Improved Fieldbus Operations with Advanced Diagnostics

Eastman Chemical에서 위험 환경용으로 설계된 필드버스 시스템 설치

미국 사우스캐롤라이나주의 컬럼비아에 소재한 Eastman Chemical Company는 상대적으로 위험하지 않은 설비에서 FOUNDATION filedbus 기술과 Emerson DeltaV 하드웨어를 사용한다. 이 시스템이 적절히 기능하자 Eastman은 두 번째 플랜트에 필드버스 기술을 설치하기로 결정했다. 도전 과제는 아주 다른 환경인 두 번째 플랜트에 첫 번째 플랜트와 비슷한 FOUNDATION filedbus 시스템을 설치하는 방법을 알아보는 것이었다.

도전 과제
Eastman Chemical의 성공적인 FOUNDATION filedbus 기술 도입에 이어 고려되고 있는 두 번째 플랜트에는 Class I Div. 1 및 Class I Div. 2 위험 영역이 상당수 있었으며, 폭발뿐 아니라 부식성이 높은 프로세스가 진행되었습니다.

기존의 본질 안전형 FISCO(Fieldbus Intrinsically Safe Concept) 세그먼트의 경우 상당한 양의 신호가 손실되었으며 짧은 세그먼트를 포함하는 최대 4개의 장치만 허용되었습니다.

우리는 가혹 및 위험 환경에서 안정적으로 기능하는 FOUNDATION filedbus 시스템을 설치하고 본질 안전형 세그먼트 기능을 최대화하길 원했습니다. 또한 직원들이 필드의 기기에서 작업할 수 있길 원했습니다.

FISCO는 일반적인 수준의 본질적으로 안전한 한계 내에서 작업할 수 있는 방법을 제공합니다. 또한 위험 위치에서 전압 및 전류(12.8V 및 115mA)를 사용할 수 있도록 합니다. 트렁크 및 스퍼 길이는 각기 1000m와 30m이며, 안전성을 검증했으므로 시스템 인증이 필요하지 않으며 FISCO는 필드 정션 박스에서 실시간으로 작동 가능한 네트워크 파트와 실시간으로 작동하지 않는 파트를 구분할 필요가 없습니다.

전압을 제한한 필드버스 기술을 플랜트에 적용하면서 한 가지 주저했던 사항은 부식성이 높은 환경에 설치하여 커넥터에 먼지가 끼고 박스가 피로해지기 시작할 때 시스템을 청소할 수 있는가 하는 점이었습니다. 녹과 부식은 시간이 갈수록 통신 수준을 떨어뜨려 네트워크의 불안정성을 일으킵니다.

또한 이러한 조건으로 인해 추가적인 저항이 발생하여 전압이 떨어집니다. 무작위의 일시적인 통신 문제는 알아내서 제거하기 어렵습니다. 보통 이러한 문제는 플랜트의 작동이 중지된 후에야 알아낼 수 있습니다.

따라서 우리는 작동 중단을 일으키기 전에 이러한 문제를 알아낼 수 있기를 바랐습니다. 또한 필드버스 장치가 9V 이상에서 작동하는 경우 12.8V가 부식을 충분히 보상할 수 있는지 확신이 들지 않았습니다.

가능한 해결 방법
도전 과제에 가장 적합한 해결 방법을 찾기 위해 우리는 노스캐롤라이나주의 샬로트에 소재한 Robert E. Mason 세미나에 참석했으며, 이 세미나에서 ADM(고급 진단 모듈)에 대한 프레젠테이션을 보게 되었습니다.

Pepperl+Fuchs는 ADM이 시작 및 시운전 중 시간을 절약할 뿐 아니라 필드버스 세그먼트에서 성능 감소 상황이나 결함을 감지한다고 주장했습니다. 부식 또는 전문 기사가 알아차리지 못한 조건을 발생시키는 변화 등의 설비 변화를, 이러한 변화가 플랜트 성능에 영향을 미치기 전에 감지할 수 있다고 합니다. ADM은 Pepperl+Fuchs의 필드버스 통신용 Field-Connex 제품군의 일부입니다.

FieldConnex를 통해 사용 중인 어플리케이션에 맞게 필드버스 토폴로지를 설계할 수 있습니다. 필드버스에서 데이터를 전송하는 동안 FieldConnex는 전원 공급, 설치된 장비, 액세서리 등과 같은 인프라를 제공합니다.

FieldBarriers와 함께 HPT(High-Power Trunk) 개념은 본질 안전형 필드버스 세그먼트를 생성하는 새로운 접근 방법을 제공합니다. 전체 설비는 FieldConnex 전원 허브에 통합된 ADM을 통해 지속적으로 모니터링됩니다.

Fieldbus power supplies with physical layer diagnostics

HPT(High-Power Trunk)
본질 안전형 또는 발화력이 없는 수준으로 필드버스 트렁크 케이블의 에너지 양을 제한하는 대신 HPT는 스퍼 연결의 에너지를 기기로 제한합니다. HPT와 함께 FISCO를 사용할 경우 트렁크에 대한 에너지가 115mA가 아닌 500mA로 증가되었습니다.

