계측기 기술자는 SIS 시스템의 SIL 검증을 어떻게 수행하는가

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SIL 검산이란 완성된 SIF 회로의 전체적인 안전 성능을 정량적으로 평가하여 요구되는 수준에 부합하는지 확인하는 과정이며, 창휘 계측기는 이 글을 통해 계측기 기술자들이 SIL 검산을 수행하는 방법을 공유합니다. SIL 검산 yunrun.com.cn/product/2846.html **안전감독관리총국의 감독관리삼사 안전감독총관삼116호 문서가 발표됨에 따라, 2016년부터 안전계측시스템 SIS는 ‘두 가지 중점 사항과 하나의 중대 사항’과 관련된 기존 설비 및 신규 프로젝트에서 필수적으로 도입되게 되었습니다.정책 변화로 인해 HAZOP/SIL, SIS 시스템에 관한 온갖 정보들이 쏟아져 나왔고, 모호한 용어들이 난무하여 당황스러울 수밖에 없습니다. 이 글의 취지는 군더더기 없이, 가능한 한 가장 간단한 언어로 SIL, SIS, SIF에 익숙하지 않지만 이름 정도는 들어본 계측 엔지니어들에게 SIL 검증이 과연 무엇인지 가장 직접적으로 설명하는 것입니다. 간단히 말해, SIL 검증이란 구현된 안전 계측 기능(SIF) 회로의 전체적인 안전 성능을 정량적으로 평가하여 요구되는 수준에 부합하는지 확인하는 과정입니다. HAZOP 분석에서는 공정 엔지니어가 계측 엔지니어보다 더 중요한 역할을 하며, 브레인스토밍의 주도자가 됩니다. 그들은 다양한 잠재적 위험들을 파악하여 해결 방안을 제시해야 합니다. 하지만 분석이 완료되고 SIL 등급 결정이 끝나서 SIL 검증 단계에 들어서면, SIF 회로도 대체로 확정되므로 이때부터는 계측 엔지니어의 영역이 됩니다.SIF 회로도 “검출 부분-제어 부분-실행 부분”으로 구성되어 있으며, 아래 그림을 참조하십시오: http://yunrun.com.cn/upload/201912/21/201912210123149990.png 단지 시스템이 제어 회로의 DCS에서 SIL 인증을 받은 안전 계측 시스템인 SIS로 변경된 것입니다.제어 회로에 정통한 계측기 엔지니어라면, SIF 회로와 제어 회로의 공통점을 곧 깨닫게 될 것입니다. 여러분보다 SIF 회로의 각 구성 요소들을 더 잘 아는 사람은 없으며, 따라서 각 구성 요소의 SIL 등급을 판단하는 데에도 여러분이 가장 적합합니다. SIL 검증 작업을 진행하는 데 귀하의 협력이 필요할 때, 계측 엔지니어로서 어떤 준비를 해야 할까요?자체적으로 검증 계산을 수행하든, 제3자에게 맡기든 아래 그림에 나와 있는 몇 가지 기본적인 절차는 피할 수 없습니다. 첫 번째 단계: 등급 평가 보고서 읽기 질문 1: 우선 SIL 검증이 무엇인지 이해해야 합니다 검증의 목적은 각 회로의 SIL 등급과 요구되는 평균 실패 확률(PFD)이 정해진 기준을 충족하는지를 확인하는 것입니다. 만약 기준을 충족하지 못한다면, 안전 계측 시스템의 선정 및 설계를 다시 해야 합니다(바이두에서 “SIS 시스템(안전 제어 시스템) 선정 단계”라는 글을 검색해 보세요). 반면, 기준을 충족한다면 검증에 통과한 것으로 간주됩니다.따라서 검증 보고서의 각 회로에 대한 결과는 각 회로의 등급 결정과 비교되어야 합니다. 평균 실패 확률(PFD)은 표준에 따라 명확한 정의가 있으며, 간단히 말해 해당 계측기/회로의 고장 가능성을 나타냅니다.물론 확률이 낮을수록 사고가 나기 어렵고, 그만큼 SIL 등급도 높아집니다.의심할 여지 없이 SIL2는 SIL1보다 더 안전하며, 이에 상응하는 평균 고장 확률(PFD)도 더 낮습니다. 이 점을 명심하면 향후 SIL 검증 보고서를 검토하는 데 큰 도움이 될 것입니다. 