디지털의 힘
By Jonas Berge

Jonas Berge는 필드버스에 의해 촉진되는 장치 진단 및 설치비용 절약이 잘 알려져 있지만, 디지털 버스 기술 역시 후기 프로젝트 변경을 보다 용이하게 그리고 경제적으로 구현할 수 있다고 설명했다.

품질, 산출, 에너지효율과 환경에 대한 관심이 증대되면서, 신형 설비들은 보다 많은 측정과 제어장치들을 필요로 하며, 이는 결국 보다 많은 배선을 필요로 한다. 또한, 신형 장치들은 보다 많은 기능을 내장하므로 보다 많은 배선이 요구될 수 있다. 이들 장치 모두를 4-20mA와 on/off 신호로 배선하는 것은 많은 비용이 소요된다. 프로젝트 후기에 추가적 또는 상이한 장치들을 수용하기 위한 배선 입출력에 대한 변경지시는 특히 시스템이 이미 현장에 있는 상태에서 발생하면 일정지연과 비용을 발생시킬 수 있다. 배선을 줄이고 변경을 단순화할 필요성이 증가하고 있다. 특히 신규 설비를 구축하는 경우 4-20mA 그리고 on/off 장치에 대한 변경 또는 추가와 같은 프로젝트 후기의 변경지시사항은 가동중단 및 고비용을 발생시키게 된다.

디지털 기술의 이점 중 하나는 소프트웨어를 통한 변경이 용이하다는 것이다. 예를 들어, 소프트카피로 문서와 도면을 용이하게 변경하며, 디지털 사진과 동영상을 편집할 수 있다. 이는 필드버스를 이용하여 현장계기들을 제어시스템에 연결하는 경우에도 해당된다. 필드버스는 디지털 통신을 사용하므로, ‘소프트 변환기능’을 이용하여 후기 변동사항을 보다 용이하고 경제적으로 구현 가능하다. 이는 이전에는 검토되지 않았던, 필드버스의 중요한 이점이다.

또한, 필드버스는 장치로부터 보다 많은 진단기능, 고속의 동기화 폐 루프 제어를 제공하며, 각각 복수 신호의 복수 장치들을 동일한 선상에 위치하여 현장장치의 배선비용을 절약했다. 이제 전원을 통합한 필드버스는 DCS(분산제어시스템)의 수납함 면적을 더욱 줄이고 있다. 

표준화 설계
프로젝트의 초기 단계에서는 장치와 그 신호들의 정확한 수가 최종 결정되지 않았다. 따라서 기술팀은 자신들의 예측이 프로젝트 공정설계와 포장단위가 완료되면서 변경된다는 전제하에 가용 정보를 기반으로 가정을 취해야 했다. 여러 장치유형들은 상이한 유형의 다수 신호들을 보유하고 있다(표 1 참조). 배선 시스템의 경우 프로젝트는 배선 입출력의 높은 비용으로 인하여 이들 모든 신호를 이용할 수 없다. 즉, 장치의 완전한 기능성이 활용되지 않아, 자동화시스템 즉 설비가 완전한 능력으로 동작하지 못하게 된다. 배선 시스템들은 현장 연결함에서 변환수납함까지 다심의 ‘내부(homerun)’ 케이블을 사용한다. 각각은 12개의 신호를 전송한다. 두 개의 페어를 예비용으로 사용하되 현장 연결함에 장치들이 근접하지 못한 경우 더 많이 확보해야 하며, 다수의 장치들이 하나 이상의 신호를 사용하므로 남아있는 페어들은 10개 미만의 장치에 해당된다. 따라서 다수의 다심선이 요구된다. 예를 들어, 배선식 전동 액추에이터 또는 가변속도 드라이브들은 각각 하나의 다심선을 필요로 한다.

