[논문]IoT 기반 산업용 밸브 안전관리 시스템 구성장치의 성능검증 방안 개발

김재옥; 유근준; 이경식; 김정훈

doi:10.7842/kigas.2020.24.5.10

IoT 기반 산업용 밸브 안전관리 시스템 구성장치의 성능검증 방안 개발
Development of Performance Verification Method for Components of IoT-based Industrial Valve Safety Management System 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.24 no.5, 2020년, pp.10 - 19

김재옥 (한국가스안전공사 가스안전연구원) , 유근준 (한국가스안전공사 가스안전연구원) , 이경식 (한국가스안전공사 가스안전연구원) , 김정훈 (한국가스안전공사 가스안전연구원)

초록
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석유화학 플랜트 및 가스 시설물의 밸브 사고는 심각한 인적·물적 피해를 유발하며 이러한 시설에서의 주요사고 원인은 밸브에서의 가스 누출로 인한 흡입, 중독, 화재 및 폭발사고이다. 가스 누출을 예방하기 위한 점검은 인력에 의해 직접 검사가 이루어지는 경우가 많으며, 점검자는 가스 누출사고의 위험에 직접적으로 노출된다. 이러한 사고를 예방하기 위하여 IoT 기반 위험 분석 및 위험성 평가 모니터링 시스템과 자동제어 시스템을 적용하였다. 이를 통하여 산업용 밸브의 내·외부 가스 누출을 검지하고 하이브리드 센서를 통한 국부 및 전역 센싱으로 플랜트 현장에서의 밸브 이상으로 인한 사고를 실시간으로 모니터링 할 수 있다. 이와 같이 새로운 산업용 밸브 안전관리 시스템이 개발됨에 따라 관련 구성장치에 대한 성능 및 현장부합성에 대한 평가방안이 요구되었다. 본 연구에서는 산업용 유무선 통신을 지원하고 가스센서와 광섬유센서를 포함하는 방폭형 하이브리드 센싱 시스템과 자동제어가 가능한 액추에이터 패키지의 성능을 평가하기 위한 시험 항목 및 방법을 제시하였고 시스템의 신뢰성을 확보할 수 있는 구성장치의 성능검증 방안을 개발하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Valve leak accidents in petrochemistry plants and gas utilities cause human and property damage. The main reason why happen gas inhalation, poisoning, fire and explosion accidents is gas valve leakage. To prevent gas leakage, inspectors check the facilities in the field. And they are at risk of gas leak accidents. So we applied IoT-based risk assessment, monitoring and automatic control system. It can detect both internal and external gas leakage, do real-time monitoring of industrial valve in the plant by using hybrid sensor. As the new safety management system for industrial valve is developed, it needs method to evaluate device performance and environmental components for the system. This study is about development of method to verify performance of the explosion-proofed hybrid sensing system include gas detector and optical fiber sensor supporting wire and wireless communication.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Scheme of IoT-based Industrial Valve Sa-fety Management System.
표 Table 1. Classification by operating type of gas sensors
그림 Fig. 2. Drawing of remote monitoring system for sealing leakage of industrial ball valve[8].
표 Table 2. Description for parts of actuator pac-kage
표 Table 3. Standard for combustible gas leak alarm setting value (Gas concentrations in air, %)
표 Table 4. Standard for toxic gas leak alarm setting value (Gas concentrations in air, parts per million)
표 Table 5. IEEE 802.11 standard transmit test[22]
표 Table 6. IEEE 802.11 standard receive test[22]
표 Table 7. Field adaptability for WLAN[23]

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 산업용 유무선 통신을 지원하고 가스센서와 IoT 기반 자동제어가 가능한 액추에이터 패키지 및 무선통신의 성능을 평가하기 위한 성능평가 방법, 방폭 관련 규격 및 현장부합성 평가 방안을 개발하였다.
액추에이터의 내장 센서를 통한 모니터링 기능과 원격 제어 기능에서 오류를 최소화하기 위한 성능 평가 방안을 개발하였다. 액추에이터 관련 성능 평가 및 관련규격을 조사 및 검토를 수행하고 설치 환경에 적합성 여부, 설치 전 검사항목 및 설치 장소 선정 기준에 대해서 개발하였다.
이러한 안전관리 시스템에서 고장 및 오작동 발생 시 가스 누출에 의한 사고로 직결되므로 센서와 액추에이터의 동작과 무선통신에 대한 신뢰성을 중점적으로 검증하기 위한 성능검증 방안을 개발하였다. 가스 센서의 경우 가연성가스와 독성가스의 기준이 다르고 가스 종류별 특성에 따라 위험도 및 허용농도 기준이 다르므로 이를 고려하여 성능 평가 방안을 개발하였다.

