필드버스 2

(1) 필드버스 Power Supply (Fieldbus Power conditioner)

FF power conditioner 필드버스에 연결되는 현장계기류d에 Loop power 공급 및 디지털 통신을 위해 사용되는 Foundation Fieldbus Power Supply 이며, 그림에서 보는것처럼 전원을 주기위한 전원부와, 디지털통신을 방해하지 않도록 하기위한 Filter(또는 Conditioner)부 그리고 isolation을 위한 DC/DC 부분으로 대부분 설게되고 제작됩니다.

FF Power Supply는 일반 지역용 (General Type)와 위험지역용 (Hazardous Area)의 IS (Entity / FISCO) 용으로 대별되며 다시 세부 모델로는 이중화전원 (Redundant FF Power Supply) 과 Simplex 전원(Single Power supply) 으로 나눌수가 있겠습니다. 근래들어 많은 RFQ상 이중화전원 (Redundant Power)라는 단어가 나옵니다. 여기서 이중화전원이라는 것은 상기의 isolation단 및 conditioner단을 이중화 하라는 얘기입니다. (Bulk power supply 이중화는 거의 기본사항이라고 생각하면 됩니다).
Foundation Fieldbus의 기본 구조상 한 통신선 (Trunk Cable)에 많은 FF 현장계기류 (Fieldbus Device )를 연결하다보니 FF Power supply 가 고장나면 안되므로 , 요즘은 거의 이중화 FF 전원을 선호 합니다.

이중화 하는 방법론으로는 두가지 방법이 대세입니다. 1:1 redundancy 와 1:N redundancy입니다.
말 그대로 한 세그먼트당 FF Power Supply 2개가 장착되어 1:1로 backup 하고 있는 방식과 한 개의 FF Power Supply 모듈이 여러개(예로서 8개)의 세그먼트를 커버하게 하고 이런 모듈을 한 개 더 장착시켜 다중 세그먼트당 1개의 FF Power Supply 모듈로 backup 하는 방법 입니다.
어느방식이 유리한지는 현장의 요구사항과 투자예산등이 복합적으로 작용하는 것 이므로 우열을 가늠할 수는 없겠습니다.

그림상 전원 컨디셔너는 일반용 필드버스 전원으로서 1:1 이중화 (1:1 redundancy) 제품군 사진들입니다
1) 이중화 (isolation 단 및 power conditioner 단 공히) 되어있으며 따라서 Hot Replace가 가능 하며,
2) 기본적으로 DCS나 중앙제어시스템에 이상상태 (Fail)를 알려주기위한 Alarm 신호를 보낼 수 있고 (고급신호를 분석해야할 경우는 Advance Diagnostic Module필요),
3) 유수의 DCS makers 들을 위해 개별 와이어링할 필요없이 해당 시스템케이블 커넥터만 간단하게 연결하면 되도록 배려가 되어 있습니다.

(2) 필드버스 컨넥션 시스템 (Device Coupler 및 Junction Box)

필드버스라고 하더라도 필드버스 디바이스의 연결은 일대일 와이어링 (Spur)을 해야 하고, 이를 어디선가는 한꺼번에 모아서 트렁크 케이블에 연결하여야 합니다. 하단에 일반적인 연결 도면예를 보입니다.

fieldbus wiring diagram

필드버스 터미널 FF 통신은 버스방식이므로 몇세그먼트 되지 않는 간단한 경우라면, 왼쪽그림과 같이 일반 TB와 와이어링 점퍼등을 이용하여 해당 필드버스 디바이스 (현장 계기류) 들과의 연결을위하여 내부에서 Daisy Chain 연결방식으로 간단히 만들어 사용할 수도 있습니다. 장점으로는 저렴한 가격이 되겠습니다. 다만 이 경우는 Spur short circuit 등의 보호장치가 없으므로 단점은 와이어링작업시 주의가 요구되는 것이며 (일단 Manpower가 더 투입되겠지요 - 예로서, 터미널 단자 지정시 한단자씩 밀려서 연결되거나, 일부 와이어링의 극성 (+.-) 이 꽈배기 처럼 헝클어지는 경우가 발생할 수도 있지요, 이로 인한 통신불량으로 루프체크를 하여야 한다면), 현장에 설치한 후에도 유지보수상 어려움이 따릅니다. 현장작업중 쇼트로 인한 전체 세그먼트 다운이 발생할 수도 있고, 도면작업을 잘해서 추후 유지보수작업이 용이하도록 해야하는 약간의 수고를 해야하고, 유지보수시 전체 세그먼트가 다운될 여지를 항상 가지고 있습니다.