혼합된 신호유형들(표 2)이 현장 연결함에서 변환수납함으로 연결된다. (아날로그 및 디지털) 입출력카드 유형과 수량, 변환수납함 치수, 모든 가능한 유형의 충분한 예비 입출력에 대한 적절한 고려하의 전원 선정 그리고 각 장치의 채널에 대한 각 신호의 할당은 잘 알려져 있으나 대단히 노동집약적인 과정이다.
배선형 시스템들은 다심 케이블과 다수의 변환수납함을 필요로 한다.
필드버스 초기 시절에는 송신기와 밸브 위치기 등의 규정상의 제어장치들만 필드버스를 사용했으나, 전동 액추에이터와 on/off 밸브들도 이를 사용하므로 이는 변하고 있다. 한 가지 종류의 필드버스 인터페이스 카드만이 존재하므로, 각 프로젝트에 대해 커스텀 설계, 제작하는 대신에 수납함을 표준화할 수 있어 프로젝트 주기 내의 작업이 제거된다.
1세대의 필드버스 시스템들부터 보다 단순한 아키텍처의 특성을 갖추고 있었다.
필드버스 배선은 ‘소프트’ 형태이므로 각각을 동일한 2단자 나사로 접근하는 필드버스 장치에 대해서는 본질적으로 신호의 수에 대한 제한이 없다. 하나의 전동 액추에이터에 대한 16개의 신호는 여전히 하나의 장치이다. 복수입력 온도송신기상의 8개의 센서는 여전히 하나의 장치로서 8개의 배선된 송신기를 대체한다. 필드버스 밸브 위치기 궤환은 특별한 궤환 옵션, 추가적 배선과 추가적인 입력카드를 필요로 하지 않는다. 장치의 모든 신호들은 추가 비용 없이 활용 가능하다. 즉, 모든 장치의 완전한 기능성을 활용하여 설비의 최대 역량을 얻을 수 있다.

배선 및 공간절약은 현장에 시스템 카드나 DC 전원을 배치하지 않고 실현된다. 전체 시스템은 가용성 증대와 기술자를 현장으로 이동시키지 않고 용이한 유지보수를 위해 실내에 위치한다.
필드버스 간선케이블은 현장 연결함 내의 버스결합기로부터 주행하며, 중간 변환수납함 없이 시스템 수납함 내의 H1 카드에 직접 도달하게 된다. 이는 면적과 중량을 절약한다. 따라서 필드버스의 경우 변환수납함 치수조정이나 교차배선 설계가 필요하지 않다.

대부분의 시스템들은 필드버스 당 16개의 장치를 지원하지만, 버스는 일반적으로 전체 부하를 받지 않으므로 상당량의 예비용량이 존재한다. 각 장치에 복수 신호가 존재한다는 것을 고려할 때 하나의 필드버스는 배선형의 12페어 다심선 이상을 대체할 수 있다. 예를 들어, 하나의 단일 페어 필드버스 케이블은 단일의 다심선을 각각에 배선하는 대신에 12개의 전동 액추에이터를 지원할 수 있다.

필드버스 계획은 다수의 상이한 유형의 배선형 입출력의 특정 수량과 형식 대신에 장치 수량에 기반한다. 즉, 각 장치 또는 형식으로부터 유입되는 신호의 수가 아니라 필드버스 장치의 수만 추정하면 되므로 H1 카드 수량과 예비용량은 추정하기 용이하다. 입력, 출력 그리고 규정상 또는 이산형 등 모든 유형의 필드버스 장치에 대해 단일형식의 안전격벽이 사용되므로 내재적 안전 역시 단순화된다.

요구기반 전원

일반적인 DC 벌크전원은 필드버스에 직접 연결할 수 없다. 중간에 필드버스 전원(일반적으로 ‘전원정형기’라고 함)이 있어야 한다. 최근까지 이 필드버스 전원은 H1 카드와 필드버스 단선 사이의 스탠드얼론형 중간요소였으며 별도의 변환수납함에 설치해야 했으며 따라서 약간의 배선이 필요했다.

