Distribute Control System (DCS : 분산제어시스템)은 Field에서 I/O를 담당하는 Field Control Station (FCS)와 사용자가 직접 컨트롤 하는 Human Interface Station(HIS)로 구성된다.
여기서 FCS와 HIS는 V-NET이라는 특별한 케이블로 연결되어 있다.
FCS는 Field를 제어하기 위해 Input을 받기도 하고 Output을 주기도 하는데 주로 전기적인 신호인 mA를 사용한다. 4~20mA 사이의 전류를 받거나, 흐르게 해서 Field를 제어한다.
4~20mA사이의 전류를 받으면 FCS는 이를 0~100%의 수치로 나타내는데 이를 RAW라 하고, 0~100%까지 실제적인 수치로 나타내는 것을 RANGE라 한다.
예1) 4mA = RAW 0%, 12mA = RAW 50%, 20mA = RAW 100%
예2) RANGE = 0~500kg/h일 때 RAW 50% = 250kg/h, RAW 100% = 500kg/h
Local은 FCS에게 특정 값을 주는 것을 Input이라 하고, FCS에서 Tag를 조작해서 Local에게 특정 값을 주는 것을 Output이라 한다.
Input의 예시로는 다음과 같다
- FT (Flow Transmitter) -> signal : 4~20mA
- PT (Press Transmitter) -> signal : 4~20mA
- LT (Level Transmitter) -> signal : 4~20mA
- TT (Temperature Transmitter) -> signal : 4~20mA
- TE (Temperature Element, RTD센서(0~600도)) -> signal : Pt100Ω
Output의 예시로는 다음과 같다
- FCV (Flow Control Valve) -> signal : 4~20mA
- PCV (Press Control Valve) -> signal : 4~20mA
- LCV (Level Control Valve) -> signal : 4~20mA
- TCV (Temperature Control Valve) -> signal : 4~20mA
- INV (Inverter) -> signal : 4~20mA (0~60Hz)
Analog Input (AI)는 특정한 수치를 Input으로 받을 수 있는데 4~20mA를 받을 수도 있고, Pulse를 받을 수도 있고, Pt100Ω을 받을 수도, T/C를 받을 수도 있다.
4~20mA의 경우 H/W의 종류에 따라 2-Wire / 4-Wire로, S/W의 종류에 따라 SQRT로 나뉜다.
- 2-Wire는 Signal선과 Power선이 동일하다는 특징이 있고, 이것을 Loop power라 한다. 일반적으로 4~20mA를 출력하는 센서에 사용하고, 최소전류 4mA이하의 전류로 센서 회로를 구성할 수 있게 설계되어 있다. DCS에서 출력되는 24v DC의 power를 Field계기가 공급받아 구동 power로 사용하고, 이 24v DC line에 signal 4~20mA를 실어서 DCS로 공급한다.
- 4-Wire는 Signal선과 Power선이 분리되어 있고 Power선을 External power라 한다. 현장 Field의 구동 power가 DCS의 24v DC로 구동하기엔 Load가 큰 계기에 사용한다. 예를 들어 Mass Flow Meter의 경우에 110v AC의 Main power를 Field계기가 공급받아 mass를 구동하고, mass 자체에 24v DC의 signal power를 생성하여 DCS에 signal을 공급한다.
2016.07.05
Digital I/O를 사용하는 것으로 On/Off Valve, Motor(MCC), Alarm Switch 3가지가 있다.
On/Off Valve : 단순히 기계의 On, Off를 하기 위한 Input과 Output으로 구성된다.
Motor (MCC) : Motor를 구동하기 위한 장치로서 중간에 MCC라는 판넬을 두는데 이 MCC를 통해 Motor를 제어한다. Input으로는 Motor를 돌리기 위한 Start/Stop Input과, 현재 Motor가 Fault 상태인지를 확인하는 Input, 그리고 DCS에서 Motor를 돌릴 것인지, Field에서 직접 Motor를 돌릴 것인지 제어하는 Select Input으로 구성된다. Output으로는 MCC로부터 Motor의 상태를 얻어오는데, Interlock(INT) 상태인지 확인하는 INT Output과, 현재 Motor가 작동중인지에 대한 Start/Stop Output을 얻어온다.
- Interlock : 기계가 동작하면 안 되는 상태일 때, 급하게 정지시키기 위한 일련의 장치를 말한다. 일단 Interlock 상태를 해제하기 위해선 작업자가 MCC에서 직접 Reset을 시켜줘야 한다.
추가적으로 Motor 구동계에 필요한 기본 개념으로 A접점과 B접점 그리고 Dry, Wet이 있다.
- A접점 : 특별한 행동을 취해야지 기계가 정상적으로 작동할 수 있도록 구성된 Switch를 말한다. 이는 즉, Normal Open 상태를 뜻하며, 기계를 동작시키기 위해서 전류를 흘려보낸다던지, 작업자가 직접 스위치를 누르는 형태로 Close 상태로 만드는 일이 필요하다.
- B접점 : 특별한 행동을 취하지 않아도 기계가 정상적으로 작동할 수 있도록 구성된 Switch를 말한다. 이는 즉, Normal Close 상태를 뜻하며, 기계가 작동중에 정지시키기 위해서 전류를 흘려 보낸다던지, 작업자가 직접 스위치를 누르는 형태로 Open 상태로 만드는 일이 필요하다.
