계측기 기술자는 계측기 본안 회로를 어떻게 계산하나요?

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이 게시물은 마지막으로 yunrun에 의해 2019-9-25 22:13에 수정되었습니다. 석유, 석화 등의 공정 산업에서는 폭발 위험이 있는 환경이 발생할 수 있으므로, 실제 운영 시에는 시스템 내의 관련 장비들에 대해 적절한 방폭 조치를 취해야 합니다.자동 제어 계측 장비에 사용되는 방폭 기술로는 본안(E*), 격방(Ex d), 증안(Ex e), 정압(Ex p), 주입 밀봉(Ex m) 등 다양한 유형이 있습니다.수많은 방폭 기술 중에서, 본안 방폭 기술은 점화원의 에너지를 억제하는 방식으로 작동하는 안전 기술입니다. 구조가 간단하고 크기가 작으며 무게도 가벼워서, 전력이 공급되는 상태에서도 부품을 교체하거나 조정할 수 있다는 장점이 있습니다. 이러한 특성들 덕분에 현재 여러 산업 분야의 프로젝트에서 널리 활용되고 있습니다. 어느 화학 공정 프로젝트에서 발주처는 다음과 같이 제안했습니다. 과거의 프로젝트 경험에 따르면, 본안 회로에 대해 철저한 계산을 수행하지 않으면 생산 과정에서 여전히 약 30% 정도의 회로에 안전상의 위험이 존재한다는 것입니다.현재 국내에서는 본안 계산에 대한 특별한 요구사항이 없지만, 발주처는 프로젝트 설계 단계에서 각 본안 회로에 대해 엄격한 본안 회로 계산을 수행할 것을 요구합니다. 본안 회로 계산의 기준은 국제전기기술위원회 IEC 60079-14:2007의 관련 규정입니다. 본안 회로 계산 yunrun.com.cn/tech/2710.html 본안 회로 설계의 기본 요구사항: 제어 회로의 전기적 특성(인덕터나 커패시터와 같은 에너지 저장 소자의 특성을 줄이는 것 등)을 조절하거나, 회로의 전류와 전압을 낮춤으로써 회로가 본안 방폭 요구사항을 충족하도록 하는 것입니다；회로의 부품들은 충분한 출력을 가져야 하며, 연결된 전선도 충분한 단면적을 가져야 합니다. 이를 통해 다양한 고장 상황에서 발생할 수 있는 높은 전압과 큰 전류가 부품의 성능을 손상시키지 않도록 할 수 있습니다. 부품의 신뢰성을 통해 회로의 신뢰성도 보장됩니다.이를 위해서는 본안 회로 내의 해당 전기 부품들의 파라미터를 계산해야 하며, 이것을 본안 회로 계산이라고 합니다. 이러한 과정을 통해 관련 안전 규정을 준수함으로써 안전한 생산이 보장됩니다. 1. 본안 방폭 기술 개요
본안 방폭 기술의 기본 원리는 에너지를 제한함으로써 폭발을 막는 것입니다. 이 기술은 회로가 정상적인 상태이든 비정상적인 상태이든, 회로 내의 에너지를 허용된 범위 내로 안정적으로 제어함으로써, 전기 장비에 단락이 발생하거나 부품이 손상되는 경우에도 주변에 존재할 수 있는 위험한 가스가 폭발하는 것을 방지합니다. 본질안전 방폭 시스템은 줄여서 본안 회로 시스템이라 하며, 그림 1에 나타난 바와 같이 현장용 본안 장비, 본안 케이블 및 관련 장비의 세 부분으로 구성됩니다.시스템 회로는 세이프가드를 기준으로 본질적으로 안전한 회로와 비본질적으로 안전한 회로로 나뉩니다.