이런이유로, 유수의 관련 회사들이 디바이스 커플러 (Device Coupler)라는 제품을 만들어 팔고 있습니다.
하단에 보는것처럼, Connection Device는 커넥터 플러그타입을 사용하여 일단 와이어링이 완료된후 교체, 점검등을 손쉽게하여 현장 유지보수가 용이하도록 하였습니다.

장점으로는 작업량이 줄고 케이블정리가 명료할 뿐만 아니라 자체진단기능을 보유하고 있어
①필드버스 전원이 공급되는지 여부를 알 수 있는 초록색 전원공급여부 확인 LED와
②Spur 케이블 short 상태를 알려주는 상태확인 LED 들이 부착되어있어 필드버스기기류에 문제가 있는 경우 확인이 쉽습니다.
③ 졍션박스내부의 연결선들이 깔끔하고 질서정연하여 설치, 시운전 및 향후 유지보수시에도 편리합니다.

이런 디바이스 커플러를 선정하는 기준은 몇가지가 있겠습니다만,
1) Spur Short Circuit Protection (이기능이 있으면 Zone2 필드계기를 Spur단에 연결할 수 있습니다) : SPUR 단 short를 방지해주는 Short Circuit Protection 기능은 대부분 있습니다. 다만 해당 Spur가 Short 되었을 때 소모 되는 전류량 (mA)을 눈여겨 보셔야 합니다. 만약 Short가 되면 통상 45 ~60mA를 소모 하니까요 -> 이점을 감안해서 Segment Calculation을 하셔야 현장에서 낭패를 안 당합니다.
즉 현장 계기류의 소모전류 의 합 + 최소 한 개 spur short 전류 = 설계에 반영하여야할 총 전류량 ( Total mA) 이점을 간과 했다가 해당 트렁크 (세그먼트) 전체가 shut down 된 경우를 봤습니다. 또한 이렇게 한 개의 세그먼트가 과전류로 셧다운되면 위에서 얘기드린대로 N:1 power module인경우 power system 자체가 오버로드 되는 현상이 발생하여 순차적으로 주변 세그먼트까지 영향을 주게 되고 해당 power module 고장을 유도하게 되는 경우를 겪은적이 있습니다.

시장에는 Spur Short Circuit 발생시 2~3mA 만 소모하는 제품도 있습니다. (TG-200 모델),

2) Zone 1지역에 전력사용량이 많거나, 장거리 또는 일반형 현장계기류들 사용으로 인하여, 일반 FF 전원을 사용하고 싶은데, 여러 가지 제약으로 인하여 고민이 많는 경우는 , 간편하게 Zone1 지역에 설치할 수 있는 디바이스 커플러도 출시되어 있습니다.
Ex me approval 제품으로 Zone 1 지역에서 스퍼단 활선작업 (Live Work)을 할 수가 있습니다. IP30 재질이므로 물론 외함이 필요하겠습니다. 그림좌측 상단의 인터록키를 각 스퍼단에 삽입하면 해당 스퍼는 isolation 되며 yellow LED가 on 됩니다. 그럼 해당 스퍼에 연결된 계기의 유지보수 활선작업을 할 수가 있습니다.

현재 대부분의 Foundation Fieldbus 는 AI / AO signal들을 대상으로 하고 있고, 이에 대한 제품군들이 출시되어 있습니다. 가끔 DI/DO signal들을 FF 통신에 묶을 경우가 생기는데, 이런 용도로 나온 제품군들도 있습니다. 다음은 R.Stahl 사의 9413 시리즈로 DI 8 ch, DO 4ch Discrete Coupler 입니다.

FB Terminator 2) Terminator 기능 : 종단저항은 통상 반사파 (Standing Wave)문제로 삽입하지만 현재 H1은 31.25kHz로 느린통신을 하기 때문에 이러한 이유보다는 전압을 조정하여, 보다 Load에 잘적응하도록 한 것입니다.
필드버스 터미네이터는 트렁크 케이블 양단에 1개씩, 즉 트렁크 케이블당 2개가 필요합니다.
통상 1개는 FF Power Supply에 장착되어 있고, 나머지 한 개가 현장의 Device Coupler에 설치 되는데, 제조사에따라 분리형, built in type, 그리고 Automated Terminator (최종단이 되면 자동적으로 터미네이션 시키는 제품 - 하단에 동작 개념도를 보입니다.) 등이 출시되어 있습니다.

