이병로의 홈페이지 [필드버스기술]
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덕명기술(주)

 

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필드버스(Foundation Fieldbus) 사용한
DCS 기존 DCS와의 비교


Foundation Fieldbus를 사용한 DCS인 피셔-로즈마운트사의 DeltaV 시스템과 기존 방식의 DCS를 설치비용 절감이라는 관점에서 그 비교를 통하여 Foundation Fieldbus의 이점을 소개하고자 한다.

 


DeltaV(델타-브이) Foundation Fieldbus 기술은 플랜트의 성능을 향상시키는 디지털 통신 네트워크이다. AMS (Asset Management Software)를 사용하여 DeltaV는 Foundation Fieldbus기기들에 포함된 정보들을 추출하고 공정의 값들을 제어시스템과 공유한다. AMS는 기존 DCS시스템의 한 부분이 아니다. Foundation Fieldbus를 사용한 DeltaV는 현장기기들의 CONFIGURATION, CALIBRATION, 상태, 성능, 그리고 기기의 정상 동작 유무 등의 진단들과 같은 정보를 플랜트 전반에 걸 처 안정적이며 빠르고 쉽게 접근할 수 있도록 OPC(OLE for Process Control) 표준을 사용하고 있다. 예방 정비 능력, 향상된 프로세스 제어 기능, 향상된 정보의 배포 능력 등 기존 DCS에서 찾기 힘든 기능 및 성능이 있다.

DeltaV Foundation Fieldbus 시스템이 기존 DCS시스템과 비교하여 실질적으로 하드웨어 설치 비용의 상당한 절감을 가져 다 준다. 한 엔지니어링 회사는 Alaskan North Slope Oil 생산회사에서 Foundation Fieldbus 설치의 결과에 대한 분석을 하였다. 그 결과를 간략하게 요약하여 보면 다음과 같다. (Control Magazine 1998년 10월호 참조)

표-1. Foundation Fieldbus 설치 절감

구 분

절감비율
(Foundation Fieldbus vs. 기존방식)

결선

75%

I/O Card의 수량

93%

제어실로의 케이블

98%

Transmitter의 수량

28%

제어실 계기 판넬의 공간

67%


모든 설치방식은 기존DCS와 동일하다. Foundation Fieldbus 설치와 기존의 DCS설치간의 정확한 비교를 위하여 Foundation Fieldbus를 적용한 DeltaV 시스템과 기존 DCS 각각에 16개의 기기 설치하여 비교하였다. 기존 DCS 대신에 Foundation Fieldbus기술을 적용한 DeltaV 시스템이 사용되었을 때 어떻게I/O 결선 작업이 75% 감소되는가를 보여준다. 또한 I/O Card의 수량, 제어실로의 케이블, Transmitter의 수량, 제어실 계기 판넬의 공간 등이 기존 DCS 대신에 Foundation Fieldbus기술을 적용한 DeltaV 시스템이 설치되어질 때 실제로 얼마나 감소되는가를 설명한다.

 

I/O 결선 작업의 감소


트랜스미터와 밸브들은 일반적으로 Junction Box에 연결된다. Junction Box들로 부터의 전선들은 Marshalling Panel로 연결되고 다시 I/O 단자들에 연결된다. 다음 예를 위해 각각의 Junction Box에 연결된 밸브들과 트랜스미터들의 최대 수량은 16개이다. 따라서 최대 16개의 전선 쌍, 각각 3개의 단자(신호전선 두가닥, 실드 한가닥)를 갖는 전선들이 Junction Box에 연결될 수 있다. 그림-1과 그림-2는 6개의 밸브와 10개의 트랜스미터의 기기 배치도를 보여준다. 그림-1은 기존 방식의 DCS 배치도이고 그림-2는 Foundation Fieldbus가 적용된 DeltaV의 배치도이다. 양쪽 그림에서 굵은 숫자 I, II, III 부분에서 Foundation Fieldbus가 적용된 DeltaV를 사용한 결선 방식이 75%의 절감되는 것을 보여준다.
 

기존 DCS 레이아웃


16개의 기기는 기존 DCS레이아웃에서 240개의 단자가 필요하다.

  1. 16개의 기기를 Junction Box에 연결 - 16 전선쌍 (신호선 2 가닥 + 실드선 1가닥) 16 x @3단자=48 단자
  2. Junction Box의 48단자에서 Marshalling Panel의 48단자로 연결
  3. Marshalling Panel의 48단자에서 시스템 I/O Card들의 48단자로 연결

따라서 48단자 x 5 sets = 합계 240단자 

[그림-1] 기존 DCS의 현장 기기와 시스템 I/O 간의 결선
 

Foundation Fieldbus 적용된 DeltaV 레이아웃


16개의 기기는 DeltaV Foundation Fieldbus 레이아웃에서 60개의 단자가 필요하다.