안전 게이트를 통해 본안 케이블로 현장 계측기에 연결된 회로가 바로 본안 회로입니다；안전 게이트에서 DCS 및 전력 공급원까지의 회로는 비본안 회로입니다. http://yunrun.com.cn/upload/201909/25/201909252207051288.png 그림 1 전형적인 본안 회로의 개요 ① 현장용 본안 장비 ◆ 단순 장비 IEC60079-14 규격에 따르면, 스위치, 접속함, 저항과 같은 수동형 부품들 및 단순한 반도체 부품들은 단순 장비로 간주됩니다；축전용 액티브 부품인 커패시터, 인덕터의 경우, 그 설계 파라미터가 시스템의 전반적인 안전을 보장할 수 있다면 단순한 장치로 간주될 수 있다；에너지를 생성하는 능동형 부품, 예를 들어 열전대나 광전지의 경우, 그 부품들이 생성하는 에너지의 전압이 1.5V를 넘지 않고, 전류는 100mA를 넘지 않으며, 동력도 25mW를 넘지 않는 전기 장치라면, 이러한 장치는 단순한 장치로 간주될 수 있습니다.이들은 방폭 인증이 필요하지 않으며, 본안 회로에 자유롭게 배치될 수 있습니다. ◆본안 장비는 에너지 저장 소자를 갖추고 있으며, 변환기, 근접 스위치 등과 같이 방폭 인증이 필요한 본안 전기 장비입니다. ②본안 케이블: 계측기와 제어실을 연결하는 케이블에는 일정량의 분산 커패시턴스와 분산 인덕턴스가 존재합니다. 특히 거리가 멀거나 계측기의 설계 파라미터가 본질적 안전성에서 허용되는 최대값에 가까울 경우, 이러한 분산 파라미터를 고려하여 배선 길이를 제한해야 합니다.이는 분포 인덕턴스와 분포 커패시터가 모두 에너지를 저장하기 때문입니다. 케이블에 고장이 발생하면, 이러한 저장된 에너지가 전기 스파크나 열 효과의 형태로 방출되어, 점화 위험을 증가시키고 시스템의 본안 성능에 영향을 미칩니다. 케이블의 최대 허용 분배 정전용량: Cc = Ck × L
케이블의 최대 허용 분배 인덕턴스: Lc = Lk × L
여기서 Ck는 케이블의 단위 길이당 분배 정전용량입니다；Lk는 케이블의 단위 길이당 분포 인덕턴스입니다；L은 실제 배선 길이입니다. ③연동 장치(안전 게이트) 안전 게이트는 본질적으로 안전한 방폭 계측 시스템에서 가장 자주 사용되는 연동 장치입니다. 이는 본안 회로와 비본안 회로 사이에 연결되어 있으며, 전류와 전압을 제한함으로써 위험한 에너지가 본안 회로로 유입되는 것을 막아 본질적으로 안전한 회로의 안전성을 보장하는 역할을 합니다.안전 게이트는 주로 지나형 안전 게이트와 절연형 안전 게이트의 두 가지 유형이 있으며, 현재 지나형 안전 게이트는 점차 절연형 안전 게이트로 대체되고 있습니다. 2. 본질적 안전형 방폭 계측기 시스템의 인증 방법 현재, 국제적으로 각 검사 기관들이 본질적 안전형 방폭 계측기 시스템을 검사하고 인증하는 방법은 3가지가 있습니다: 시스템 인증, 파라미터 인증, 그리고 FISCO(fieldbus intrinsically safe concept) 인증입니다. ①시스템 인증은 “공동 증거 수집”이라고도 하며, 검사 대상인 지정된 본안 계측기와 그와 연동되는 지정된 장비들을 함께 조합하여 구성된 시스템에 대해 인증을 부여하는 것을 의미합니다.인증이 완료되면, 시스템 내의 어떤 장비도 검사 기관에 의해 이러한 조합 방식으로 검사 및 인증을 받지 않은 다른 모델이나 사양의 본안 장비(계측기)나 관련 장비로 대체될 수 없습니다. 현재 중국의 검사 기관에서 인정하는 방법은 주로 시스템 인증입니다. 하지만 안전 계측기와 세이프가드의 종류가 많은 경우 이러한 인증 방식은 인증 절차가 복잡해져서, 현재의 산업 디자인에는 더 이상 적합하지 않습니다. ②파라미터 인증 해외 프로젝트에서는 파라미터 인증이 더 많이 사용됩니다.파라미터 인증이란 단일 장비(본안 계측기 또는 관련 장비)에 대한 검사 인증을 수행하고, 그에 상응하는 일련의 안전 파라미터를 제공하는 것을 의미합니다.일반적으로 이 방법을 통해 인증된 본안 장비는 호환 가능한 안전 파라미터를 가진 연관 장비와 연결하여 사용할 수 있습니다.