SK 주식회사 - VTMS (Vacuum Tank Monitoring System)

Author(s):
김진철 수석연구원 - SK 주식회사 대덕기술원

Industry:
Oil and Gas/ Refining/ Chemicals

Products:
LabVIEW, FieldPoint

The Challenge:
공정을 컴퓨터로 실시간 monitoring하고 문제가 발생할 경우 즉각 alarm을 발생시켜 작업자가 신속히 대처할 수 있는 Vacuum Tank Monitoring System 구축 프로젝트를 당사와 관계사가 공동으로 수행하게 되었다.

The Solution:
VTMS (Vacuum Tank Monitoring System)는 제조공정 monitoring system을 LabVIEW와 FieldPoint를 사용하여 구현한 system이다.

요약
VTMS (Vacuum Tank Monitoring System)는 제조공정 monitoring system을 LabVIEW와 FieldPoint를 사용하여 구현한 system이다. (통상 공정 많은 I/O point가 있는 monitoring system을 구축하기 위해서는 PLC와 HMI 같은 H/W, S/W를 사용하는데 NI사의 FieldPoint와 LabVIEW를 사용해서도 효율적인 system을 구축할 수 있으며 당사 경우가 그러한 면에서 좋은 예라고 생각되어 정리해 보았다.)
이 system은 capacitor 제조공정에서 capacitor oil을 함침 (impregnation) 하는데 사용되는 15기의 vacuum tank에 대한 온도와 vacuum값을 monitoring하는 s/w로서 vacuum tank 1기당 1개의 vacuum sensor와 3~4개의 temperature sensor (T/C)가 연결되어 있어 vacuum sensor 총 15개, temperature sensor 총 37개의 input과, 비정상적 상황에 대처하기 위한 alarm을 나타내기 위하여 1개의 output이 FieldPoint에 연결된다. 공정상황을 display하는 PC에서는 vacuum tank별로 동작상황을 표시하여 15개의 vacuum tank에 대한 운전현황을 독립적으로 혹은 전체적으로 monitoring할 수 있다. 또한 LabVIEW의 remote control 기능을 활용하여 원격지에서도 운전현황을 monitoring 할 수 있고 vacuum tank별 data logging 기능을 제어할 수 있다.

개발배경
당사 관계사에서 당사 oil 제품을 사용하여 제조된 전자부품인 capacitor에 불량이 발생하여 S전자로 납품된 수십억원어치의 capacitor전량이 claim을 당하는 일이 발생하였다. 문제의 원인은 제조공정중 vacuum tank에서 일시적으로 vacuum level이 상승하여 capacitor oil이 충분히 함침되지 못한데 있었다. 이때까지 공정 monitoring은 작업자에 의해 30분 혹은 1시간 간격으로 주기적으로 행해졌으나 점검하는 사이에 문제가 발생할 경우 공정 이상이 체크되지 않는다. 따라서 공정을 컴퓨터로 실시간 monitoring하고 문제가 발생할 경우 즉각 alarm을 발생시켜 작업자가 신속히 대처할 수 있는 Vacuum Tank Monitoring System 구축 프로젝트를 당사와 관계사가 공동으로 수행하게 되었다.

본론
이번 project의 핵심은 LabVIEW로 총52 point의 input과 1 output에 대한 monitoring S/W를 작성하되 15개 vacuum tank 동작을 독립적으로 monitoring하기 위해 vacuum tank별로 vacuum 및 temperature chart를 사용하여 총 30개의 chart 및 15 set의 table 및 numeric display를 처리하는 방법과 그러한 monitoring 화면을 인터넷을 통하여 외부에서도 monitoring 및 control할 수 있게 하는 것이다. 다음에 이 시스템에 대해 상세히 설명한다.