  1. 16개의 기기를 Junction Box에 연결 - 16 전선 쌍 (신호선 2 가닥 + 실드선 1가닥) 16 x @3단자=48 단자
  2. Junction Box의 3단자(Foundation Fieldbus신호선 2가닥 + 실드선 1가닥)에서 Marshalling Panel의 3단자로 연결
  3. Marshalling Panel의 3단자에서 시스템 I/O Card들의 3단자로 연결

따라서 48단자 + (Fieldbus 3단자 x 4 sets) = 합계 60단자


[그림-2] Foundation Fieldbus가 적용된 DeltaV시스템의 현장 기기와 시스템 I/O 간의 결선

Foundation Fieldbus 기술을 사용한 DeltaV의 경우에서 단자 수 75%의 감소가 되는 것을 알 수 있다. Multi-variable 트랜스미터가 사용되는 경우 더 많은 감소가 일어날 수 있다.

I/O 단자의 75%감소는 Foundation Fieldbus설치 비용이 실질적으로 상당히 절감된다는 것을 의미한다. 표-2는 기존의 DCS 240단자 사용의 경우와 Foundation Fieldbus가 적용된 DeltaV의 60단자가 적용된 설치 비용의 최소 비용과 최대 비용의 경우를 보여 준다.

표-2 기존 DCS와 DeltaV Foundation Fieldbus 단자/결선 설치 비용 비교

$ 최소 / 최대 비용

기존 DCS
240단자

DeltaV Foundation Fieldbus 60단자

단자 설치 단가 : $5.00

$1,200

$300

단자 설치 단가 : $15.00

$3,600

$900

 

I/O Card수량의 감소


기존 DCS I/O Card들은 Digital Input 과 Output 그리고 Analog Input 과 Output Card등으로 구성된다. 각 Card들은 일반적으로 8 Channel를 갖는다. DeltaV Foundation Fieldbus 기술은 Fieldbus I/O Card를 사용한다. 이 Card는 64개의 I/O Channel를 수용한다. 6개의 밸브와 10개의 트랜스미터를 사용하였을 때의 비교를 하였다.
 

기존 DCS 레이아웃


Multi-variable밸브 및 트랜스미터의 경우 하나의 밸브는 2개의 DO, 6개의 DI, 그리고 2개의 AI를 갖고 있으며 하나의 트랜스미터는 2개의 AI를 갖고 있다. 기존 DCS 레이아웃에서 6개의 밸브 구성은 36개의 DI신호, 12개의 DO신호, 그리고 12개의 AI신호가 소요된다. 10개의 트랜스미터 구성은 20개의 AI가 소요된다. 표-3은 기존 DCS레이아웃에서 필요한 I/O Card 타입과 수량을 보여준다. 표-4는 DeltaV Foundation Fieldbus를 사용한 같은 레이아웃에서 요구되는 Card 타입과 수량을 보여준다.

표-3 기존 DCS I/O Card

Card 타입

필요 수량

Digital Input

5

Digital Output

2

Analog Input

4

합계

11

 

Foundation Fieldbus 적용된 DeltaV 레이아웃


DeltaV Fieldbus I/O Card사용한 경우 I/O Channel대신에 블록으로서 표현된다. 하나의 블록은 하나의 I/O Channel과 동일한 의미를 갖는다. 16개의 기기 (밸브6개-36DI/12DO/12AI, 트랜스미터10개-20AI )를 수용하는데 80개의 I/O 블록이 필요하다. 각 DeltaV Fieldbus Card는 기존 DCS I/O Card가 8개의 Channel를 갖고 있는 것에 비해 64개의 블록을 갖고 있다.

표-4 DeltaV Foundation Fieldbus I/O Card

Card 타입

필요 수량

DeltaV Fieldbus I/O

2

합계

2


기존 DCS대신에 Foundation Fieldbus를 적용한 DeltaV 사용은 I/O Card의 수량을 82%감소 시켰다. 실제로 Alaskan North Slop 플랜트에서 Foundation Fieldbus가 적용된 DeltaV를 통하여 92%의 I/O Card절감 효과를 얻었다. Multi-variable 기기가 적용이 되어질 때 훨씬 더 많은 절감 효과를 가져온다.

 

제어실로의 인입 케이블 감소

 

기존 DCS 레이아웃


기존 DCS설치에서는 온도 트랜스미터 (Temperature Transmitter) 및 압력 트랜스미터 (Pressure Transmitter) 양쪽이 요구된다. 기존 DCS에서는 Multi-variable 트랜스미터의 사용이 안 된다.
 

Foundation Fieldbus 적용된 DeltaV 레이아웃


Foundation Fieldbus 압력 트랜스미터 (CLOSED-COUPLED MOUNTING)의 사용은 별도의 온도 트랜스미터가 요구되지 않는다. 각각의 Foundation Fieldbus 압력트랜스미터는 온도를 측정하는 프로세스 온도 센서를 내장하고 있다.

위치, 개인적인 특성 과 기타 요소에 의하여 모든 온도 트랜스미터가 대체되는 것은 아니다. 하지만 Foundation Fieldbus DeltaV는 Multi-variable압력 트랜스미터 (CLOSED-COUPLED MOUNTING)가 프로세스 온도 정보를 프로세스 압력 정보와 함께 제공함에 따라 별도 온도 트랜스미터의 필요성을 상당히 줄여 준다.
 

