㈜퓨얼셀파워 - FieldPoint를 사용한 가정용 연료전지 발전시스템 원격제어 및 감시

Author(s):
오성진 선임연구원 - (주)퓨얼셀파워

Industry:
Energy/Power

Products:
LabVIEW, FieldPoint

The Challenge:
개발초기에 다양한 제어 플랫폼을 검토한 결과 PLC로는 원하는 기능의 프로그램을 구현하기 매우 어려웠고, Micom 기반으로 구축하기에는 비용 및 시간이 많이 소요될 것으로 예상하였다. NI에서 PAC의 개념으로 개발된 FieldPoint는 이러한 고민을 해결해 줄 좋은 대안이었다.

The Solution:
가정용 연료전지 발전시스템(RPG, Residential Power Generator)의 제어, 원격감시 및 데이터 수집을 위하여 LabVIEW와 FieldPoint를 사용하였다.

요약 :
가정용 연료전지 발전시스템(RPG, Residential Power Generator)의 제어, 원격감시 및 데이터 수집을 위하여 LabVIEW와 FieldPoint를 사용하였다. RPG시스템 제어에 필요한 복잡한 알고리즘은 일반 PLC와 Ladder 프로그램을 사용하여 구현하기는 매우 어려웠으나, FieldPoint를 사용함으로써 다양한 알고리즘을 LabVIEW를 통해 쉽게 구현할 수 있었으며, Web Publishing을 통해 원격지에서도 Web Browser를 통해 제어 및 모니터링이 가능하였다.

개발 배경 :
가정용 연료전지 발전시스템(이하 RPG, Residential Power Generator)은 연료의 에너지를 전기화학반응을 통해 직접 전기에너지로 변환시키는 장치인 연료전지를 가정용 발전기로 응용 개발한 시스템으로써 연료는 주로 도시가스 혹은 LPG를 사용한다. RPG 내부는 연료전지 이외에 연료개질기, 전력변환기 및 기타 부속장치들로 이루어져 있으며 이를 제어하기 위하여 다수의 온도, 전압, 전류 등의 아날로그 입출력 및 밸브 및 전동기 구동을 위한 디지털 입출력이 요구되었다. 또한 다른 계측기 제어를 위하여 RS485통신 프로그램도 필요하였다. 개발초기에 이러한 기능들을 구현하기 위하여 다양한 제어 플랫폼을 검토한 결과 PLC로는 원하는 기능의 프로그램을 구현하기 매우 어려웠고, Micom 기반으로 구축하기에는 비용 및 시간이 많이 소요될 것으로 예상하였다. NI에서 PAC의 개념으로 개발된 FieldPoint는 이러한 고민을 해결해 줄 좋은 대안이었다. 프로그래밍을 LabVIEW로 할 수 있어서 개발기간이 상당히 단축되었으며 자체 컨트롤러를 통해 PC없이 Stand-Alone으로 운전이 가능하였으며 PLC이상의 신뢰성을 보장하였다.

본론 :
RPG 시스템은 아래의 그림 1과 같이 크게 연료전지 스택, 연료 개질기, 전력변환기 및 부속장치의 4가지로 구성되어 있으며 시스템 제어기는 이들 구성부품이 유기적으로 작동할 수 있도록 설계된 알고리즘에 따라 아날로그 입출력 및 디지털 입출력을 수행할 수 있어야 하며 외부 PC 연결 없이 자체 컨트롤러를 통해 이러한 기능을 수행할 수 있는 능력이 요구되었다.

그림 1. RPG Schematic

특히 원격 감시를 위해 이더넷 통신기능이 필요하였으며 전력변환기와는 RS485통신을 사용해 제어를 수행해야만 하였다. 이를 위하여 이더넷 인터페이스를 갖고 있는 FP-2000 컨트롤러를 사용하였으며, 컨트롤러에 기본으로 내장되어 있는 RS232 포트에 신호변환기를 장착하여 전력변환기와의 RS485통신을 구현하였다. 그림 3에 통신 관련 블록다이어그램을 나타내었다.
제어기를 구성하면서 부딪힌 또 다른 어려움은 FP-2000 컨트롤러에 부착할 수 있는 모듈 수의 제한이었다. 개발 중인 RPG시스템은 프로토타입 수준이므로 제어에 필요한 센서 이외에도 성능평가를 위한 수많은 센서들이 장착되어있다. 따라서 아날로그 및 디지털 I/O의 수가 상당히 많이 요구되었는데, FP-2000 컨트롤러에 부착할 수 있는 최대 모듈의 개수는 8개가 한계였고 실제 필요한 모듈의 수는 10개였다.

그림 2. 프런트패널

그림 3. 시리얼 통신관련 블록다이어그램

해결책으로 이더넷 인터페이스 모듈인 FP-1601을 적용하여 8개의 I/O 모듈은 FP-2000 컨트롤러에 장착하고 나머지 2개의 I/O 모듈을 FP-1601 쪽에 장착하였다. FP-1601에 장착된 I/O모듈의 입출력은 그림 4와 같이 데이터소켓 방식을 사용하여 해결하였다.

그림 4. Data Socket 통신 관련 블록다이어그램

RPG 시스템 제어에 있어서 또 하나의 요구사항으로는 다수의 온도제어가 필요하며, 특히 단순 ON/OFF 제어가 아닌 PID 제어 알고리즘을 통해 빠르고 정확한 제어기법이 요구되었다. PLC Ladder프로그램으로는 구현이 어려운 이러한 문제는 LabVIEW를 사용하여 그림 5와 같이 쉽게 해결할 수 있었으며 결과는 아주 만족할 만한 수준이었다.

그림 5. 온도제어관련 block diagram

결론 및 솔루션 개발 후 얻게 된 이점 :
리얼타임 컨트롤러를 내장한 FieldPoint를 사용하여 다수의 아날로그 및 디지털 I/O를 갖는 가정용 연료전지 발전시스템(RPG)의 제어기를 구축하였으며, 이를 통하여 PC연결 없이 자체적으로 온도 및 유량제어에 필요한 복잡한 알고리즘을 구현할 수 있었고 RS485통신으로 다른 장비 제어가 가능하였다. 또한 LabVIEW에서 기본으로 지원하는 Web Publishing기능을 이용하여 실제 RPG가 설치된 곳이 아닌 원격지에서 LabVIEW없이 Web Browser만으로 RPG의 성능을 모니터링 할 수 있었으며 제어도 가능하였다.
위에서 서술한 기능들은 기존의 PLC와 Ladder 프로그램으로는 구현하기 매우 어려운 기능들이었으며, Micom 기반으로 제작하기에는 개발기간과 비용 면에서 불합리하였다. 특히 RPG 시스템과 같이 개발이 진행 중인 경우, LabVIEW와 FieldPoint로 구축한 현재의 솔루션은 관련 엔지니어들이 쉽게 제어 프로그램을 수정 및 평가할 수 있어 개발 기간 단축에 많은 도움을 줄 수 있었다.

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오성진 선임연구원
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