미국 FM(공장연구회)은 이러한 인증 방법을 “전체 인증”이라고 부르며, 해당하는 안전 파라미터를 “전체 파라미터”라고 합니다.이러한 파라미터에는 다음이 포함됩니다: ◆본안 장치의 전체 파라미터인 Ui는 고장 상황에서 본안 장치가 허용할 수 있는 최대 전압입니다；Ii는 고장 상황에서 본안 장비가 허용할 수 있는 최대 전류입니다；Ci는 본안 장치 내부에 보호되지 않은 커패시터입니다；Li는 본안 장치 내부에 보호되지 않은 인덕터입니다. ◆연관된 장비의 전체 파라미터: Uo는 개방 회로 전압으로, 즉 고장 상황에서 위험한 장소로 전달될 수 있는 최대 전압입니다. Io는 단락 전류로, 즉 고장 상황에서 위험한 장소로 전달될 수 있는 최대 전류입니다；Co—연동 장치는 최대 외부 커패시터 연결을 허용함；Lo—연결된 장치에 허용되는 최대 외부 인덕턴스. 파라미터 인증 방식을 채택함으로써, 사용자는 본안 시스템을 설계할 때 관련 장비와 본안 장비의 전체 파라미터만 비교하면 됩니다.이들이 다음 관계식을 만족할 경우, 검증 기관의 승인을 받지 않아도 본 안전 시스템으로 구성될 수 있다. 안전 게이트, 본안 계측기, 케이블의 안전 파라미터는 표 1에 명시된 5개의 부등식을 만족해야 합니다.
표 1: 단순 본안 회로 계산을 위한 5개의 부등식
공식 | 안전 게이트 파라미터 | 안전 파라미터 일치 조건 | 본안 계측기 파라미터 + 케이블 파라미터 |
---|---|---|---|
1 | Uo ≤ Ui | | |
2 | Io ≤ Ii | | |
3 | Po ≤ Pi | | |
4 | Co ≥ Ci + ∑Cc | | |
5 | Lo ≥ Li + ∑Lc | |
참고: ∑Lc와 ∑Cc는 연결된 케이블의 분포 용량과 분포 인덕턴스를 나타냅니다. 파라미터 인증은 현재 해외 프로젝트에서 널리 사용되고 있는 인증 방법이며, 중국의 **급 계측기 안전 감독소에 의해서도 인정받고 있습니다. 표 1에 나와 있는 5개의 불등식들은 본안 회로가 규격 요구사항을 충족하는지를 판단하는 데 중요한 역할을 합니다. ③FISCO는 소위 필드버스의 본질적 안전 개념을 인정합니다. 이 모델은 독일의 PTB(Physikalisch Technische Bundesanstalt)에서 개발한 것입니다. FISCO 덕분에 Profibus-PA를 본질적으로 안전한 방식으로 설치하여 Ex 구역에서 사용할 수 있게 됩니다.FISCO는 EE*a IIC 및 EE*b IIC/IIB 인화성 방지 방식에 적용됩니다.연구에 따르면, Profibus-PA 세그먼트에 연결될 수 있는 현장 계측기의 수는 세그먼트 커플러의 전력 특성에 의해서만 제한됩니다. 각 세그먼트에 연결할 수 있는 현장 계측기의 수는 최대치에 도달하며, 세그먼트는 FISCO의 제한 범위 내에서 확장될 수 있지만, 별도로 인레인 안전 계산을 다시 할 필요는 없습니다.서로 다른 제조업체의 현장 계측기는 상호 교환할 수 있으며, 별도의 안전 계산을 할 필요가 없습니다. 단, 교체하는 계측기는 반드시 FISCO 인증을 받은 것이어야 합니다.특히 중요한 점은 시스템 인증이 필요 없으며, 일부 주요 파라미터의 일치 여부만 확인하면 된다는 것입니다. FISCO 인증은 다음 조건의 제한을 받습니다. a) 각 섹션에는 전원 공급 장치가 하나만 허용됩니다. b) 모든 스테이션은 FISCO 모델을 준수하고 검증을 통과해야 합니다. c) 케이블 길이는 1000m(방폭 등급 ia)/1900m(방폭 등급 ib)를 초과해서는 안 됩니다. d) 케이블의 특성값은 다음과 같은 범위를 충족해야 합니다: R′=15～150Ω/km, L′=0.4～1mH/km, C′=80～200nF/km. e) 전력 공급 장치와 현장 장비의 모든 조합은, 장애가 발생한 경우에도 모든 현장 장비가 허용할 수 있는 입력 변수(Ui, Ii, Pi)가 해당 전력 공급 장치의 최대 허용 가능한 출력 변수(Uo, Io, Po)를 초과하도록 해야 합니다；미국에서는: Vmax, I max, Pmax). 