프로세스 자동화 I/O 시스템의 동향

첫 번째 정의:

아니요 – Namur 개방형 아키텍처 – NAMUR(User Association of Automation Technology)에서 발명한 이 방식은 무선이 될 수 있는 두 번째 병렬 표준 통신 채널을 설치하여 계측기에서 추가 가치와 자산 관리 데이터(혼합 데이터라고도 함)를 얻는 방법입니다. Bluetooth, 4G/5G 등을 지원하며 측정값에 대한 기존 1차 자동화 시스템 연결에 영향을 미치지 않습니다.

이더넷 – APL™ – 이더넷 고급 물리 계층 – OPC를 비롯한 장비 제조업체의 무역 단체에서 생성했으며 현장, 개별 기기 및 센서에 이더넷을 제공합니다. 아직 개발 중이며 2선을 통한 통신 및 전원으로 본질 안전을 통해 긴 케이블 길이와 폭발 방지를 가능하게 할 것입니다.

OPC UA – 개방형 플랫폼 통신 통합 아키텍처 – 장비 제조업체 그룹인 OPC Foundation에서 개발한 산업 자동화를 위한 기계 간 통신 프로토콜입니다.

MTP – 모듈 유형 패키지 – 다시 NAMUR에서 개발 중인 표준화된 방법론으로, 제조업체 및 기술에 관계없이 프로세스 모듈의 속성을 설명하기 위한 공통 언어를 제공합니다. 이를 통해 상위 수준의 자동화 시스템에서 MTP를 사용하여 특정 모듈/패키지를 정확하게 제어할 수 있습니다.

공정 자동화 I/O 시스템 시장 규모

프로세스 I/O 시스템의 전체 시장 규모는 약 30억 달러로 추산되며 약 3.7% CAGR로 성장합니다. Siemens는 이 부문의 약 14%를 보유하고 있으며 ABB는 10%, Honeywell은 9%, Rockwell은 8%입니다.

프로세스 자동화 I/O 시스템의 일반적인 추세

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분권화 – 중앙 제어실 대신 현장에 원격 I/O 스테이션을 분산 설치

=> 플랜트 케이블링 감소

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공장 Fieldbus의 감소

I/O 터미널 보드에 직접 필드 센서 배선

=> 교차 배선 캐비닛 제거

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유니버설 I/O(Late Binding I/O, e-Marshalling(구성 가능 I/O))로 유연성 향상

=> 자동화 하드웨어 및 소프트웨어 분리, 시스템 납기 단축(출시 시간) 및 현장 배선 조기화

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더 높은 데이터 세트로 "지능형" 센서 구현 증가

=> 고급 제어 최적화, 원격 진단 및 자산 관리 데이터

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현장에 이더넷 기반 통신의 부상

=> 예 PROFINET 및 이더넷 – APL™

Automation 커뮤니티의 LinkedIn 빨대 설문조사 결과는 다음과 같습니다.

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"Remote I/O station in Field"가 세 그룹 모두에서 쉽게 우승한 것은 놀라운 일이 아니지만 흥미로운 점은 "Type of Universal I/O"가 더 많은 것으로 간주되는 Instrument Engineers 및 ISA 그룹에서 최하위를 차지했다는 것입니다. 공장 자동화에 중점을 둔 자동화 그룹보다 편향된 프로세스 자동화. "Plant Fieldbus"도 모든 그룹에서 2위를 차지하면서 예상보다 좋은 성과를 거두었습니다.

플랜트 필드버스의 감소

수년에 걸쳐 주 제어실로 돌아가는 대신 현장에서 분권화를 향한 역사적인 추세가 있었습니다. 이것의 가장 극단적인 예는 플랜트 케이블링을 절약하기 위해 플랜트 필드버스를 사용하는 것입니다. 역설적으로 플랜트 필드버스는 감소한 반면 위험 지역에서도 원격 I/O 스테이션을 사용하는 추세는 계속되고 있습니다.