좋은 시작이 성공의 절반입니다. 완벽한 SIL 등급 평가 보고서는 의심할 여지 없이 성공을 위한 첫걸음입니다. 문제 2: 완벽한 SIL 등급 보고서의 완벽이란 무엇인가요? SIL 등급 평가 보고서에는 다음 내용이 포함되어야 합니다: 완전한 SIF 회로 설명 및 구조；각 SIF 회로의 SIL 등급 및 평균 고장 확률(PFDavg). 완벽한 예를 들자면, “SIF16 탈황탑 세척 구간의 세 개의 온도인 TAHH2102A/B/C(2oo3)가 상승할 경우, 연소를 돕는 팬 K132의 작동을 중단하거나 MOV0203(1oo2)을 차단해야 합니다.””；측정 신호의 번호가 명확하며, 신호들 간의 관계도 명확합니다(2oo3). 실행되는 동작도 명확하고, 그 동작들의 번호도 명확합니다. 또한 실행되는 동작들 간의 관계도 명확합니다(1oo2)；PFD 값과 SIL 등급도 매우 명확합니다. http://yunrun.com.cn/upload/201912/21/201912210135090380.png 하지만 모든 SIF 회로 설명이 위와 같이 명확하게 이루어지는 것은 아닙니다. 그다지 완벽하지 않은 예를 하나 들어보겠습니다: “아세트산 저장탱크 T43201A의 유위가 매우 낮아져서 연동 장치가 작동하여 밸브 XV-43202A가 닫힙니다.” 그런데 유위 신호의 번호는 어디로 사라진 걸까요?이런 상황이 발생하는 것은 대부분 등급 결정 단계에서 P&ID가 아직 확정되지 않았거나, 이것이 새로 추가될 신호인데 당시에는 위치 번호를 알 수 없었기 때문입니다.이때는 계측 엔지니어에게 의존하여 해당 번호를 찾아 회로를 완성할 수밖에 없습니다. 불완전한 설명은 계측 엔지니어가 자주 마주하는 과제이며, 가장 큰 시험은 SIL 등급 보고서의 SIF 설명과 손에 있는 연동 회로도가 일치하지 않는 것을 발견하는 것입니다.이때 계측 엔지니어로서 즉시 공포와 불안을 느꼈을까요? 첫 번째로 해야 할 일은, 현재 보유하고 있는 등급 평가 보고서가 연동 설계 이전에 작성된 것인지 확인하는 것입니다. 후속적인 변경으로 인해 연동 회로에 변화가 생겼는지도 점검해야 합니다. 만약 그렇다면, SIL 등급 평가 보고서를 업데이트하는 것이 가장 합리적인 선택입니다. 앞서 언급했듯이, SIL 검증은 SIL 등급 평가 보고서에 명시된 SIF 회로와 SIL 등급에 전적으로 의존하여 이루어집니다. 따라서 등급 평가 보고서의 내용이 실제 상황과 일치하지 않는다면, SIL 검증은 무의미한 것이 됩니다；만약 등급 평가 보고서가 이미 최신 버전이라면, 여기서 한 가지 개념을 명확히 해두어야 합니다. SIF 회로는 연동 회로와 동일한 것이 아닙니다. 두 회로에는 공통점이 있지만, SIF 회로는 오직 안전 보호 기능의 실행 작동에만 초점을 맞춥니다. 안전 보호 기능이 없지만, 운영상 반드시 수행되어야 하는 작동들은 SIF 회로에 포함되지 않으며, 연동 회로에 포함될 수 있습니다.아래 그림을 비교해 보면, 갑자기 이해가 되나요? http://yunrun.com.cn/upload/201912/21/201912210146548908.png 완벽하거나 불완전한 보고서에 직면했을 때, 그 보고서의 등급을 파악하고 그 신뢰성과 유용성을 판단하는 것은 현장 계측기 엔지니어가 반드시 수행해야 하는 과제입니다. 등급 보고서를 비교하여 SIF 회로의 각 구성 요소의 모델을 기록하는 것이 바로 계측기 엔지니어가 SIL 검증을 지원하기 위한 첫 단계입니다. 두 번째 단계: 자료 수집. 자료 수집은 말로는 간단해 보이지만 실제로는 어렵습니다. 계측기 관련 기록, 제조업체의 자료 패키지, 공정 흐름도, 다양한 규격서에 담긴 복잡한 정보들 중에서 무엇이 반드시 필요한 것이고, 무엇은 생략해도 되는 것일까요? 