3. 본안 회로 계산 IEC 60079-14:2007의 12.2.5조에 따르면, “각 본안 회로가 인증을 받은 경우를 제외하고는, 모든 본안 회로는 해당 규격에 따라 본안 계산을 수행해야 한다”.프로젝트 발주자는 과거의 경험에 따라, 본안 계산을 수행하지 않으면 비록 본안형 계측기와 본안 케이블, 그리고 이에 맞는 안전 게이트를 사용하더라도 여전히 30%의 회로에서 안전상의 위험이 존재한다고 판단합니다.위험을 줄이기 위해, 프로젝트에 사용되는 본안 회로의 경우 반드시 관련 계측기와 안전 게이트의 본안 인증서와 함께 본안 회로에 대한 계산서도 제공되어야 합니다. ①하나의 연관 장치의 본안 회로 계산 ◆단순 본안 회로 단순 본안 회로는 그림 2와 같습니다. http://yunrun.com.cn/upload/201909/21/201909212207179401.png 그림 2 단순 본안 회로 회로 LIA+S+100.01을 예로 계산한 결과는 표 2에 나와 있습니다. 표 2: 회로 LIA+S+100.01의 파라미터들
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위의 파라미터들을 검토한 결과, 표 1에 명시된 5개의 부등식 조건을 모두 만족합니다. 따라서 이 회로는 본안 계산을 통과했으며, 방폭 구역에서 사용할 수 있습니다. ◆혼합 본안 회로에서는 설계상, 차압형 유위 변환기 LT100.01이 탱크 꼭대기에 설치됩니다. 데이터를 보다 편리하게 확인할 수 있도록, 지상에는 현장 표시 계기인 LI100.01이 하나 더 추가되어 이전 회로와 직렬로 연결됩니다. 그 모습은 그림 3에 나와 있습니다. http://yunrun.com.cn/upload/201909/21/201909212213525326.png 그림 3 혼합 회로 LIA+S+100.01 IEC 60079-14:2007의 12.2.5.2 조항에 따르면, “총 분배 인덕턴스와 총 분배 커패시턴스가 모두 1%Lo와 1%Co보다 크다면, 계산할 때 Lo와 Co는 모두 2로 나누어야 한다”.이러한 혼합 회로에는 그림 4에 나타난 것과 같이 다음과 같은 경우들이 있습니다. 그림 4 혼합 회로 본안 회로 계산 로직 (그림 설명: Li=Li1+Li2；Ci=Ci1+Ci2) a) 회로에 케이블의 Lc와 Cc만 포함된 경우, 현장 계측기의 인덕턴스 합계인 Li나 커패시턴스 합계인 Ci가 둘 다 0이거나 그 중 하나가 0일 때, 본안 계산은 표 1에 명시된 5개의 부등식을 사용하여 수행됩니다. b) Ci≤1Co이거나 Li≤1Lo인 경우, 본안 계산은 표 1에 있는 5개의 부등식을 사용하여 수행됩니다. c) Ci＞1Co와 Li＞1Lo라는 조건이 동시에 만족될 경우, 표 1에 명시된 인덕턴스와 커패시턴스에 관한 불등식에 따라 계산하지 않습니다. 이때는 안전 게이트의 인덕턴스와 커패시턴스 값들을 2로 나눈 값을 사용하여 계산하며, 그 값은 표 3에 나와 있습니다. 표 3 혼합 본안 회로 계산의 5개 불등식 공식 안전 게이트 파라미터 안전 파라미터 일치 조건 본안 계측기 파라미터+케이블 파라미터 1 Uo ≤ Ui 2 Io ≤ Ii 3 Po ≤ Pi 4 Co/2 ≥ Ci+∑Cc 5 Lo/2 ≥ Li+∑Lc 마찬가지로 회로 LIA+S+100.01을 예로 계산한 결과는 표 4에 나와 있습니다.회로에는 지시 계기 LI100.01이 연결되어 있습니다. 표 4 혼합 회로 LIA+S+100.01의 파라미터들
