수 처리 시스템의 제어와 모니터링

저자 : 김대용 이사
소속 : 다불산업
산업 : 수 처리
사용한 NI 제품명 : LabVIEW 2009, Compact FieldPoint-2200

그림1. 기본 모니터링 프런트패널

해결과제

환경문제가 대두되고 있는 현대사회에서 물의 소중함은 두말할 것도 없다. 이러한 부분에서 빗물의 재활용은 향후 물 부족에 대비하고 빗물을 저장하여 수해를 예방하고자 건축물과 공공시설에 빗물저수조 확대설치기준이 마련되어 있다.
빗물의 처리는 각 회사마다 약간의 차이가 있고, 빗물의 활용도에 따라 처리 방법도 각 현장에서 차이를 보이고 있다. 또한 장마철, 갑작스러운 소나기 등에 빗물을 처리하고 홍수 대책을 마련하며 각 기준에 따라 제어방식의 차이가 존재한다.
빗물처리장은 항상 물을 보관하고 있어서 습도가 높고, 수분에 노출되어 있으며, 비가 오는 것을 감지하기 위하여 상시 대기 상태 또는 활용수의 작동에 상시 준비되어 있어야 한다.
관제실 모니터링 프로그램을 통하여 현재 저수조의 빗물수위 상태와 모터 작동 상태, 밸브 개폐 상황을 감지함으로써 현장의 상황 혹은 고장유무, 과부하 및 일시적 관제실에서 제어하는 부분이 필요하다. PC의 상태이상 혹은 통신의 상태 이상이 발생해도, 현장에서의 제어상태가 지속적으로 유지되기 위하여 별도의 제어단이 지속적으로 작동하고 있어야 한다.
이러한 현장의 Field단과 모니터링에 대한 별도 프로그래밍 작업이 요구된다.

그림2. 기존 PLC 시리얼 통신 송수신 블록다이어그램

그림 3. NI Compact FieldPoint 현장의 시스템 점검 송수신 블록다이어그램

그림4. 실제 제어 부분 블록다이어그램

솔루션

- 건축물의 빗물 활용
- 빗물의 유입과 저수조, 밸브 동작 구분
·1차 저수조의 수위에 따른 펌프와 밸브의 동작 제어
·2차 저수조의 수위에 따른 밸브와 펌프의 동작 제어
·자동여과 및 AOP(고도산화처리장치)의 압력에 의한 이벤트적 역세 과정 제어를 진행하기 위한 일정시간 작동에 따른 밸브 개폐 모터 작동의 제어 부분
·일정시간 저수조의 지속적인 저류상태에 의한 녹조 등의 방지를 위한 역세 가동
·모터의 오버로드에 따른 조치 사항
·밸브의 작동 중 개폐의 작동 오류에 따른 방지 대책
·물의 사용량 월별 정리
·사용자의 요구에 따른 배수펌프의 작동을 통제실로 넘기는 부분 등 추가적으로 현장의 전기배선작업의 완료 후 배선작업과 각 부분의 작동 관계를 확인하기 위한 배선과 접점의 바른 설치에 관한 별도의 간략한 점검 프로그램의 제작도 필요했다.
- 이동식 정수 시스템의 활용
음용수의 활용도에 따라 2차 저수조의 상황 별 오존 장치 등의 제어시간을 조절하는 부분으로 오존의 과다 발생시의 조절 부분과 활용도가 없는 시간대를 이용한 순환 부분으로 나누어질 수 있다.

