홈 혁신 사례 연구 2019 LabVIEW와 NI RIO 기술을 사용하여 유정 파괴 펌프 모니터링 및 분석

LabVIEW와 NI RIO 기술을 사용하여 유정 파괴 펌프 모니터링 및 분석

Robert Stewart, CEO, Lime Instruments, LLC

"LabVIEW를 사용하여 C 기반 프로그래밍과 비교했을 때보다 훨씬 빠른 속도로 소프트웨어를 개발하였습니다. C 프로그래머들이 2년에 걸쳐 진행해야 할 작업을 불과 몇 개월만에 완성하였습니다. 따라서 시간을 절감하여 시장에 제품을 더욱 신속하게 출시하고 경쟁사들보다 시간적으로 우위에 서게 되었습니다."

- Robert Stewart, CEO, Lime Instruments, LLC

과제:

거친 환경의 유정 서비스 펌프에 직접 탑재되어 작동하며 센서 데이터에 대한 고급 분석을 수행하는 고급 모니터링 시스템 구축

솔루션:

NI CompactRIO와 NI Single-Board RIO 하드웨어를 NI LabVIEW와 함께 사용하여 유정 제공 어플리케이션에 사용되는 왕복 펌프의 작동 파라미터를 모니터링하는 펌프 모니터링 시스템 설계

Supreme Electrical Services Inc.사는 업체 최고의 컨트롤 및 계측 기술 패키징 및 통합업체로 거듭나기 위해 노력하고 있습니다. 본사의 목표는 최상의 상용 하드웨어로 패키징하고 유전 (油田) 성격상 매우 거친 환경에서 견딜 수 있도록 패키징하는 것입니다. NI 하드웨어와 LabVIEW 소프트웨어는 어플리케이션을 위한 최적의 솔루션을 제공하였으며 전체 컨트롤 시스템의 기반이 되었습니다.

 

 

본사에서 고려했던 다른 하드웨어 솔루션은 유정 (油井) 서비스 파괴 펌프의 순간 압력 스파이크와 진동을 감지하기 위한 고속 I/O와 분석을 제공하지 못했습니다. FPGA와 데이터에 대한 FFT (fast Fourier transform) 분석을 통해 CompactRIO, NI Single-Board RIO및 LabVIEW 는 어플리케이션을 위한 완벽한 솔루션을 제공하였습니다.

 

유정 (油井) 모니터링 시스템

본사의 유정 모니터링 시스템은 작동하는 동안 중대한 펌프 요소의 성능을 모니터링하도록 설계되었습니다. 프로토타입은 유정 시뮬레이션 어플리케이션에서 고압력 파괴 펌프 모니터링에 중점을 둡니다. 각 파괴 유닛에는 높은 마력의 디젤 엔진 및 3중 (triplex) 또는 5중 (quintaplex) 펌프에 맞춰진 변속장치가 있습니다. 엔진과 변속장치 주요 기능을 모니터링하고 유닛 실행 시 진단 정보를 제공하는 전자 인터페이스를 갖추고 있습니다. 엔진 및 변속은 SAE J1939 통신 프로토콜을 통해 모니터링하는 데이터를 출력합니다.

현재 업계에서 사용되는 펌프에는 중대한 작동 파라미터를 모니터링하는 이산 센서 단 몇 개에 불과합니다. 일반적으로 배출 압력, RPM, 윤활유 압력, 윤활유 온도가 모니터링됩니다. 각 파라미터는 개별 센서와 중앙 컨트롤 콘솔에 연결된 신호 케이블을 통해 측정됩니다.

 

제품 사용 목적은 이같은 기능과 기타 기능을 모니터링하고 동일한 SAE J1939 CAN 프로토콜을 통해 중앙 컨트롤 콘솔로 데이터를 전송하는 것입니다. 시스템은 일반 작동 범위 외부에서의 데이터 특성과 오류 조건을 파악해야 합니다. 이같은 실시간 정보로 운영자들은 펌프로부터의 성능 표시를 토대로하여 작동을 중단할 것인지 계속할 것인지 결정합니다. 궁극적으로 본 시스템은 펌프 오작동 수를 줄일 뿐 아니라 전체 펌프 유지 비용도 절감합니다.