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Li = Li1 + Li2 = 0.73 + 0.04 = 0.77mH；Lo=4.2mH；Li＞1%Lo；Ci = Ci1 + Ci2 = 22.5 + 0 = 22.5nF；Co=83nF；Ci＞1%Co；두 불등식을 동시에 만족해야 합니다: Li＞1Lo이고 Ci＞1Co여야 합니다. 이 경우, 본안 계산 시에는 표 3에 명시된 불등식들을 따라 계산을 진행해야 하며, 그 결과로 얻어지는 값들은 Co/2≥Ci+Cc와 Lo/2≥Li+Lc라는 조건을 만족할 수 없습니다；따라서 해당 회로는 본안 계산을 통과하지 않았습니다. 해결 방법: 하나의 회로를 두 개의 별도인 회로로 나누고, 추가적으로 하나의 AO 출력용 세이프가드를 설치합니다. 이렇게 하면 두 개의 간단한 본안 회로가 만들어집니다(그림 5 참조). 두 회로를 각각 계산해보면, 모두 본안 계산 기준을 충족합니다. http://yunrun.com.cn/upload/201909/21/201909212358132679.png
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그림 5: 혼합형 본안 회로를 단순한 본안 회로들로 분해하기
② 복잡한 본안 회로의 계산: 만약 본안 회로에 두 개 이상의 연결된 장치가 있거나, 두 개 이상의 본안 회로가 서로 연결되어 있다면, 전체 본안 시스템은 엄격한 이론적 계산을 거치거나 IEC 표준에서 규정된 스파크 테스트를 받아야 합니다. 그러나 1개의 세이프가드가 두 개의 회로에 연결되는 경우(그림 6 참조), 혹은 1개의 검출 회로에 2개의 세이프가드가 관련된 경우(그림 7 참조)에는 본안 회로의 계산 방법이 상당히 복잡해집니다. 따라서 허용 가능한 최대 인덕턴스와 최대 커패시턴스 값도 해당 점화 곡선을 참조하여야만 알 수 있으므로, 설계 시에는 이러한 회로를 가능한 한 사용하지 않는 것이 좋습니다. http://yunrun.com.cn/upload/201909/22/201909220144278433.png 그림 6: 안전 게이트와 병렬로 연결된 본안 회로
http://yunrun.com.cn/upload/201909/22/201909220017326549.png 그림 7: 하나의 검출점에서 2개의 안전 게이트가 연결된 본안 회로
③ 본안 회로 내의 단순한 장비들의 온도 요구사항
단순한 장비의 경우, 일부 문서에서는 이러한 장비들에 대해 방폭 인증이 필요하지 않으며, 자유롭게 본안 회로에 배치될 수 있다고 명시되어 있습니다.그러나 표면 온도가 방폭에 미치는 영향으로 인해, 측정 대상 유체의 온도가 높을 경우 열이 계측기로 전달되어 전기 부품의 표면 온도가 너무 높아질 수 있습니다. 이는 방폭 구역에서 허용되는 온도 범위를 초과하게 되므로, 확장형 계측기를 사용하거나 분리형으로 설치하여 전기 장비가 인증서에 명시된 온도 범위 내에서 작동하도록 해야 합니다. ④FF 버스의 본안 회로의 본안 계산에 있어, FF 현장 계측기의 방폭 방식은 격벽형(EEx d), 본질적 안전형(EE*), 무스파크형(EEx nL)이 주로 사용됩니다. 현장 버스 재단은 오류 안전성과 유지보수 시의 안전성을 고려하여, 기본적으로 EE* 방폭 방식을 권장합니다. a) 본안형 메인 및 브랜치로, 폭발 방지 구역 1에 사용되며, 그림 8과 같습니다.