Network remote I/O system

기술자료 [기초지식]

Network I/O Vision 4300 System

Network I/O Vision 4300 system 현싯점에서 계장설계는 기존 4-20mA I/O 시대도 지나고 HART communication 시대를 지나 Foundation Fieldbus로 접어들었음은 부정할 수 없는 추세입니다만, 아직도 현장에는 4-20mA가 많이 이용되고 있음도 현실입니다.

이러한 기존의 계장신호를 집약적으로 손쉽게 현장에서 요모 조모 묶고 필요에 따라 간단히 원격처리를 할 수 있는 network I/O 장비도 잘만 사용하면 , 현존 프로세스현장에서 요긴하게 응용할 수 있습니다. 이장에서는 간단히 소개정도를 다룰 예정이며, 보다 자세한 기술자료가 필요하면 티엠 솔루션(주) 로 연락주시면 우송해 드리겠습니다. 또한 관련 pdf file은 "기술자료 다운"란에 올려놓았으므로 필요시 다운받아서 이용하시기 바랍니다.
티엠 솔루션(주) 최시용 2004.2.14 (updated 2006.1.27)

Remote I/O 개요

Vision 4300 system 최근 계장설계 개념이 급변하면서 필스버스를 적용하는 플랜트가 점점 늘어나는 추세입니다.
컨트롤 캐비넷, 마샬링 캐비넷, 패널등은 사라지고 제어실에는 MMI만 남아 일반 사무실분위기를 내는플랜트가 속속 등장하고 있으니 말입니다.

하지만, 아직도 기존 계장방식으로 설계된 많은 공장들이 있는 것도 사실입니다.
왼쪽 그림처럼 대부분의 프로세스제어는 현재까지도 중앙집중방식으로 구성되어 있습니다. 그럼이런 플랜트를 필드버스로 전부 바꿔야 할까요?
이장에서는 요즈음들어 계장인 사이에 많이 오르내리는 필드버스설계와 비슷한 기존 아날로그 계장용 Networked Remote I/O system에 대하여 설명 합니다.

Vision 4300 system은 상기와 같은 개념의 제어방식을 현장에 산재한 계기들 옆으로 보내고, 중앙은 MMI와 control부분만 남아있도록 한 현장 분산형 I/O system입니다.

Vision 4300 system은 그림에서 보는 것처럼 현장요구에 맞도록 분산 설치할 수 있으며, 개개의 모듈이 독자적으로 운용되는 관계로 개개의 모듈간 peer-to-peer 통신을 하여 데이터를 교환할 수 있습니다.   프로세스 현장에 직접 설치하는 관계로 주변온도 -40 ℃ ~ +85℃, 습도 95%, 및 각종 진동, 먼지등의 열악한 환경하에서도 동작하도록 제작 되었으며, 개개의 모듈마다 Function Block을 내장하고 있어 연산, 로직등을 독립적으로 처리하고 이를 필요로 하는 해당 모듈로 직접 전송 합니다 따라서, 중앙시스템하고는 주기적인 통신이라든지, 현황, 알람상태등을 보고하고 새로운 제어지시가 있을 때만 호출당합니다.

만약, 현장에서 간단한 제어를 필요로 하는 루프가 한두 개 있다고 가정합시다.   현재는 이런기능을 처리하려면, 현장 신호를 입력받아 DCS에서 제어를 행한다음 다시 현장의 액추에이터로 보내는 방식입니다. 따라서 캐비넷룸까지 와이어링도 필요하고 I/O module등도 필요 합니다.
여기에 Vision 4300 system을 적용하면 현장에 I/O module을 직접설치하여 각각의 해당 모듈이 연산,로직등을 행한결과를 직접 해당 출력I/O 모듈로 전송하여 액츄에이터를 동작시킵니다.
어디서 많이 들은 것 같다구요?   예 맞습니다 맞고요,... 필드버스의 Function Block기능과 유사하지요.   거의 기능상 근접합니다.   이렇게 되면 현장에 직접설치한후 현장에 널려있는 Twisted 2 Wire (dual redundant RS485/422/232 MODBUS protocol 지원) 만 중앙제어실로 끌고와서 연결을 하면 되는것 이지요. 필요에 따라 Fiber Optic, Radio 등등을 적용할 수 있습니다.

Vision 4300 I/O system 기능

그림에서 보는것처럼 간단히 Vision 4300 system 기능을 정리하면,
㉮ 현장신호를 변환하는 변환기 기능 (Signal Conveter)
㉯ 현장신호를 받아 이를 연산하는 연산기능 (Math. function)
㉰ 현장신호를 받아 이를 로직처리하는 (Logic function) 로직 기능
㉱ 이런신호를 상호간 교환하는 통신기능 (Communication)이 개개의 모듈에 독립적으로 내장되어 있습니다.
따라서 이런 기능들을 현장에서 즉시 처리할 수가 있는 것이고, 모듈상호간 Peer-to-Peer 통신을 하므로, 현장에서 대부분의 제어 시스템 기능을 수행할 수가 있습니다. 옛날 구닥다리 로칼 컨트롤러 같은거와 유사하다고 보시면 되겠습니다.
만약 이렇게 현장에서 수집하거나, 제어를 위한 신호들을 기존의 DCS system과 연결하고자 하는 경우에는 MODBUS ASCII, 또는 RTU protocol을 지원하므로 해당 통신 Gateway 등을 통해 손쉽게 연결할 수가 있습니다.

