한국가스공사 - 도시가스 노출배관 안전 모니터링 시스템

Author(s):
홍성경 책임연구원 - 한국가스공사 연구개발원

Industry:
Oil and Gas/ Refining/ Chemicals

Products:
LabVIEW, FPGA Module, Real-Time Module, CompactRIO

The Challenge:
노출 가스 배관의 안전성을 확보하기 위해서는 24시간 상시 모니터링 시스템이 필요하며, 열악한 환경에서도 정상 작동하는 신뢰성 높은 시스템이 개발되어야 한다.

The Solution:
도시가스 노출배관 안전 모니터링 시스템은 사고가 발생할 경우 가스 공급의 중단은 물론 광범위한 피해가 발생할 수 있는 노출 가스배관의 구조적 안전성을 감시하기 위해 개발된 안전관리 시스템이다. 안전 모니터링 시스템은 도로 건설 현장이나 교량과 같은 열악한 환경에 설치되고 24시간 상시 모니터링을 수행해야 하기 때문에 그 어느 시스템 보다 높은 신뢰성이 요구된다. 시스템의 구성으로 하드웨어는 CompactRIO, 소프트웨어는 LabVIEW 8.20 (한글판), LabVIEW Real-Time Module, FPGA Module를 사용하였다. 이 시스템은 노출 가스배관의 구조적 안전을 확보하기 위한 안전 모니터링 시스템으로 24시간 감시체계를 지원하며 열악한 환경 조건에서도 정상적으로 작동하는 신뢰성 높은 시스템을 목표로 개발하였다.

2007 버추얼 인스트루먼트 고객솔루션 콘테스트 1등

개발 배경
도시가스 노출배관 안전 모니터링 시스템은 사고가 발생할 경우 대규모의 피해가 발생할 수 있는 노출 가스배관의 구조적 안전성을 감시하기 위한 안전 관리 시스템이다. 배관이 매설된 지역에 지하철 공사, 지하 차도 공사 등 굴착 공사가 발생하면 배관이 노출되며 이를 가스배관의 입장에서 타공사라고 한다. 이러한 타공사가 시작되면 매달기방호 방법을 이용하여 노출된 배관을 보호하게 되는데, 배관이 노출되면 위험도가 증가하기 때문에 현장에 상주하거나 순회 점검 주기를 짧게 하여 안전 관리를 강화하고 있다.
또한 도시가스 배관 중에는 교량에 부착되어 있는 교량 첨가 노출 배관이 상당수 존재하며, 이러한 교량 첨가 배관은 초기에 배관을 완벽하게 시공했다 할지라도 시간의 경과에 따른 경년 변화, 배관 고정 지지물의 탈락, 교량 구조물의 이상 발생, 고의적인 배관 훼손 가능성 등으로 안전관리에 많은 어려움을 겪고 있는 실정이다. 따라서 노출 가스 배관의 안전성을 확보하기 위해서는 24시간 상시 모니터링 시스템이 필요하며, 열악한 환경에서도 정상 작동하는 신뢰성 높은 시스템이 개발되어야 한다.

그림 1. 지하철 노출 배관 공사 현장


그림 2. 교량 첨가 도시 가스 배관

본론
시스템은 NI에서 개발한 CompactRIO Real-Time Embedded Controller인 cRIO-9004와 3M 게이트 섀시 (cRIO-9103)를 베이스로 구성하였다. 노출 배관의 진동을 측정하기 위해서 CompactRIO 전압 아날로그 입력 모듈(cRIO-9201)과 노출 배관의 응력을 측정하기 위해서 스트레인 게이지 브리지 모듈(cRIO-9237)을 사용하여 시스템을 구성하였다.
노출 배관의 진동을 측정하기 위한 가속도계는 MEMS 방식의 가속도계를 사용하였다. 이 가속도계는 IEPE 방식의 가속도계보다 가격이 저렴할 뿐 만 아니라 선 길이의 증가에 따른 신호의 저하가 작고 동축 케이블이 아닌 일반 실드 케이블을 사용하므로 비용이 저렴한 것이 그 특징이다. 또한 스트레인 게이지는 선 길이에 의한 노이즈의 영향을 감소시킬 수 있도록 Half Bridge를 이용하여 설치하였다. 본 시스템은 진동측정용 가속계도를 모듈 당 8개까지 장착할 수 있고, 스트레인 게이지는 모듈 당 4개까지 장착할 수 있다. 따라서 현장의 규모와 센서의 특징을 감안하여 모듈을 결정하여 시스템을 구성하면 된다.
현장의 안전관리 실무자들이 위치에 무관하게 자신의 핸드폰으로 경보를 수신할 수 있도록 CDMA를 이용한 단문메시지(SMS) 발생장치와, 정확한 시간과 설치 위치 정보를 취득하기 위해서 GPS를 추가 장착하였다. CDMA와 GPS 장치는 각각 RS-232 시리얼 인터페이스로 되어 있고, CompactRIO에는 시리얼 인터페이스가 한 개만 있기 때문에 별도의 확장 시리얼 인터페이스를 장착하였지만, CompactRIO의 추가 개선이 필요한 것으로 보인다.
CDMA 발생장치와 경광등으로 보내는 경보신호를 발생시키기 위해서 디지털 출력 모듈 9472를 사용하였으며, 진동이나 스트레인에 대해서 각각 설정된 레벨을 어느 하나라도 초과하면 경보를 발령하도록 프로그래밍 하였다. 또한 진동의 발생빈도와 양상을 관찰하기 위해서 자체 메모리를 이용하여 진동과 스트레인의 발생 이력을 기록하도록 하였다. 추가적으로는 원격지에서 CDMA 접속을 이용하여 시스템의 상태를 점검하고 저장된 데이터를 수신할 수 있도록 구성하였다.

그림 3 노출배관 안전 모니터링 시스템 개략도

그림 4. 노출 배관 안전 모니터링 프로그램

시스템의 신뢰성을 좌우하는 또 하나의 요소는 적용 센서의 설치 방법에 따른 내구성과 신뢰성이다. 시스템을 설치하고 시간이 경과하면서 나타나는 문제는 시스템 자체의 문제 보다는 센서와 이를 연결하는 선로에 관한 것이 대부분이다. 따라서 스트레인 게이지 취부와 연결부의 방수처리, 진동 센서의 부착 방법이 전체 시스템의 신뢰성 확보에 중요한 요소가 되므로 주의를 기울여 설치해야 한다.

결론 및 솔루션 개발 후 얻게 된 이점
노출 배관 모니터링 시스템은 노출 배관의 24시간 안전을 확보하기 위해 만들어진 안전 모니터링 시스템이다. 따라서 짧은 기간 동안이라도 시스템의 다운이나 오작동으로 인한 이상경보가 발생되면 시스템을 불신하게 되는 것은 물론 더 나아가서 사고가 발생했을 때 대처를 할 수 없는 무용지물이 되므로, 정상적 운용을 위해서는 시스템의 신뢰성 확보가 다른 어떤 시스템보다 중요하다. 결국 시스템의 신뢰성이 노출 배관 모니터링 시스템의 성공적인 시장 진입에 필수조건이 된다. 따라서 열악한 환경에서도 정상적으로 작동하는 신뢰성 높은 장비가 필요하고 이를 구성하는 소프트웨어의 신뢰성도 높아야 한다. 이런 측면에서 NI의 CompactRIO와 LabVIEW는 신뢰성과 내구성을 겸비한 우수한 솔루션임을 확인할 수 있었다.

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홍성경 책임연구원
한국가스공사 연구개발원

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