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2001년 부터 기술한 Foundation Fieldbus (이하 필드버스 라고함) 관련 기술이, 불과 십년사이에 계장설계에 많은 변화를 가져온 것 같으며
, 변화속도는 점점 빨라지고 있는 것 같습니다.
국내 프로세스 산업에 필드버스를 적용하는 경우는 보편화 되지 않고, 일부 신기술 , 신공장등에만 산발적으로 적용하고 있으나, 해외 대부분 프로젝트들은 기본적으로 Foundation Fieldbus 기술을 적용하여 보다 정확하고 합리적인 공정 운용을 하고 있는게 계장의 현주소 및 발전 추이라고 할 수 있겠습니다.
프로세스용 필드버스 기술에 대한 기본적인 사항은 그간 많은 지면, 공개 기술 세미나들을 통하여 이뤄져, 계장인들에게는 이미 친숙해진 사항이므로 간단히 설명드리는 것으로 하고 실제 프로젝트에 적용하기 위하여 짚어봐야하는 적용기술에 관한 사항을 집중적으로 기술 하기로 합니다.
이장에서는
지난 세월 필드버스 프로젝트를 진행하면서
얻은 경험들을 가능한 많이 거론하도록 하겠습니다. 보다 자세한 세미나, 기술협의가 필요하시면 티엠
솔루션(주) 와 상의 해 주시기 바랍니다. 또한 관련 pdf
file은 "기술자료 다운"란에
올려놓았으므로 필요시 다운받아서 이용하시기 바랍니다.
티엠
솔루션(주)
최시용 2001.5.19 (최종 updated 2015. 12. 1)
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필드버스
개요 |
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프로세스 자동화 설계
개념이 변화하고 있습니다. 점점 컨트롤 캐비넷, 마샬링 캐비넷
등은 사라지고 제어실에는 MMI만 남아 일반 사무실분위기를
내는플랜트가 속속 등장하고 있으니 말입니다.
잘아는 것 처럼, 필드버스라는
용어는 광범위하여 산업현장에 여러형태로 적용되고 있습니다만 (Profibus-DP/PA, AS-i, 등등) , 여기서는 Foundation Fieldbus (이하 필드버스)만 거론 합니다.
이장에서는
계장인들 사이에 많이 오르내리는 필드버스설계와 관련하여 현장에서
적용가능한 필드버스 관련 기기류에 대하여 설명 합니다. 설명을
위하여 다음 일부
그림은 Foundation Fieldbus 의 기술자료에서 인용하였습니다.
상위 기종간 (PLC, DCS등)의 통신은 주로 HSE (High
Speed Ethernet :100Mb)를 이용하고, 현장계기류 (Fieldbus Devices)는
H1 (31.25kHz)을 사용 합니다.
이렇게 필드버스 통신을 사용하면
손쉽게 이종간의 HSE 시스템과의 연결도 용이하게되어,
상위기종간 정보 교환이 보다 손쉽게 이뤄져, 향후 자동제어 통신은 이런형태로
정착되어갈 것 같습니다. 이장에서는
H1 Foundation Fieldbus 에
관련된 기기류만을 대상으로 설명 합니다.
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 기존 아날로그 설비는 현장 계기류와 DCS 사이는 4-20mA 의 전류 신호를 이용하여 통신을 합니다. 이경우,
① point to point (1:1) 결선방식으로 많은케이블 포설,
② 주고 받을 수 있는 정보는 한정 되고 (PV only)
③ 현장계기류는 대부분 Smart type 임에도 불구하고 이혜택을 이용할 수 없어, 설치, 유지보수에도 많은 시간과 비용이 필요했었습니다. (요즘은 현장계기 유지보수를 위하여 HART Maintenance System 을 추가 적용 하고 있는 경우도 많이 있습니다. - Asset Management System:자산관리)
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 이를 필드버스개념으로 바꾸면,
ⓐ 한 개의 케이블에 많은 (2-32개) 계기를 물려 1,900 meter 까지 전송할 수가 있습니다. - 일반지역에서의 이론상 최대치라고 생각하십시오. 현실 적용에서는 항상 그렇듯이 좀 다릅니다. (특히 위험지역 IS 설계시 유념)
ⓑ I/O 모듈 대신에 FF 통신모듈이 보다 많은 loops / points를 담당 하므로 DCS cabinet 및 각종 interface 장비를 설치하는 marshalling rack의 갯수가 줄어들 뿐만 아니라 연결하기위한 터미네이션 작업도 많이 줍니다.
ⓒ또한 많은 현장계기들이 기능(function Module)을 갖고서 Peer-to-peer communication을 할 수 있으므로 Host system의 기능을 현장으로 분산시켜, 진정한 분산형 제어 시스템 구축이 가능 합니다 - CIF (Control in the Field).
