위험지역 (Hazardous Area)에 적용하는 본질안전 (Intrinsic Safety) 방폭

적용 기술은 ① 제너배리어 또는 ② 본질안전 아이솔레이터 로 대별 할 수 있으며, 요즘은 대부분 아이솔레이터를 적용 합니다.
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위험지역 보호방식은 다음과 같이 나눌수가 있습니다.
– Segregation ( Oil Immersion, Pressurization, Encapsulation etc)
– Containtment (Flame Proof)
– Prevention (Increased Safety and Intrinsic Safety​)

본질안전 인터페이스 (Intrinsic Safety Barrier : 이하 “IS Barrier” 또는 “배리어” 로 칭함) 에 대하여

기본기능은 위험지역에 산재한 많은 장비들에 대한 폭발가능성 검증의 필요성 (Necessity for certifying) 을 제거하기 위한것으로,
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배리어는 비정상상태의 전기적인 특성과 에너지를 폭발 가능성이 잠재되어있는 위험지역에서 점화할수 없는 에너지 한계 (안전레벨)로 유지 시키기 위한 안전 인터페이스 장비 입니다.

배리어 기술은 해당 루프(Loop)의 최대 정전용량과 인덕턴스를 고려한 상태에서 전압 (V)과 전류(I)를 공히 제한 하도록 설계되어 있으며, 크게 두가지 :
1) Shunt Zenner Diode Barrier 기술,
2) Intrinsic Safety Isolator Barrier 기술로 분류 할 수 있겠습니다.

Shunt Zenner Diode Safety Barrier

션트제너 다이오드 배리어는 에너지 (V,I) 제한 기술로 가장 간단하고 효율적인 (Simple Design) 고전적 해결방법이며, 기본적으로
(1) 이중 또는 삼중 의제너 다이오드를 사용하여 전압을 제한하고,
(2)저항 (CLR)​ 을 사용하여 전류를 제한하며,
(3) 휴즈를 사용하여 제너 다이오드가 취급하기 힘든 비정상 전원 차단

배리어는 28V, 93mA, 300R등으로 기재된 Safety Parameter​ 를 제공하며,
규정상 해당 Loop 설계시 (IEC60079-14),
1)Entity Parameter 를 계산하고, Entity Parameter Calculation sheet를 서류로 보관하여야 합니다, DSD (Descriptive System Documents)서류라고 합니다.
① Loop Calculation (​Entity Parameter : Power, Inductance, Capacitance) 은 다음을 포함합니다.
㉠ 위험지역현장 계기 parameter,
㉡ 배리어 parameter,
㉢ 케이블 의 Capacitance, Inductance등을 고려하여 해당 루프가 안전한지를 검증하는 것 입니다.
② Wiring / Installation Drawings
③ Identification Number
④ Name and the signature of the designer / Date
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Entity Parameter Calculation은 현장의 계기, 케이블, 배리어중 어느하나라도 변동이 생길 때마다, 재 계산하고 반영해서DSD 서류로 보관 해야 하는 규정을 잘 지켜야 합니다.
다음에 Entity Parameter Calculation sheet 샘플을 보입니다.

2) 배리어에 연결된 IS Earth 상태를​주기적으로 점검하여야 합니다. 이는 깨끗한 어스 (Dedicated Clean Earth 로서 1옴 이하) 여야 합니다. 아시다시피 Earth가 안되면…. Zenner Barrier를 적용할 이유가 ?
3) 위험지역 현장계기류는Earth와500V 이상 Isolation시켜야 합니다.

Shunt Zenner Barrier 장, 단점

수동소자로서 루프에 포함시킬수 있으며 (대부분 모델이 전원 필요없음), 상대적으로 컴팩트한 제품크기 및 저렴한 가격

기술적인 한계 (Loop Powered, Voltage drop , earthing issues )로 인하여 설계, 적용시 따져봐야할게 많은 불편함과 쇼트가 나면 제품자체가 소손되는 설치 위험성(wiring 잘못으로 인한 소손이 될 확율) 이 크고,
관련 규정을 준수하기 위한 서류행정, 유지보수 행위 등의 어려움등으로 적용 빈도도 줄고 있으며, 제품 종류도 주는 추세 입니다.

Shunt Zenner Barrier 특징

(1) Return path for fault current 를 위한 Dedicated Safety Ground를 필요로 하며, 이를 주기적으로 체크하여 유지하여야 합니다. ( 안전 어스 회로가 기본 입니다.)
(2) 필드 계기류는 Isolated ( 500V ) 되어 있어야 합니다.
(3) Zenner Leakage 가 정확도에 영향을 줍니다. ( 현장 계기가 Zero reference type 일경우 문제발생 소지)
(4) 대부분 Loop Power를 이용하며, 전압강하 (Voltage Drop) 문제
(5) Wiring mistake 또는 전원 극성 실수로 인한 전체 배리어 소손 가능성
(6) 해당루프의 DSD Document File을 보관, 유지하여야합니다.