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필드버스가 특히 석유 및 가스 및 석유화학 부문에서 대세였던 시절이 있었습니다. 이렇게 바뀌었습니다!! 일화적으로 메이저 석유 회사는 20년 전에 엔지니어가 새로운 프로젝트에 Foundation Fieldbus(FF)를 사용하지 않은 이유를 정당화해야 했다고 설명했습니다. 기존의 4-20mA HART 솔루션이 아닙니다.

Fieldbus의 주요 인지된 이점 중 하나는 비용 절감과 플랜트 케이블링의 단순화였습니다. 이러한 절감은 위험 지역 배치의 경우 크게 감소하고 Fieldbus 시스템을 설계, 설치 및 유지 관리하는 데 필요한 기술 수준과 함께 선호도가 크게 하락했습니다. . FF 설치에는 수많은 접지 및 접지 문제가 있다고 합니다. Fieldbus의 많은 원격 진단 및 자산 관리 이점은 어쨌든 4-20mA 신호를 통해 기존 HART로 실현되며 실제로 NOA가 제안한 두 번째 병렬 채널은 주요 자동화 시스템 연결에 영향을 주지 않고 이를 제공합니다.

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플랜트 케이블링에 더 많은 이점을 제공하는 무선이 인기를 얻고 있으며 FF 시장 점유율의 일부를 차지하지만 주로 표시 전용, 낮은 스캔 속도, 비제어 측정용입니다. 그러나 무선의 경우 전송 경로뿐만 아니라 송신기가 자체 전원이 공급되지 않고 어쨌든 전원 케이블이 필요한 경우 – 이것이 정말 절약이 될까요?

PROFIBUS가 Fieldbus로 더 나은 결과를 얻은 이유는 무엇입니까?

PROFIBUS는 석유 및 가스 이외의 산업 분야에 구축되고 MCC 및 VSD가 통신하는 전기 시스템 표준이 되었으며 많은 공급업체에서 I/O 버스로 사용하기 때문에 부분적으로 더 나은 성과를 거두었습니다. PROFIBUS는 또한 이더넷 속도, 미디어 및 구성 요소를 포함하는 매우 결정적인 프로토콜인 PROFINET으로 발전하고 있습니다. PROFINET은 특히 Siemens에서 사용하는 원격 I/O 통신에 적합합니다.

유니버설 I/O가 인기 있는 이유는 무엇입니까?

다시 말하지만, 이는 다시 주 제어실의 범용 I/O로 돌아가는 탈중앙화 추세에 반하는 직관적입니다. 그러나 확실히 이것은 지난 몇 년 동안 수많은 범용 및 구성 가능한 I/O 시스템이 출시된 DCS 제조업체에 의해 이루어지고 있습니다. 그러나 이전 설문조사에 따르면 이것이 DCS 회사에서 우리가 믿게 하는 것만큼 최종 사용자 자동화 엔지니어에게 인기가 없는 것으로 나타났습니다.

범용 I/O는 신호별로 구성 가능한 16개 또는 32개의 채널 I/O 모듈이 있는 경우도 있고 채널별로 필요한 모듈이 선택되는 경우도 있습니다. 이점은 자동화 시스템 배달 시간 단축, 조기 현장 배선 설치입니다. I/O 변경 사항을 매우 늦게 프로젝트 수명 주기에 처리합니다.

그러나 많은 유형의 I/O가 필요합니다. 전원 공급 및 무전원, 2선 및 4선, 단방향 및 이중화, 안전 및 위험 지역, 비 SIL 및 SIL, 증가하는 단락 및 개방 회로 보호, 갈바닉 절연 등 – 전부는 아닙니다. 범용 I/O 시스템은 아직 이 모든 것을 처리할 수 있습니다.

예를 들어, 솔루션에 별도의 본질 안전 장벽이 필요한 경우 이는 오히려 대상을 무력화합니다. 이제 범용 배리어를 사용할 수 있지만 물론 배리어가 통합된 I/O 카드보다 더 비쌉니다. 또한 많은 범용 I/O 시스템은 진정한 I/O 중복성을 제공하지 않습니다.