사실 이 점은 오히려 걱정할 필요가 없습니다. 만약 검증 계산을 제3자에게 맡긴다면, 제3자가 필요한 정보를 명확하게 지정해 줄 테니 그 요구에 따라 정보를 수집하면 됩니다.대체로, 계측기 제조업체의 모델 및 사양과 같은 것들은 기본적으로 필요한 요소들입니다. 또한 검사 주기와 사용 수명, 고장 발생 시 평균 수리 시간도 반드시 명시되어야 합니다. 이러한 정보들은 계산을 할 때 반드시 필요한 파라미터들입니다. 안전무결성 계측시스템 SIS는 단순히 설치만 하면 끝나는 시스템이 아닙니다. 그 신뢰성을 유지하기 위해서는 정기적인 유지보수와 테스트가 필요합니다. 따라서 유지보수 능력도 계산 과정에서 반드시 고려해야 합니다.현장에서 계측기를 관리하는 엔지니어들이 평소 업무 중에 계측기의 고장 발생 간격이나 수리에 걸리는 시간 등을 특별히 주의하여 제조사에 제공한다면, 수십 년 후에 이는 귀중한 현장 사용 데이터가 됩니다. 자체적으로 검증 계산을 하려는 계측 엔지니어라면, 당신은 이미 전투기 수준이니 무엇이 필요한지 잘 알고 있을 것입니다. 세 번째 단계: 인증서 정리. 물론 인증서는 SIL 인증서입니다. 인증서를 정리하는 주된 목적은 검증을 수행하는 제3자에게 무효 데이터를 제공하기 위함입니다. 이때 한 가지 문제가 생기는데, 검증 소프트웨어에는 기본적으로 데이터베이스가 있으므로 굳이 무효 데이터를 수집할 필요가 있을까 하는 것입니다이 의문은 그 계산 단계에서 자세히 설명될 수 있습니다. 1. 첫 번째 경험법은 해당 계측기의 SIL 인증서를 찾는 것입니다. SIL 인증서에는 SIL 등급, 가능한 하드웨어 요구사항(HFT), 유형(A/B), 고장 데이터(Lamda λ) 등 많은 정보가 포함되어 있습니다.인증서는 이 계측기의 안전 기능 성능에 대한 증거를 나타냅니다.현재 여러 곳에서 SIL 인증서가 넘쳐나고 있으며, 진짜와 가짜가 뒤섞여 있어 데이터의 신뢰도도 상당히 문제가 되고 있습니다(‘창휘 계측기, 계측기 SIL 인증서의 진위 판별법’이라는 기사를 바이두에서 검색해 보시길 권장합니다). 이 부분은 별도로 논의하기로 하죠.하지만 SIL 인증서가 있으면, 검증 측면에서는 모든 것이 해결된 셈입니다. SIL 인증서를 확인할 때는 반드시 2페이지가 있는지, 또는 유효기간이 만료된 데이터가 포함되어 있는지를 점검해야 합니다. 해당 분야에 익숙하지 않은 계측기 엔지니어들은 종종 다음과 같은 함정에 빠지곤 합니다. 즉, 사용 중인 계측기에 인증서가 있다고 듣고 안심하는 것입니다. 하지만 그 인증서는 실제로 사용되고 있는 모델에 해당하지 않을 수 있으니, 반드시 주의해야 합니다；불량품으로 속이는 수법입니다. 증명서는 그에 해당하는 것이긴 하지만, 검증할 때는 전혀 도움이 되지 않습니다. 왜냐하면 증명서에는 첫 페이지만 있을 뿐이며, SIL 등급에 대한 정보는 제공되어 있지만, 해당 증명서의 유효기간에 관한 정보는 제공되지 않기 때문입니다.이때는 계측기 엔지니어가 온 힘을 다해 제조사에 문의하여 고장 데이터를 요구해야 합니다. 그 데이터는 인증서의 두 번째 페이지에 있을 수도 있고, 인증서와 함께 제공되는 보고서에 있을 수도 있습니다(보고서가 없다고 답하는 제조사라면, 다행히도 그곳은 가짜 인증 기관일 가능성이 높습니다). 또는 안전 매뉴얼에 있을 수도 있습니다. 2、경험 두 번째, 제공되지 않은 증명서는 어떻게 하나요? 다음 파일들 중에서 원하는 실패 효율이 나타날 수 있습니다. ◆안전 매뉴얼(safety manual) ◆ 적합성 인증서(certificate of conformity) 이 두 가지 유형의 자료는 일반적으로 제조업체가 직접 제공하는 정보입니다. 