렉소엔지니어링 - 하수처리장 슬러지 자동 측정

Author(s):
민준기 팀장 - 렉소엔지니어링

Industry:
Water/Wastewater

Products:
CompactRIO, LabVIEW, Portable DAQ

The Challenge:
하수처리장에서는 사람이 일일이 침전지의 슬러지 양을 측정하면서 슬러지의 양을 관리하고 있다. 센서를 장착하여도 센서에 슬러지가 들러붙게 되어 센서 측정이 부정확해지는 현상이 발생한다.

The Solution:
슬러지로 인한 센서의 오염을 막고 하수슬러지의 양을 실시간으로 측정하여 관리자가 하수처리의 이상유무를 바로 알 수 있도록 하였고 하수처리장을 자동화할 수 있도록 하였다.

요약 :
하수처리장에서의 하수 슬러지 측정 자동화는 하수처리비용을 획기적으로 줄일 수 있는 방법이다. 그러나 슬러지가 측정센서를 오염시키기 때문에 하수처리장에서의 자동측정은 이루어 지지 않고 있다. 본 제품의 개발은 슬러지로 인한 센서의 오염을 막고 하수슬러지의 양을 실시간으로 측정하여 관리자가 하수처리의 이상유무를 바로 알 수 있도록 하였고 하수처리장을 자동화할 수 있도록 하였다.

개발 배경 :
하수처리장에서는 사람이 일일이 침전지의 슬러지 양을 측정하면서 슬러지의 양을 관리하고 있다. 센서를 장착하여도 센서에 슬러지가 들러붙게 되어 센서 측정이 부정확해지는 현상이 발생한다. 즉, 슬러지 양의 관리가 되지 않아서 슬러지를 다시 반송시키거나 태워버리는 과정이 반복되고 있었다. 이를 해결하기 위해서 센서의 오염을 해결할 수 있는 방법을 찾아내고 제품을 테스트하여 실제 적용할 수 있는 시제품을 생산하는 것이 목표이다.
막연한 아이디어를 테스트 하고 제품화하기 위해서 시스템을 외주 처리 하기에는 개발의 비밀이 보장되지 않고 비용도 많이 들 수밖에 없다. 또한 이런 일을 해줄 수 있는 업체를 찾기란 쉽지가 않다. 그래서 테스트 제품과 생산 제품 모두 쉽고 빠르게 적용할 수 있는 NI 제품을 선택하였다.

본론 :
하드웨어

그림 1. 슬러지 자동측정을 위한 CompactRIO 시스템 구성도

슬러지계면의 자동측정을 위한 CompactRIO 시스템은 계면측정을 위한 센서, 모터 구동, 엔코더 신호 및 리미트 센서 신호를 위해 그림 1에서와 같이 구성을 하였다.
모터를 구동시켜서 센서를 원하는 위치로 옮긴 후 센서에서 들어오는 전압을 측정하였으며, 각각의 깊이에서 전압을 측정한 후 신호를 분석하여 침전지의 슬러지의 계면을 구할 수 있다.
또한 TPC-2006을 채택하여, 슬러지 계면 측정 시스템이 설치된 곳에서도 쉽게 컨트롤 및 모니터링이 가능하게 하였으며, CompactRIO의 이더넷 라인을 이용하여 여러 대의 CompactRIO 시스템을 통합 감시 및 모니터링이 가능하도록 구현하였다.

그림 2. CompactRIO로 구현된 슬러지 자동측정 시스템

소프트웨어
초기 작업을 쉽게 하기 위해서 USB-6009 및 PCI-6221를 LabVIEW 8.20 (한글판)으로 구현하여 센서값 측정 및 특성에 대한 분석을 우선적으로 시행하였다. 위 작업을 통하여 빠르게 데이터의 검증 및 시스템의 작동 유무를 검증할 수 있었으며, 신뢰성을 확보한 로직을 CompactRIO에 임베디드하여 슬러지 자동측정 시스템을 구현하였으며 완성된 프런트 패널과 블록다이어그램은 아래 그림 3 및 그림 4와 같다.

그림 3. 슬러지 자동측정 시스템 프런트패널

그림 4. 슬러지 자동측정 시스템 블록다이어그램

측정 결과
하수 슬러지의 계면을 연속적으로 측정 할 수 있고 깊이에 따른 농도 변화도 측정할 수 있다. 또한 측정 장비와 슬러지를 이송시키는 펌프를 연동시킨다면 원하는 슬러지의 계면 시간과 계절에 관계없이 일정하게 유지 시킬 수 있다.

그림 5. 슬러지 자동측정 결과

결론 및 솔루션 개발 후 얻게 된 이점 :
본 시스템의 구현으로 인하여 하수처리장을 관리하는 관리자들이 슬러지의 양을 수동으로 측정 및 조절해야 하는 어려움을 해소하였으며, 여러 지점에서의 하수처리 상태를 중앙 원격모니터링을 통하여 실시간으로 감시할 수 있었다. 또한 슬러지 반송 및 소각 과정의 생략으로 인하여 관리비용을 줄일 수 있는 장점을 가지게 되었다.
프로토타이핑 및 배포를 LabVIEW 단일 언어로 구현하여 개발시간을 단축할 수 있었으며 최종으로 제품개발에 적용한 FPGA 기반의 CompactRIO 시스템의 강인성, 신뢰성, 독립성, 분산제어의 용이성 등의 장점으로 인하여 성공적으로 제품개발을 마무리할 수 있었다.

NI 솔루션을 선택한 이유 :
1. 그래픽 기반의 언어인 LabVIEW를 채택하여 개발시간을 단축시킬 수 있으며, 디자인, 프로토타입, 배포를 LabVIEW 단일언어로 구현할 수 있음.
2. 기존에 LabVIEW 소프트웨어에 익숙하였으며, 하드웨어의 경우 다양한 플랫폼을 제공하기 때문에 시스템 및 설계 변경에도 유연하게 적용할 수 있음.
3. CompactRIO 시스템은 온도, 습도, 먼지 등의 열악한 환경에도 신뢰성 있게 작동 가능하며, 분산제어 및 어플리케이션을 배포하는데 용이함.

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민준기 팀장
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