가설 설정

a) 센서를 제거한 클라이언트용 센서 모듈에 전원을 인가한다.
a) 클라이언트용 센서 모듈에 전원을 인가한다.

제안 방법

a) 센서 노드 배치 시 신호 송신기(Transmitter)를 기준으로 수신기(Receiver)의 거리를 일정 간격으로 늘리거나 노드 간 장애물의 개수를 변화시키면서 패킷 에러율(Packet Error Rate, PER)을 측정한다. 실외의 경우 구조물을 활용하여 LOS(Line-of-Sight), NLOS(None-Line-ofSight) 환경을 조성할 수 있다.
b) 패킷 에러율이 낮을수록 무선 네트워크 시스템의 신뢰성이 보장되는 것으로 볼 수 있으며, 실제 환경에서의 방해 요인을 임의로 조성하여 통신 성능을 측정하는 것으로 무선 센서 네트워크의 현장부합성을 평가한다.
이러한 안전관리 시스템에서 고장 및 오작동 발생 시 가스 누출에 의한 사고로 직결되므로 센서와 액추에이터의 동작과 무선통신에 대한 신뢰성을 중점적으로 검증하기 위한 성능검증 방안을 개발하였다. 가스 센서의 경우 가연성가스와 독성가스의 기준이 다르고 가스 종류별 특성에 따라 위험도 및 허용농도 기준이 다르므로 이를 고려하여 성능 평가 방안을 개발하였다. 센서 성능평가 및 방폭 관련 규격을 조사 및 분석을 하고 실제로 설치되는 환경에 적합한 센서를 선정하고 설치 기준을 정하는 것이 중요하기 때문에 센서의 현장부합성에 대한 평가기준을 정의하였다.
2단계 : 최소검지농도부터 허용농도의 70%까지에 해당하는 구간으로 독성가스가 허용농도 이상으로 누적되는 것에 대한 주의가 필요한 단계이다. 가스누출을 작업자에게 알려 중독 및 질식 사고로 이어지지 않도록 즉시 환기 조치를 하고 누출 원인을 파악한다. 본 가이드라인에서는 안전단계를 4단계로 세분하고자 「가스누출감지경보기 설치에 관한 기술상의 지침(고용노동부고시 제2015-59호)」에 따라 독성가스누출경보의 정밀도가 ±30퍼센트 이하인 것을 고려하여 허용농도의 70% 지점을 2단계(주의)의 농도 상한 기준으로 정하였다.
2단계 : 최소검지농도부터 폭발하한의 25%까지의 구간으로 가스누출이 폭발사고로 이어지는 것에 대한 주의가 필요한 단계이다. 가스누출을 작업자에게 알려 큰 사고로 이어지지 않도록 즉시 환기 조치를 하고 누출 원인을 파악한다. 「가스누출감지 경보기 설치에 관한 기술상의 지침(고용노동부고시제2015-59호)」에서 정하는 내용에 따라 2단계(주의)의 농도 상한 기준을 가연성가스 폭발하한의 25% 이하로 정하였다.
가스센서의 성능검증 방안은 일반적으로 활용되고 있는 외부가스누출 센서에 대해서 개발하였다.
가스의 누출이 발생하지 않았거나 누출된 가스가 누적되지 않을 정도로 충분히 환기되고 있어 폭발사고의 우려가 없는 안전한 단계이다. 가연성 가스센서의 분해능을 고려하여 최소검지농도를 0.05%로 정하고 1단계(안전)에 적용하였다.
16. 개정안에서 독성가스의 판단기준을 국제기준에 맞게 조정하였고 허용농도 기준을 동물을 대상으로 실험할 수 있는 LC50으로 변경하였다. 하지만 독성물질의 MSDS나 일부 KGS code의 가스누출검지경보장치에 대한 내용에서 경보설정 기준을 TLV-TWA로 사용하고 있는 등 최근까지도 두 허용농도 기준이 혼용되고 있기 때문에 본문에서도 두 가지 기준에 대한 경보 설정값을 4단계로 나누어 제시하였다[16].
경보 설정에 관한 법령을 토대로 현장에서의 안전 관리를 강화하기 위하여 경보 설정값에 대한 새로운 기준을 수립하였다. 가스누출감지경보기의 경보를 누출농도에 따라 안전관리 등급 4단계로 나누어 설정하여 가스누출에 대한 모니터링 수준을 강화하고, 위험한 수준에 도달하기 이전에 작업자들에 대한 경고 및 사고 예방 조치를 취하게 하여 사고 규모를 축소할 수 있다.
가스의 누출이 발생하지 않았거나 누출된 가스가 누적되지 않을 정도로 충분히 환기되고 있어 허용농도를 초과하는 사고가 발생할 우려가 없는 안전한 단계이다. 독성 가스센서의 분해능을 고려하여 최소검지농도를 0.001ppm으로 정하고 1단계(안전)에 적용하였다.
유독가스의 확산을 막기 위하여 가스누출 경보와 가스밸브의 차단이 이루어져야 하고 119 및 비상대응팀이 출동하여야 한다. 독성가스가 허용농도 이상일 때 흡입 및 접촉에 의한 피해가 가장 심각하기 때문에 해당 독성가스의 허용농도를 4단계(위험)의 하한 농도로 정하였다.