범용 I/O가 마샬링 및 교차 배선 캐비닛을 제거하여 공간을 절약한다는 것은 잘못된 생각입니다. 이것은 필드 케이블을 I/O 보드에서 직접 종단(또는 더 정확하게는 고정 종단 장치에 연결하여 I/O 보드는 쉽게 제거할 수 있습니다). 실제로 범용 I/O는 m당 400 – 500 I/O에 비해 55 – 140 I/O 범위에서 고정 I/O보다 밀도가 훨씬 낮으므로 고정 I/O보다 훨씬 더 많은 공간이 필요합니다.

범용 I/O가 더 비용 효율적입니까?

확실히 전용 고정 고밀도 I/O 모듈이 모든 I/O 유형이 내장되거나 채널별로 선택되어야 하는 범용 솔루션보다 비용 효율적입니까? 여기에 전용 I/O를 프로세스 장치 가까이에서 원격으로 사용하고 설치 공간을 줄이는 경우 플랜트 케이블링 비용 절감이 추가됩니다. 이것이 승자가 되어야 합니다!!

물론 고밀도 전용 I/O와 범용 I/O의 후기 바인딩 기능을 결합한 시스템도 강력한 주장입니다. 이는 이미 종료된 플랜트 케이블링에 영향을 주지 않고 마지막 순간에 다중 채널 모듈을 일반 백플레인에 연결할 때 달성할 수 있습니다.

예를 들어, Siemens ET200SP HA I/O는 하나의 표준 캐비닛에서 최대 896개의 신호를 처리할 수 있으며 장치는 모듈식이므로 필요할 때 필요한 I/O 및 종단 유형을 범용 백플레인에 연결할 수 있습니다. 변경 사항이 있는 경우 마지막 10%에 대해 구성 가능한 카드(채널당 16개의 신호 선택 가능한 AI/DI/DO)를 사용하여 여기에 추가하는 것이 늦은 바인딩, 비용 효율성 및 공간에 대한 궁극적인 만병 통치약일 수 있습니다.

직접 연결 캐비닛 56개 I/O 모듈의 예, 최대 896개 I/O 800 x 2000mm(너비 x 높이)

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기능:

• 한 쪽 접근, 400mm 깊이
• 캐비닛 주변 온도 -20..+40°C
• 120/230V AC 예비 전원 공급
• 최대 2.5mm²의 직접 연결
• 구리 또는 광섬유 케이블을 통한 PROFINET 통신
• 최대 56개의 필드 케이블(직경 20mm)

1 - MCB 및 RCB 인피드 
 2 - AC/DC SITOP PSU 8200 40A(지멘스, 6EP3334-8SB00-0AY0) 
 3 - 이중화 모듈 SITOP PSE202U(Siemens, 6EP1961-3BA21) 
 4 - 전원 분배 및 카트리지 퓨징 
 5 - 추가합니다. 하드웨어, 예:SCALANCE XC206-2-SFP(지멘스, 6GK5 206-2Bs00-2AC2) 
 6 - T 200SP HA(인터페이스 모듈 및 버스 어댑터 포함) 
 7 - 예비 전선 및 M(접지) 단자 
 8 - 케이블 고정 및 차폐용 프로파일 
 9 - 케이블 덕트

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엔지니어링 계약자(EPC)는 늦은 바인딩 I/O를 선호합니다!

EPC는 프로젝트 수명 주기에서 매우 늦게 I/O를 지정할 수 있기 때문에 늦은 바인딩을 선호합니다. 배관, 기계 및 공정 설계가 완료된 후 계측이 완료되고 그 이후의 모든 변경 사항은 결국 자동화 시스템으로 필터링된다는 것은 오래 전부터 알려져 왔습니다.

물론 범용 I/O가 전체 이야기는 아닙니다. DCS는 소프트웨어가 I/O 지점을 구체적으로 랙 모듈 채널이 아닌 일반적인 방식으로 처리하도록 구성할 수 있어야 합니다. 이를 통해 I/O가 최종적으로 정의되기 전에 애플리케이션 소프트웨어를 하드웨어 빌드에서 분리하고 프로젝트 초기에 개발할 수 있습니다.

