Lefroy Mill은 직경 11m의 SAG Mill로서 ControlLogix 기반의 진보된 멀티 제어 시스템이다.
St Ives 금광의 SAG 작업 안정화
ControlLogix는 고급 제어 알고리즘인 ‘Manta Cube’를 활용하여 통해 호주 서부에 있는 Gold Fields StIves 금광의 closed-loop single-stage 방식의 SAG mill 작업이 안정적으로 이루어질 수 있도록 하였다.
Expert Control 방식은 공정 제어에서 신비에 싸여 있는 분야로 생각되는 경우가 많다. 이 방식은 일반적으로 다양한 변수가 있는 복잡한 구조의 공정에 사용되는 것으로, 이와 같은 고가의 지식기반 제어 시스템은 예측 및 적응, 학습 방식의 알고리즘을 바탕으로 하고 있다.
Australia 서부에 있는 Gold Fields St Ives 금광의 금속 공학 감독관인 Yavuz Atasoy는 Expert Control 방식이든 아니든, 정련작업을 위해서는 어떤 형태의 제어 시스템을 사용하는 것이 옳다고 생각한다. “여러 정련소에서 새로운 Expert Control 시스템의 시험 가동을 한다는 소식을 많이 들었지만, 정작 이 시스템들은 대부분의 경우 작동하지 않고 있다. 이러한 Expert 시스템은 적어도 100 퍼센트 활용하도록 해야 한다. 여기서 중요한 것은 작업 부서에서 이 시스템을 활용하려는 노력이 있어야 한다는 것이다. 만약 컨트롤러가 제 기능을 수행하고 있다면, 컨트롤러는 절대 꺼져 있어서는 안 된다”고 말했다.
이 금광의 Lefroy 금 정련소를 관리하고 있는 Atasoy는 이러한 발언을 할 만한 자격이 있다고 할 수 있다. Atasoy는 최근 고급 기능의 다 변수 제어 시스템을 도입하여 Lefroy 정련소에서 가장 중요한 부분을 차지하는 직경 11 미터의 SAG (semi autogenous grinding) mill을 관리할 수 있도록 하였다. 이 새로운 제어 시스템은 멈추지 않고 계속 작동하고 있어서, 성공적인 도입이라 할 수 있다. 정련소의 작업자는 이 시스템에 의존하여 모든 작업을 진행하고 있다.
Rockwell Automation ControlLogix 공장 자동화 플랫폼을 기반으로 하여 개발된 이 SAG mill의 새로운 제어 시스템은 기존의 Expert Control 시스템과는 다른 혁신적은 방법을 사용하고 있다. Australia 남부에 위치해 있는 공정 제어 관련 업체인 Manta Controls가 개발한 Manta Cube는 SAG mill에서 진행되는 다양한 변화 및 이에 연관된 다른 공정 관련 변수 등을 정확하게 확인하고 이에 대해 올바르게 반응할 수 있도록 되어 있다. 이러한 작동이 이루어질 수 있도록 하기 위해, Manta Controls는 SAG mill에 이미 설치되어 있는 ControlLogix 플랫폼을 사용하고 있다. 이러한 제어 시스템이 가동될 수 있었던 것은 ControlLogix 플랫폼이 독특하고 뛰어난 공정 제어 기능을 갖추고 있고, 다른 시스템과 연결될 수 있도록 개방 방식으로 되어 있기 때문이다.
Closed-Loop 방식의 SAG
Kalgoorlie 시에서 남쪽으로 80km 떨어져 있는 Kambalda 시에 있는 Lefroy 정련소는 크게 분쇄 공정, 중력 분리 공정, 여과 및 흡착 공정, 탄소 처리 및 금속 축출 공정 등의 4개의 주요 공정으로 이루어져 있다. 분쇄 공정은 크게 분쇄 공정 및 광석 저장 및 공급, 10개의 hydrocyclone 방식 분류 장치와 함께, SAG mill로 구성되어 있다. SAG mill은 여러 개의 load cell 위에 장착되어 있어서 13 MW wrap-around 방식의 drive를 통해 작동하는 회전 방식의 mill이다.
전체 Lefroy 정련소는 Rockwell Automation Integrated Architecture 솔루션으로 제어되고 있으며, RSView Supervisory Edition(SE) PC 기반의 human machine interface (HMI)이 연결되어 있는 7개의 ControlLogix 시스템으로 이루어져 있다. NetLinx 개방 방식 네트워크 통신 구조를 통해 공장 전체에 대한 네트워크 연결이 이루어져 있으며, 주로 컨트롤러에서 I/O rack 연결은 ControlNet을 통해, peer to peer 연결 및 controller to HMI 연결은 EtherNet/IP 방식을 통해 이루어져 있다.