현장에서 통신의 애로를 겪는 경우의 다반사는 터미네이터가 적정하게 설치 되지 않아 일어나므로, 이를 잘 감안해서 설치공사를 하여야 합니다

Terminator Auto Auto terminator

3) 외함 (Junction Box) : 디바이스 커플러를 설치할 외함으로서 현장요구사항 (재질, 위험지역 여부, 내부에 몇 개의 device coupler를 실장할건지 등등) 에 따라 선정하면 되겠습니다. 이런 요구사항에따라 여러 종류별로 설계가 가능하겠습니다.

4) 써지프로텍션 (Surge Protection) : 주변외란이나 유도낙뢰 유입에따른 FF Power Supply 및 Device Coupler의 파손을 방지하기 위하여 트렁크 케이블 양단에 써지프로텍터를 장착해 달라는 요구도 많이 있습니다.
필요시 FF용 써지 프로텍터를 추가해 주면 되겠으며, 일부 제품은 Built in 으로 surge protection 기능을 내장한 제품(MooreHAWKE사)도 있습니다.

트렁크 이중화 (Trunk cable Redundancy) 에 대하여 거론해 보기로 합니다. 필드버스 설계의 아주 많은 잇점에도 불구하고 아직도 기존 4-20mA DCS system 설계를 주장하는 계장인 들은 필드버스가 지금까지 얘기한 케이블도 줄고, 유지보수도 쉬워진다는데 커다란 맹점(?)이 있다고 주장 합니다. 아시다시피, 트렁크 케이블 한가닥에 중요한 여러 현장계기가 주렁, 주렁 박 열리듯 달려 있는데, 뭔가 잘못되서, 혹시라도, 이 한가닥 트렁크 케이블이 끊어져 버리면... (흐미, 밤중에 또 나와서 셧다운된 공장 살려야 하겄지 뭐...) 하는 점입니다. 맞구요 맞습니다.. 하지만 이런 Trunk Cable Redundancy 제품이 있다면 어떻겠습니까 ? 있으면 적용하신다구요 ? ㅎ 네, 이미 출시되어 판매 되고 있습니다.
	- DCS H1 card 이중화, - Power conditioner (여기에 dc 전원을 공급하는 벌크 dc 전원 포함)도 이중화 - 만약 현장계기가 정말 중요하다면 이것도 두 개씩 달아도 되므로, 즉 거의 모든 FF system 설계의 이중화가 가능합니다. 하지만 트렁크 케이블은 Single cable 을 적용하였습니다. 그래서 이 케이블이 파손되지 않는데 신경을 썼습니다. 트렁크 케이블도 이중화 할 수 있으면 신뢰성을 확보할 수가 있어 critical loop에도 적용이 가능하겠지요.
	이중화 트렁크 (Redundant Trunk)를 지원하는 Fault Tolerant FF System (TRUNKSAFE) 라는 제품이 있습니다. 하단에 판매중인 Fault Tolerant Fieldbus System (Trunk Safe)의 도식도를 보입니다. 이제품은 Foundation Fieldbus H1 physical layer 및 Profibus PA physical layer를 만족하므로 Foundation Fieldbus / Profibus PA system에 공히 적용 가능합니다.

이렇게 이중화를 전부 해가면 MTBF가 증가하여 신뢰성이 획기적으로 상승되므로 향후 거론되고 있는 SIS 에 적용을 검토할 수 있게 되는 것입니다. 하단에 계산치를 정리하였으며, MTBF 단위는 "년" 입니다. 2015년 11월 태국에서 열린 FF FieldComm Seminar 그림을 하단에 보입니다.
국내에도 연구소에 연구용으로 납품되었으며, 해외 프로젝트용 RFQ에도 가끔 거론 됩니다. 이렇게 FF도 변화의 속도가 빠르므로, 우린 항상 공부하는 계장인으로서 치매는 걱정 안해도 될 것 같습니다, 갑자기 학생시절에 그렇게 외울려고 기를 쓰던때가 생각이 납니다. "학문과 기술을 배우고 익히며, 타고난 저마다의 소질을 계발하고, 우리의 처지를 약진의 발판으로 삼아, 창조의 힘과 개척의 정신을 기르는 대한민국 토종 계장인들이여 자부심과 긍지를 가집시다". 허걱, 너무 나갔남?? 지송 합니다. 치매를 방지코져(?)... 혜량 하여 주시면 안될까요? ㅎ 계장인 여러분 우리 모두 구만리 창공을 난다는 "붕새" 가 되어 보람찬 인생을 사시길 축원 합니다.