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현장에 이더넷

더 스마트한 기기/센서에 대한 추세는 이더넷이 처음에는 현장의 원격 I/O 스테이션에 대한 I/O 버스로 시작되었으며 원래는 PROFIBUS DP였으며 현재는 이를 위해 PROFINET이 널리 사용됩니다. 그런 다음 개별 기기/센서에 직접 이더넷으로 연결됩니다. 이러한 추세는 분명히 범용 I/O에 대한 주장을 약화시킬 것입니다.

진정한 범용 플러그 앤 프로듀스 솔루션

진정한 범용 플러그 및 생산 솔루션의 예로는 PROFINET(곧 이더넷 – APL™ 버전이 될 예정)을 사용하여 장치를 프로세스에 원격으로 배포한 다음 최대 8개의 PROFIBUS PA 기기를 배포하는 Siemens CFU(Compact Field Unit)가 있습니다. 모든 포트에서 연결되고 자동으로 인식됩니다. 이는 플랜트 케이블링 및 접속 배선함 등에서 유연성, 단순화 및 막대한 비용 절감을 제공합니다. 이 장치는 현장 추세에 대한 이더넷과 잘 맞으며 Profibus PA 기기의 르네상스를 일으킬 수 있습니다.

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기기에서 패키지, MTP까지

더 스마트한 기기를 향한 추세는 기기가 그 자체로 패키지 또는 모듈에 가까워지는 것으로 볼 수 있습니다. 실제로 NAMUR에서 개발한 NOA와 MTP는 상호 보완적인 솔루션입니다. MTP는 그린 필드 설치에 더 중요하지만 NOA는 브라운 필드 기존 사이트에 대해 자체적으로 제공됩니다. NOA가 미개발 분야 애플리케이션에 사용되는 경우 이상적으로는 통신에 OPC UA를 사용합니다.

MTP 모듈식 자동화 및 NOA NAMUR 개방형 아키텍처는 상호 보완적입니다.

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결론

1. I/O 스테이션의 분산화를 향한 역사적인 추세가 있지만 필드버스의 감소와 범용 I/O의 증가는 모두 이러한 추세를 거스르고 있습니다. 원격 I/O와 이더넷의 필드 이니셔티브의 지속적인 성장은 이러한 분산 추세가 여전히 유효하다는 것을 증명합니다.
2. Fieldbus, 특히 Foundation Fieldbus는 기술적 능력과 역사적 문제 설치로 인해 감소하고 있습니다.
3. PROFIBUS는 석유 및 가스 외부에서 사용되기 때문에 여전히 인기가 있고 전기 시스템의 통신에 대한 사실상의 표준이 되었으며 많은 공급업체에서 PROFIBUS DP를 사용하고 있으며 현재는 PROFINET을 I/O 버스로 사용하고 있습니다.
4. EPC는 프로젝트 수명 주기의 마지막 순간에 I/O를 정의할 수 있고 자동화 시스템 납품이 줄어들고 플랜트 케이블이 더 일찍 설치 및 종료될 수 있기 때문에 후기 바인딩 I/O 솔루션을 선호합니다.
5. 고밀도 전용 I/O 솔루션은 특히 플랜트 케이블링을 절약하기 위해 원격으로 사용할 때 더 비용 효율적이고 공간 효율적일 수 있습니다. 전용 고정 I/O 시스템의 밀도는 m당 약 470I/O인 반면 범용 I/O는 m당 약 55I/O만큼 낮을 수 있습니다.
6. 실제로는 고정된 고밀도 원격 I/O 시스템, 범용 I/O, NOA 및 이더넷(APL™)이 모두 한동안 공존하여 특정 영역에서 선호될 가능성이 있습니다. 하지만 어떤 전략이 우세할까요? 시간이 지나야 알 수 있습니다. 흥미진진한 라이딩을 즐기세요!!