(주)현대중공업 - 터보차져 성능 평가 시스템 개발

Author(s):
류승협 선임연구원 - (주)현대중공업

Industry:
Energy/Power

Products:
Report Generation Toolkit, SCXI, Datalogging and Supervisory Control, LabVIEW, PXI/CompactPCI

The Challenge:
터보차져 구동 시 주로 운전자의 경험과 직관에 의존하는 문제점 개선을 위해 70여 개 센서에서 취득한 데이터를 열역학적 계산을 통해 실시간으로 평가하고, 안정화 여부 및 데이터 신뢰성을 프로그램적으로 판단하여 운전시간과 횟수를 줄이기 위한 실시간 분석 시스템 개발이 계획되었다.

The Solution:
소프트웨어 개발 툴은 인터페이스 구성에 강점이 있는 LabVIEW로 선정하였으며, 본 어플리케이션에서는 데이터 획득의 신뢰성을 높이기 위해 고성능 신호 컨디셔닝을 보장하는 NI-SCXI 시스템을 주요 계측 지점 인근에 배치하여 센서와 인접한 곳에서 바로 디지털화 되도록 하였다.

해결 과제:
선박용 엔진 터보차져(Turbocharger) 구동 시 소요되는 에너지는 10MW 정도로 벙커유를 기준으로 시간당 150 만원의 많은 유류비가 소모되며, 한 개 모델에 대한 전체 운전 영역을 평가하기 위해서는 통상 8시간 정도가 소요된다. 이중 30%는 운전 조건이 변할 때마다 시스템 및 센서 응답이 안정한 상태에 도달하는 시간을 기다리기 위한 것인데, 이러한 판단은 주로 운전자의 경험과 직관에 의존해 왔다.
문제점 개선을 위해 70여 개 센서에서 취득한 데이터를 열역학적 계산을 통해 실시간으로 평가하고, 안정화 여부 및 데이터 신뢰성을 프로그램적으로 판단하여 운전시간과 횟수를 줄이기 위한 실시간 분석 시스템 개발이 계획되었다. 또한, 운전 영역의 한계를 평가하기 위해 불가피하게 실시되는 위험 영역 운전에 대한 정확한 운전 정보 제공으로 시운전 안전 확보도 꾀하였다.

그림 1. 개발 핵심 성과 목표

솔루션:
1. 하드웨어:
계측 신뢰도 향상을 위한 네트워크 기반의 모니터링 시스템을 설계하고자 하였다. 테스트에 의한 분석 정확성을 확보하기 위해서는 70여 곳에 설치된 센서 데이터에 대한 관리가 무엇보다 중요하다. 하지만, 대상이 되는 테스트 설비는 규모가 클 뿐 아니라 운전자의 안전을 위하여 운전룸과 계측 대상 지점과의 거리가 멀어야 한다는 어려움이 있다. 또한 생산 현장과 인접하여 주변 고전압과 진동 등에 노출되어 있으므로, 운전룸까지의 안정적인 데이터 전송에 대한 보장이 필요하다.
본 어플리케이션에서는 데이터 획득의 신뢰성을 높이기 위해 고성능 신호 컨디셔닝을 보장하는 NI-SCXI 시스템을 주요 계측 지점 인근에 배치하여 센서와 가까운 곳에서 바로 디지털화 되도록 하였다. 전환된 데이터는 TCP/IP 네트워크 통신을 이용하여 먼 거리에 위치한 운전자의 모니터링 시스템에 디지털 값으로 전송되므로, 이송 중에 발생할 수 있는 신호 강하나 노이즈를 방지할 수 있다.

