[Beckhoff 어플리케이션] EtherCAT 측정 터미널을 사용한 풍력 발전 단지 모니터링

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정확하고 신속한 데이터가 매우 중요한 풍력 발전 단지에서 반드시 필요한 동기화

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영국은 2030년까지 모든 가구에 전력을 공급할 만큼 충분한 풍력 발전 단지를 건설할 계획이다. 풍력 발전의 잠재력은 최근 한 기록에 의해 입증되었다. 1월에 하루 동안 풍력 발전 단지 전체적으로 19,835 MW를 생산했는데, 이는 영국 내 전기 필요량의 절반 이상을 감당할 수 있는 충분한 수준이다. 순배출 제로의 2050 목표를 달성하기 위해서는 재생 에너지에 대한 투자 증대가 필수적이다. Acteon의 계열사 중 하나인 Pulse Structural Monitoring은 새 풍력 발전 단지의 터빈 기초에 대한 모니터링을 의뢰 받았는데, 설계 과정 전체에 걸쳐 Beckhoff의 기술과 특히 EtherCAT 측정 터미널을 사용하여 솔루션을 구현했다.

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Pulse에 의하면 영국은 해상 풍력 발전 분야에서 전 세계를 선도하는 국가가 되었으며 다른 어느 나라보다 더 많은 설치 용량을 갖추고 있다. 하지만 해상 풍력 발전 단지는 환경 문제 때문에 존재 자체가 힘들며, 전체 터빈에 대한 연속적인 모니터링이 필수적이다. 예를 들어, 터빈, 블레이드 및 기초의 성능에 대한 연속 모니터링을 통해 계획된 유지보수 및 설계 검증에 대한 의사 결정을 뒷받침하고, 따라서 예기치 않은 가동 중단이나 고장 시 많은 비용이 소요되는 수리를 피할 수 있다.

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Pulse가 구현한 모니터링 시스템의 기본 구조 © Pulse

혹독한 환경에서 사용 가능한 측정 터미널

터빈에 대한 환경적 및 운영적 부하는 동적 부하를 받는 구조물의 모든 부품에 영향을 미친다. 기초의 역할 중 하나는 풍력 터빈 발전기(WTG)에 가해지는 부하를 지탱하여 우수한 안정성을 제공하고 추가적인 부하를 흡수하는 것이다. 타워의 하단부에서 가장 중요한 부분으로 간주되는 기초의 구조건전성은 WTG의 성능 및 지지에 있어 매우 중요한 요소이다. 해상 풍력 터빈 구조물을 위한 구조건전성 모니터링(Structural Health Monitoring, SHM) 시스템은 부식 및 동적 피로 응력을 복합적으로 모니터링한다. 부식이 측정해야 할 중요한 파라미터이지만, 부식 모니터링은 속성상 시간에 대한 민감성이 낮은 편이다. 반면에 피로 및 모달 속성 모니터링은 풍력 터빈 구조물에 있어 가장 중요한 SHM 기법 중 하나이다.

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Pulse Structural Monitoring은 Beckhoff 기술을 사용하여 전 세계에 걸쳐 재생 에너지 산업의 고객에게 기초 SHM 시스템을 공급하고 있다. Pulse는 Beckhoff의 다양한 센서 통합용 I/O 터미널을 활용하여 구조물 전체에 걸쳐 타임스탬프가 찍힌 데이터를 확보할 수 있다. Pulse는 EtherCAT 측정 제품군에 속하는 아날로그 입력 터미널인 ELM370x 모듈을 사용한다. EML 모듈은 높은 감도와 측정 성능 때문에 연구실/실험실에서 자주 사용되지만 산업 환경에도 통합하는 것이 가능하다. 이 터미널은 30가지 이상의 다양한 전기 신호 유형에 맞게 설정할 수 있어 다양한 센서에 적합한 매우 유연한 측정 모듈을 구현할 수 있다. 모든 높이에 걸쳐 구조물의 무결성을 정확하게 판단하여 터빈 가동 효율을 보장하기 위해서는 타워 자체에 네 개 레벨에서의 측정 지점이 요구된다. 이는 I/O를 분산 배치하여 가속도계 및 풀 브리지 응력 게이지가 측정 지점에서 근접한 곳에 위치하도록 해야 한다는 의미이다. 상부의 각 레벨에는 ELM3704 모듈 2개(다양한 신호용), EK1100 EtherCAT 커플러(통신용) 및 전원 공급 장치(PS1011)가 필요하다. 이들은 완전히 밀폐되어 있으며 정해진 높이에서 자기력에 의해 타워에 부착되어 타워 전체에 걸쳐 데이터를 정확하게 포착한다.