RSView Supervisory Edition(SE) 소프트웨어는 user interface를 제공한다.
Gold Fields St Ives 금광의 금속 공학 감독관 Yavuz Atasoy(서 있는 사람)와 프로그램 및 통신 담당 Craig Waywood는 정련소에서 이미 사용하고 있는 ControlLogix 플랫폼 상에 Manta Cube 알고리즘을 사용할 수 있다는 사실에 만족하고 있다.
모든 SAG mill 작동에 있어서 가장 중요한 목표는 mill의 무게를 설정 수치에 최대한 가까이 유지할 수 있도록 하는 것이다. 이를 통해 입자 및 물체 크기, 제품 밀도, 중량 출력 등과 같이 mill의 산출량에 영향을 미칠 수 있고 전체 생산 효율에 직접 영향을 미칠 수 있는 중요 변수를 정밀하게 제어할 수 있게 된다. Atasoy는 “Lefroy 정련소에서 가장 중요한 것은 SAG mill이 cyclone underflow 및 자갈 분쇄기와 함께 동기 방식으로 작동할 수 있도록 하는 것”이라고 설명했다. 또, “결국 이 작업은 공정 제어를 하는 데 있어서 상당히 어려운 상황”이라고 덧붙였다.
Atasoy는 정련소 작동이 안정적으로 이루어지지 않은 관계로, 정련소 작동을 더 세밀하게 관리해야 하는 필요성을 지적했다. “정련소의 작업자들은 분쇄 공정의 상태를 계속해서 확인 및 감시하여 작동이 멈추거나 이상 작동이 발생하지 않도록 하여 계속 정상 작동이 유지될 수 있도록 해야 했다. 입자 크기 및 시간 당 출력 톤 수, 밀도 등과 같이 성능에 관련된 중요 변수가 목표 수치에 도달 및 유지될 수 있도록 관련 수치를 계속 조작하면서, 항상 그 자리를 지키고 있어야 했다”고 설명했다.
더 나아가, SAG mill의 생산 능력이 시간 당 550 톤이 될 수 있도록 해야 했으며, 이 생산 능력이 안정적으로 계속 유지될 수 있도록 해야 했다. Atasoy는 “가끔 시간 당 550 톤을 생산할 수 있었으나, 안정적으로 유지되지는 않았다. mill 내에 고른 광석이 들어 있지 않은 상황에서도 안정적인 생산량을 유지할 수 있도록 해야 한다”고 말했다.
개방 방식의 플랫폼 및 협력 개발
Atasoy는 Manta Controls의 사장인 John Karageorgos과 함께 SAG mill이 안정적으로 작동할 수 있도록 할 뿐만 아니라, 생산 및 정비 작업이 쉽게 이루어질 수 있도록 되어 있는 시스템에 대해 논의했다.
가장 먼저, Manta Cube는 이미 Lefroy 정련소에서 사용하고 있는 ControlLogix 플랫폼 상에서 사용할 수 있는 시스템으로, 이는 Atasoy와 Lefroy 정련소의 프로그램 및 통신 담당 Craig Waywood에게 매우 인상적인 것이었다. Waywood는 “Manta Cube를 단계적으로 도입하여 이 정련소의 상황에 맞게 설치할 수 있다는 점은 매우 매력적인 것이었다”고 말했다. 또한, “ControlLogix 컨트롤러와 같은 개방 방식의 플랫폼 내에서 사용할 수 있어서, 우리 엔지니어들이 Manta Controls와 함께 Manta Cube의 개발을 쉽게 할 수 있었다”고 덧붙였다.
Karageorgos 사장은 Manta Cube의 알고리즘을 사용할 수 있도록 하기 위해서는 뛰어난 공정 제어 기능이 필요하다고 설명했다. “Manta Cube를 구축하기 위해서는 뛰어난 기능의 text 기반 코드 개발 환경과 많은 양의 미리 설정된 공정 제어 function block 등과 같은 개발 툴이 필요하다”고 말했다.