근래들어서 안전이 강화 되면서
(1)항의 어스를 잘하고, 이를 유지하기위한 유지보수​,
(2)항의 현장계기 분리 (Isolation) 확인을​주기적으로 해서 안전을 유지하여야하는점 과 규정준수에 대한 우려 때문에도 적용이 주는 추세입니다.
물론, 아이솔레이터 타입의 기술 발전과 가격하락도 한몫 한셈 입니다.
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하지만, 특수한경우는 Shunt Zenner Barrier가 정답인 경우도 있습니다. 따라서, 현장 요구사항을 잘 파악하여 설계 및 선택을 하면 되겠습니다.
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다음에 Zenner Barrier Fault 상황에 대한 예제를 보입니다.

Galvanic Isolator Barrier

보시는것 처럼, Shunt Zenner Diode Barrier가 위험지역쪽의 입력 신호부분을 커버하고, 안전지역쪽에는 Transformer, Photo diode등을 채택하여 입/출력단을 완전히 분리한 제품 입니다.

Galvanic Isolator Barrier 특징

IS Isolator도 위험지역부분 Loop는 Entity Parameter Calculation을 해서 서류로 보관 하여야 합니다.
(1)​No Safety Ground Requirement ( No cost / No maintenance )
(2) 전체 정확도로 보면 우위 (leak등 감안)
(3) 저렴한 설치 및 유지비용 ( TCO – Total Cost of Ownership 로 보자면 접지공사, 유지보수비용등이 필요없어 상대적으로 저렴)
(4) 신호별 제품의 다양성 (4-20mA, contact, temp input etc)
(5) 현장계기류가 Grounded type 이거나 Isolation이 확실치 (poorly) 않을 경우라도 적용 가능
(6) Short Circuit, Reverse Polatiry 에 대응하므로 wiring mistake에 상대적으로 강함
(7) 외란 (Surge, interference)에 상대적으로 강함 (보편적으로 2.5kV)
(8) 발열량 0.6Watt, Accuracy 0.1%FS, 주변온도 -40˚C ~ +70˚C
(9) 전원이 필요없는 Loop Powered model 도 보입니다.
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다음 그림처럼 IS Isolator Fault 상황대처를 보면 훨씬 안전하다는것 을 알수가 있습니다.

Shunt Zenner Barrier vs Isolator Barrier 비교

Multi-channel Galvanic Isolator 적용

요즘 SIL2/3 certified 제품으로 12.5mm wide, multi-channel (2,4ch등) 제품군이 본질안전 계장 설계 개념을 변화 시키고 있습니다.
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하단에 SIL2, 4ch IS Isolator Barrier 적용을 보입니다. Isolator Barrier는 부가기능이 많아 시운전, 유지보수시 유용합니다.
예로서, RS485 Modbus통신을 이용하여 원격점검, 원격셋업 (configuration)등을 할 수 있어
유지보수 유연성, Sensor Fail (Input Fail) 점검 및 입력단 Fail 시에도 출력상태를 지정 할수 있어 (down scale, up scale, remain last value)
신뢰성 제고 (Safety) 및 효율적인 운용을 할 수 있습니다.

Summary

안전 배리어는 규정도 복잡하고, 기술적으로도 검토할 사항이 많은 제품군 으로서 (예: 각종부속품설치에 대한 규정 – Terminal block 이격거리, Ex종류에 따른 이격, 어스및 그라운드, 케이블규격, 컬러등) 전문가 (EEHA certificate소유자) 가 설계, 제작, 설치및 시운전, A/S등에 개입을 해야 하는 안전제품군 입니다.
이런 모든사항을 검토하고 추가로 ,
현장안전 요구사항 강화 (SIL),
비용에 대한 개념 (TCO) 등을 잘 고려 하여,
현장 상황에 맞는 적절한 제품군을 선택하시면 되겠습니다.
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보다 자세한 협의가 필요하시면 이 분야에서 오랜기간 경험을 쌓고,
EEHA 자격 엔지니어를 보유한 티엠솔루션(주)와 협의 해 주시기 바랍니다.
전화는 02-2025-4280 이며, 이메일은 sales@tmsolutions.co.kr 입니다.
감사 합니다. 오늘도 보람찬 하루 되십시오.