- Dry : 기계를 사용하기 위해서 Switch에 지속적으로 전원이 공급될 필요가 없는 형태의 Switch를 말한다. 예를들면, 전원은 이미 제공되고 있는 상태이고, Open 형태의 Switch만 Close로 변경하면 정상적으로 사용할 수 있는 형태를 말한다.
- Wet : 기계를 사용하기 위해서 Switch에 지속적으로 전원이 공급되어야 하는 형태의 Switch를 말한다. 예를들면, Switch를 통해서 지속적으로 전원을 공급해야 이 전원으로 기계를 사용할 수 있는 형태를 말한다.
Fail Open이면 4mA의 전류가 들어갈 때 100%로 open되고 20mA의 전류가 들어가면 close된다. 반대로 Fail Close이면 4mA의 전류가 들어갈 때 close되고 20mA의 전류가 들어가면 100% open상태가 된다.
RTD와 ThermoCouple
RTD는 보통 백금온도센서라고도 하며 PT100, PT1000 이렇게 규격을 부른다.
백금의 온도에 따른 저항치가 변하는것을 거꾸로 환산하여 온도로 읽는것으로 PT100이면
0도에 100옴으로 시작하고, PT1000은 0도에 1000옴부터 시작한다.
크게 JIS와 DIN규격으로 나뉘며, DIN(독일규격)는 PT100기준 1도에 0.385옴씩 변하고, JIS(일본)규격은 0.3916옴씩 변한다. 따라서, 이 값을 기준으로 저항을 측정해서 온도를 구할 수 있다. (예를 들면 PT100옴, DIN기준, 107.7옴 -> (107.7옴 - 100옴)/0.385옴 = 20도)
주로 RTD와 선로저항을 포함하여 측정, 선로저항만을 측정하여 이를 차감하는 방식으로 3-wire 방법을 사용한다.
ThermoCouple(T/C)는 다른 금속사이에 온도차이에 따라서 발생하는 전압차를 재는 방법이다. 원리상, 다른 종류의 금속사이에서 전압이 발생하는 것이므로, 전용의 측정방법을 써야 하는데, 측정장소까지 전용선을 쓰는 것은 물론이고, 측정장치도 다른 금속사이에서 나타나는 전압편차를 보상하도록 구성해야 한다.
- K type (CA) : 온도범위 : 0~1,000도 / 오차 : ±1.5도
- J type (IC) : 온도범위 : 0~750도 / 오차 : ±1.5도
지름이 D인 유관 도중에 관의 지름 d(D>d)의 Oriffice를 삽입하면, 그 직후에서 유속이 변화하여 압력이 떨어진다. oriffice의 바로 앞과 직후에서 유체의 압력차를 검출함으로써 유량을 확인할 수 있다.
Junction Box
수많은 cable들이 DCS로 몰려들게 되면 조잡하고 정리가 안 된다. 따라서 구역별로 지역을 정해서 그 지역에 있는 모든 계기들에 달려있는 cable을 모아서 하나의 cable로 묶고 DCS로 가져가기 위해 사용하는것이 Junction Box이다.
Marshalling panel
현장에서 오는 field cable을 system cabinet으로 분기시키는 역할을 수행
field instument에서 올라오는 신호는 각각 고유의 cable을 가지고 있으며, Junction Box는 특정 구역 내에 존재하는 field instrument들의 cable을 모아서 multicable로 만든 다음 DCS로 보내주는 역할을 한다.
Field cable -> marshalling panel -> (Crossing) -> I/O module (in system cabinet) -> Controller (in system cabinet) -> System cable 형식으로 나간다. marshalling panel은 주로 crossing 역할 및 기타 역할을 수행한다.
일반적으로 Instumentation and automation architecture는 field instrument, individual & multicore cable, junction box, marshalling panel, 그리고 system cabinet으로 구성된다. 이러한 각각의 요소들이 결합하여 control loop application을 구성하게 된다.
Field instrument
Field instrument는 process variable들을 측정하거나 제어하는 instrument equipment이다. pressure transmitter, temperature transmitter, flow transmitter, level transmitter, control valve, solenoid valve등이 이에 해당한다. 이러한 장비들은 instrument control loop의 front liner 역할을 한다.
Cable & junction box
individual 또는 multicore cable은 field instrument와 controller를 연결해준다. cable은 보통 신호나 전력을 전송하기 위해 사용된다. individual instrument들은 individual cable을 통해 junction box에 연결된다. 이러한 junction box는 individual cable들을 multicore cable로 reconnection 시키는 역할을 한다. 결국 각 instrument에 해당하는 individual cable들이 control room에 바로 연결되는 것이 아니라 multicable로 교체하여 control room으로 보내지게 되는 것이다.
Marshalling panel
marshalling panel은 multicore cable을 terminal block에 할당하기 위한 cross wiring 목적으로 사용한다. multicore cable을 구성하는 방식은 control loop point 관점에서 이루어진 것이 아니다. 그래서 ICSS vendor들은 이렇게 마구잡이로 배열되어 있는 방식이 아닌 I/O module이나 해당하는 controller에 맞는 자신만의 배열대로 바꿔야만 한다. 따라서 그들은 marshalling panel에서 cross wiring을 하여, multicore cable을 ICSS vendor의 입맛에 맞게 재배열하기 위해 사용한다.
System Cabinet
system cabinet에는 I/O card/module이나 controller가 장착되어 있다. 모든 wire들은 이미 marshalling에서 arrange되었기 때문에 marshalling에서 cabinet으로 추가적인 arrangment없이 바로 연결된다.
controller에서는 신호가 field로 들어오거나 나감으로써 complete control loop를 구성하게 된다.
