HART-Increasing Field Device Reliability

기술자료 [고급지식]

HART Monitoring Devices에 대하여

Fieldbus 오늘은 개천절이어서 그동안 미뤄왔던 HART에 대하여 보강을 하려고 조금일찍 일어난관계로 조간신문을 보게 되었습니다만, 신문을 읽는순간 황당했습니다.
2종류의 신문(C,D사)을 구독하는데 어느신문도 개천절에대해서는 언급이없고 한창 병풍으로 시끄러운 김xx 기사가 1면을 장식하고 있었으니까요 또한 부산아시아 게임은 아예 섹션화 해서 대서특필화 되어있는데... 우리의 자화상인가? 내가 구식인가? 아님 개천절은 정말 개천(?)이 되어 버렸나??
기본이 바로서야 나라가 바로선다고 누군가가 얘기했는데 씁쓸한 개천절입니다. 여러계장동료 여러분께서는 태극기를 높이 게양하셨으리라 믿습니다!! 각설하고,
요즈음 프로세스 자동화에서 HART라는 단어는 이제 더 이상 낯선 단어가 아닙니다. 대부분의 계기류에 HART기능이 추가되고 있고, 일부 DCS시스템의 I/O 에서도 HART Path Thru 기능을 지원하고 있으니까요.
하지만 아직도 HART 기능을 갖는 계장기기류를 사용하면서도 HART자체가 주는 커다란 혜택을 누리지 못하는게 프로세스 현장의 현실입니다.
전편에서 HART Connection System에 대하여 알아 보았습니다만, HART Connection System은 Monitoring할 포인트가 어느정도 이상 (>50 points)되어야 고려가 되고 또한 시스템을 구축하기 위하여는 (신규프로젝트던, 증설프로젝트던) 캐비넷룸을 손대야하는점 및 설치경비등이 수천만원을 훌쩍 넘어서므로, 소규모이거나, 일부 중요한루프인 경우를 대상으로 하기에는 상대적으로 과잉투자가 될 수도 있습니다만 여하튼 현재 추세는 점차 HART를 이용하여 플랜트를 관리하려는 "설비유지관리시스템" 의 도입이 느는 것 같습니다.
이장에서는 소규모의 Critical Points들을 위한 HART Monitoring Devices 및 관련된 주제로 다뤄보겠습니다. (Moore Industiries사 제품을 기준으로 설명 합니다)

티엠 솔루션(주) 최시용 2002.10.3 개천절날

HART 데이타 고찰

HART 신호는 위에 보시는 것처럼 기존 4-20mA 계장신호에 FSK (Frequency Shift Keying) 방식의 digital 신호를 더하여 전송함으로서 친숙한 4-20mA 아날로그신호에 디지털기술의 이득을 더할 수 있게된 것이지요

HART Connectivity

즉 HART 신호는 Smart 현장계기류 자체가 제어용으로 사용되는 재래식 아날로그신호와 정보를 제공하는 디지털신호를 공히 제공하는 일종의 안전시스템같은 기능을 발휘할 수 있도록 현장계기류에 날개를 달아준 것입니다.

HART Vairables

HART 데이터는 계기당 256개까지의 PV를 지원하나,
한 개의 HART 메시지에는 단지 4개까지의 Variable만을 전송할 수 있으므로 통상 4 Variable까지만을 대상으로 하면되고 상기의 표는 두 개의 Variable에 지정되는 대표적인 Variable종류들을 열거하여본 자료 입니다.
물론 Multivariable 계기라면 더욱많은 정보를 제공할 수가 있습니다.
다음은 일부예가 되겠습니다만 이미 개개의 필드계기류 속에는 이러한 정보들이 저장되고 있고 이를 읽을수만 (가능하면 공짜로 ??)있으면 실무에 그대로 사용할 수 있는 것 이지요.