개개의 I/O Module은 독립된 CPU와 Flash RAM, ROM을 내장하고 있어 독자적인 제어임무를 수행합니다. 현장에서 간단히 일부 연산, 로직기능만 필요할 경우는 상위 시스템과의 연결을 위한 HIM (Host I/F module)이 필요 없이 1,400 미터 거리내에서 직접 통신이 가능하며 (I/O to I/O), 예를 들어 4-20mA 입력을 받아 50% SP에서 어떤 밸브를 닫거나, 열거나 해야 한다면 High, Lo Alarm trip 신호를 만들어 2wire redundant communication cable을 통해 1.4km 거리내에서 이를 직접 DO 모듈로 전송하여 Contact 신호를 내보낼 수 있습니다.

Vision 4300 system 만약 이러한 제어신호를 상위 시스템과 연결하여야 한다면 HIM (Host I/F Module)을 통해 (이것 역시 2wire redundant communication cable을 통해 1,4km 전송 - RS422/485) 통신을 합니다.

Vision 4300 system communication HIM은 최대 63개까지 병열 연결이 가능하며, 한 개의 HIM은 15개 까지의 I/O (AI,AO,DI,DO) 모듈들을 무작위로 거느릴 수 있습니다. 또한 한 개의 I/O module은 4 Points 신호를 처리합니다. 따라서 이를 제어할 수 있는 포인트수로 계산해 보면,
한 개의 HIM은 15 I/O module을 거느리므로, 15 modules x 4 points = 60 points
한 통신라인에는 최대 63개의 HIM을 연결할 수 있으므로, 63 HIMs x 60 points = 3,780 points를 처리하는셈 입니다.

현장에서 반경 1키로 이내에 몇몇 포인트씩 모인 신호그룹이 100, 200미터씩 군데군데 떨어져 있다면 Vision 4300 I/O 모듈들을 해당 신호그룹 근처에 J.B처럼 설치하여 신호를 모은다음 이를 dual redundant 통신선을 통해 끌고 갈 수가 있으므로 현장도 깨끗하여지고, 공사도 간편하여지고, 신호선을 멀티케이블로 끌고갈 필요도 없어 공사비 절감은 물론 향후 유지보수가 엄청 줄어듭니다.

Vision 4300 System I/O Module 사양

Vision 4300 system I/O module은 Universal type (범용 모듈방식)으로 전부 5종류 뿐입니다. 또한 가장 장점으로 꼽을 수 있는 기능으로 개개의 채널 (4채널 / 모듈)은 독립적으로 기능부여가 가능합니다...즉 각각의 채널이 독립적인 회로 (Circuit)로 설계되었다는 것 이지요 (DO 신호를 예로 들자면 : Ch1 : Dry contact Ch2: Wet contact 240Vac 2A, Ch3 : Wet contact 35Vdc, Ch4: Wet contact 24Vdc ;
HAI module 예를 들자면, Ch1 : 4-20mA, Ch2 : 1-5V, Ch3 : 0-20mA, Ch4 : 4-20mA with loop power 등등) 이렇게 되면 현장신호를 통일하기 위하여 변환기를 적용할 일도, 향후 근처에 설비가 증설되어 포인트가 추가되는 경우라든지 현장계기가 변경되는 경우에도 유연하게 대처가 가능합니다.

① LAI (Low Level Analog Input Module) 는 4 channel per module 로서,
T/C : B, E, J, K, N, R, S, T
RTD : Pt100, 200, 500, Pt100JIS, Ni110, 120, Cu10
mV : -110mV to +110mV
Ohm : 0 to 1,000 ohm 등의 신호를 20 bit 분해능 (이정도 분해능은 정밀급 계측기에 해당합니다... 통상적으로 고급이라고 해도 보통 16bit, 일반적인 경우는 14 bit정도임을 아는분은(?) 다알지요) 으로 처리합니다.
여기에 Automatic Cold Junction Compensation, Galvanical Isolation, Transient Protection등의 기능 및 48개의 Function Block을 내장하고 있습니다.

② HAI (High Level Analog Input Module) 는 4 channel per module 로서,
Voltage : -11.000 to +11.000 V (3 mV accuracy)
Current : -55.00 to +55.00 mA (30 ㎂ accuracy) 의 신호를 16bit 분해능으로 처리합니다.   물론 24V Loop Power도 공급합니다.

③ HAO (High Level Analog Output Module) 는 4 channel per module 로서,
Voltage : -11.0 to +11.0 V (1 mV accuracy)
Current : 0.000 to +55.000 mA (30 ㎂ accuracy) 의 신호를 17bit 분해능으로 처리하여 출력 합니다.