버스전원 내장형의 필드버스 인터페이스 카드

신형의 솔루션은 전원 내장형의 H1 인터페이스 카드이다. 이 설계는 필드버스 간선케이블이 직접 H1 카드 상에 위치하므로 중간 스탠드얼론 전원전형기, 변환수납함 그리고 연관 배선에 대한 필요성을 제거한다. 이에 따라 수납함, 설치면적, 중량 및 연결수가 감소하게 된다.

인터페이스 카드 내에 통합된 필드버스 전원에 대해서는 변환수납함이 필요하지 않다. 비위험구역과 2구역의 경우 현장 연결함 내에서 버스결합기가 사용된다. 0 및 1구역의 경우 현장장치들이 스파케이블로 연결된 연결함 내에서 현장장착된 안전격벽이 사용된다.

요구기반 입출력

언급한 바와 같이 각각의 프로젝트는 후기 단계에서 변동사항에 직면하고 있으며, 이에 대한 원인은 다음과 같다.
·공정 및 제어전략상의 변동사항
·스키드장비 요구사항상의 후기 정의
·추가적인 현장계기들
·장치유형의 변경
·장치 내의 추가적인 신호들
후기 변동, 편차관련 지시사항과 시간지연은 EPC 계약업체와 시스템 공급업체에 있어 잘 알려진 필수적인 사업상의 문제들이며 설비 소유주들에게도 영향을 행사할 수 있다.

장치 추가

프로젝트 후기 단계에서 배선형 장치들을 추가해야 하는 경우 이는 입출력 카드와 안전격벽 유형의 선정과 그 수량에 영향을 행사하며 추가적인 다심선이 필요하게 된다. 그 결과 설계 작업의 큰 부분에 대한 연쇄효과가 발생하게 된다. 이는 지연을 발생시키게 된다. 배선은 유연하지 못하므로 주의 깊은 계획이 필요하다. 예비용 입출력카드와 배선 페어는 계획되고 있으나, 장치가 추가되어야 하는 경우 이들 예비용 카드가 올바른 형식이 아닌 경우가 있을 수 있다.
예를 들어, on/off 밸브를 추가하는 경우 충분한 DO 및 DI 카드가 존재하지 않거나, 예비용이 올바른 형식의 DO 또는 DI 카드가 아닐 수 있다. 또한, 설비를 가동하기 전에 예비용 카드와 내부 전선을 소모하는 것은 좋지 않다. 또한, 추가적인 수납함과 변환도 계획되어야 한다.
배선에는 유한한 ‘하드(hard)’ 한계치가 존재하지만, 필드버스는 보다 유연하다. 9개의 배선형 입출력을 8채널 카드에 연결하거나 또는 아날로그 신호를 이산형 입출력카드에 연결하는 것은 불가능하다. 또한 13개의 배선형 입출력을 12페어 다심선에 연결할 수 없다.
그러나 필드버스의 경우 버스상의 장치 수의 한계는 ‘소프트(soft)’ 하다. 프로젝트 후기 또는 가동 이후에 필드버스 장치들을 추가해야 하는 경우 단순히 해당 연결함에 연결하여 보다 많은 장치들을 기존 버스에 적재할 수 있다. 또한, 각 신규 장치에 대한 신호의 수에 대해 걱정할 필요가 없다.
변환상의 변경사항은 추가적인 내부 케이블이나 카드와 안전격벽 형식의 추가 또는 변경 또는 변환과 면적의 증대 없이 용이하게 실행 가능하다. 이는 프로젝트 지연을 최소화한다. 한 가지 종류의 H1 카드만이 존재하므로, 예비용 카드의 형식이 올바르지 못하는 데에 따르는 문제가 없다. 인터페이스 카드가 동일하므로, 필드버스 장치들은 추가, 제거와 변경이 용이하다.
배선형 예비 H1 카드는 계획되었으나, 기존 버스에 부하를 인가함으로써 예비 필드버스 카드들은 설비 가동 전에 소모되지 않는다. 필드버스의 경우 예비용량을 계획함에 있어 각각의 예비장치 개구부는 복수신호를 갖춘 임의의 장치형식에 대해 사용가능하다. 이는 미래 변화에 대한 장치의 조합이 알려져 있지 않은 경우에도 예비용량 전체를 활용할 수 있도록 한다.

