자동화 프로젝트를 가속화하는 분산 입출력 시스템

[월간 무인화기술 1월호]

 

 

자동화 프로젝트를 가속화하는 분산 입출력 시스템

 

 

비용을 줄이고 계속 증가하는 복잡성에 대처하고 신뢰할만하고 안전한 운영을 유지하면서도 플랜트 자동화 프로젝트를 가속화해야 하는 것은 프로젝트 및 플랜트 엔지니어들이 직면하고 있는 매일의 도전과제이자 가장 큰 난제라고 할 수 있다. 일반적으로 이러한 책임의 어려움은 상당히 과소평가되고 있다. 에머슨 프로세스 매니지먼트의 사장이었던 John Berra가 자신이 쓴 AutomationWorld 컬럼에서, 가장 알려지지 않고 가장 인정받지 못하는 엔지니어들이 플랜트/자동화 엔지니어들이라고 지적한 것도 놀라운 일이 아니다.

 

사실 John은 자동화 엔지니어라는 직업이 가장 높은 수준의 직업이라고 말했다. “엔지니어링과 관련된 광범위한 기술이 요구될 뿐 아니라, 화학 공정, 기계, 전기, 전자, 소프트웨어, 네트워크, 그리고 IT(정보 기술)에 대한 지식도 필요합니다. 전형적인 프로젝트의 경우, 자동화는 전체 비용의 단지 10%만을 차지하지만 공정 성능에 가장 큰 영향을 미칩니다. 자동화가 제대로 되지 않으면 최고의 장비나 공정 설계라 할지라도 무용지물이 되니까요.

 

반대로 공정화 작업이 성공적으로 완료된다면 시설 운영은 너무도 수월해집니다.” 필자는 John의 말에 온전히 동의한다. 특히, 점점 더 복잡해지고 정교해지는 프로세스 환경을 볼 때, 자동화 프로젝트의 실행과 가속화는 플랜트/자동화 엔지니어들의 핵심 과제라고 할 수 있다.

한 동안은 현장에 측정 및 제어기기를 적용하는데 드는 총 비용과 시간이 공정 개선에 장애물이 된다고 여겨졌다. 하지만 이 문제를 해결할 수 있는 다양한 솔루션이 등장했다. 가장 널리 받아들여지는 솔루션으로 원격 입출력과 버스 입출력(예: Foundation Fieldbus와 Profibus)을 들 수 있다. 최근에는 두 개의 솔루션이 추가되었는데, 바로 무선 입출력과 전자 마샬링(electronic marshalling)이다. 이번 원고에서는 DCS 시스템에 대한 원격 입출력과 전자 마샬링을 비교한다.

원격 입출력(Remote I/O)이란? 다양한 DCS 공급업체들이 현장에 (심지어 위험한 지역에) 직접 설치가 가능한 입출력 서브시스템을 제공한다. 이러한 시스템들은 안전하고 표준에 적합한 필드 신호 연결을 위해 모든 필요한 입출력 모듈을 공급한다. 필드 신호들은 기능 모듈에서 조절되어 전기적으로 분리된 후 내부 직렬 버스를 통해 출력된다. 그리고 통신 인터페이스는 디지털화된 신호를 표준화된 버스 프로토콜로 변환한다. DCS 시스템은 본질안전(intrinsically safe) 버스를 사용해 통신 인터페이스와의 통신을 시도한다. 단일 버스 네트워크만으로도 각각의 버스 노드를 구성할 수 있다. 공급업체마다 제공되는 입출력 옵션(예: Analog, Discrete, HART-Compatible)은 다양하다.

전자 마샬링(Electronic Marshalling)이란? 전자 마샬링의 개념은 제어 장치의 엔지니어링과 구현을 단순화하는 것에 초점을 맞춘다. 예를 들어, 에머슨의 경우 전자 마샬링은 CHARMS (CHARacterization ModuleS)를 기반으로 단일지점 유연성을 가진 분산형 입출력 시스템을 지칭한다. CHARMS는 백플레인을 통해 이중 통신 프로세서(CIOC)로 통신하는 단일지점 입출력 모듈이다. CIOC는 에머슨의 PlantWEB 이더넷을 통해 DeltaV 프로세서와 통신하며, 이는 DeltaV S 시리즈 플랫폼의 일부분이다. CIOC는 구리나 섬유 매체를 지원하며 50 밀리초의 입출력 업데이트를 보장한다.