센서와 액추에이터의 무선 통신 성능은 원거리와 근거리 무선 통신 각각에 적합한 성능 평가 방안을 적용하였고 센서 노드 간 통신 성능과 장애물에 의한 전파 방해 요소를 고려하여 모의시험 평가 방안을 제시하였다. 또한, 성능평가 및 방폭 관련 규격을 조사 및 분석을 하고 현장부합성 평가르 위해 원거리 무선 통신 전송 성공률, 원거리 무선 통신 데이터 오분류율 및 근거리 무선통신 모의실험 방안을 수립하였다.
본 가이드라인에서는 안전단계를 4단계로 세분하고자 「가스누출감지경보기 설치에 관한 기술상의 지침(고용노동부고시 제2015-59호)」에 따라 독성가스누출경보의 정밀도가 ±30퍼센트 이하인 것을 고려하여 허용농도의 70% 지점을 2단계(주의)의 농도 상한 기준으로 정하였다.
0pt">」제28조 제1항 제2호에 따른 방호 장치의 안전인증기준을 규정하는 방호장치 안전인증 고시(고용노동부고시 제2020-55호) 제7장에서 제시하는 성능기준을 만족하여야 한다[11-13]. 설치 후 유지보수 및 안전관리를 위해 「KGS GC103(방폭전기기기의 점검 및 유지관리에 관한 기준)」에서 제시하는 방폭 관련 점검항목을 체크리스트로 하여 점검을 수행한다[14].
액추에이터 패키지에 포함된 내장 센서 모듈의 측정된 값에 따라 정상 또는 이상 상태 판단을 확인하여 원거리 통신 신뢰성을 검증할 수 있다. 센서에 인가되는 값을 각 센서 마다 정상 수치 5회, 이상 수치 5회를 무작위로 입력하여 임의로 이상 상태를 만들어 주어야 하며 액추에이터 패키지의 VOC 센서, 온/습도 센서, 불꽃 감지 센서 및 가속도센서에 대해 수행한다. 시험 절차는 다음과 같다.
센서와 액추에이터의 무선 통신 성능은 원거리와 근거리 무선 통신 각각에 적합한 성능 평가 방안을 적용하였고 센서 노드 간 통신 성능과 장애물에 의한 전파 방해 요소를 고려하여 모의시험 평가 방안을 제시하였다. 또한, 성능평가 및 방폭 관련 규격을 조사 및 분석을 하고 현장부합성 평가르 위해 원거리 무선 통신 전송 성공률, 원거리 무선 통신 데이터 오분류율 및 근거리 무선통신 모의실험 방안을 수립하였다.
검지 대상 가스가 가연성이면서 독성인 경우, 독성가스에 대한 기준을 적용하여야 한다. 실제 현장에서 경보 설정값이 다음과 같이 적용되었는지 확인하는 것으로 현장부합성을 평가한다.
액추에이터의 내장 센서를 통한 모니터링 기능과 원격 제어 기능에서 오류를 최소화하기 위한 성능 평가 방안을 개발하였다. 액추에이터 관련 성능 평가 및 관련규격을 조사 및 검토를 수행하고 설치 환경에 적합성 여부, 설치 전 검사항목 및 설치 장소 선정 기준에 대해서 개발하였다.
산업용 밸브 안전관리 시스템에 사용되는 가스센서는 기 검증된 제품을 사용하므로 실제로 설치되는 환경에 부합하는 적절한 센서를 선정하고 설치 기준을 정하는 것이 중요하다. 이를 위해 센서의 현장부합성에 대한 평가기준을 수립하였다.
3단계 : 독성가스 허용농도의 70%부터 100%까지의 구간으로, 누출된 독성가스가 짧은 시간 안에 허용농도에 도달할 수 있는 단계이다. 작업자가 현장에 있는 경우 흡입으로 인한 중독 및 질식사고로 이어지지 않도록 가스 밸브를 즉시 차단하고 유독 가스 누출지역으로 부터 대피하도록 경보를 알리도록 한다.
전송성공률에 대한 기준은 현장 여건에 따라 달라질 수 있고 관련 적용사례로는 –20 ~ 60 ℃ 범위에서 30분 간의 데이터 전송 횟수에 대해서 실시하였다.
3단계 : 가연성가스 폭발하한의 25% 농도부터 폭발하한 농도 사이의 구간으로, 짧은 시간 안에 폭발범위 농도에 도달할 수 있는 단계이다. 폭발사고로 이어지지 않도록 가스 밸브를 즉시 차단하고 폭발 위험에 대하여 작업자에게 대피 경보를 알리도록 한다.
개정안에서 독성가스의 판단기준을 국제기준에 맞게 조정하였고 허용농도 기준을 동물을 대상으로 실험할 수 있는 LC50으로 변경하였다. 하지만 독성물질의 MSDS나 일부 KGS code의 가스누출검지경보장치에 대한 내용에서 경보설정 기준을 TLV-TWA로 사용하고 있는 등 최근까지도 두 허용농도 기준이 혼용되고 있기 때문에 본문에서도 두 가지 기준에 대한 경보 설정값을 4단계로 나누어 제시하였다[16].
산업용 시설에서 주로 사용하는 일부 독성가스에 대하여 가스누출감지경보기의 설정기준을 Table 4에 나타내었다. 허용농도는 산정방식에 따라 TWA (Time Weight Average, 시간가중 평균농도)와 LC50 (Lethal Concentration 50%, 반수치사농도)의 두 가지 기준으로 나타내었다.