3. 세 번째 경험법칙으로, 위의 경험들이 모두 적용되지 않을 때는 일반적인 데이터를 활용하는 것도 하나의 방법입니다. 이 경우는 전문적인 검증 담당자가 소프트웨어나 데이터베이스의 상황을 고려하여 판단해야 합니다. 하지만 이때 현장의 계측기 엔지니어의 역할이 매우 중요해집니다. 오직 계측기 엔지니어가 제공하는 계측기의 종류와 사양에 의존해서만 제3자가 적절한 데이터를 선택할 수 있습니다. http://yunrun.com.cn/upload/201912/21/201912210150544114.png e*da 인증서 위 이미지의 빨간색 테두리로 표시된 부분에는 다음과 같은 정보가 포함되어 있습니다: 모델명: 8314 시리즈 전자식 밸브；제조사: ASCO；유형: A류；SIL 등급: 중복 없는 상태에서 SIL2/중복 1 상태에서 SIL3, 경로 2H；무효 데이터: λSD/SU/DD/DU, 이 모든 것을 찾았나요? 위의 SIF 회로 데이터 입력과 인증서 정리 작업을 마치고 나면, 드디어 계산 단계에 들어갈 수 있습니다.이 단계에서는 계산을 위해 외부 업체에 의뢰하는 경우, 계측기 엔지니어는 긴장을 풀고 안심하고 기다릴 수 있습니다.기다리는 동안, 계산에 사용하는 소프트웨어에 대해 알아보겠습니다. 현재 창휘 계측기가 접촉한 두 가지 소프트웨어는 exSILentia와 RiskCloud입니다. 대부분의 엔지니어들은 복잡하고 논리적인 계산이 필요한 문제들을 해결하기 위해 엑셀을 사용하는 데 익숙하지만, 매번 직접 논리 관계를 구축해야 하는 것은 매우 골치 아픈 일입니다.SIF 회로의 검증은 매우 복잡하고 다양한 변수가 존재합니다. 각 회로의 구조는 서로 다를 수 있으며, 사용되는 계측기도 달라집니다. 또한 각 프로젝트마다 고유한 요구사항이 있습니다. 비록 표준으로 제시된 계산 공식은 기본적으로 동일하지만, 어떻게 하면 유연하게 구조를 조정하여 필요에 따라 적용할 수 있으면서도 표준 알고리즘을 활용해 매번 계산을 할 수 있을까요? 이런 상황에서는 Excel은 다소 비효율적이고 부적절해 보입니다. E*da사가 개발한 exSILentia는 E*da의 강력한 계측기 인증 데이터베이스와 수십 년에 걸친 개발 경험을 바탕으로, IEC-61508/61511 표준에 따라 고장 데이터 및 유지보수 능력 평가 기능을 도입했습니다. 이를 통해 엔지니어들은 자신의 요구에 맞게 SIF 회로를 자유롭게 구성할 수 있는 편리한 플랫폼을 제공받습니다.검증 계산에서 exSILentia는 대체 불가능한 위치를 차지하고 있습니다. 하지만 국내 사용자들에게 있어서는, 외국산 제품이라도 기능은 잘 작동하지만 실제 사용 시에는 이런저런 문제가 생기곤 합니다. 국산 계측기와 장비를 대량으로 사용하는 국내 석유화학 기업들의 경우, exSILentia는 국산 브랜드에 대한 지원을 제공하지 않습니다.exSILentia에는 내장된 데이터베이스가 있어, 해당 업체에서 인증한 안전 계측기의 정보들이 저장되어 있습니다. e*da 인증을 받은 계측기를 사용하는 경우, 데이터베이스에서 제조사와 모델명만 선택하면 실효 데이터를 바로 계산에 반영할 수 있어 매우 편리합니다.E*da 인증을 받은 SIL 인증서가 아니더라도 exSILentia에서는 계속 사용할 수 있습니다. 다만, 사용자는 직접 관련 인증서 데이터를 입력해야 합니다. 이 방식은 단지 이번 계산에만 적용되며, 데이터베이스에 저장되어 있지 않은 인증서들을 다음 프로젝트에서 사용하려면 다시 수동으로 입력해야 합니다. **이로 인해 데이터베이스가 제공하는 편의성이 줄어듭니다.**게다가 현실적이지 않은 가격 때문에, 그 가성비가 맞지 않는다는 생각을 지울 수 없습니다. 