DeltaV CHARM I/O Card (CIOC)는 기존의 그리고 IS CHARM을 지원하며, 제어 시스템 입출력 형상에 있어 유례없는 유연성을 제공한다. 표준 이더넷 인프라 하드웨어를 통해 어디든 필요한 곳에 입출력을 추가할 수 있다. 각 입출력 채널은 본질안전 어플리케이션을 위해 신호특성분석과 전기적 분리가 가능한 전용 CHARM을 포함한다. 이에 더해, 단일 채널 고장 분리, 전기적 분리, 그리고 IEC Ex ia 등급을 만족시키는 에너지 제한 회로를 제공하기 위해 IS 격벽들이 CHARM에 내장되어 있다.

두 가지 방식 모두 현장 기기 및 본질안전/일반 구역에 대한 온전한 적용이 가능하도록 (또한 배선을 줄일 수 있도록) 솔루션을 제공하고 있다. 그러나 이 두 가지 솔루션은 엔지니어링, 비용, 범위, 유지 보수에 있어 큰 차이를 보이고 있다. 다음의 표는 주요 차이를 요약한 것이다.

단일 채널 무결성과 입도 지원 능력은 공급업체들마다 다르며, 비용과 범위 역시 마찬가지다. 일반적으로 원격 입출력 솔루션은 전자 마샬링 보다는 성능이 떨어진다. 또한 원격 입출력 솔루션의 입출력 옵션은 공급업체들마다 큰 차이를 보이고 있다. 반대로 전자 마샬링은 모든 유형의 입출력을 지원하고 있어 어떤 곳이든 설치가 가능하다.

가장 큰 차이를 보이는 것은 후기 특성분석(late characterization), 후기 공정 결합(late process binding), 그리고 나이프 분리(knife disconnect) 기반 여부다. 분명 설비 가동 기간에, 그리고 그 후의 유지보수를 위해 나이프 분리 기능은 큰 유익을 가져온다. 또한 프로젝트 가속화를 위해 후기 특성화 및 후기 공정 결합 기능은 큰 장점을 제공한다. 예를 들어, 노스캐롤라이나 윌밍턴(Wilmington)에 새로운 황산 공정 플랜트를 설립한 Southern States Chemical (www.sschemical.com)의 사례는 어떻게 전자 마샬링(제어실 및 원격 조정을 통해)이 비용을 줄이고 일정을 앞당겨 프로젝트를 추진할 수 있었는지 보여준다. 다음은 이 사례의 일부분을 발췌한 것이다.

“CIOC는 입출력 서브시스템 설계를 제어 전략 설계와 분리하여, 제어 전략이 완료되기 훨씬 이전부터 현장 계장 설계를 시작할 수 있게 해준다.”라고 에머슨의 『DeltaV CHARMS 가동준비』 백서는 설명한다.
“CIOC는 기존의 마샬링 터미널 및 제어기의 입출력 카드 사이의 물리적 교차 배선을 대체한다. 입출력 신호는 어떤 물리적 배선에도 영향을 미치지 않고 재설정이 가능하다. 때문에 새로운 제어기를 추가할 때 입출력 하드웨어를 추가할 필요가 없다. 이는 기존의 카드 기반 입출력 시스템으로는 매우 힘든 일인데, 기존 입출력 카드가 물리적으로 기존 제어기에 할당되어 있기 때문이다. 전자 마샬링은 이러한 작업을 없애고 입출력 서브시스템을 그대로 유지하게 해 준다. 단순히 새로운 제어 장치를 추가하고 입출력 채널 할당에 따라 제어 모듈을 재분배 하면 된다. 입출력 범위나 배선에는 어떤 변화도 없다.”

“최종적으로 Beyer는 CHARM과 에머슨의 시스템을 통해 자신의 회사가 배선 및 인력에 드는 비용을 50%정도 절약할 수 있었다고 말한다. 예를 들어, 입출력 신호를 200피트 떨어진 제어실로 가져오는 대신 기존의 이더넷 백본에 연결만 하면 되었고, 이 작업은 몇 시간 안에 완료되었다.”
설명된 바와 같이, 많은 플랜트들은 분산 입출력 시스템을 통해 프로젝트를 가속화하고 비용을 줄일 수 있다. 특히 Southern States Chemicals의 사례는 전자 마샬링이 플랜트/자동화 엔지니어들의 작업을 현저하게 개선시켜줄 수 있음을 확증한다.