전기식 계장에서 전압과 전류를 병행사용하는 이유?

계장신호를 나눠 보면 공기식(Pneumatic), 전기식으로 구분할 수 있습니다.
일부 공기식으로 제어되는 루프를 볼 수가 있으나 현재는 전기식이 주를 이루고 있고,  이미 HART또는 필드버스를 넘어 와이어리스등의 데이터 통신 시대며, 인공지능 무인화를 눈앞에 두고 있습니다.

아시다시피 공기식으로는 전송 거리에 제한 (수십미터 이상되면 신호지연 생김-제가 배울 당시에는 조작부도 구식이어서 약 몇백미터까지의 파이핑으로 제어하는데는 문제가 없었습니다)이 있으나 완전한 본질안전 방폭(Intrinsically Safety) 상태를 유지할 수 있으므로 공기식이 유용한 프로세스도 있습니다.
전기식에서는 현장의 각종 트랜스미터 신호는 아직도 대부분 전류 (4 ~20mA)를 사용합니다.
한동안 필드버스가 급상승 했으나, 아직도 4-20mA는 건재하고, HART 적용이 많은것 같습니다.

정전류를 사용하면 전송거리에 따른 강하가 없으므로 손쉽게 수백미터를 계장신호용 CVVS케이블을 통해서 전송할 수가 있으며, 신호레벨도 상대적으로 높아 주변의 외란을 받을 확률이 낮아집니다.
그러나 일단 캐비넷, 판넬(배전반)로 신호가 인입되면 배전반 내부에서는 많은 계장 기기류와의 상호 연결이 필요하므로 전류신호를 그대로 사용하면 ;

(1) 직렬 연결을 하여야 하므로 전체연결 임피던스가 전류에 영향을 미치지 않는 범위 이내 여야 하고 (대부분 임피던스를 750옴까지 지원합니다만),
(2)필요에 따라 보수를 할 경우는 전류 루프를 유지 시켜야 하는 관계로 계장 기기류를 분리하기가 어려운 경우가 생깁니다 (점퍼 잡던가, LMD 적용하던가 해야죠).
  
따라서 배전반 내부에서는 전압(1 ~ 5Vdc)형태의 연결을 하면 각 장비를 병렬로 필요한 만큼 연결하면 되므로 (예로서 각 가정에는 220Vac 전압을 사용하니, 전압인 때문에 콘센트에 필요 장비를 연결하거나, 않거나 전원 공급에는 영향이 없죠) 문제가 해결될 뿐더러 배전반 내부 연결은 상대적으로 거리가 짧은 만큼 전압 강하의 걱정은 안 해도 되므로 전압과 전류의 전기적 특성을 적절히 이용한 것입니다.

3~15 Psi, 4~20mA, 1~5Vdc 계장 신호 및 루프전원 24Vdc 의미

계장 신호를 보면 공기식은 3-14.7Psi ( 0.2-1Kg/Cm², 20-100 kPa, 20 -10⁵N/m2 ),
여기서 1 Pa(Pascal)= 1 N/m2, 전류는 4~20mA, 전압은 1~5V로 되어 있습니다.
물론 일부 플랜트는 0~30V, 0~50mA등도 있으나 이는 대개 발전소 또는 특수한 주변 환경상 생겨난 경우 입니다. (예외없는 법칙은 없으니 말입니다.)

그럼, 왜 0 (제로치)로부터 시작하지 않았을까요?  이미 답은 아시겠지만 3Psi, 4mA, 1Vdc로 플로팅을 시켜놓아야만 현장 계기류의 고장과  배관, 또는 전선의 합선, 단선으로 인한 엉터리 신호를 쉽게 가려낼 수가 있기 때문이고,
4 ~ 20mA에 계장기기류의 평균 임피던스치 와 같은 250옴 저항을 연결하면,  (V=IR) 이므로 4mA x 250옴=1Vdc, 20mA x 250옴 = 5Vdc 가 되는 것입니다.   

24Vdc 루프전원문제는 Load Resistance가 좌우합니다. 상기에서 설명한 대로 약 750옴까지의 (Load Resistance) 임피던스에 20mA를 고려했을 때 12Vdc로는 너무 전원이 낮고, 50Vdc로는 너무 높기 때문이죠, 또한 안전성면에서 볼 때도 인간에게 손상을 줄 수 있는 전압은 25Vdc부터라고 합니다.
스마트 계기는 대부분 13Vdc – 45Vdc 까지 사용할 수가 있다고 되어있는 이유도 Load Resistance를 고려한 것이라고 보는게 개인적으로는 타당하다고 생각 합니다만.  터빈 메터 나 플로우 관련장비는 12Vdc를 사용하는 경우도 있습니다.

왜, 신호는 AC전원이 아닌 DC 전원을 사용할까요 ?