어플리케이션 요약

수 처리 과정에 있어서 현장의 상태와 활용수의 이용에 따라서 처리 과정이 다음과 같이 차별화 된다.
·생활용수 및 연못용수의 경우 빗물 유입 -> 오염물질 처리장치 -> 1차 저수조 -> 자동여과기 -> AOP SYSTEM(순환) -> 2차 저수조 -> 재활용
·조경용수 및 청소용수의 경우 빗물 유입 -> 오염물질 처리장치 -> 1차 저수조 -> 자동여과기 -> 2차 저수조 (순환) -> 재활용
·이동식 정수(음용수)의 경우 강물유입 -> 1차 저수조 -> 필터장치(역세 과정) -> AOP(UV, Ozone) -> 2차 저수조(순환) -> 수질점검 -> 음용수 활용에 따른 중간 과정의 수정이 필요하고, 또한 2차 저수조 물의 장시간 보관 등에 의한 녹조 현상, 냄새, 색도 등의 음용수 및 활용수의 내용에 따라 제어 방식이 변경되어야 하고, 모니터링 부분에서도 GUI의 변화가 필요하다. 그리고 Field단과 모니터링 모두 각각의 프로그램을 요구한다. 기존에는 Ladder 프로그램을 통해 PLC를 제어하고 모니터링하였으며, 통제실에서는 상용화 HMI 툴을 이용하였다.
이런 기존 시스템에서는 전기배선, 패널 업체, PLC 프로그램, HMI 등 각각 작업들이 독립적으로 이루어져 Trouble Shooting 해결이 어려운 문제점을 가지고 있었다.
또한 PLC와 통제실간의 통신을 위해 RS485에서 RS232C로 컨버팅이 요구되었다. 그리고 DI/O, AI 접점의 증가로 인한 PLC와 모니터링 장비 간에 Delay가 발생하여 결정성있는 동기화된 제어 및 모니터링이 어렵다는 단점이 있었다.
이를 해결하기 위해 PLC를 NI Compact FieldPoint로 대체하고, 통신 부분은 TCP/IP 방식으로 간결하게 정리하고, 프로그램 부분에서도 현장과 통제실 모두 NI LabVIEW로 통일하여 작업의 일관성을 유지했다.

본론

초기에 개발된 프로그램은 PLC에서 제어되는 상황을 시리얼 통신을 이용하여 LabVIEW로 모니터링하는 부분이었으며, 현재는 PLC 시스템을 NI Compact FieldPoint로 대체하여 모니터링과 현장 프로그램을 LabVIEW로 일치화 시켜서 LabVIEW만으로 문제 해결이 가능해졌을 뿐만 아니라, 프로그램의 유지 보수가 손쉬워졌다.
빗물처리의 기본은 저수조들의 수위에 따른 작동과 고도산화처리(AOP)의 압력에 의한 역세, 수질 개선을 위한 제어 앞단의 솔루션 부분을 고려한 제어 부분과 사용자 편의 부분의 프로그램을 작성하였다.
부분적으로는 센서의 이벤트에 따라 정해진 시간 동안에 밸브의 작동을 조절하고 정해진 시간 동안 역세 과정을 수행하는 부분과 펌프의 작동 시간 등의 누적을 확보하는 부분, 또한 작업에 포함되어 총 사용 시간을 확보하는 부분을 추가했다.
프로그램은 향후 지속적으로 쉽게 업데이트될 수 있으며, 모듈화를 통하여 Compact FieldPoint와 모니터링 부분의 간결한 조작을 바탕으로 현장의 상황에 신속히 대처할 수 있는 기반이 됐다.

결론 및 솔루션 개발 후 얻게 된 이점

개발된 프로그램은 약간의 수정에 의하여 시공 현장에 손쉽게 적용이 가능하며, 전기배관 작업자와의 간단한 테스트로 작업의 효율성을 높일 수 있었고, 모니터링의 빠른 응답에 의한 지연부분도 많이 개선됐다.
또한, 수질분석 부분에서 pH, 잔류염소 등의 수질 피드백 제어 부분도 손쉽게 첨부될 수 있는 부분으로 향후에 기본적 제어와 수질점검을 통한 제어의 총괄적 제어의 기틀이 되었다.
기존 PLC에서 시리얼로 전송받는데 있어서 주고받는 데이터의 크기가 결정된 부분에서 데이터의 송수신 부분을 다단으로 나누어 데이터의 손실을 방지하고 Delay에 의한 영향을 크게 개선할 수 있었다.
또한 각 PLC의 전송명령의 차이/제작회사 등의 차이 그리고 관제실과의 통신 케이블의 연결차이 등 각 PLC의 적용에 따른 문제점을 쉽게 해소할 수 있었다.

NI 솔루션을 선택한 이유

·손쉬운 프로그램과 인터페이스 및 속도

“초기에 개발된 프로그램은 PLC에서 제어되는 상황을 시리얼 통신을 이용하여 LabVIEW로 모니터링하는 부분이었으며, 현재는 PLC 시스템을 NI Compact FieldPoint로 대체하여 모니터링과 현장 프로그램을 LabVIEW로 일치화 시켜서 LabVIEW만으로 문제 해결이 가능해졌을 뿐만 아니라, 프로그램의 유지 보수가 손쉬워졌다."

그림5. 빗물 현장 1 그림6. 빗물현장 2 그림7. 이동식 정수

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