따라서 필드 계장 및 설비에 사용 가능한 에너지 양이 영역 분류와 상관없이 설비 설계에 따라 일관되게 증가합니다. 제어실이 아닌 FieldBarrier를 통해 필드의 에너지를 제한하여 필요한 경우 전원이 기기로 효율적으로 분산됩니다.

따라서 세그먼트 보호 장치가 위험 또는 다용도 어플리케이션용으로 비슷하게 설치됩니다. 일관성, 케이블 배선 및 비용 절약도 모두 HPT에 따라 증가됩니다.

HPT의 또 다른 이점을 통해 사용자는 플랜트의 모든 영역에 대해 선택적 중복 모듈이 포함된 단일 전원 구성 시스템에서 표준화할 수 있습니다. 30V/500mA를 제공하므로, 사용자는 리피터를 사용하지 않고도 최대 케이블 길이 및 최대 부하를 확보할 수 있습니다.

FieldBarriers
FieldBarriers는 HPT의 핵심입니다. 필드 장치 근처에 장착되어 단락 보호 기능뿐 아니라 폭발 보호를 위한 에너지 제한 기능도 제공합니다. 또한 스퍼에서 오류 조건이 발생하는 동안에도 세그먼트가 작동하도록 보장합니다. HPT는 각 스퍼 연결을 개별적으로 고려하여 FISCO 검증 방법을 설명합니다.

FieldBarriers는 트렁크에서 데이지 체인을 통해 연결할 수 있으므로, 별도의 허용 설정 없이 필드 장치에 서비스를 제공할 수 있습니다. 또한 FISCO, FNICO, 위험뿐 아니라 다용도 설비에서도 사용할 수 있습니다.

설비
기존 플랜트 시스템을 온라인으로 전환할 때 표준 방법 즉, 트렁크 케이블 분리와 저항 및 용량 확인 수행의 절차를 따랐습니다. 문제가 발생하면 기술 전문가가 현장에 와서 문제가 트렁크 시스템, 스퍼 케이블 또는 계장에서 발생한 것인지 확인했습니다.

시작 시 시스템에서 버그를 없애는 일은 어느 정도 시간 소모적이었습니다. 그러나 온라인으로 전환하고 시운전한 후에는 매우 적절히 작동했습니다. FOUNDATION filedbus용 계장으로 인해 기술 전문가가 현장에서 조정을 확인하고, 송신기 내에서 확장 인수를 지정하고, 다시 흐르는 4 – 20mA를 검증할 필요가 없습니다. 시작 속도는 상당히 빨라졌습니다. 단 하루 만에 40개 이상의 기기를 시운전했고 온라인으로 전환했습니다.

두 번째 플랜트 설치의 경우 이러한 과정을 모두 진행할 필요가 없다는 얘기를 들었습니다. 아마도 고급 진단을 통해 계장을 중단하기 전에 네트워크를 통과하며 조사할 수 있을 것입니다. 그리고 기기를 중지한 후 다시 네트워크를 조사하고 소음 수준, 전원 인출 및 네트워크 상태를 비교합니다.

그러나 이런 방법이 제대로 작동하는지 확신하지 못했습니다. 설치로 인해 통신의 품질이 상당한 영향을 받는다는 것을 알고 있습니다. 따라서 시스템을 완벽하게 설치하도록 주의를 기울였습니다. 첫 번째 4개 세그먼트를 설치했으며 초기 검사를 수행했습니다. 즉, 모든 브릭 및 종단을 검사하고, 저항 및 용량 확인을 수행하고, 수동적인 범위 스윕을 수행하며, 휴대용 설정기로 각 기기를 확인했습니다.

그런 다음 ADM을 사용하여 해당하는 모든 정보를 검증했는데 완벽하게 일치했습니다.

ADM(고급 진단 모니터)은 실제로 휴대용 커뮤니케이터가 포착하지 못한 브릭 중 하나의 문제를 파악했습니다. 오버 종단이 발생했지만 이것이 Foundation 필드버스가 실행되지 않는 최소 지점을 위반했음을 나타내는 것은 아닙니다.

시스템은 여전히 실행되었으며 통신 오류가 발생하지 않았지만 네트워크 상태는 정상이 아니었습니다. ADM에서 이 문제를 포착했습니다. 브릭 중 하나에서 내장된 종료 저항기를 끌 수 없었습니다. 이를 계기로 고급 진단에 대한 우리의 확신이 커지기 시작했습니다.

온라인으로 전환한 다음 시스템에는 8개의 세그먼트가 있었습니다. 이번에는 터미네이터가 정상 작동했으며 트렁크 케이블이 제대로 종료되는 걸 확인했습니다. 28 2011년 봄 세그먼트가 양호하다는 걸 확인한 후에는 고급 진단 모니터를 사용하여 8개 세그먼트를 모두 시운전했습니다.

단지 20분만 소요되었으며 실제로 현장 직원들이 놓친 2가지 문제를 발견했습니다. 즉, 필드의 끝에서 종단을 켜는 걸 잊었다는 것과, 극이 바뀌었다는 것이었습니다. 오류는 10분만에 수정했으며 세그먼트는 다시 온라인으로 전환되고 완벽하게 정상이 되었습니다.