이 두 가지의 툴에서 전자는 ControlLogix 플랫폼의 Structured Text 제품으로 해결되었다. 이 고급 기능의 언어의 사용을 통해, Manta Controls는 Manta Cube를 최대한 활용할 수 있도록 개발할 수 있었다. 공정 제어 function block 부분에 있어서는 ControlLogix의 공정 Function Block library로 해결할 수 있었다. ControlLogix의 공정 Function Block library는 PID enhanced (PIDE) controller 및 lead-lag, logical instructions, alarms, select/limit instructions, scaling, multiplier 등과 같은 미리 설정되어 있는 공정 제어 관련 instruction을 50개 이상 갖추고 있는 library로, 이 function block은 Manta Cube의 엔진과 같은 중요한 부분을 구축하는 데 꼭 필요한 요소이다.
분산 제어 시스템 (DCS, distributed control system)을 오래 동안 사용한 경험이 있는 Karageorgos 사장과 Lefroy 정련소의 Waywood에 있어서, ControlLogix 플랫폼을 사용하는 것은 처음이었다. 둘 모두 ControlLogix가 공정 제어 작동 프로토콜을 사용할 수 있다는 점, 공용화된 tag 시스템을 사용하고 있다는 점, HMI 플랫폼에 원활하게 연결될 수 있다는 점을 들어, 작업이 수월하게 되었음을 지적했다. Waywood는 “ControlLogix의 기능이 매우 놀라웠다. 특히, PIDE block의 성능이 놀라웠다”고 말했다.
긍정적인 조치를 통한 긍정적인 환경
Karageorgos 사장은 DCS에서 ControlLogix로 전환한 것을 매우 긍정적으로 평가하고 있다. Karageorgos 사장은 “Manta Cube를 개발하는 동안 ControlLogix는 다양한 기능들을 유연하게 제공할 수 있어서 개발이 수월하게 진행되었다”고 말했다. 이에 반해, DCS를 통한 작업은 그러한 유연성을 항상 기대하기는 힘들었다라고 설명했다.
“ControlLogix 상에서 개발 작업을 할 때, ControlLogix Structured Text를 사용하는 것이 기존의 DCS 시스템의 이에 대등한 코드 시스템을 사용하는 것에 비해 훨씬 더 빠르게 작업이 진행될 수 있다”고 덧붙였다.
Lefroy SAG mill의 Manta Cube 도입을 통한 효과는 바로 나타났다. Lefroy 정련소의 여과 공정에서 산출량 및 밀도, 제품 크기 등과 같은 안정성을 나타내는 수치들이 각종 장해가 있는 상황에서도 현저한 변화를 나타냈다. 현재 SAG mill는 안정을 유지하는 상태에서 원래 설정 생산량인 시간 당 550 톤 이상을 생산하고 있다. 또한, 통계 수치를 통해 확인할 경우, mill의 작동 중량 분포 40%로 그 폭이 많이 감소하였다. 공정의 전체적인 안정도는 분쇄 공정을 훨씬 넘어 전체 정련소에까지 이르게 되어, 광석 생산량이 6.1% 가량 증가하였다. 이 모든 것은 Manta Cube 제어 알고리즘의 사용을 통한 것이라 할 수 있다.
그러나, Atasoy에 따르면, 제어 관리실에서 새로운 시스템을 얼마나 잘 활용하고 있는지가 이 새로운 시스템의 도입을 통한 성공을 가늠하는 것이라고 한다. Atasoy는 “전체적인 작업이 아주 원활하게 진행되고 있다. 작업 인원들은 더 이상 설정 수치를 계속 변경하여 생산량을 유지하도록 할 필요가 없게 되었다”고 말했다. 또, “작업 인원들은 SAG mill에만 집중할 필요 없이 공정의 다른 부분에도 충분한 시간을 할애할 수 있게 되었다. 더 적은 인력으로 더 많은 양의 광석을 처리할 수 있게 되었다”고 설명했다.
Manta Controls의 Karageorgos 사장은 “ControlLogix를 통해 원하는 모든 것을 얻을 수 있게 되었다”며, “ControlLogix는 세계 전체에서 사업을 수행하고 있는 회사들이 사용하기 편리하도록 만든 제품으로, 이는 우리와 같은 회사에 있어서 매우 중요한 요소이다. Manta Cube는 현재 지금까지의 Expert Control 제어에 대한 대안으로써 그 능력을 발휘하고 있으며, Manta Controls는 현재 세계 여러 곳에서 문의가 오고 있다. Manta Controls가 세계 어디로 사업을 확장하든 Rockwell Automation이 그 곳에 이미 있다는 것은 매우 안심이 되는 일이다”고 말했다.