1. Vacuum Tank
Vacuum tank는 아래 그림1과 같은 형태이며 함침할 capacitor와 capacitor oil을 이 vacuum tank에 넣고 진공상태로 만들어 주면 capacitor 내부의 작은 구멍에 있는 공기가 빠져 나오고 그 속을 capacitor oil이 채워지도록 하는 공정이다. 이 공정에서는 일정 level 이하의 진공이 일정한 시간동안 지속되도록 유지해 주는 것이 중요하다.

그림1. Vacuum Tank

2. System Overall Configuration
아래 그림2.에 전체적인 system configuration을 나타내었다.

그림2. Overall system configuration

3. 주요 기능
주요기능을 요약하면 다음과 같다.
- Vacuum tank별 독립적 측정 기능
1) Current trending
2) History trending
3) Data logging 및 back-up 기능
- Remote control & monitoring 기능
- System set-up 기능
- Overall status 확인 기능
- Report 출력 기능

4. H/W Configuration
현장의 vacuum tank가 8기와 7기씩 두 그룹으로 거리가 약간 떨어져 있기 때문에 FP-1601 module을 두개를 사용하여 Bank1 = FP-1601+FP-AI-110*1+FP-TC-120*2, Bank2 = FP-1601+FP-AI-110*1+FP-TC-120*2+FP-RLY-422로 구성하였다. 그들 module은 hub에 접속되어 main control computer에 연결되며 remote control computer 및 remote monitoring computer는 internet을 통하여 연결된다.
Vacuum tank 주위에는 여러대의 모터가 수시로 가동되고 고압선이 지나가는 등electrical noise에 의한 system 불안정성의 가능성이 있었으나 적절한 grounding 및 shielding처리로 시스템 설치 후에 특별히 electrical noise등에 의한 문제점을 발견할 수는 없었다.

5. S/W 구성 및 Block Daigram
S/W는 몇 개의 몇개의 module이 parallel하게 작동하며 loop의 사용을 최소화하기 위해 Event처리가 가능할 경우 가급적 Event structure를 사용하였다. 다음 그림3은 전체적인 S/W의 구성을 나타내며 그림4는 LabVIEW block diagram을 부분적으로 나타내고 있다.

그림3. S/W 구성

그림4. LabVIEW Block Diagram

6. 화면설명
다음 그림5.는 주화면의 Front Panel을 나타낸다.

그림5. 주화면의 Front Panel

상단의 LED 및 numeric display는 작동중인 vacuum tank 및 그 vacuum tank의 현재 vacuum값을 한눈에 알 수 있게 한다. Numeric display 밑의 버튼으로는 vacuum tank별 data logging을 start/stop할 수 있으며 monitoring중일 때는 blink되어 작동여부를 알 수 있게 한다. 운전중인 vacuum tank의 운전현황 data는 vacuum chart 및 temperature chart에 기록되며 동시에 하드디스크에 text file 형태로 기록이 된다.
좌측의 각종표는 “SETUP”창에서 입력한 파라미터들이 표시되는 곳이며 작업자가 작업중 중요 사안을 아래쪽 table에 기록할 수도 있다. 두개의 chart와 두개의 graph는 vacuum값과 temperature를 나타내고 있으며 chart는 현재 logging되고 있는 값을 graph는 지금까지 logging된 전체값을 표시하는데 사용된다. 중앙 아래부위에는 작동시간을 나타내고 있는데 vacuum 공정에 수십시간이 소요되므로 경과시간을 참고하는데 유용하다.
이러한 좌측의 표와 중앙부위의 chart는 우측하단의 select switch를 통하여 vacuum tank별로 표시된다. 15개 vacuum tank의 동작이 한번에 시작되고 완료된다면 input point가 많아도 비교적 간단하게 data 처리를 할 수 있으나 15개 vacuum tank의 동작 시작과 종료가 독립적으로 이루어지므로 15개 vacuum tank의 동작을 개별적으로 monitoring할 수 있는 기능이 필요하였다. 이 기능을 위해 LabVIEW의 parallel loop과 attribute 기능을 활용하여 총 15*2=30개의 chart 및 15 set의 table및 numeric display가 동시에 작동을 하지만 선택된 vacuum tank의 운전현황만 표시되도록 하였다. 이러한 방법을 착안했을 때, 한 두개도 아니고 총 30개의 chart 및 15 set의 table을 화면에 표시하면서 측정 data를 file에 실시간으로 logging해야 하는 것과 작성후 S/W의 용량 등의 측면에서 우려를 하였으나 실제도 프로그램이 완료된 후 compile해 본 결과 2.9 MB의 실행파일 크기에 동작속도면에서 전혀 문제점을 느낄 수 없었다.
오른쪽 하단의 “MORE” 버튼은 History Graph를 update시킬 때 사용하며 이 버튼을 누르면 지금까지 logging된 data가 전부 display된다. “REPORT” 버튼은 작업후 작업상황 전반에 대한 보고서를 작성할 때 사용한다. 이 보고서 작성 기능만 해도 작업자들의 수고를 대폭 줄여준 것으로 평가되고 있다. 즉, 공정작업이 끝나면 작업자가 매번 수기로 vacuum tank별로 작업결과 보고서를 작성하는 상당한 번거로움이 있었으나 이 버튼만 누르면 보고서가 자동생성됨으로써 작업자들이 노력이 대폭 줄어들게 된 것이다. 다음 그림6.은 “REPORT” 버튼을 누를 경우 나타나는 report 화면으로 상단의 확인 button을 누르면 보고서가 HTML형태로 작성되고 internet browser에 표시된다.