 

CompactRIO와 LabVIEW를 통한 견고한 배포

현재 CompactRIO 보다 우수한 성능의 하드웨어 패키지를 찾을 수 없습니다. 또한 LabVIEW를 사용하여 대부분의 기존 프로그래밍 환경보다 더욱 신속하게 소프트웨어를 개발할 수 있습니다. LabVIEW를 사용하여 C 기반 프로그래밍과 비교하여 훨씬 신속하게 소프트웨어 개발을 진행하였습니다. 대부분의 C 프로그래머들이 2년에 걸쳐 진행할 작업을 불과 몇 개월만에 완성하였습니다. 따라서 시간을 절감하여 시장에 제품을 더욱 신속하게 출시하고 경쟁사들보다 시간적으로 우위에 서게 되었습니다.

 

LabVIEW 소프트웨어 플랫폼을 사용하여 리얼타임 프로세서, FPGA 및 I/O를 프로그래밍하고 CompactRIO 시스템과 인터페이스를 사용하여 유정 제공 및 자극 기기의 모든 면을 컨트롤하고 모니터링하였습니다. 모듈형 I/O와 견고한 CompactRIO 시스템은 전 세계 유정에 사용되는 휴대용 기기에 탑재되어 충격/진동 및 광범위한 온도를 수용하므로 완전한 시스템이라고 생각합니다.

 

LabVIEW와 내쇼날인스트루먼트 하드웨어의 개방형 특징으로 인해 다음과 같은 다양한 센서, 소프트웨어 및 프로토콜로 편리하게 인터페이스할 수 있습니다.

  • 센서 - 압력 트랜스듀서, 자기 픽업 센서, 디지털 엔코더, 온도 센서, 핵 농도측정기, 자기 유량계, Correollis 유량계 등 
  • 소프트웨어 - 코일 튜빙 피로, 시추정 (wellbore) 시뮬레이션 소프트웨어 
  • 운영 체제 - Windows XP Embedded, Windows CE, Linux®
  • 산업 특정 프로토콜 - SAE J1939, J1587, J1708; Modbus; Ethernet, 802.11; PROFIBUS

 

NI Single-Board RIO로 직접 정의한 배포

NI Single-Board RIO의 소형 폼팩터와 저가 특징으로 인해 본 하드웨어를 사용하여 고객에게 맞춤화된 솔루션을 제공할 때 효용 가치를 실감하였습니다. CompactRIO와 NI Single-Board RIO를 사용하여 모니터링 시스템을 위한 각 폼팩터와 가격대를 생성할 수 있는 능력을 제공할 수 있습니다.

 

다행히 CompactRIO에서 NI Single-Board RIO로의 전환은 표준 NI 재구성가능한 I/O (RIO) 하드웨어 아키텍처와 LabVIEW로 인해 매우 신속하며 긴밀하게 진행되었습니다. NI Single-Board RIO에는 CompactRIO와 동일한 하드웨어 아키텍처가 있으므로 중대한 코드 변경없이 NI Single-Board RIO에서 LabVIEW 코드를 재사용할 수 있습니다.

 

내쇼날인스트루먼트 솔루션 사용의 장점

NI의 제품 품질 및 기술 지원 서비스에 매우 만족합니다. NI는 기술적인 문제를 신속하게 처리하였고 어플리케이션을 완성할 수 있도록 단계별 도움을 제공하였습니다. NI의 기술지원 엔지니어, 영업 엔지니어 등 전 직원들은 제품군에 대한 심도있는 기술/비지니스 지식을 보유하고 있습니다. 이렇듯 지원을 아끼지 않는 전문성을 갖춘 그룹과 함께 프로젝트를 진행할 수 있었다는 사실을 기쁘게 생각합니다.

 

필자 정보:

Robert Stewart, CEO
Lime Instruments, LLC

While our protoype monitoring system is built using CompactRIO, since CompactRIO and NI Single-Board RIO have the same hardware architecture, we can switch easily between the two form factors without any major coding changes.
The goal of our product is to monitor several operating parameters and transmit that data back to the main control console.
Both the engine and the transmission come equipped with an electronic interface that monitors critical functions and provides diagnostic information as the unit is running.