대상 데이터

액추에이터 패키지는 크게 센서부와 구동부로 이루어져 있다. 센서부에는 온습도 센서, 모션 센서, VOC 센서, 불꽃 센서, 전류 센서 및 엔코더가 있으며 각 센서는 액추에이터의 동작 상태 및 이상을 판단하기 위한 데이터를 수집한다. 수집된 데이터는 무선 통신 모듈을 통해 외부로 전송되어 실시간 모니터링 시스템과 연동된다.

이론/모형

액추에이터 패키지에 대한 성능 시험 중 액추에 이터 동작에 관한 성능 시험은 「KS B 2823 산업용 밸브 전동액추에이터 - 일반요구사항」에서 제시하는 적합성 평가, 「KS IEC 60034-1 회전기기-제1부 : 정격 및 성능」에서 제시하는 정격 및 현장운전 조건에 대한 시험을 만족하거나 UL 및 CE 인증을 취득한 것으로 대신한다[17].
액추에이터의 방폭 관련 점검사항은 「KGS GC103(방폭전기기기의 점검 및 유지관리에 관한 기준)」에서 제시하는 방폭 관련 점검항목을 체크리스트로 하여 점검을 수행한다[14].

성능/효과

a) 가연성 가스누출감지경보기는 감지대상 가스의 폭발하한 25퍼센트 이하, 독성가스 누출감지경보기는 해당 독성가스의 허용농도 이하에서 경보가 울리도록 설정하여야 한다.
b) 가스누출감지경보기의 정밀도는 경보설정치에 대하여 가연성 가스누출감지경보기는 ±25퍼센트 이하, 독성가스누출감지경보기는 ±30퍼센트 이하로 한다[15].

후속연구

향후 연구는 개발한 성능 평가 방안을 적용하여 산업용 밸브 안전관리 시스템 구성장치에 대한 가이드라인을 작성하여 실제 현장에서 이 시스템을 적용할 수 있도록 할 예정이다.

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상세보기
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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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