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 ⓓ정보 획득차원에서 보자면, 예전에는 I/O module까지 정보교환이 이뤄졌지만, 필드버스는 디지털 통신을 하므로 현장계기까지 정보 획득범위를 확장할 수 있어 Installation, Commissioning (loop checks etc), Maintenance 등의 시간과 노력이 대폭 경감됩니다. (시스템에 따라서는 HART maintenace system을 별도로 구축할 필요가 없습니다.)
ⓔ보다 손쉽게 상위 여러 시스템과 연결할 수가 있습니다 (HSE)
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 파운데이션 필드버스에서 나온 technical overview를 보면 필드버스를 적용한 Utility Plant 예가 나옵니다. 여기서 거론한 control room과 현장은 약 200 미터거리쯤입니다.
㉠ 케이블은 78%, 터미네이션은 62% 가 절감되었다고 나옵니다. ( 다음 도표 참고 )
㉡ 또한 I/O interface card류가 약 50% 절감 되어 전체적인 시스템 비용은 약46% 절감되었다고 합니다.
㉢ 여기에 커미셔닝시 원격 루프점검, 원격 디바이스점검, 원격 컨피규레이션등으로 인하여 인건비를 약 25% 절감했다고 예를 들고 있습니다.
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 우린, 계장인 이므로, 여기서 헷갈리면 안되는 것들은 ;
Foundation Fieldbus 자료에서 예를 든 Utility plant 의 프로세스는 flash tank에 대한부분으로 대부분의 루프가 AI/AO입니다. 또한 물리적인면만 고려한 것 임을 감안하고 보시기 바랍니다.
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㉮ 전체 프로젝트 케이블공사비가 엄청 절감된다 -> Multicore에서 twist pair로 ; 이게 좀 재미 있습니다. 프로세스가 복잡하고 multiple variable 현장계기류 (Flow meter, analyzer등) 가 많으면 빛을 발할 것입니다. 필드버스는 Multivariable transmitter를 지원 하니까요,
이론적으로 한 개의 device가 평균 3 개 I/O signals을 갖는다고 합니다. 이론적이라면 32 device x 3 I/O signals / Trunk 이므로 한 개 트렁크 케이블에 96 cable의 신호 처리량을 가질수 있다는 얘기니까요.
 따라서 복잡하고 커다란 플랜트 일수록 적용의 매력이 있는 셈 입니다.
통신거리 또한 1,900 미터까지 확장이 가는하니까요 , 하지만 아직까지 Di/Do signal은 기존의 wiring 방식을 채택하는 게 보편적인 설계라서, 현장이 discrete, batch 등의 경우는 효과가 적을 것 입니다.
물론 DI/DO 신호를 필드버스에 연결하는 요구가 점점 늘어나고는 있습니다만 (DI/DO Converter사용), 기존처럼 wiring 한다고 봐야 하는게 아직까진 현실적입니다.
확실히 이 경우도 줄일려면 Remote I/O base system design 적용은 어떨까? 라고 개인적인 생각이 드는건 웬일 일까요 ?
지금까지 경험으로 보면, 일반지역에서 필드버스 케이블당 물릴 수 있는 현실적인 숫자는 2-12 devices (이론상 수치보다 훨씬적음)이고,
여기에 Fieldbus 세그먼트 설계상 Spare points를 고려하고, device 설치 지역까지 케이블 거리등을 감안하다 보면 실제적인 숫자는 2-10 device 정도입니다.
만약 위험 지역 (Hazardous Area) 이라면 여러 가지 IS 관련 표준제약 때문에 2-8 devices 정도임을 잊지 말아야 합니다,
중요 루프 (Critical Loop)이고, IIC, Zone1 에 거리가 500 미터 이상이라면 1~2개밖에 못물리는 경우도 발생합니다.
하하, 감 잡으셨군요. 현싯점에서는, Loop당, 투자비는 이론만큼 절감되지 않는 것 아닐지요?
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㉯ 케이블은 지정된 제품을 써야한다 -> 물론 현실적으로 발주자 사양에는 지정되어있는 경우가 많이 있습니다. 그러나, Fieldbus Standard에 가보면 해당 Parameter (Ohm, mH, ㎌ 등)만 만족하면 국제공인을 얻은 제조사의 어느케이블이던 문제가 없이 사용할 수가 있다고 되어 있습니다.
이것보다는 현장에서 요구되는 외부환경, 악조건등에 견딜 수 있는지 등을 검토해 봐야 합니다. 예로서 SWA, LSZH, underground 포설문제, 습기침투문제 (NC) , 주변온도문제 (XLPE) 등을 검토하여, 가격경쟁력있는 제품을 구매하면 되겠습니다. (Foundation Fieldbus System Engineering Guidelines : Cable Characteristics에 가면 잘 나와 있습니다)
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㉰ 총건설 공사비가 획기적으로 절감된다 -> 이것도 아직까지는 과장된 부분이 많은 것 같습니다. 누구의 입장에서 보느냐에 따라 다르고, 안전지역, 위험지역에따라 달라집니다.
