‘무전원ㆍ무선 온도센서’로 설비 트러블 사전 봉쇄
기존 적외선 감지방식 대비 측정정확도 ‘탁월’
무전원 구동으로 설치공간 제약성 극복...실시간 온도변화 관리
포스코 광양 후판공장에서 실전 테스트 완료
철강 제조 및 가공설비는 모두 전장으로 구동되기 때문에 설비에 이상이 발생할 경우 전장품의 절연화가 발생한다. 더군다나 고압의 전기를 사용하는 대단위 공장에서 제어기기 이상이 발생할 경우에는 설비 복구에 상당한 시간이 소요되고 이로 인한 물리적 손실 또한 크게 발생한다.
각 설비에 이상이 발생할 경우에는 차단기, 부스바(Bus Bar), 변성기기, 제어기기 등으로 구성된 고압배전반(Panel)에 전장품 절연화로 인한 온도 변화가 먼저 일어난다. 특히 고전압 개폐기 작동 불능의 최대 원인은 과열로 꼽히고 있다.
이로 인해 설비 이상 발생요인을 사전에 감지하여 대응하기 위해 여러 현장에서 고압배전반에 온도센서를 설치하고 있다. 현재 대부분의 경우, 고압반 부스바에 비접촉식 방사온도계(IR Thermometer)를 설치하여 적외선으로 계측하는 방식이 사용되고 있다. 이는 대상체 적외선 방사 에너지를 감지하는 간접 측온법으로, 일종의 온도측정 광센서인 셈이다.
하지만 방사온도계는 부스바 전반적인 온도가 아닌 측정 포인트의 온도만 계측하는 문제점이 발생한다. 또한 온도계 앞에 다른 물체가 가리고 있을 때에는 측정 자체가 불가능하며 먼지 및 분진 환경에서도 사용이 어렵다는 단점이 있다.
특히 적외선을 이용하기 때문에 감지거리가 제한되고 카메라 사각지대와 같은 측정 사각지대가 존재하여 실제 현장에서 사용하는 데에는 많은 제한요인을 지니고 있다. 시스템이 온도센서와 리더, 센서 브라켓, 파워서플라이 등으로 구성돼 높은 비용이 들고 설치의 어려움도 존재한다.
산업용 센서 전문제조업체인 코아칩스(대표 오재근)은 이러한 문제점을 해결하기 위한 솔루션으로 무전원ㆍ무선 온도센서를 개발했다.
코아칩스의 무전원ㆍ무선 온도센서는 별도의 유선 전원이 필요 없이 표면탄성파(SAW; Surface Acoustic Wave)를 이용하여 계측하고, 무선으로 데이터를 송출하는 신기술 센서로 부스바에 직접 설치하여 온도를 측정하기 때문에 측정의 정확도가 월등히 높다.
<표> 방사온도계와 무전원ㆍ무선 온도센서 비교
새끼손톱만한 크기의 온도센서를 고압배전반 내 볼트에 끼워 넣는 방식이기 때문에 필요한 곳에 얼마든지 쉽게 설치할 수 있으며 무선으로 센서 값을 읽을 수 있어 유선센서로 설치할 수 없는 곳에도 설치가 가능하다. 또한 무전원으로 구동하므로 배터리 교체 등의 별도 유지보수 비용이 들지 않는다.
무엇보다 무전원ㆍ무선 온도센서의 가장 큰 특장점은 고압반 내 온도 변화를 실시간으로 관리하여 설비의 이상 유무를 사전에 감지할 수 있기 때문에 설비장애를 사전에 예방할 수 있게 한다.
신속한 설비 이상감지 시스템 구축
SAW 센서는 압전 기판에 형성된 금속 전극에 고주파 전압을 걸면 일시적으로 기판의 표면이 일그러지는 현상을 이용하여 물리적인 진동(표면탄성파)을 일으키는 소자이다. 온도나 스트레인 등 외력에 의해 변화하는 주파수를 에너지로 변환하여 사용하는 것이 핵심이다.
이 센서의 작동원리는 다음과 같다. ECU(Electronic Control Unit)에서 센서 호출신호를 무선으로 송출하면 이를 센서 안테나에서 수신한 후 역압전 효과(전압→진동)에 의해 표면탄성파가 생성된다.
이 과정에서 공진주파수는 온도와 스트레인 등의 외력에 의해 변하면서 탄성에너지 최대점에 도달하게 되는데, 이 탄성에너지는 압전효과에 의해 공진주파수 정보가 포함된 전파에너지로 변환되어 센서 안테나를 통해 반송되어 ECU에서 응답신호를 수신한다. 수신된 응답신호는 온도와 스트레인 등 외력의 실제 값을 연산하여 센서 데이터로 표시하게 된다.
각 배전반에 설치된 여러 개의 센서 데이터가 데이터로거(Data Logger)로 모아져 네트워크 허브를 통해 중앙관제실에 실시간으로 전송된다. 관제실 근무자는 센서에서 읽은 온도 데이터 변화로 설비이상 유무를 판단할 수 있게 된다. 또한 무선망을 이용해 태블릿이나 스마트폰으로도 데이터를 읽을 수 있어 시간과 공간에 제약 없이 실시간으로 온도 변화를 확인할 수 있다.
<그림>SAW 무전원ㆍ무선센서 작동 원리
이러한 SAW 방식의 온도센서는 방사온도계 방식과 외국산 SAW 센서 시스템에 비해 높은 측정 정확도는 물론 경제적인 원가절감 효과도 기대할 수 있다. 코아칩스의 자체 조사결과, 온도센서의 가격 자체가 저렴할 뿐 아니라 시스템 구성에 필요한 리더(트랜스듀서)와 파워서플라이 등을 포함한 시스템 합계금액이 방사온도계 시스템에 비해 22.2%, 외국산 SAW 방식에 비해서는 66.9%의 원가절감 효과를 제공하고 있다.
포스코에서 입증된 실제 효과
코아칩스는 포스코의 벤처기업 지원프로그램인 아이디어마켓플레이스의 투자기업으로 선정('13.05)된 이후 베네핏셰어링(BS) 과제를 진행하여 광양제철소 후판공장에서 현장 테스트를 진행했다.
후판공장 22㎸ 고압반에 설치돼 세 차례에 걸쳐 진행된 현장 테스트 결과, 실제 시스템 온도와 측정온도 간의 오차(보증범위 ±2℃)가 0~1.7℃에 불과할 정도로 높은 정확도를 보여 합격 판정을 받았다.
특히 광양제철소는 정확도 높은 측정으로 전장품 이상 유무를 사전에 감지하여 기존 방사온도계의 문제점을 완벽히 보완할 수 있다는 결론을 내렸다. 코아칩스는 테스트 과정에서도 현장의 특성을 반영하여 시스템을 재설계하는 노력을 기울였다.
이에 대해 오재근 코아칩스 대표는 “현재 회사의 모든 역량을 철강을 비롯한 제조현장에서 설비이상을 감지할 수 있는 무전원 무선 온도센서 시스템 개발에 쏟고 있다”면서 “포스코에서 입증된 결과를 바탕으로 국내 산업계에 보다 정확하고 안정적이며 저렴한 시스템을 공급해 나갈 계획”이라고 밝혔다.
포스코 신사업투자기술기획실 정석모 그룹장은 "이번 성과는 포스코 아이디어 마켓플레이스의 취지에 부합한 결과로 대기업의 현장 제공을 통해 기술력을 가진 중소기업에게 레퍼런스를 제공해준 사례로 볼수있다" 며 "앞으로 지속적인 협력 지원을 통해 성공사례를 만들어 나갈 계획"이라고 밝혔다.