신호의 추가

프로젝트 후기 단계에서 일부 배선형 장치들에 대해 추가적인 제어, 궤환 또는 부수적 측정신호들이 필요하다고 판단되는 경우 케이블의 추가에 따라 보다 많은 입출력카드, 안전격벽과 변환이 필요하게 되어 나머지 설계에 대해 연쇄적 영향이 발생하게 된다.

이는 시간지연을 발생시키며, 설비가 가동되기 전에 예비용 카드와 내부 전선을 사용하지 않을 것이 권장되며, 또한 예비용 카드와 안전격벽이 올바른 형식이 아닐 수 있으므로 자동화에 대한 개선을 포기하게 될 수도 있다. 예를 들어, 일부 배선된 밸브로부터의 위치 궤환을 추가하는 경우 AI와 DI 카드가 충분하지 않거나, DI 카드의 종류가 올바르지 못할 수 있다. 이는 밸브 상에 리미트 스위치를 또는 위치기상에 위치송신기 기판을 설치하는 이상의 것이다.

필드버스의 유연성의 핵심은 그 소프트 변환기능이다. 필드버스는 간단하게 모든 장치들로부터의 모든 제어, 궤환 및 보조측정 신호들을 동일한 2개 선 간에 사용가능하도록 한다. 프로젝트 후기 또는 시동 이후에 일부 장치들로부터 추가적인 신호가 필요한 경우에는 케이블이나 추가적인 하드웨어를 설치할 필요가 없다. 예비용 배선이나 카드 그리고 관련된 전선간 변환기능을 사용할 필요가 없는데, 모든 것이 추가적 연결 없이 소프트웨어로부터 설정되기 때문이다. 즉, 신호의 추가에는 하드웨어 비용이 필요 없으며 엔지니어링 비용도 전혀 또는 거의 필요 없다.

기술자들은 초기 설계단계 중에 정확한 신호수량과 형식에 대해 구체적으로 파악할 필요가 없다. 상세 정보는 설계 초기단계에서 필요하지 않으며, 정확한 요구사항들은 설치와 시동 시에 최종적으로 결정 가능하다. 예를 들어, 일부 필드버스 밸브에서 위치 궤환을 추가하는 경우 이는 간단하게 제어전략에 추가할 수 있다. 중요한 점은, 제어시스템 소프트웨어가 실제 사용 중인 신호의 수가 아닌 필드버스 장치의 수에 기반한 간단한 라이센싱 시스템을 갖추도록 하는 것이다.

장치형식의 변경

이와 유사하게 배선형 장치의 형식을 변경해야 하는 경우 이들 장치에 대해 요구되는 신호들이 동일하지 않으므로 입출력 카드와 안전격벽의 수량은 물론 형식선정에도 영향을 행사한다. 보다 많은 수의 신호가 연관되는 경우에는 추가적인 내부 케이블이 요구될 것이다. 이는 이전의 설계작업에 대해 연쇄효과를 발생하게 된다. 예를 들어, 공정이 원래 계획상의 on/off 밸브 대신에 제어밸브 또는 전동 액추에이터를 요구할 경우 24 VDC DO 카드를 변경하거나 또는 전선을 4-20mA AO 카드나 240VAC DO 카드로 재배치하며 DI 카드를 AI 카드로 변경하는 등의 사항이 필요할 것이다.

필드버스를 사용할 경우 모든 측정과 출력은 현장장치 내에서 정의된다. 따라서 필드버스 신호는 입력 또는 출력, 아날로그 또는 이산형 등 모든 장치들에 대해 동일하다. 시스템 카드의 경우 특성화가 필요하지 않다. 따라서 장치 변경은 시스템 카드에 영향이 없다. 신호는 단순히 소프트웨어를 통하여 제어전략에 연결되어 있다. 이와 같은 가상변환기능을 이용하면 필드버스 장치의 형식을 변경해야 하는 경우 H1 인터페이스 카드와 안전격벽이 동일하며 케이블 등 역시 동일하므로 관련 기술 작업이 필요하지 않다.