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온도의 경우 Pulse는 데이터를 제공하여 보상 알고리즘을 통해 작동을 가능하게 하는 Beckhoff의 아날로그 입력 RTD EtherCAT 터미널 제품인 표준형 EL3202 터미널을 사용한다. 풍력 터빈의 기초에 EtherCAT 및 분산형 클럭을 사용한다는 것은 고도로 정확한 모니터링을 위한 Pulse의 노력과 데이터 동기화 능력을 보여주는 것이다. 타워 상단에서 모노파일 하단까지 구조물의 길이 방향 전체에 걸쳐 배치된 고정밀 가속도계, 응력 게이지 및 온도 센서로부터 정확한 시점에 데이터를 취합하여 전체 구조물에 대한 비판적인 분석을 수행하는 데는 이러한 동기화가 관건이다.

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ELM3704 EtherCAT 터미널, EK1100 EtherCAT 커플러 및 전원 공급 장치 PS1011로 구성된 네 개 상부 타워 레벨에 사용되는 분산형 데이터 획득 시스템 © Pulse

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데이터 통신 동기화

Pulse는 EtherCAT 필드버스를 채택하여 단일 케이블을 통해 전력 공급 및 통신을 동시에 구현하는 추가적인 이점을 제공한다. EtherCAT P 및 ENP(EtherCAT/Ethernet with power)는 타워 상단에 위치한 센서 및 분산형 I/O에 전력을 공급해야 하는 보편적인 어려움을 극복하는 데 도움이 된다. EtherCAT P 및 ENP 시스템은 단일 케이블을 통해 전력 및 통신을 공급하고 구조물 전체에 걸쳐 데이지 체인 형태로 케이블을 구성할 수 있다. Pulse는 한발 더 나아가 EtherCAT 테크놀로지 그룹에 가입하여 자체 해저 데이터 허브와 INTEGRIpod-NX2라고 하는 모션 모니터링 EtherCAT 제품을 개발하였다.

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Pulse Structural Monitoring의 솔루션 아키텍트인 Stephen Harford는 다음과 같이 설명한다. “우리 산업에서 가장 중요한 것은 데이터입니다. EtherCAT은 이미 우리가 필요로 하는 동기화와 데이터 수집에 필수적인 매우 빠른 속도를 갖추고 있습니다. 하지만 분산형 클럭이 적용된 EtherCAT을 사용함으로써 더욱 더 빠른 속도와 완전한 동기화를 구현할 수 있게 되었습니다. Beckhoff는 언제나 훌륭한 기술 품질을 보장합니다.”

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Stephen Harford는 파트너십의 중요성을 강조하며 다음과 같이 말한다. “Beckhoff는 풍력 발전 단지 프로젝트의 급박한 일정을 맞출 수 있도록 최선을 다해 도와주었습니다. 모든 단계에서 지원을 아끼지 않았고 빡빡한 일정 때문에 애로를 겪고 있을 때는 직접 찾아와 교육까지 실시했습니다. 바로 그와 같은 이유 때문에 다른 프로젝트에서도 Beckhoff와 함께 작업하면서 많은 성공을 거두고 있습니다.”

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CX2000 임베디드 PC가 탑재된 컨트롤 캐비닛과 이와 직접 연결된 ELM 시리즈 측정 터미널(사진 중앙), CU8130 UPS(좌측 상단) 및 PS2000 전원 공급 장치(우측 상단) © Pulse

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TwinCAT을 통한 데이터 관리

센서에서 전송되는 모든 데이터는 Beckhoff 임베디드 컨트롤러(이 경우는 TwinCAT PLC(TC1200) 및 Windows 10 IoT가 탑재된 CX2062 임베디드 PC)에 집중되어 취합된다. CX2062를 선택한 이유는 TwinCAT 런타임 소프트웨어와 Pulse에서 개발한 데이터 관리 및 처리 어플리케이션을 실행하는 데 중요한 메모리 확장, 인터페이스 증대 및 처리 성능의 탁월한 유연성 때문이었다. Beckhoff는 ADS를 통해 TwinCAT 시스템 내에서 모든 실시간 데이터에 액세스가 가능하도록 공개 DLL을 무상으로 제공한다. 이 공개 플랫폼을 통해 데이터가 분석되고 상위 레벨 Scada 시스템으로 직접 전송되기 때문에 Pulse는 터빈 건전성에 대한 핵심 정보를 파악할 수 있다.

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Beckhoff UK의 제품 관리자인 Beth Ragdale은 다음과 같이 설명한다. “이 프로젝트는 재생 에너지 부문에서 수행한 이전 프로젝트를 바탕으로 Pulse에 전문 서비스를 제공할 수 있었다는 점에서 매우 중요한 의미를 지니고 있습니다. 또한 표준 I/O 터미널에서 고정확도 측정 모듈까지 모든 것을 제공했고, 단일 복합 케이블 안에 전력선과 통신선을 통합하여 Pulse를 통한 설치 과정 간소화에 크게 기여했습니다. 그와 같은 이유로 향후에도 함께 프로젝트를 수행하는 것에 대한 기대가 큽니다.”

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[출처] 무인화기술 23년도 11월호