Fieldbus 의 최대 수혜자는 사용자 (Enduser)임을 잊지 말아야 할껍니다, 위에서 얘기드린바와 같이 공사비만을 전체적인 loop 개념으로 본다면 그렇게 줄어들지 않을 수도 있습니다.
Filedbus Power supply는 DCS사 scope라고 본다고 해도, Fieldbus Wiring Block , Enclosure, 그리고 이런 장비군을 생산하는 공급사의 영업전략에 의한 특정 모델 지정 등등 으로 비용이 만만치 않는 경우가 많은 것 같습니다.
상대적으로 예전 아날로그 시스템은? 저렴한 터미널블록 그리고 멀티 CVVS cable과 유능한 계장 공사공 만 필요했죠.
물론 여기서 commissioning scope만 보자면 이론적으로는 분명히 줄어들기는 합니다만, 현실은 어떻습니까 ? 일반계장에서 하던 Loop Check 다하고, 다시 통신선로에 Fieldbus Calibrator (예: emerson 475)등을 사용하여, 커넥션은 잘 되었는지? noise level은 어떤지? Bus 통신을 하므로 최종단 Spur에서 전압은 안정적으로 공급이 되는지 등을 또 점검합니다. 또한, 디지털방식의 루프체크 관련일을 해본 경력자가 있어야 하는데 아직까지는 사람 구하기가 어렵고, 계측기 사용법도 생소하고, 등등으로 시간과 인력소요가 많아져 경비가 더 들어가는 경우도 생깁니다, 상기에서 거론한 Remote 로 많은일이 절감되는 것은 이런 기본적인 현장사항이 잘 되었다고 볼 경우로, 25%정도 준다는데는 이견을 달지는 않겠습니다.
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 결론적으로 work scope에따라서 희비가 엇갈릴 수 있으므로 향후 프로젝트는 이를 잘 따져서 계산해봐야 하겠죠 . loop check, system configuration, point check등등에 소요되는 비용은 향후 많은 경력자들이 늘어나면, 예전의 4-20mA 시대와는 달리 줄어든다는데 의견을 같이 합니다,
반면에, 초기 투입되는 엔지니어링 비용은 증가할 수도 있습니다, 세그먼트확정을 위해 검토해야할 게 발생하는 경우가 많습니다 (특히 대형프로젝트에, Trunk 가 장거리이고, 위험지역에 위치한 프로세스라면) 여하튼 System Hardware비용은 분명히 줄어드는 것 같습니다 (I/O, cabinet, cross wiring, database building 등등 )
급변하는 세상속에서도 "우리계장인들은 역사적 사명을 띄고 이땽에 태어났다". 옛날생각이 나네요..하하 건강하고 굳건하게 삽시다.
그럼에도 불구하고, 왜 요즈음은 전부들 필드버스, 필드버스 하는걸까요 ? 이젠 IT 시대를 만나, 아날로그 시대가 막바지에 있고, 계장도 점점 디지털시대가 도래하고 있다고 보는게 맞겄지유,
필드버스의 시작은 몇가지의 간단한 아이디어에서 출발 하였다고 합니다.
- Reduce cabling / simplfy marshalling
- Real-time digital closed loop control
- Liberate plants from proprietary protocols
- Expand device intelligence
- Allowed diagnostics based maintenance
일단 구축해놓고 나면 많은 혜택이 있는 것은 사실입니다. Information, flexibility, maintenacebility, room space - 따라서 아날로그 계장 증설의 경우는 새로 컨트롤룸 안 지어도 다 들어간다고 하는게 맞는 것 같습니다.
 좌측 그림을 보면 아시겠지만, 지금까지 친숙하게 설계했던 System, Field device들 사이에 디지털 통신을 담당하는 새로운 부분이 삽입된 것을 볼수가 있습니다.
땅속이나 트레이로 달리는 부분만을 살짝 신기술로 바꿔서, 보다 광대한 정보를 획득할 수 있도록 개선(?) 한 것으로 볼 수가 있습니다.
이렇게 구축하고 나면, 정보 획득범위 확장 및 정확성이 획기적으로 향상 되므로 과학적이고 정량적인 공정 운전이 가능하여 품질향상이 경쟁력 향상으로 이어지고, 유지보수 업무도 체계화되어 예측가능한 예방정비, 쪽집게 정비가 가능하여 자산관리적인 측면에서 예산계획 및 통제가 가능해 집니다.
이로 인하여 안정적인 플랜트 운전이 가능하고 , 지속정비, 예방정비 개념이 강해져 매년 정기 정검을 할 필요성이 줄어들므로, 생산성 향상에 기여 하게 됩니다.
지금까지 설명드린 내용들은 많이 들어보셨던 내용으로 조금 식상하셨을수 있으나, 정리하는 측면에서 기술 해 보았습니다.
그럼 다음장에 필드버스 세그먼트 디자인 및 디바이스군으로 들어가 보기로 합니다.
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