대구도시가스 - 가정용 연료전지 제어시스템 구현

Author(s):
장해룡 연구원 - 대구도시가스

Industry:
Energy/Power

Products:
LabVIEW, Compact FieldPoint

The Challenge:
연료전지 실증사업인 ‘2kW급 가정용 연료전지 실증연구’ 사업을 진행하면서 시스템 제어부의 개선이 필요하게 되었다.

The Solution:
제어부의 업그레이드를 통하여 보다 신뢰성 있는 데이터의 수집과 다양한 모니터링 기능의 구현이 필요하였다. 이에 전체 프로젝트에 지연을 주지 않으면서 단기간 내에 효과적으로 시스템을 구현하기 위하여 NI 제품을 사용하였다.

개발 배경 :
1. 본 어플리케이션에서는 LabVIEW와 cFP(Compact FieldPoint) 모듈을 사용하여 가정용 연료전지의 제어 시스템을 구성하였다. 주요 기능은 시스템의 제어, 측정된 데이터의 수집 및 저장, 이더넷을 통한 데이터의 모니터링이며 cFP 모듈을 기본으로 LabVIEW로 프로그래밍하여 전체 시스템을 구현하였다. 이러한 데이터의 저장 및 모니터링을 위하여 서버의 추가구입 없이 cFP를 활용하려 하였으며 자체 FTP 서버기능 및 공유변수의 기능들을 활용하여 외부에서 데이터의 확인 및 모니터링이 가능한 시스템으로 트러블에 능동적으로 대처하고자 하였다.
2. 기존의 연료전지 시스템에서 제어부는 외부업체와 마이크로컨트롤러를 사용하여 공동 개발한 뒤 사용하였다. 하지만 설치 후 노이즈, 데이터의 신빙성, 확장 등 많은 문제점이 발생되어 새로운 시스템이 요구되었다. 제한된 연구 인력과 짧은 개발 기간 내에 다양한 기능을 구현하기 위해서 LabVIEW와 cFP를 활용한 시스템을 구성하게 되었으며 시제품 제작에 소요되는 시간 및 제품의 디버깅 및 테스트에 소요되는 시간을 NI 제품을 사용하여 최소화여 전체 프로젝트에 영향을 주지 않으면서 개발을 완료하고자 하였다.

본론 :
그림 1은 가정용 연료전지이다. 가정으로 공급되면 천연가스를 원료로 하여 220V 교류전기를 생산하는 장치이다. 시스템의 구성은 Reformer에서 천연가스가 수소로 개질되어 Stack에 공급되며 직류전기가 생산된다. 그 후 인버터를 통하여 220V 교류전기의 형태로 변환되어 최종적으로 일상 생활에 사용할 수 있는 전기가 만들어진다. 이때 부수적으로 발생하는 열은 회수 장치를 통하여 온수로 사용된다.

2kW급 가정용 연료전지의 시스템을 그림 2에 나타내었다. 중앙에는 cFP가 위치하고 있으며 전체적인 컨트롤을 담당하고 있다. 컨트롤 모듈로 cFP-2120를 사용하여 기존보다 3배 빠른 성능과 확장된 메모리로 다양한 기능을 구현할 수 있었으며 4개의 시리얼 포트를 통한 다른 장비와의 연계성이 탁월하였다. 기본적으로 cFP에서 각종 압력, 유량, 온도변수의 제어를 담당하고 외부의 장치들과 통신은 시리얼 통신을 사용하였으며 개질기와 인버터의 통신을 위해서 각각 RS-232통신을 통하여 데이터 및 명령을 주고받는다. 또한, 현재의 상황은 LCD창을 통해서 표현되도록 설정했다. 데이터의 저장 및 웹 퍼블리싱을 하기 위해서는 cFP의 기본적인 기능을 사용하여 추가적인 서버의 구입 및 활용이 필요치 않았다. 저장된 데이터는 FTP를 통하여 웹에서 접근 가능하였기에 장소에 구애를 받지 않고 편리하게 데이터를 다룰 수 있었다.

시스템 모니터링 시 중요한 것은 위기 대처 능력이기에 PDA 및 휴대폰을 사용하여 시스템의 트러블을 즉각적으로 확인할 수 있도록 구성했다. PDA를 사용하여 모니터링이 가능하였으며 운전 도중 장비의 결함으로 인한 시스템의 오류가 발생하면 그림 3처럼 휴대폰으로 경고 메시지가 송출되어 능동적으로 시스템의 오류에 대응할 수 있었다. 이러한 프로그래밍은 시스템 모니터링 시 가장 중요한 위기 대처 능력을 향상시킬 수 있었다.

결론 및 솔루션 개발 후 얻게 된 이점 :
NI에서 제공되는 정규 교육 과정을 수강하고 LabVIEW에서 제공하는 Toolkit들을 활용하여 프로그램의 제작과 검증에 소요되는 시간을 최소한으로 줄일 수 있었다. 이를 통하여 기존 개발 기간보다 시간 및 인력을 최소화하여 진행할 수 있었으며 1개월 내에 기본적인 프로젝트를 완료할 수 있었기에 전체 프로젝트에 영향을 주지 않으면서 시스템 업그레이드를 진행할 수 있었다.
cFP에서 자체적으로 제공되는 서버기능을 이용하여 추가적인 서버 구입비용 및 시간을 절약할 수 있었다. 또한 외주 업체와 공동 개발 시 거리, 시간상의 제약으로 인한 개발 지연 및 비용 증가를 방지할 수 있었다. 자체적으로 LabVIEW및 cFP를 사용하여 제어 시스템을 구현하는 것으로 고난도 프로그래밍이 가능하였으며 외주 업체를 통하지 않아 요소 기술의 확보와 외부 누출을 막을 수 있었다.

 

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장해룡 연구원
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