교류(AC)를 사용하지 않는 이유는,  아시다시피 신호용 케이블에는 Resistance(저항성), Inductance(유도성), Capacitance(용량성)성분을 갖고 있으며,  교류(AC)는 원천적으로 과도현상(Transient)특성을 갖고 있으므로,   이것이 X_L성분(Inductive Reactance)과 X_C 성분(Capacitive Reactance)에 영향을 주게 되고,  [Z (임피던스) 는

 식에서 보는 것처럼  과도현상 (transient)에서는 신호 에 영향을 준다(e_L).]  주파수도 영향을 주며 , 주변의 외란도 개입할 소지가 많으므로 직류를 선택 한 것입니다.
계장의 특성상 4-20mA 낮은 전류레벨을 선택하였고 이런 직류신호레벨을 기준으로 각종 계장장비류를 제조 합니다. 이렇게 저전력, 전자기술 집적도는 올라갔으나(IC, TR등등), 전기적으로는 약하게 되어 의외로 외부 외란(써지)에 망가져 버리는 장비류가 많습니다.
신형장비류의 입출력카드가 자주 소손되거나, 오락가락하는넘이 있으면 외부의 무엇인가가 영향을 주는 것이므로 써지보호기 (SPD)를 추가하는게 좋습니다, 특히 대형장비류의 가동,정지가 많거나, 전기로, 인버터제어등을 하는 플랜트라면 써지를 방지하느냐, 아니냐에 따라 장비수명 및 신호내용이 충실할 수도 부실할 수도 있습니다.
필드버스, 광통신케이블의 경우에도 필드버스용 케이블은 상기와 같은 동선을 사용하였고 아시다시피 임펄스, 외란이 오면 입출력단이 나갑니다.
광통신에 무신 임펄스냐구요? 접지선과 전원선과 내부회로도 전부 광으로 하셨다면야. 각설하고 일반적으로, 신호는 교류보다는 직류가 직류보다는 디지털이 신호전달의 정확도가 유리해집니다.    
참고로    인덕턴스 양단의 유기 기전력  e_L = L*di/dt 입니다.

릴레이접점 SPST, SPDT,DPDT 의미

 계장에서 사용하는 릴레이 접점에 대하여 우리는 종종 SPST, DPDT등의 얘기를 합니다. 기본은 쉬운 것이지만 막상 설명을 하면서 헷갈리기도 하므로 다음과 같이 간단히 보여 드립니다.
SPST : Single Pole Single Through
SPDT : Single Pole Double Through
DPDT : Double Pole Double Through

Fail Safe 로 헷갈린적은 없으셨읍니까?

현장에서 또는 시스템 설계시 각종 알람 및 릴레이 관련하여 Fail Safe란 얘기를 많이 합니다. 그럼 Fail Safe란 무엇일까요?
통상적으로 시스템 셧다운 관련하여 얘기하는 Fail Safe Alarm이란 전원이 사라졌을 때(죽었을때) Alarm 상태로 되도록 하는 것입니다.
따라서 Failsafe Action은 정상상태(Normal Condition)에서는 릴레이를 Energizing하는 것을 의미합니다.  그리고 다음과 같은 경우에 릴레이는 떨어지겠지요.
1) 실질적인 알람 상태일때
2) 전원이 꺼졌을때
3) 릴레이가 망가졌을 때 등입니다.

다음 그림은 모두 Non-Failsafe로 설계된 경우입니다.

자 그럼 다음 그림은 어떻습니까?  Failsafe를 고려한 경우입니다. 간단한 내용이지만 헷갈릴 경우가 있으면 참고 하시기 바랍니다.

RTD 센서 이야기

현장에서 온도 측정용 센서로 대부분 열전대 (T/C) 아니면 측온저항체 (RTD) 입니다.
최고 온도범위가 낮고 정확도가 필요하다면, 당연히 RTD 센서를 사용하겠지요. 이경우 프로세스 현장에서는 대부분 3선식을 사용합니다.

RTD 센서는 온도에 따라 저항치가 변화하는점을 이용하여 온도를 측정하는 것입니다. 아시는 것처럼 대부분 RTD 센서는 백금(Pt100)을 많이 이용하고 있습니다. RTD 센서를 사용하는 이유는
1) 고 정확도 (0.01~0.1도씨)
2) 고 안정도 (<0.1% drift)
3) 선형성 때문입니다만

단점도 있어
1) 상대적으로 가격이 비싸고
2) 통상적으로 응답성이 T/C에 비하여 느리고
3) 자체 발열을 합니다.
또한 최고 온도 범위도 낮은 제한이 있지요.

기본적인 2선식 그림을 다음에 보입니다.  만약 거리가 아주 짧다면 (데모, 실험실등) 사용에는 문제가 없지만 실제 현장에서는
온도 표시 = RTD + L₁ + L₂ 이 되어 장거리 일수록 더욱 큰 오차가 발생할 수밖에 없습니다. 

