HydrogenSource - LabVIEW Datalogging & Supervisory Control 모듈을 이용한 연료 전지 촉매 연구 자동화 시스템 개발

Author(s):
Robert O. Hamburger,Loyd Ploense 선임엔지니어,수석엔지니어 - Bloomy Controls Inc, HydrogenSource

Industry:
Oil and Gas/ Refining/ Chemicals

Products:
Datalogging and Supervisory Control, Data Acquisition

The Challenge:
연료 전지용 수소 생성에 사용되는 화학 촉매를 평가하기 위해 수백 가지 제어 매개변수를 처리해야 하는 복잡하고 지루한 실험을 자동화해야 한다.

The Solution:
HydrogenSource에서 실험용 촉매 반응장치의 다양한 프로세스 제어 요소를 자동으로 제어하고 데이터를 수집할 수 있도록 유연한 LabVIEW 기반의 사용자 구성이 가능한 제어 및 데이터 수집 시스템을 개발

연료 처리 시스템의 시스템 요구조건 수립
연료 전지는 수소와 산소를 결합하여 전기, 열 및 물을 만들어내는 전기화학적 장치입니다. 연료 전지는 연소 없이 작동하여 공해가 거의 없습니다. 수소는 아직 이 어플리케이션에 공급이 쉽지 않기 때문에 가솔린과 천연가스와 같이 현재 일반적으로 이용할 수 있는 연료로부터 수소를 만들기 위한 촉매 기반 연료 처리 시스템(FPS)이 필요합니다.
United Technologies Fuel Cells Corp.(UTCFC)과 Shell Oil Company 간의 합작 투자사인 HydrogenSource는 연료 전지와 수소 연료 시장에 연료 처리기와 수소 생성 시스템을 개발, 제조 및 판매합니다. 현재, HydrogenSource는 FPS 촉매와 관련 구성 요소를 평가하기 위한 연구와 엔지니어링 프로젝트를 진행하고 있습니다.
이 연구를 위해서는 온도, 유량, 압력 및 가스 조성과 같은 수 많은 프로세스 매개변수를 수분에서 몇 개월 동안 제어하고 모니터링해야 하는 실험용 화학 반응장치를 이용해야 합니다. 이전의 수작업에 의한 모니터링 방법은 매우 노동 집약적일 뿐 아니라 사람의 실수도 잦고 양과 질적인 면에서 필요한 데이터를 제공하지 못했습니다. Bloomy Controls는 HydrogenSource이 새로 조직한 FPS 실험실에서 자동화된 작업과 데이터 수집을 이용할 수 있도록 일련의 시스템을 지정, 설계 및 구현했습니다. 각 반응장치에서 수행하는 테스트는 실험마다 크게 다르기 때문에 이 실험실에는 유연한 계측 구성과 제어가 필요하며 시스템을 설계할 당시 계획한 모든 실험을 완전히 정의하지 않았습니다. 이 어플리케이션은 두 반응장치 간에 고가 분석 계측기의 도가니를 함께 사용했기 때문에 특히 어려웠습니다. 프로세스를 연속적으로 관리하고 매우 다양한 센서, 트랜스듀서 및 제어를 수용하는 동시에 다양한 실험을 위해 쉽게 재구성할 수 있고 대량의 데이터를 수집하는 시스템 설계의 요구조건을 성공적으로 만족시켰습니다.

유연하고 효과적인 SCXI 플랫폼 구현
당사의 이중 반응장치 하드웨어 구성은 한 쌍의 촉매 반응장치를 제어하기 위한 일반적 구성 요소 셋업과 다르지 않습니다. 각 반응장치에는 고유한 제어 PC가 있고 각 반응장치 내부에는 E 시리즈 DAQ 카드가 관련 SCXI 섀시와 인터페이스를 이루고 있습니다.

 

실험용 촉매 반응장치

이 SCXI 구성을 통해 온도, 압력, 유속 및 프로세스 경보를 함께 수집합니다. 상대적으로 많은 수의 다양한 매개변수가 있고 이 각각에 서로 다른 신호 전처리 방법이 필요하며, 더욱이 순간적 측정을 위해 빠른 수집 속도로 신호를 포착해야 했기 때문에 SCXI는 이 시스템을 위한 이상적 플랫폼이었습니다. DIN 레일에 커넥터와 터미널 블록을 장착하여 다양한 유형의 센서, 트랜스듀서 및 액츄에이터를 간편하게 연결할 수 있습니다.
RS-485 인터페이스에서 직렬 통신 명령을 사용하여 고출력 PID 온도 컨트롤러와 일련의 지능형 유량 컨트롤러를 제어합니다. 세 번째 PC는 공유된 리소스 서버로 작용하여 RS-485를 통해 32루프 PID 온도 컨트롤러, 모션 제어 모듈, NDIR 분광계 및 모터 작동 시료 채취 밸브와 통신합니다. LabVIEW Datalogging & Supervisory Control 모듈 네트워크 태그와 VI 서버 링크를 결합시켜 실험실의 기존 이더넷 연결을 통해 통신함으로써 개별 반응장치의 각 PC는 서버로 명령을 보내고 서버에서 데이터를 수신하는 클라이언트로 작용합니다.
이러한 아키텍처를 통해 HydrogenSource는 각 반응장치를 독립적으로 제어하면서 공통 실험실 리소스를 동시에 공유할 수 있습니다.

