계장용 신호 표준 및 기호

계장이란 계기장치(計器裝置)의 약자로서, 측정 기기를 총칭하는 용어로 사용되며, 물리적 양을 표시, 측정 및 기록하는 데 사용된다.

 

 

 

계장용 신호 표준 및 기호

계장이란 計器裝置의 약자로서, 측정 기기를 총칭하는 용어로 사용되며, 물리적 양을 표시, 측정 및 기록하는 데 사용된다. 즉, 플랜트 운전에 있어서 설비의 운전상태를 판정하고 조정해 주는 것을 계장이라 한다. 여기서 운전상태라 하면 온도, 유량, 압력, 액위, 성분, 무게 등을 말한다.

 

 

계장용 신호 표준

계측제어를 하기 위해서 검출해야 할 양으로서는 온도, 유량, 압력, 액위, 성분 등이 있다. 이들의 양은 그대로는 목표치와 비교하거나 멀리 떨어진 장소에 전송하는 데에 적합치 않다. 따라서 검출부는 이들 양을 보다 취급 하기 쉬운 신호로 변환하는데 이것을 계장용 신호라 부른다. 

물리량 변환의 과정를 두가지로 나누어 생각하면, 1차 변환에서는 계측 제어대상인 물리량을 힘, 변위, 전압, 전기저항으로 변환되고, 2차변환 과정에서는 1차 변환의 출력 신호에 보조 에너지를 가하여 공기압, 또는 전압, 전류 신호 등으로 얻어진다. 즉, 2차변환에 의해 보다 취급하기 쉽고 통일된 신호가 얻어진다.

1차 변환을 하는 것을 검출기라 하고, 2차 변환만을 하는 것을 전송기라 한다, 또한 하나의 장치에서 검출기와 전송기 기능을 모두 하는 것을 검출 전송기 또는 간단히 전송기, 발신기 또는 변환기라고 한다.

 

 

1970년대에 ANSI/ISA S50, "전자 산업 공정 계측기의 아날로그 신호 호환성"으로 4~20mA 범위가 송신기 및 밸브의 표준 전자 계측기 신호로 표준화하였다.

- 공압 송신기의 범위는 현장에서 밸브와 액추에이터를 제어해야 하는 필요성에 따라 정의되었고, 일반적으로 표준으로 3~15psi(20~100kPa 또는 0.2~1.0kg/㎠) 범위의 신호가 표준화되었으며, 대형 밸브에는 가끔 6~30psi가 사용되었다.

- 트랜지스터 전자 장치를 사용하면 파이프를 교체하기 위한 배선이 가능했으며, 처음에는 루프 전원 장치의 경우 최대 90V에서 20~100mA 범위였지만, 최신 시스템에서는 1~5V에서 4~20mA로 줄었다.

- 송신기는 종종 4 ~ 20mA 전류 신호의 형태로 출력 신호를 생성하는 장치이지만 전압, 주파수, 압력 또는 이더넷을 사용하는 다른 많은 옵션도 가능하다.

 

계장용 신호를 정리하면 아래 표와 같다.

 

 

1. 공기압 신호

압력은 배관을 사용하면 적은 오차로서 신호 및 동력 전송이 가능하다.

이때 사용되는 매체로서 기름, 물, 공기가 주로 사용되는데 액체의 매체는 높이차가 있으면 오차가 발생된다. 따라서 동력의 전송에는 액체가 많이 사용되고 있으나 신호의 전송에는 공기압이 사용된다. 일반적으로 신호 레벨은 0.2 ∼1.0 kgf/㎠ 이다.

 

<그림 1> 공기압 제어 Loop 사례(출처: https://en.wikipedia.org/wiki/Instrumentation)

 

공기압 전송은 이전에는 공업량 계측에 전반적으로 사용되었었다. 그러나 최근 전자 기술의 발달에 따라 전기식이 대부분이나 아직도 사용되는 부분이 다음과 같은 특징이 있으므로 많이 사용한다.

① 전기식 전송은 전기적 환경이 나쁜 곳에서는 노이즈 영향이 크다. 반면 공기식은 노이즈 영향이 없다.

② 전기식은 폭발성 가스가 있는 곳에서는 폭발을 야기할 수 있으나 공기식의 경우는 전혀 그 우려가 없다.

③ 단순히 신호 뿐만 아니라 파워를 전달하는데 겸용할 수 있다.

단점으로 전송거리가 길면 신호 전달지연이 생긴다. 따라서 공기압 신호의 전달거리는 통상 100∼150 m 이내로 되어 있다.

 

 

2. 전압신호

센서자체가 전압출력을 내는 원리로, 전압신호의 경우 전압이 높음과 동시에 신호원의 내부 저항이 낮아야 하고, 부하의 내부 저항은 대단히 켜야 한다. 그러지 아니하면 신호원의 기전력이 부하에 정확히 전달되지 않는다. 따라서 이때 신호원 다음에 증폭기를 사용하면 전압을 높일수 있을 뿐만 아니라 내부 저항을 크게 할 수 있다.

계장용 신호로 사용되는 전압레벨은 1∼5V이며, 계기반내 근거리 전송시 사용한다.