Magnetic Flow Meters
Flow, Raw Flow, Volumetric Flow, Smoothed Flow, Positive Total, Negative Total, Net Total
Ultrasonic Flow Meters
Flow, Sound Velocity, Positive Total, Negative Total
Vortex Flow Meters
Flow, Total Flow, Process Temperature, Vortex Frequency
Hydrostatic Level Meters
Level, Volume, Pressure, Differential Pressure, Sensor Pressure, Process Temperature, Sensor Temperature
Pressure Transmitters
Pressure, Differential Pressure, Percent Range, Electronics Temperature, Sensor Temperature
pH Transmitters
pH, Process Temperature, Electrode Performance
Valve Positioners and Damper Operators
Stem Position Percentage, Input, Supply Pressure, Set Point, Deviation from Set Point, Actuator Pressure, Positioner Temperature

HART Corilios
어떻습니까? 한번 상상해 보십시오 만약 현장에 설치된 Flow Meter에서 계산된 4-20mA의 Flow양뿐만 아니라 Density라든지, Raw Flow량이라던지, 온도라든지등등이 간단히 확인이 된다면 말입니다.. 또한 중요한 Control Valve에서 밸브의 Stem이 동작불량인지, 공급에어가 새지는 않는지, ESD용 vent valve는 제대로 동작이 되는지등등을 간단히 확인할 수 있다면 말입니다.
HART Monitoring

물론 이런 내용을 받기위해서는 약간의 투자가 필요합니다. 다만 이를 위하여 많은돈을 쓸필요가 있을까 ? 아님 안써도 될까를 결정하면 되는 것이지요. 우리는 이런결정을 까꾸로 하는 군상들을 가끔 봅니다만, 가능한한 제대로된 결정을 할 수 있도록 배워놓는 것도 좋지 않겠습니까?

참고로, 여기를 누르시면 Moore Industries사 모델 SPAHART 및 HIM에서 취급할 수 있는 필드계기 제조사의 모델에 따른 Variable Data를 보실수 있습니다.
그럼 왜 이렇게 필드계기류에 관심이 모아지는걸까요 ? 지난 2년간 ISA의 Loop Reliability Analysis (ISA -Houston, Europe, Safety Conference, POWID Conference)에서 보면,

A widely accepted breakdown of assigning the probability of failure within a loop is:
35% - Sensor / Transmitter
15% - Logic Solver (Some put this closer to 5%)
50% - Final Control Element

라는 결과치를 얻을 수 있었다는 것입니다. 따라서 현재는 제어시스템은 상당히 안정되었고 필드계기류를 어떻게 잘 돌아가도록 하느냐가 해당 프로세스의 경쟁력과 직결되는 상황이 된 것이죠.
위 자료대로라면 먼저 밸브류 (특히 Critical Loop와 관련된)부터 손을 보는게(??) 순서일 것 같습니다만 .. 여하튼 손금은 잘봐야돼 그러니께 성형까지해서 손금을 고쳐 버린데나 어떤데나...죄송 요즈음 손금까지 성형수술 한다는 TV 뉘우스를 보고 갑자기 샛길로 샛습니다.. 각설하고, 다음은 시스템 연결 방식 (여기에 가시면 HART Connection System 을 구축하기 위한 기초자료를 보실수 있습니다.) 과 싱글루프계기와 비교해보도록 하겠습니다.

HART Connection System vs Single Loop Device

HART BLOCKDIA 이제는 HART기능에 대해서는 어느정도 짚어본 것 같습니다. 그럼 어떤 구도로 플랜트를 개조, 신조 할 것인가 (어떤 그림을 그릴 것인가?) 가 중요한 사항으로 떠오르지요??

왼쪽 그림은 HART Connection System을 도식화한 것으로서 현장계기가 Smart 계기류라면 4-20mA의 PV (Process Variable) 또는 OP (Output) 외에 여러 데이터를 HART Server를 경유하여 상위 매니지먼트 시스템까지 연결하여 전 공정에 대한 상황을 파악하여 실질적인 자산관리를 효율적으로 할 수가 있게 되므로 아주 이상적이기는 하나 문제는 투자비 아니겠습니까? 하지만 구축만 할 수 있다면 다음에 보는 것처럼 아주 많은 정보들을 수집할 수가 있게되고 효율적인 플랜트 운용이 가능해지겠지요. 물론 짐작하시겠지만 일단 Ethernet에 연결가능한 데이터로 되면 전송못할곳이 없습니다 지구어디래도 마구 보낼 수도 있게되므로 원격으로 관리가 가능해지겠지요.
HART Conectivity