이 방안은 세이프가드를 H1 카드와 전원 분배 장치 및 현장 계측기 사이에 설치하는 것으로, 그 장점은 메인 회로와 서브 회로 모두가 본안형이어서 전원이 켜진 상태에서도 점검이 가능하다는 것입니다.하지만 이 방안은 실제 운영 시 종종 어려움이 따릅니다.그 이유는 각 네트워크 세그먼트의 토폴로지 구조가 상당히 복잡하고 계측기의 종류도 많기 때문입니다. 이로 인해 네트워크 세그먼트의 분배 용량과 인덕턴스를 계산하는 것이 매우 어렵으며, 특히 분기 부분의 분배 용량과 인덕턴스는 계산할 수조차 없습니다.또한, 세이프가드의 에너지 제한 기능으로 인해 각 네트워크 세그먼트에서 연결할 수 있는 계측기의 수와 케이블 길이도 크게 제한됩니다. http://yunrun.com.cn/upload/201909/22/201909220043423777.png 그림 8: 본안형 메인 및 서브 네트워크. FF 현장 버스도 FISCO 모델을 채택하고 있습니다. 간단히 말해, 기존의 본안형 계측기 인증 방식에 현장 버스의 특성에 맞는 추가적인 요구사항들이 더해진 것입니다. 이를 통해 각 네트워크 세그먼트를 이러한 규칙에 따라 엄격하게 설계한다면, 현장 계측기를 추가하거나 수정하더라도 복잡한 보안 계산을 할 필요가 없습니다. 주간과 분기 모두가 본안인 이 방식에는 뚜렷한 단점이 있다.우선, 세이프가드는 중복 구성이 불가능하기 때문에, 이로 인해 세이프가드가 전체 네트워크 섹션의 보안성에 있어서 병목 요소가 됩니다；둘째, 동일한 네트워크 세그먼트 내에서는 Entity 인증을 받은 현장 계측기와 FISCO 인증을 받은 현장 계측기를 함께 사용하는 것이 허용되지 않습니다. 즉, Entity 인증을 받은 현장 계측기는 반드시 Entity 전원에 연결되어야 하며, FISCO 인증을 받은 현장 계측기는 반드시 FISCO 전원에 연결되어야 합니다；셋째, FISCO 네트워크 세그먼트에는 Entity 네트워크 세그먼트보다 더 많은 계측기를 연결할 수 있지만, 그래도 6대까지만 가능합니다. 네트워크 세그먼트가 늘어나면 투자 비용도 크게 증가합니다. b) 증안형 메인라인과 본안형 서브라인으로, 방폭 구역 1에 사용됨.이 방안은 현장 안전 게이트(Fieldbarrier, EEx meIICT4) 기술의 발전을 바탕으로 마련된 것으로, 에너지를 제한하는 역할을 하는 안전 게이트를 메인 라인의 시작점에서 각 분기 지점, 즉 치크 잭 접속함 내로 옮겨서 각 현장 계측기별로 에너지를 제한하는 방식입니다. 이를 통해 FISCO와 Entity 계측기가 동일한 네트워크 세그먼트에서 함께 사용될 수 있습니다.이러한 버스의 본안 계산은 현장 세이프가드부터 현장 계측기까지 파라미터 인증 방법에 따라 수행하면 됩니다.이 방법은 현재 비교적 실용적이며, 점점 더 많은 사용자들에게 받아들여지고 있습니다. 최근 몇 년간, 중국이 IECEx 체계에 완전히 편입됨에 따라, 폭발 방지 전기 제품의 시험 및 인증 기술 분야에서도 국제 수준에 도달했습니다.중국의 석유, 화학 등 위험한 산업 분야에서 본안 방폭 기술이 널리 활용되면서, 본안 방폭 시스템도 점점 더 많은 주목을 받고 있습니다.본안 방폭 시스템의 설계에도 더욱 엄격한 규정이 적용되며, 본안 계산은 공학 설계에서 필수적인 작업이 됩니다. 이를 통해 중국의 빠르게 발전하는 석유, 화학, 석탄 등 폭발 위험이 있는 산업 분야에서 안전한 생산이 가능해집니다.관심이 있는 분들은 “창휘 계측기 네트워크”에 방문하여, 계측기의 자동 제어 기술 수준을 향상시키는 데 도움이 되는 유용한 글들을 더 많이 읽어보실 수 있습니다. 작가: 왕진