단점으로는 노이즈가 많은 장소에 신호 전송오차가 크다. 한편 미약 전압은 특수 케이블을 사용하는 일이 많으며, 보상도선을 이용하는 열전대 기전력 전송, 전자유량계 검출부와 변환기간 신호 전송, 로드셀에서 변환기까지의 신호전송에 이용되며, 사용 신호레벨은 0 mV ∼ 10 V이다.

 

3. 전류신호

전기식 전송의 경우 신호전송에 전류를 쓰이는 예가 많다. 전류 신호는 전압신호에 비해 노이즈가 강하다. 그 이유는 유도잡음은 정전 유도잡음과 전자 유도잡음은 전압으로 되어 신호 케이블에 유도 된다. 이 때문에 전압 신호에는 잡음 전압이 중첩되기 때문에 노이즈에 약하지만 전류 신호는 송신회로 입력 임피던스가 높기 때문에 잡음 전압이 수 볼트 유지 되어도 잡음 전류는 적게 된다. 송신측에서 이용되는 파워가 작으므로 보통 신호 레벨이 4 mA 정도라면 전송측의 각종 전원에 이용할 수 있다.

 

<그림 2> 전자식 제어 Loop 사례(출처: https://en.wikipedia.org/wiki/Instrumentation)

 

전류 신호는 노이즈에 강하기 때문에 현장 계기에서 계기반까지의 신호 전송 거리가 먼 다른 시스템에의 전송에 적용된다.

전기식이 전압과 전류 신호로 구분 사용되고 있으나 대부분 전류신호를 채택하고 있는 것은 다음과 같은 특징이 있으므로 많이 사용한다.

① 전압출력의 경우 신호 임피던스나 배선의 임피던스에 의한 전압 강하가 있으며 그것이 오차의 원인이 된다. 그에 대해서 신호로서 전류를 사용한다면 오차가 생기지 않게 된다. 즉 원리적으로는 전압은 저항에 의해 변화하지만, 전류는 저항에 반하여 흐르므로 저항 변화로 인한 오차를 없앤다.

② 전류 신호로서 예를 들면, 많이 사용하는 4∼20 mA 신호 레인지와 같이 0에서 시작되는 것이 아니라 조금 높은 신호를 사용하는 경우가 많다. 이 경우 전송기에 전원 공급선과 전송 신호선을 겸용한 2선식 배선이 가능하다.

③ 전류 신호는 250 Ω 저항을 수신측에 맡기는데, 따라서 쉽게 전압신호로 변환이 가능하다.

 

 

계장용 기호

새로운 기계나 구조물, 건축물 등을 제작 또는 사용하고자 할 때에는 우선 사용 목적을 잘 생각하고, 구성하여 구조나 크기를 결정해야 하고 그림을 그리면서 계획을 세우게 된다. 이와 같이 기계에 대한 설계를 기계 설계라 하는데 계장에서도 계장 계통도가 있다.

계장 계통도란 조작점을 정하고 기록, 조절, 경보 등을 표시하고 계측제어 Loop를 명시한다. 이 경우 Process Flow Sheet 에는 반드시 실제 장치들을 전부 기재할 필요는 없고 이해하기 쉽도록 적당히 간략화한 방법이 편리하다.

계장 계통도 작성 시 사용되는 통일된 기호는 규격화 되어 있다.

 

 

1. 문자기호

계장 계통도에서는 문자기호와 그림기호로 구분하고, 문자기호는 계측 제어 대상을 나타내는 변량기호와 계측설비의 형식 또는 기능을 표시하는 기능기호, 계측설비 하나 하나를 식별할 필요가 있는 경우에 사용되는 것으로 개별기호가 있다.

변량기호	기능기호

 

계장 계통도를 그릴 때 문자기호를 붙인다는 것은 장치에 TAG NO를 부여 하는것과 같은 의미를 갖는다. 문자기호를 붙이는 방법은 변량기호가 앞에 오며, 그 다음으로 기능기호들이 1개이상 붙으며 이때 기능기호의 나열은 일정한 규칙이 없다. 기능기호 뒤에는 필요에 따라 일반적으로 세자리의 아라비아 숫자로 이루 어진 개별기호를 붙여 문자기호가 완성된다.

 

 

2. 그림기호

계장 계통도에서 사용되고 있는 그림기호는 계측용 배선 및 배관, 검출기 표시계기, 조절기 및 전송기, 조작부로 구분한다.

 

그림기호에 대한 세부적인 내용은 기 포스팅한 다음 링크 자료 참조

https://sec-9070.tistory.com/184

P&ID 계기(Instrument) Symbol 및 Control Loop 소개

 

사용 방법으로는

1) 그림기호를 적용시 원내 상반부에는 문자기호를 하단에는 개별기호를 사용한다.

2) 원으로 나타내지 않는 그림기호에 문자 및 개별기호를 기입할 필요가 있을 때에는 그림기호로 부터 선을 그어 원을 그린 다음 1)항과 같이 기재하거나 원을 생략하고, 그림기호 옆에 문자기호 및 개별기호를 기입해도 좋다.

 

Reference : 1. 주영씨앤에스 내부 교육자료

2. https://en.wikipedia.org/wiki/Instrumentation