밑에 보이는 그림상 EAM 은 Enterprise Asset Management System을 뜻합니다. 뭔가 거창해 보이죠?? HART EAM
이렇게 구축만 허면 좋은디잉.. 웜매 겁나게 무섭게 그려부렀네잉...그러나 이렇게 하기에는 여러 가지 문제에 직면하는게 현실이 아니겠습니까 - 던과 윗분의 무지막지한 갤심 - 따라서 일부만 (정말로 필요한 부분만) 어떻게 해볼 수 없을까?
다음에 보는 것이 이런갈증을 풀어줄 한방울의 시원한 감로수(?)가 아닐까 생각 합니다.

예로 스마트 포지셔너를 보도록 하겠습니다.

HART - Valve Stuck
Smart 포지셔너는 상기와 같은 많은 정보를 보유하고 있고 이를 HART monitor가 있다면 해당 정보를 불러다가 유용하게 이용할 수 있겠죠. 특히 Critical Loop용 밸브라면 이렇게 HART monitoring 계기만 추가하여도 신뢰성 및 위험감소팩터 (Risk Reduction Factor) 가 좋아집니다. 즉 2중 3중 ESD 시스템이 있더래도 해당 액츄에이터의 신뢰도가 확보되지 않으면 의미가 없는 것이므로 간단한 HART Monitoring 계기만 하나 더 부착함으로서 전체 플랜트의 신뢰도를 올릴 수 있어 혹자는 이를 Safety device라고 까지 하는 것 입니다.

Moore Industries 사 SPA모델을 사용한다면 4개의 알람접점과 1개의 AO, 만약 HIM 모델을 사용한다면 2개의 알람접점과 3개의 AO를 출력할 수 있습니다.
HART Valve Monitor

이렇게 간단한 계기하나를 Loop에 병열로 연결하면 (J.B 또는 Marshalling Panel에서) 4개의 variable중 필요한 데이터를 선택적으로 이용하여 알람, AO출력등을 내보밸 수 있게되는 것입니다. 최소의 비용으로 효율극대화를 기할 수 있는 것이지요.

다음은 Transmitter에 설치한 경우를 예로 듭니다.

HART Monitor

Mii 사의 HIM 모델을 사용하면 기존 루프에 병열로 연결하여 4개의 Variable을 필요에 따라 알람접점 2개, 4-20mA AO 3개 까지 출력시킬 수가 있으므로 유용하게 사용할 수 있습니다. (Flow, pH, DP 등등) HART Monitoring

후기

그럼 HART Monitoring Single Device가 주는 잇점은 무엇일까요?
위에서도 잠깐 언급했습니다만, HART Connection System이 주는 막대한 잇점은 확보할 수 없지만, 경제적인 비용으로 아주 중요한 루프, 포인트등을 효율적으로 관리할 수가 있게되어 플랜트 안정성, 신뢰성등울 향상시킴과 동시에 유지보수에 도움이 된다는점 입니다.

1) Critical Loop 의 Reliability를 향상시킬 수 있고,
중요한 필드계기 진단, Fault Alarm방지, Preventive Maintenance (Valve)등
2) 필요로하는 추가 데이터를 손쉽고 저렴하게 확보할 수 있고
3) 추가로 해당 Loop를 증설해야할 경우 기존루프에 영향을 주지 않고 루프, 알람등의 포인트 추가가 쉬운점등을 들 수가 있습니다.

HART Safety
이상으로 대강의 각론을 마치기로 합니다. 요즈음 프로젝트들은 대부분 처음부터 HART Connection System을 고려하는 경우가 많고, 기존 플랜트의 안정성을 올리기 위하여 기존루프에도 상기와 같은 HART Interface and Monitor Devices들을 채용하는 추세입니다.
그럼 계장동료 여러분 건강들 하시기 바라면서 끝까지 읽어주셔서 감사 드립니다.

(HART Connection System으로바로가기)