구현상의 이점

필드버스 기술은 제어수납함 변환 관련 이점과 함께 이하 기술한 바와 같이 구현시에 다수의 이점을 실현할 수 있도록 한다.

용이한 설치

배선형 장치가 설치된 설비의 경우 다수의 다심선을 배선해야 하며 이는 노동집약적인 작업이다. 절단, 피복제거, 표지, 크림프, 그리고 장치 당 2-24개의 전선 연결 등 엄청난 수의 연결을 취해야 할 필요가 있다. 모든 장치의 각 신호가 특정 입출력카드 단말로 연결되기 위해서는 장치 단말, 현장 연결함, 내부 다심선 그리고 올바른 입출력 카드와 채널에 정합되는 변환 수납함에서 올바르게 배선되어야 한다.

필드버스의 경우 보다 소형 경량의 단일 페어 또는 적은 수의 다심선을 배선하여 노동력이 절약된다. 장치에 신호가 하나이건 12개이건 관계없이 단 하나의 필드버스 페어만이 존재하므로 연결이 대폭 단순화된다. 다수의 신호를 포함한 복잡한 장치의 경우에도 모든 형식에 대해 개별 장치의 배선이 표준화된다.

필드버스는 2개의 단자만을 필요로 하며, 이는 단순한 4-20mA 송신기와 동일하지만 전동 액추에이터와 같은 복잡한 장치들에 대한 배선방식보다 훨씬 적게 된다. 필드버스가 극성과는 무관하다는 추가적인 이점도 있다.

신속한 설정

배선형 시스템의 경우 각 현장 신호가 할당된 입출력 카드 단말에 도달하기 위해 다수의 변환 및 입출력 카드 수납함들을 제작해야 하며 이들은 내부 케이블이 도달하는 혼합신호 단말의 교차배선을 포함하게 된다. 시스템 데이터베이스는 각 장치에 대해 신호 태그별로 구성되어야 한다. 각 신호 태그는 올바른 입출력카드와 채널에 대해 생성 및 매핑 되어야 한다. 장치 형식에 따라 다수의 신호 태그가 생성되어야 한다.

필드버스 장치를 위한 전자기기 설명 언어(Electronic Device Description Language, EDDL) 파일을 이용하여, 각 개별적인 신호 태그의 수동생성에 대한 필요 없이 장치를 설정에 추가하면 모든 신호들이 시스템 데이터베이스에 대해 자동적으로 생성된다. 데이터베이스는 각각의 개별적인 신호에 대해서가 아니라 하나의 태그 이하에서 한 번의 클릭으로 필드버스 장치별로 생성된다. 장치의 형식에 따라 이는 다수의 신호를 보유하여 상당한 설정시간을 절약할 수 있다.
필드버스 장치를 위한 EDDL 파일을 이용하여, 장치를 설정에 추가하면 모든 신호들이 시스템 데이터베이스에 대해 자동적으로 생성된다.

변환기능은 필요한 신호의 포인트 클릭으로 완전히 소프트웨어 상에서 동작한다. 제어전략은 엔지니어링 스테이션에서 기능블록을 연결 또는 ‘소프트 배선’하여 가상변환을 하게 된다. 예를 들어, 하나의 솔레노이드와 2개의 리미트 스위치를 갖춘 on/off 밸브는 3 개의 신호를 내장한 단일 장치 태그이다.

신속한 루프 확인

배선형 현장장치들의 다수 신호들이 올바른 입출력카드상의 올바른 채널에 연결되어 있음을 확인하기 위해 현장 가동준비 이전에 광범위한 루프 확인을 실행하여 신호변환 혼란여부를 발견해야 한다. 이는 필수적인 절차이지만 연기되고 있다. 아날로그 신호의 경우 전류가 제한되지 않으며, 그라운드 루프를 검출하며, 배선, 안전격벽 또는 신호정형기상의 문제로 인한 비선형성이 존재하지 않음을 확인하기 위해 4/8/12/16/20 mA를 모의 실행하는 5점 루프시험을 실행한다. 또한, 루프확인을 통하여 장치와 시스템 간의 거리 불일치나 전류교정상의 차이가 없음을 확인한다. 즉, 송신기 내의 20mA가 시스템 내에서 정확하게 100%가 되도록 한다.