 

이중 반응장치 하드웨어 구성, 클라이언트-서버 아키텍처를 보여줌

LabVIEW Datalogging & Supervisory Control 모듈을 사용하여 유연한 소프트웨어 구성 요소 설계
FPS 촉매 실험에서는 보통 프로세스 매개변수를 일정한 값으로 유지하거나 원하는 설정까지 선형적으로 변화시켜 시간에 따라 일련의 단계를 진행하고 시스템의 성능을 나타내는 데이터를 수집합니다.
정교한 레서피 방식의 아키텍처를 구성하여 실험 연구원이 매우 다양한 테스트 프로토콜을 정의하고 실행하도록 유연성을 주었습니다. LabVIEW Datalogging & Supervisory Control 모듈을 사용하여 이 시스템을 구성하는 두 가지 주요 소프트웨어 구성 요소인 Recipe Editor(레서피 편집기)와 Automation Engine(자동화 엔진)을 작성했습니다.
시스템의 첫 번째 구성 요소는 전면 패널이 있는 Recipe Editor입니다. 실험 테스트의 각 단계에는 단계의 지속 시간(초), 각 제어 프로세스 매개변수에 대한 설정값, 경고 상한 및 하한 값의 정의 그리고 홀딩과 루핑 등의 레서피 시퀀스 제어와 같은 속성이 포함됩니다. 어떤 단계에서도 사용자가 Hold 기능을 실행하면 단계가 끝날 때 레서피가 중단됩니다. Continue 버튼을 누르면 자동 레서피 시퀀스 진행이 다시 시작됩니다. 프로그램 루핑 기능으로 사용자는 루프백할 단계와 루프 반복 수를 선택할 수 있습니다. 또한 문서화를 위해 사용자가 각 단계에 간단한 설명 문구를 입력할 수 있도록 설계했습니다. Insert, Delete, Go To Next Step, Go To Previous Step 등의 직관적인 편집 명령을 사용하여 레서피를 쉽고 빠르게 편집할 수 있습니다. 레서피는 수정된 Windows 스타일 .ini 형식으로 저장됩니다. 헤더 부분에는 각 매개변수 유형의 수와 종류, 단계 수 등과 같은 전체 시스템 설정을 설명하는 키가 있고 각 형식 부분에는 숫자가 매겨진 각 레서피 단계의 상세한 값이 들어 있습니다.
두 번째 주요 소프트웨어 구성 요소는 Automation Engine입니다. 이 VI의 프런트패널에는 앞에서 설명한 설명적 레서피 정보와 함께 시스템 매개변수의 현재 값이 모두 포함되어 있습니다. 모드 제어 버튼을 통해 사용자는 선택한 레서피의 실행을 시작하거나, 현재 레서피 단계에서 일지 정지하거나, 현재 레서피의 실행을 중단하는 등 시스템을 쉽게 작동시킬 수 있습니다. 또한 Automation Engine에는 가상 수동 제어 패널이 있어 제어되는 모든 밸브의 설정값을 채널별로 직접 설정할 수 있습니다. 이 기능으로 사용자는 현재 처리법에 관계 없이 개별 매개변수 값을 수정하여 프로세스를 최적화하거나 수동으로 조절할 수 있습니다. 수집 방법을 혼용하여 사용 가능한 하드웨어 리소스를 효율적으로 사용할 수 있습니다. 사용자 정의 직렬 서버를 작성하여 유량 컨트롤러와 기타 분석 계측기를 제어했으며 Lookout 프로토콜 드라이버는 외부 PID 컨트롤러와의 직렬 Modbus RTU 통신을 지원합니다. 모든 설정값과 측정 매개변수는 Datalogging & Supervisory Control 모듈의 태그 엔진을 통해 Citadel 데이터베이스에 기록됩니다. 프로그램 방식의 DAQ 명령으로 SCXI 하드웨어를 관리하여 저속 및 고속 수집 모드를 처리합니다. 정상상태 실험 중에 사용자는 메모리 태그에 SCXI 채널을 작성할 수 있습니다. 사용자가 100Hz 이상 속도로 시료를 채취해야 하는 경우 기존의 스프레드시트 파일에 직접 데이터를 작성할 수 있습니다. 유연한 추출 도구와 LabVIEW Datalogging & Supervisory Control 모듈의 기본 이력 경향 뷰어를 통해 사용자는 데이터를 직접적으로 처리하고 수집한 데이터를 볼 수 있습니다. 이러한 유틸리티는 데이터를 관리하고 검토하는 자동화 시스템의 기능을 보완합니다.

높은 효율성 제공
1년 이상의 기간 동안 HydrogenSource에서 여러 버전의 시스템을 성공적으로 운영했으며 연구원은 이제 복잡한 장시간의 실험을 거의 자동으로 수행하고 있습니다. 내쇼날인스트루먼트 제품을 사용한 이 자동화 시스템 덕분에 현재까지 수동 제어, 모니터링 및 데이터 수집에서 10,000시간 이상을 절약한 것으로 평가됩니다. Bloomy Controls의 솔루션은 HydrogenSource가 깨끗하고 효율적인 차세대 전기 에너지로 각광 받을 연료 전지의 연료 처리 기술 개발에서 최고의 자리를 지키도록 도움을 주었습니다.

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Robert O. Hamburger,Loyd Ploense 선임엔지니어,수석엔지니어
Bloomy Controls Inc, HydrogenSource

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