이후에는 세그먼트의 40개 기기를 연결하고 진단 시스템만을 사용하여 검증했습니다. 문제는 없어졌습니다. 실제로 가장 긴 457.2m 배선도 캐비닛으로부터 1.5m 길이의 배선만큼이나 빠르고 손쉽게 별 문제 없이 온라인으로 전환되었습니다.

현재 HPT(High-Power Trunk) 개념을 사용하여 Foundation 필드버스를 설치한 설비에 6개의 영역이 있습니다. 휴대용 기기 사용은 중단했으며 더 이상 오실로스코프를 현장에 가져올 필요가 없어졌습니다. 시스템을 설치한 후에는 원격으로 스윕을 수행하며, 바로 가동할 수 있습니다. 이제는 ADM에 대한 확신을 갖고 있습니다.

FieldBarrier with FISCO spur connections

기타 기능
또한 진단 시스템은 시운전 마법사, 경고 및 데이터 로깅 기능과 내장된 오실로스코프를 제공하여 필드버스 신호를 자세히 표시합니다. 모든 계장이 네트워크에서 작동한 이후에는 소프트웨어를 통해 특정 세그먼트에서 수동으로 각 노드 주소의 태그 이름을 입력할 수 있습니다. 문제를 해결하는 동안 필드로 이동하지 않고도 문제가 발생한 기기를 쉽게 파악할 수 있습니다. 시운전 마법사는 매우 직관적이며 사용이 간편합니다.

진단 기능도 마찬가지로 안정적입니다. 이 기능은 장치 신호 수준, 적절한 종단 및 케이블 연속성을 측정합니다. 또한 기준치 보고서와 일반적인 시스템 문서도 제공합니다. 기준치는 지속적으로 실제 값에 대해 비교되므로, 문제가 있는 경우 무엇인지 정확히 파악할 수 있으며, 가능한 원인이 표시되고 가능한 해결 방법도 제시됩니다. 가장 좋은 점은 문제를 진단하기 위해 필드에 직접 갈 필요가 없다는 것입니다.

물리적 계층 진단 모듈은 모든 값의 스냅샷을 찍기 때문에 최대 2년간의 장기 추세를 파악하기 위해 데이터를 저장할 수 있습니다. 제어실에서 나오는 디지털 필드버스 통신을 시각적으로 표현할 수 있기 때문에 실질적으로 통신에 대한 “다른 시각”을 제공하므로 문제가 발생하기 전에 해당 문제를 인식할 수 있습니다.

실제로 밸브에 문제가 있었고 제조업체에서는 네트워크 상태가 정상적이지 않아서 문제가 발생했다고 말했습니다. 우리는 해당 제조업체에 소프트웨어의 스크린샷을 제시했고, 제조업체에서는 네트워크 상태에 대해 다시 언급하지 않았습니다.

시스템의 또 다른 뛰어난 기능은 원격 소프트웨어입니다. 이제 세그먼트를 시운전할 때 사무실에서 편안하게 원격으로 수행합니다. 노트북을 들고 현장에서 기기를 작동할 필요가 없습니다. 이제는 네트워크를 집에서도 원격으로 모니터링할 수 있습니다.

공급업체의 필드버스 제품에서는 어떤 문제 상황이나 호환성 관련 문제가 발생한 적이 없었습니다. 현재 Endress+Hauser, Emerson Rosemount, Yokogawa, Fieldview, Smar 제품을 이용하며 모두 플러그 앤 플레이입니다.

고급 진단으로 절약한 시간의 양은 상당했습니다. 시스템을 검사하여 점퍼 스위치 및 박스를 설정하는 시간이 시스템을 시운전하는 시간보다 더 오래 걸립니다. 첫 4개 세그먼트 시스템의 물리적 검사 및 시운전은 1.5일 정도 걸렸지만 이후 8개 세그먼트 시스템에서는 물리적인 통과가 60분 정도 걸렸고 시운전은 단지 20분 걸렸습니다. 그에 따라 네트워크에 대한 확신이 극적으로 증가되었습니다. ADM에서 시스템이 양호하다고 인증하면 우리도 양호하다고 생각합니다.

문제 발생에 따른 유지보수부터 예방 유지보수까지 고급 진단 기능을 통해 문제 발생에 따른 유지보수에서 예방 유지보수까지 수행할 수 있습니다. 24/7 연중 무휴로 실행하는 화학 플랜트의 경우 어떤 종류든 기기 오류로 인해 작동이 중지될 때 의존할 수 있는 통신 시스템 즉, 전력 용량, 신호 품질 및 효율성이 뛰어난 통신 시스템이 필요합니다. ADM이 바로 이러한 모든 요구 사항을 충족했습니다.

글. 크리스 윌리엄스(Chris Williams), I&C Engineer, Eastman Chemical Company
제공. Fieldbus Foundation www.fieldbus.org

아이씨엔 매거진 2012년 04월호

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