또한, on/off 장치확인은 1명이 현장장치에서 그리고 1명이 시스템 상에서 신호를 확인하여 2명의 공동작업을 필요로 하며, 이는 시간소모적인 작업이다. 필드버스 루프 확인이 훨씬 용이하다. 시스템은 연결된 필드버스 장치와 그 제어 및 궤환 신호들을 자동 검출하여 이들을 용이한 확인을 위해 소프트웨어 내에서 현재의 목록 형태로 표시해야 한다. 4-20mA 또는 범위가 존재하지 않으므로 5점식 시험은 필요하지 않으며 간단한 타당성 검사만으로 충분하므로 송신기와 위치기뿐만 아니라 필드버스 on/off 장치와 전동 액추에이터 등과 같은 이산형 장치들의 공정도 가속화된다.

필드버스는 한명의 기술자가 시스템을 신속하게 확인할 수 있도록 한다. 시스템에서 현장 장치 명을 확인하며, 신호를 생성하며 궤환을 확인할 수 있다. 현장에서의 수동활성화는 필요 없다. 시스템은 송신기와 위치기 뿐만 아니라, on/off 밸브와 전동 액추에이터 등의 이산형 장치도 포함하여 올바른 형식(모델과 생산업체)의 장치가 설치되었음을 확인할 수 있다.

신속한 FAT

배선형 시스템의 공장인증시험(Factory Acceptance Test, FAT)에 있어 각 현장 신호 단말에 대한 시험을 실시하여 이것이 올바른 입출력 카드와 채널에 물리적으로 변환되었으며, 올바른 시스템 태그에 매핑 되어 있으며 송신기 거리가 적합한지 등을 확인해야 한다. 현장 운반 전에 모의실험기와 표시기를 실제의 입출력카드에 물리적으로 배선하여 완전한 점검을 실시하는데, 이는 시간소모적이지만 중요한 단계이다.
그러나 필드버스 시스템의 FAT에 있어서는 기능시험을 카드 수준에서 실시하게 된다. 각각의 실제 H1 인터페이스 카드를 단일 장치에 대해 단순하게 시험하게 된다. 그런 다음 가상 모의실행 모듈을 이용하여 모든 장치의 각 신호를 시험한다. 이는 FAT를 보다 신속 용이한 기능시험으로 실행할 수 있도록 한다.

필드버스의 유연성

Foundation 필드버스에 의해 제공되는 소프트 변환기능은 여러 가지 이점을 제공한다. 교차변환선이 없으므로, 교차변환과 관련되는 모든 설계와 엔지니어링 작업이 제거된다. 모든 장치의 모든 신호들은 동일한 전선의 페어를 공유하며 소프트웨어 설정에 의해 변환된다. 필드버스 장치들의 형식에 대해 후기 변경을 실시하거나 신규 장치를 추가하는 경우 기존 버스에 대한 변경이 요구되지 않는다.

대신 신규 장치와 기존 장치의 보다 많은 신호들을 필드버스에 추가하며 그 신호들을 소프트웨어적으로 변환할 수 있다. 배선형 변환수납함은 더 이상 필요 없다. 남아 있는 것은 소프트웨어 설정뿐이다. 이와 같은 단순화는 보다 적은 배선의 설치, 전선종단에 소비되는 시간의 절약, 후기 프로젝트 변경에 보다 많은 유연성 존재, 프로젝트 일정지연의 위험 감소를 의미한다. 필드버스 없이는 설계를 다른 배선형 장치형식으로 변경하는 데에 많은 어려움이 따르게 된다.