제어실 계기 판넬의 공간 절감


그림-3과 그림-4는 기존 DCS의 경우보다 Foundation Fieldbus를 적용한 DeltaV시스템이 얼마나 많은 제어실내의 필요한 설치공간을 감소 시켜주는 가를 보여준다. 양쪽 그림은 350개의 현장계기 설치를 위한 전원과 I/O Card들이다.

[그림-3]350개의 현장 기기를 위한 기존 DCS I/O의 판넬 공간

 

[그림-4]350개의 현장 기기를 위한 Foundation Fieldbus가 적용된 DeltaV 시스템의 판넬 공간

 

요 약


기존 DCS와 Foundation Fieldbus가 적용된 DeltaV시스템과의 비교를 통하여 Foundation Fieldbus가 사용되었을 때 단자, 요구되는 I/O Card 수량, 제어실내로의 인입 되는 전선 수, 요구되는 트랜스미터의 수량, 그리고 제어실내의 요구되는 판넬 설치공간 등이 상당히 줄어드는 것을 알 수가 있었다. Alaskan North Slope 플랜트의 프로젝트 선임 엔지니어는 Foundation Fieldbus가 적용된 DeltaV시스템의 적용으로 기존의 DCS에 비하여 더 적은 전선, 더 적은 설치공간, 더 적은 철제물등등 거의 모든 분야에서 많은 절감을 했으며 제어 시스템의 하드웨어 뿐만이 아니라 엔지니어링, 설치 및 유지보수에 많은 이점을 가져왔다고 CONTROL MAGAZINE 1998년 10월 호에 기고하였다.

Alaskan North Slope플랜트에서 기존 DCS대신에 Foundation Fieldbus를 적용한 DeltaV 시스템의 사용으로 케이블 연결 단자 수를 75% 절감하였다. 앞에서 비교한 16개의 현장 기기 사용에 따른 비교 분석에서도 기존DCS와 대비하여 Foundation Fieldbus가 적용된 DeltaV시스템 사용이 75%의 단자 절감을 얻을 수가 있었다. 만일 Multi-variable 압력 트랜스미터 (CLOSE-COUPLED MOUNTING)가 함께 사용된다면 더 많은 단자의 절감을 얻을 수 가 있을 것이다.

I/O Card 수의 95% 절감은 Alaskan North Slope 플랜트 건설에서 현실화 되었다. 앞에서의 분석에서는 I/O Card의 82%절감을 얻을 수가 있었다. 이 절감 비율은 각각의 설치 환경에 따라 차이가 날 수 있다. 이 분석 데이터 그리고 다른 DeltaV Foundation Fieldbus 설치 보고서들에 기초하여 Foundation Fieldbus를 적용하고자 하는 각 공장에서는 이와 유사한 절감을 기대할 수 가 있다.

Foundation Fieldbus가 적용된 DeltaV시스템의 가장 큰 이점중의 하나는 제어실내로의 인입 케이블 수를 대단히 많이 줄일 수 있다는 것이다. Alaskan North Slope플랜트에서 사용자는 기존 DCS 경우와 비교하여 제어실내로의 인입 케이블 수의 98% 절감을 경험하였다. 앞에서 16개의 기기로 비교하였을 때 83%의 절감을 얻을 수가 있었다. 16개의 신호 전선 쌍을 하나의 Foundation Fieldbus 전선 쌍으로 대치되는 것은 설치 비용 뿐만이 아니라 지속적인 유지관리 비용의 절감도 가져다 준다는 것을 의미한다.

Alaskan North Slope플랜트의 경우 Multi-variable트랜스미터 사용을 의무화하였다. 그 결과 기존 DCS의 경우 보다 28%의 트랜스미터 절감을 가져왔다. 이는 트랜스미터 구입비용 및 제반 설치비용 등의 절감 뿐만이 아니라 현장기기들에 대한 유지보수 비용의 절감 또한 가져다 준다.

Foundation Fieldbus를 적용한 DeltaV시스템은 Junction Box에서 Marshalling Panel 그리고 시스템 I/O단자에 까지 연결되는 신호 케이블의 수를 기존의 DCS와 비교하여 상당히 절감시켜 준다. 또한 DeltaV Fieldbus I/O Card는 기존 DCS I/O Card보다 Card당 I/O Channel수를 56개 이상 더 제공한다. 더 적은 수의 케이블과 더 많은 I/O Channel은 제어실내의 판넬 (또는 케비넷) 설치 면적과 판넬내 공간을 감소시킨다. 그림-3과 그림-4는 이러한 기술적인 진보를 명확하게 보여 주고 있다. 제어실 판넬 공간은 Alaskan North Slope 플랜트에서 67%의 절감 효과가 경험되었다.

이제 Foundation Fieldbus는 내일의 기술이 아닌 오늘의 적용기술이 이미 되었으며 국내 플랜트에 적용을 미루거나 두려워 할 기술이 아니다. 특히 새로운 플랜트 건설 시 과거 방식에 얽매이거나 집착하여 투자 손실을 자초해서는 안될 것입니다.

계장 분야 엔지니어들이 이 새로운 표준과 방식에 적극적으로 대처해주기를 기대합니다.


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