그림6. REPORT 화면

왼쪽하단의 버튼 중 “STATUS”버튼을 누르면 그림7.과 같은 화면이 나타난다. 때로는 작업자들이 전체적인 상황을 한눈에 파악할 수 있도록 넣어둔 기능인데 실제로 작업자들이 이 화면을 띄워 놓고 전체적인 vacuum tank 상황을 파악하는데 자주 사용하고 있다.

그림7. STATUS 화면

“SETUP” 버튼을 누르면 그림8.과 같은 화면이 나타나는데 작업시 필요한 사항과 monitoring시 필요한 설정 및 vacuum sensor의 calibration parameter를 입력을 하는 화면이다.

그림8. SETUP 화면

“INFO” button을 누르면 프로그램 버전 및 시스템개발자에 대한 연락처가 있어 시스템관련하여 필요한 연락을 취할 수 있도록 하였으며 “EXIT”는 S/W를 종료시킬 때 사용하며 작업자가 실수로 종료시키는 것을 방지하기 위하야 작업자가 이 버튼을 누르면 종료의지를 다시 한번 묻는 창이 나타난다.

결론
VTMS (Vacuum Tank Monitoring System)를 구축함으로써
1. 품질사고 방지
- 실시간 monitoring을 통한 공정감시가 가능해져 공정상에 일시적으로 vacuum level이 상승하는 등의 문제 발생시 즉각적인 대처가 가능해짐.
2. 제품 품질향상
- 제품불량이 발생할 경우 logging된 data에 의해 원인추적이 가능함으로써 운전현황을 파악하여 운전조건을 최적화하는 공정개선이 이루어지고 결과적으로 생산되는 제품의 품질이 향상됨.
3. 공정 운영 효율화
- 주기적인 vacuum tank 관찰 및 작업보고서 작성 등에 필요한 인력 소요가 대폭 감소됨으로써 작업인력의 효율적인 운영이 가능해짐.
등의 직간접적인 효과를 보고 있으며 금전적인 가치는 시스템 구현에 소요된 비용과 비교할 수 없을 정도로 크다. 당사와 관계사는 이 시스템을 관계사의 해외 공장 두 곳에 추가 설치하여 공정을 remote monitoring 함으로써 자사 전공정을 통합 monitoring하는 시스템을 구축할 계획을 갖고 있다.

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김진철 수석연구원
SK 주식회사 대덕기술원

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