④ DI (Digital Input Module) 는 4 channel per module 로서,
Contact : TTL level to 240Vac / dc 신호를 Threshold와 Deadband 150V 까지 선택
Pulse : Threshold 1 sec (resolution 500msec) 또는 Threshold 10msec (resolution 1msec)
Counter : 32 bit 등의 신호를 입력 받을 수 있습니다.

⑤ DO (Digital Output Module) 는 channel per module 로서,
Logic State : Normally Open Contact
Pulse Duration : 0.5sec ~ 60 min (1sec accuracy, 500msec resolution) ;
                        10msec ~ 3 sec (10msec accuracy, 1msec resolution : 2ch only)
Relay : Gold plate on silver contact, damp rated, sealed on board
           Resistive rating :240Vac/30Vdc 10A, derated to 2A; 125Vdc 200mA
           Expected Life : 5 x 10⁷mechanical actuations
                                  1 x 10⁵ @ 10A
                                  1 x 10⁶ @ 2A (specified)
Contact Wetting : non-isolated 24V @ 24mA typical per output

⑥ HIM (Host I/F Module ) 은 상위 Host system 과의 연결을 위한 통신 모듈입니다. 하위 모듈간은 Modbus RS485 @78kbps , multi-drop으로 통신을 하고 상위는 RS485/ RS422 / RS232   MODBUS ASCII, RTU mode를 19.2k baud까지 지원하며, 내부에는 보다 고급의 연산 function module을 1000개 보유하고 있습니다.

Vision 4300 modules 따라서, 현장에 설치도 쉽고, 핫스톡도 많이 필요없고, 또한 개개의 모듈은 전원이 투입되어 있는 상태에서 바로 교환이 가능하므로 , 유지보수시 전체전원을 끌필요도 없어 maintenance시 효율을 올릴 수 있습니다.

Function Blocks

Vision 4300 function module Vision 4300 system I/O module은 자체 내부에 연산식, 로직등의 function block이라 불리는 이라는 기능모듈을 내장하고 있습니다.
I/O module은 이러한 function block을 각 48개정도를 구성하여 사용할 수 있으며, HIM module은 1,000개 정도를 구성하여 사용할 수가 있으므로, 현장에서 필요로하는 신호변환, 알람, 로직등의 기능을 대부분 수용할 수가 있습니다.
다음그림에 각각의 I/O module이 행할 수 있는 function block의 개요를 보입니다.

Host I/F Module 내부에는 다항식등의 고급연산제어 기능블럭을 내장하고 있습니다.

vision 4300 function blocks 이러한 기능들은 configuration 화면상에 Pop up menu 방식으로 떠오르므로 계장쟁이라면 누구나 현장에서 간단히 손쉽게 선택하여 이용할 수 가 있습니다.

vision 4300 configuration 서두에서 설명드렸습니다만, 4300 I/O 시스템은 현장에 분산되어 적은규모의 필드계기를 대상으로 하므로, 셋업용 configuration software도 아주 간단합니다. 누구나 손쉽게 이용할 수 있도록 팝업메뉴 방식을 채택하였고, 질문 및 대답방식을 사용하여 단시간에 해당 I/O module의 데이터베이스를 업로드 하거나 작성, 수정하여 다운로드할 수 가 있습니다.

물론, 데이터베이스는 PC 상에 파일로서 저장되므로 향후 필요시 파일을 불러내 사용할 수가 있습니다.

vision 4300 card cage I/O module 장착은 Euro card 방식을 채택하였으며, 현장의 필요에 따라 2 Card Cage (5" wide) , 4 Card Cage (10" wide) 및 15 Card Cage (19" cabinet rack type)이 있으므로 선택 사용하면 됩니다.
하단에 4 Card Cage 그림을 보입니다.

어디에 사용할 것인가 ?

Vision 4300 system은 표준계측기급의 정확도와 분해능 수준으로 제조되었으며, 신뢰성은 DCS system level에 준하였으며, 특히 주변환경조건은 -40 ~ +85도씨 에 맞췄습니다.
현장에서 신호변환후 직접 구동을 원하십니까 ?
      peer-to-peer 통신이 가능한 Vision 4300 I/O module을 선택하십시오.
여러장소에 분산되어있는 소량의 계기들을 모니터, 또는 제어하여야 합니까 ?
     모듈당 독립된 4 channel을 지원하는 Vision 4300 I/O system을 선택 하십시오.
이미 구축된 DCS system에 원거리에 떨어진 소량의 현장계기를 추가해야 합니까?
     RS422/485/232 MODBUS 통신을 하는 Vision 4300 I/O system이 있습니다. Billing System을 찾으십니까?
     고정도 (최대 20bit), 분해능을 보유한 Vision 4300 I/O system을 선택 하십시오.

(2편으로 바로가기)

시간나는대로 보강하여 update하겠습니다. 감사 합니다.
참고로 관련 Pdf 파일은 "기술자료다운"란의 Vision 4300.pdf file : 860kB을 읽어보시기 바랍니다.