그래서 도선의 저항을 뭔가를 이용해 측정한 다음 상쇄시켜 버려야겠다고 판단하곤 다음과 같은 3선식 RTD 센서를 사용합니다만, 여기에도 더욱 골치 아픈 맹점은 있고 현장에서 많은 계장인들이 고생하게 되는 것 이지요.
3선식은 L3도선의 저항을 측정하여 이저항치가 L1, L2 의 저항치와 균일하다고 판단하는 것입니다
 (즉 L1=L2=L3 라고 가정 즉 L1, L2도선의 언발란스는 전혀 고려안함) 그렇게하여 이저항치만큼 보상해 버리는 것입니다. 이론적으로는 하자가 없습니다만 현장에서는 종종 이로 인한 문제가 발생합니다.

현장에서 발생할 수 있는 에러는 선형화 (Linearization), SPAN 에러, RFI, 및 센서의 단선
3선중 어느선이든 단선되는 경우 ;
L1또는 L2 이면 : 저항이 무한대, 이로인한 출력은 ? High
L3 가 Fail된다면 출력은 Low 로 나타남등이 있지만 이런 경우는 대부분 확인이 가능하여, 문제지만 골치아픈건 아닙니다 하지만,
L1과 L2의 저항이 동일하지 않는상황이 발생한다면 (즉 두도선상 imbalance가 발생한다면) 문제가 복잡해지는 것이죠 ? 발생할 수가 없다구요?  그러나 실제는 많이 발생 합니다. 다음과 같은 질문에 답해 보시면 됩니다.
1) RTD 센서 연결부분에서의 부식은 일어날 확률이 없다/있다?
2) 현장 J.B에서의 도선 연결부분 부식은 일어날 확률이 없다/있다?
3) 센서 연결부 및 J.B. Terminal block의 조임상태가 느슨해질 확률이 없다/있다?
4) 연결해가는 과정중에서 서로 꼬이거나, 전기적으로 저항결합을 할 부분이 없다/있다 ?
5) 와이어 굵기가 서로 다른 종류의 Wire를 전혀 사용하지 않았다/ 했다?
6) 현장 센서부터 마샬링 패널을 경유한 와이어링작업에 하자가 전혀 없다 / 있다?

만에하나 상기에서 거론한 상황으로 인한 unbalance가 발생된다면 그오차는 어떻게 되는것일까요?

보시는 것처럼 1옴당 4.5°F 온도 편차가 발생하게 됩니다. 이렇게 되면 궂이 3선식을 주장할 필요도 없고 T/C이 훨씬 좋은 방법이죠.
해결방법 으로는 상기에서 거론한 질문 사항들에 대하여 자신있게 “없다”라고 답할 수 있도록 견고히 공사를 하거나? 아니면 4선식 RTD 센서를 사용하는 것입니다.
아이러니칼하게도 3선식과 4선식의 센서가격차이는 별로 없습니다.
그러면 4선식을 사용하여 어떻게 정확한 온도 측정을 하냐구요? 간단합니다.
3선식까지 사용한 휘스톤 브리지 방식대신에 정전류(I), 전압(V)을 이용하여 해당 저항(R)을 측정하면 보다 정확하게 측정할 수 있겠죠. 이원리를 이용한 것 입니다.

L1, L4리드선에 정전류를 흘리면 리드선들 저항에 관계없이 전류는 고정됩니다, 그런다음에.

L2, L3리드선에 전압(V)를 겁니다.
전압 소스측의 임피던스를 높여 놓으면 L1,L4의 전류는 L2,L3에 흐르지 않게 됩니다.
따라서 RTD 저항 R=V/I가 되어 연결되어 있는 리드선의 저항에 관계없이 정확한 RTD의 저항값을 읽을 수 있는 것이지요.
4선식 RTD 센서를 사용하면 궂이 연결 도선의 굵기를 18AWG(간혹 14, 16AWG)를 사용할 필요없이 일반적이고 가격도 저렴한 22AWG 면 충분합니다.
결론적으로 정확도와 추후 선로 단락, 개방등의 원인도 쉽게 찾을 수 있는 4선식 RTD를 사용하여 공사하드래도 전체 공사비는 실질적으로 줄어들 소지가 충분한 것이죠, 요즈음 선진국의 계장을 보면 4선식 센서가 증가 추세인 것입니다.
온도의 정확도가 얼마나 해당 프로세스에 중요한가? 라는 질문에 따라 선택하여 사용하시면 되겠습니다…
이밖에도 거론할 얘기는 많겠습니다만, 한가지만 더 추가하고 마치겠습니다.
RTD Pt100에서 알파 팩터 (α factor) 0.385, 392등을 얘기합니다. 
알파 팩터0.385란  0도씨부터 100도씨까지 1도당 평균 변화되는 저항치 편균치값이 0.385옴 이다라는 것입니다. (Pt100 의 100옴 은 0도씨입니다) 즉 알파 팩터 (α factor) 0.385 = 0.385옴/도씨

제가 만든 법칙이나 기술이 아닌관계로 틀린부분이 있을수 있음을 혜량하여 주시고, 알려주시면 반영하겠습니다. 감사 합니다.