셔너의 이벤트를 종합적으로 관리하고, 기존에 설정된 경험자료 데이터를 바탕으로 진단 및 운전 평가를 하는 방식으로 되어있다. 아울러 포지셔너와 운용 소프트웨어간의 통신은 HART나 Fieldbus 프로토콜과 같은 2와이어 통신으로 여러 밸브들을 동시에 관리할 수 있도록 되어 있다.

mFinder(AI Valve Surveillance Manager)

키밸브기술㈜(대표: 오재현)와 (주)미래엔지니어링(대표: 김태준)은 한국원자력연구원의 SFR 프로젝트를 통하여 고온 환경 하에서 운전하는 가혹운전용 밸브의 설계와 운영경험을 통하여 실시간 온라인 밸브 운전 상태의 평가가 필요하다는데 의견을 모으고, 밸브의 고장 진단에 대하여 새로운 접근방식인 딥러닝(Deep Learning)에 의한 학습을 통하여 비정상운전에 대한 판단을 할 수 있는 방안을 모색하였다.

또한 기존의 업체들이 운전 중 밸브의 구동력 변화는 고장의 직접적인 시그널임에도 불구하고, 고가의 진단장비를 통하여 시스템 정지 중에만 진단이 가능했던 문제를 미래엔지니어링 김태준 박사가 개발한 하나의 밸브운전 감시 매니저인 mFinder™를 통하여 실시간 포지셔너의 데이터와 하중 데이터를 받고, 이를 지속적으로 학습시키는 알고리즘을 통하여 고장 예측의 정밀도 99%를 목표로 현재까지 2년여의 지난한 테스트를 통하여 운전 학습시킨 결과를 담아낸 것이다.

(주)미래엔지니어링에서 개발하는 진행사항을 종합하면, 키밸브기술㈜에 가혹운전용 제어밸브의 고장 유형과 고장 예방에 필요한 조치사항들에 항목 데이터를 준비하고, 이들 항목에 대한 mFinder에서 인공지능의 기능으로 고장 유무를 판별할 수 있도록 했으며, 각 항목에 따른 테스트 과정을 통하여 고장 예측의 정확도 및 재현성을 검증하였다.

mFinder는 자체적으로 신호를 측정, 수집하는 I/O 보드와 마이크로 피시를 장착하여, 인공지능(AI)에 의한 고장진단은 물론 예측 분석을 할 수 있으며, 이더넷 통신망을 통하여 mFinder의 측정자료와 분석결과를 웹(Web)을 통해 전송해 주는 역할은 물론 자체 다이렉트 와이파이를 통하여 테블릿 PC를 통한 로컬 관리도 가능하다.

물론 내부망으로 개개의 밸브의 운전내용을 실시간으로 중앙제어실과 연동시킬 수도 있도록 구성하였고, 데이터의 관리를 위한 데이터베이스 서버와 중앙제어실 혹은 특정 위치에서 내부망 웹서버도 개발하였다. 따라서 보다 정확한 진단 분석을 위하여 mFinder는 밸브 시스템의 다양한 운전 환경을 이해하고 분석하기 위하여 세계적인 어느 밸브제작사도 시도하지 않은 다양한 센서의 측정 신호를 수집할 수 있는 옵션을 가지고 있다.

즉, 포지셔너 시그널(필수)과 포지셔너 피드백 시그널(필수)은 밸브 제어에 있어서 기계적, 제어측면의 결함 또는 문제점 분석에, 밸브 입출구간의 차압 시그널(옵션)은 기계적 결함발생 또는 내부 트림의 누설 또는 제어적 측면의 문제 발생 분석에, 그리고 구동부 사프트의 로드 셀 시그널(필수)은 밸브 구조 또는 구동기의 기계적인 문제 발생을 진단하고, 5개의 온도센서(옵션)와 리미트 스위치 상하 접점신호(옵션)는 밸브 시스템의 프로세스 컨디션을 파악하고 기계적 문제로 인한 비정상적인 운전상태를 진단할 수 있으며, 음향센서는 내부 누설의 문제는 물론 밸브 내부의 트림을 포함한 기계적 문제점을 진단할 수 있다.

따라서 프로세스의 중요도에 따라 가혹 운전용 밸브에 중요도를 설정하고, 이에 따라 필요한 옵션을 선택할 수 있는 구조로 개발된 mFinderTM는 밸브 진단에 관한 다양한 계측신호를 수용할 수 있는 I/O 포트를 가진, 또한 로컬에서 독자적으로 진단결과를 평가할 수 있는 자체 마이크로 피시를 내장한 인공지능 밸브 진단 감시 매니저(AI Valve Surveillance Manager)인 것이다.

예를 들어, 밸브의 진단 결과에 따른 평가는 대략적으로 다음과 같이 평가한다.

즉, 복원 에러의 기준 값을 넘어서는 경우에는 밸브 운전이 비정상적으로 진행함을 예고하는 고장 예측이고, 복원 에러의 크기가 증대되거나 비교적 큰 값이 반복적으로 빈도가 많아지면 중대 고장의 예고이다.

진단을 통하여 밸브의 고장 진행여부를 예고할 수 있기 때문에 운전자가 문제로 예고한 밸브에 접근하여 작동 신호 및 상태를 확인할 수 있으며, 신호선의 단락이나 공기압 등 동력원 소스의 공급에 문제가 발생하면 매우 큰 복원 에러가 발생하여 중대 결함으로 경보하는 등, 다양하고 구체적인 방법으로 밸브의 실시간 진단과 평가가 이뤄진다. 중요 밸브의 운전에 대하여 완벽한 감시자 역할도 함께 수행한다.

Deep Learning중인 Test Mock-up

본 개발품은 ㈜미래엔지니어링의 설립자인 김태준 박사의 기술적인 혜안과 키밸브기술(주)의 제어밸브 특히 몰튼 솔트 태양열 발전소 용융염 밸브를 비롯한 용융금속 밸브와 같은 가혹 운전용 밸브의 제작과 공급 경험에서 습득한 고객의 니즈를 반영하여 개발된 제품이다. 기존 기술의 제품들이 프로세스의 정지상태에서 진단하는 기술적 한계를 상시 운전 중 진단으로 확장하고, 이를 통하여 밸브의 실시간 고장 예측까지도 가능하게 하였다.

이 제품은 원자력발전시설을 비롯한 발전 플랜트, 철강 플랜트, 석유화학 플랜트, 반도체 생산설비의 유틸리티 플랜트는 물론 도시가스나 지역난방, 상수도 공급설비와 같이 연속 운전이 필요하고, 공공의 중요 서비스 설비와 같이 안정된 운영이 필요한 설비를 경제적이고 안전하게 실시간 운전 감시와 진단, 고장 예측을 통하여 설비 운용효율을 극대화할 수 있게 한다.

또한 이 제품은 기존 제품과 차별화된 다양한 옵션을 제공함으로써, 세계시장에의 진출을 눈앞에 두고 있다.

키밸브기술㈜는 관계회사인 HP Valves BV와 BVT Sweden社를 통하여 발전 플랜트 제품에 mFinder를 접목하고, 지속적인 제품의 업그레이드는 물론 적극적인 마케팅을 ㈜미래엔지니어링과 함께 하기로 하였다.