그림 2. 터보 차져 성능 평가 시스템 구성도

2. 소프트웨어 및 인터페이스 구현:
운전룸에 설치되는 실시간 성능 모니터링 화면 구성은 종합적인 평가에 대한 정보들이 운전자에게 쉽게 식별될 수 있는 인터페이스 구성이 중요하다. 이를 위해 소프트웨어 개발 툴은 인터페이스 구성에 강점이 있는 LabVIEW로 선정하였으며, 리포트 생성과 현장 운전자에 친근한 화면 구현을 위하여 Report Generation Toolkit과 DSC Module의 Image Navigator를 보완적으로 이용하였다. 운전룸의 모니터링 시스템은 4대의 모니터와 프런트 패널 내 탭을 이용하여 총 12개의 화면으로 구성되며, 측정, 분석, 평가에 대한 실시간 확인이 용이하도록 설계하였다.

그림 3. Report Generation Toolkit으로 Excel과 연계된 테스트 관리

1번 모니터: 전체 시스템 모니터링

• 테스트 설비의 실제 구성과 유사한 레이아웃 구현
• 전체 테스트 상황을 한 눈에 확인 가능하도록 구성된 화면
• 프로그램 컨트롤 버튼 및 안정화 및 위험 운전 지시 알람(LED)

그림 4. 시스템 모니터링 화면

2번 모니터: 센서 관리

• 주요 위치의 센서값과 변화 트렌드 모니터링 및 분석
• 센서 설치 위치를 사진상에 표시하여 문제 발생 시 즉각적인 현장 대처 용이

그림 5. 센서 관리 화면

3번 모니터: 분석 및 평가

• 터보차져 효율 분석 및 평가 결과 실시간 표시
• 결과 피드백을 통한 실시간 안정화, 위험 운전 조건 판별

그림 6. 성능 분석 결과 화면

4번 모니터: 운전점 모니터링

• 현재의 운전 정보 및 운전 경로를 운전맵 상에 지시
• 테스트 케이스 최적화로 운전 시간 단축

그림 7. 운전점 모니터링 화면

어플리케이션 요약:
선박 엔진의 출력 증가를 위한 대형 터보차져는 엔진 탑재 전에 성능과 안전 확보를 위하여 가스터빈 연소기를 이용한 리그 테스트 설비에서 독자적으로 평가된다. 본 어플리케이션은 테스트 후에 행해지던 결과 분석을 실시간으로 이루어지도록 하여 운전 시간 단축을 통한 유류비 절감과 위험 영역 운전 시의 안전 확보를 목적으로 하였다.
LabVIEW와 SCXI 모듈을 기반으로 개발된 시스템은 테스트 현장에 설치된 70여 개 센서 데이터를 수집 및 관리하며, 먼 거리의 시운전 룸에서 모니터링, 분석 및 평가 되어 운전자에게 정확한 실시간 운전 정보를 제공하도록 개발되었다.

그림 8. 터보차져 리그 테스트 설명

그림 9. 테스트 설비와 어플리케이션 개발 전 모니터링 시스템

결론 및 솔루션 개발 후 얻게 된 이점:
NI-SCXI 제품군과 LabVIEW를 기반으로 개발된 터보차져 실시간 성능 평가 시스템은 1회 테스트 시간의 25% 이상을 단축시켜 테스트당 400만원, 연간 약 1억 5천만원에 달하는 유류비 절감 효과를 가져왔다. 그 밖에도 기존 테스트 방식에서 사후 분석에 소요되던 시간의 획기적인 단축과 테스트 결과의 낮은 신뢰성으로 인한 테스트 재 시행의 감소는 앞서 언급한 실질 효과를 상회한다. 특히 소프트웨어 유지 관리가 텍스트 기반 언어에 비해 편리하다는 LabVIEW의 장점은 향후 이어질 추가 시스템 개발 시간 단축에도 큰 도움이 될 것으로 기대된다.

NI 솔루션이 채택된 이유:

• 연구 개발에서 수반되는 시스템 및 설계 변경에 유연한 모듈화된 시스템
• 사용자 인터페이스 구성이 편리함
• 다양한 공학 함수 지원으로 분석 로직 구현이 용이
• 네트워크 기반의 계측 시스템 구성이 용이

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류승협 선임연구원
(주)현대중공업

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