이에 비해, 후발주자인 RiskCloud(가락소프트웨어)는 이러한 단점들을 적시에 보완해 주었습니다. RiskCloud(가락소프트웨어)는 온라인에서 계산을 할 수 있도록 해주며, 계정만 있으면 바로 계산을 시작할 수 있습니다. 또한 다양한 지표 및 인증서 데이터베이스도 제공됩니다. 고객 서비스도 신속하며, 언제든지 기술 지원을 받을 수 있습니다. 가격 면에서도 국내 소프트웨어답게 매우 합리적입니다. 게다가 결제 방식도 유연하여, 필요한 기간 동안만 요금을 지불하고 사용할 수 있습니다. RiskCloud(가락소프트웨어)도 E*da의 데이터베이스를 사용하지만, E*da 데이터베이스에 비해 포용력이 더 뛰어납니다. E*da가 아닌 인증서들도 모두 보관되며, 사용자들이 자신의 인증서를 데이터베이스에 기여하도록 장려됩니다. 사용자가 많아지고, 사용되는 프로젝트가 많아질수록 축적되는 SIL 인증서 정보도 많아져서, 국산 계측기를 사용하는 사용자들에게 더욱 유리합니다. 두 소프트웨어 모두 마르코프 모델 알고리즘을 사용합니다. 비교적으로 exSILentia는 더 많은 파라미터를 고려하지만, RiskCloud(가락소프트웨어)가 지난 반년 동안 빠르게 버전이 업데이트되면서, RiskCloud(가락소프트웨어)의 파라미터도 exSILentia와 거의 비슷해졌습니다. 동일한 조건에서 계산된 결과도 매우 유사합니다. 두 소프트웨어 모두 계산 결과와 보고서 표를 내보낼 수 있으며, 차이는 크지 않습니다. ◆게뢰소프트웨어의 내보내기 표와 차트 http://yunrun.com.cn/upload/201912/21/201912210155477340.png ◆계산 결과 표 내보내기 http://yunrun.com.cn/upload/201912/21/201912210159053909.png ◆SIF 회로 구조도 및 계산된 PFD 추세 분석 원형 차트 http://yunrun.com.cn/upload/201912/21/201912210208183582.png 소프트웨어를 비교해 보았으니, SIL 검증 보고서도 곧 나올 것입니다.이런 상황에서 계측 엔지니어는 어떻게 보고서를 확인하여 그것이 적절한 보고서인지 판단해야 할까요? 보셨던 SIL 등급 보고서와 작성하셨던 SIF 회로 데이터표를 기억하시나요?이때는 그 내용을 꺼내서 하나하나 열어보고, 검증 보고서에 있는 상세한 계산서와 비교하여 SIF 회로에 관한 정보가 모두 정확하게 입력되었는지 확인해야 합니다. 앞서 언급한 exSlentia든 RiskCloud든 상세한 검증 계산서를 생성할 수 있으며, 계산에 사용된 모든 파라미터와 선택된 세부 사항들이 명시됩니다. 결론적으로 SIF 회로가 등급 요구사항을 충족하는지 확인하는 것 외에도, 계산서를 통해 다양한 세부 사항들을 알 수 있습니다: 1. 적용될 표준이 무엇인지? 2、SIF 회로 구조가 정확하게 입력되었나요? 3、e*da 인증서가 있는 계측기 모델을 올바르게 선택했나요? 4. 비e*da 인증서의 유효기간 만료 데이터가 정확하게 입력되었나요? 5. 인증서가 없는 계측기의 경우, 적절한 동일 사양의 범용 데이터가 사용되었는가? 6. 실제 검사 간격과 일치하나요? 7. 계산된 SIF 회로의 각 구성 요소와 전체 회로의 평균 고장 확률 PFD는? ......잠깐, 이때 RiskCloud의 장점 중 하나는 계산서가 중문이라는 점입니다. 너무 복잡한 exSILentia 보고서처럼 한글화가 되지 않아 온통 영어로 되어 있어 언어적 장벽이 되는 일은 없습니다. 보고서를 읽고 자료를 수집하며 증명서를 정리할 줄 알다니, 축하합니다. 이미 SIL 검증 1단계에 도달했습니다.