SIS Solenoid valve _ FINAL ELEMENT(최종 제어 요소) 설

이번 편에서는 SIS의 구성 요소 중 FINAL ELEMENT(최종 제어 요소)에 대하여 정리해 보겠습니다.

 

FINAL ELEMENT

최종 요소는 Solenoid valve, Actuator 및 Process safety valve로 구성됩니다. 솔레노이드 밸브는 이 부분에서 필수적인 부분으로, 직접적으로 On/Off Valve actuator를 제어합니다. 정상 작동 시 솔레노이드는 활성화되어 열려 있으며, actuator를 활성화합니다. logic solver가 작동되면 솔레노이드를 비활성화하여 actuator의 공급 압력을 차단하면 밸브가 안전 위치로 이동합니다. 안전은 솔레노이드 밸브의 신뢰성에 매우 의존적입니다. 이는 이러한 솔레노이드 밸브가 최고의 품질 기준으로 제조되고 가장 엄격한 조건에서 시험되어야 함을 의미합니다.
IEC61508 및 61511 표준에 따르면, '기능적 안전은 시스템이나 장비가 입력에 정확히 응답하여 전체 안전의 일부분이 되어야 합니다.' 이 원칙은 새로운 설치에만 해당하는 것이 아니라 전체 서비스 수명 동안에도 적용됩니다.
안전계장시스템 SIS에 대해 알아보자.(1편-구성 요소)

안전계장시스템 SIS에 대해 알아보자.(1편-구성 요소)

 

SAFETY LOOP

이 표준은 전기, 전자 또는 프로그램 가능한 전자 시스템을 사용하여 위험을 줄이기 위한 '전용 독립 계층'에 대해 다룹니다.
이 맥락에서 안전 시스템은 항상 위험한 공정을 지정된 시간 내에 안전 상태로 유도하기 위한 감지 요소, 논리 해결기 및 최종 요소로 구성됩니다.
이러한 시스템의 신뢰성은 요구 시 고장 확률 (PFD)로 표현되며, 장비 고장률 및 테스트 빈도에 따라 달라집니다.
이를 위해 안전이 의존하는 구성 요소는 상세한 고장 모드 및 영향 분석 (FMEA)에 노출됩니다. 안전 시스템의 수명 동안 그 성능은 점진적으로 저하됩니다.
전반적인 신뢰성을 유지하기 위해 기능적 행동을 자주 테스트해야 합니다.
당연히 이는 안전이 의존하는 모든 구성 요소에 적용되며, 센서, 논리 해결기 및 솔레노이드와 같은 것들이 포함됩니다.
테스트가 쉽게 이루어지고 운영 상의 실수 가능성이 줄어들면 성능과 안전 모두 향상됩니다.

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[쉬운 설명]

SIS (Safety Instrumented System)
하나 이상의 안전 계장 기능(SIF)을 구현하는 데 사용되는 계장 시스템.
SIS는 센서(Transmitter), 로직 솔버(PLC), 최종 요소(On-Off Valve)의 조합으로 구성됩니다.
여기에는 안전 계장 제어 기능, 안전 계장 보호 기능 또는 둘 다 포함될 수 있습니다.
Sensor
현장 센서는 비상 상황의 존재 여부를 감지하는 데 사용됩니다.
Logic Solver
SIS의 이 구성 요소의 목적은 수집된 정보를 기반으로 취해야 할 조치를 결정하는 것입니다.
Final Element
논리 시스템에 의해 결정된 작업을 구현합니다.

Safety loop

안전계장시스템 SIS에 대해 알아보자.(2편-IEC 61508과 IEC 61511)

안전계장시스템 SIS에 대해 알아보자.(2편-IEC 61508과 IEC 61511)

솔레노이드 밸브의 중복성 (REDUNDANCY)

프로세스 또는 정지 밸브(Shutdown valve)를 작동시키기 위해 두 개의 솔레노이드 밸브를 사용할 수 있습니다. 이 완전한 중복 모드에서는 배관 구성에 따라 최종 요소의 신뢰성 또는 가용성 중 하나를 높일 수 있습니다. 신뢰성은 안전 루프의 무결성과 관련이 있어 안전 기능을 수행할 수 있게 합니다. 반면 가용성은 기능을 유지하기 위한 생산과 관련이 있습니다. 그림 1에 나와 있는 것처럼 직렬로 연결된 두 개의 솔레노이드 밸브는 논리 해결기에 의해 1oo2 Voting으로 작동됩니다.
이는 시스템의 신뢰성 (또는 PFD)을 높입니다.
그러나 동시에 가용성은 감소합니다.
1oo2 구성 (HFT = 1)에서는 하나의 기능을 수행하기 위해 두 장치가 사용됩니다.
한 구성 요소가 안전하게 실패하면 시스템이 트립됩니다. (두 개두개 중 한 개라도 고장나면 트립 됨을 의미)
두 장치가 있는 경우 이런 일이 발생할 가능성이 증가합니다.

그림1. 1oo2 구성

안전계장시스템 SIS에 대해 알아보자.(3편-SIL, BPCS)

안전계장시스템 SIS에 대해 알아보자.(3편-SIL, BPCS)

 
2oo2 구성에서는 그림 2에 나와 있는 것처럼 두 개의 솔레노이드 밸브가 병렬로 연결됩니다.
한 개가 비활성화되더라도 Shutdown valve는 여전히 압력이 유지됩니다.
두 번째 솔레노이드 밸브를 비활성화하면 Actuator 압력이 제거되고 Shutdown valve가 작동합니다.
이 구성은 안전한 고장에 대해서는 민감도가 낮아져 방해되거나 비논리적인 트립의 수를 줄이고 가용성을 높이는 데 도움이 되지만, 이에 따라 신뢰성은 감소했습니다.

그림2. 2oo2 구성

 
안전계장시스템 SIS에 대해 알아보자.(4편-IPL, PFD)

안전계장시스템 SIS에 대해 알아보자.(4편-IPL, PFD)

 
다음은 두 개의 솔레노이드 밸브가 병렬로 연결된 특정한 2oo2 구성을 가지고 있습니다.
그러나 하나의 배출 포트(2)는 다른 밸브의 방출 포트(1)에 연결되어 있습니다(그림 3 참조). 이는 동일한 가용성을 제공하지만 최종 요소의 신뢰성 또는 무결성을 높입니다.
대부분의 중복 솔레노이드 밸브 설치는 한 밸브가 안전한 고장이 발생한 경우에 대한 표시를 제공하지 않습니다.
일반적으로 솔레노이드 밸브의 온라인 유지보수 및 테스트는 공정을 중단하지 않으면 어려울 수 있습니다.
이러한 설계 방식은 더 높은 신뢰성, 쉬운 설치, 그리고 테스트 및 진단 기능을 향상시켰습니다. 또한, 중복 안전 기능을 위해 여러 장치를 사용할 때 설치 및 테스트에 소요되는 시간을 크게 줄이는 새로운 솔루션이 개발되었습니다.
안전 루프의 구성에 따라 가용성과 신뢰성은 중요한 요소입니다. 여러 구성 방식이 있지만 대표적으로 1oo1, 1oo2, 2oo2와 같은 형태가 사용됩니다. 이들은 각각 "One out of One" 또는 "One out of Two"와 같이 표현되며, 각 밸브나 센서의 수가 시스템에서 어떤 역할을 하는지를 나타냅니다.

그림3. 2oo2 구성

 

 

가용성과 신뢰성은 안전 시스템의 성능을 평가하는 두 가지 주요 측면입니다.

 

1. 가용성(Availability):

- 정의: 가용성은 시스템이 정상적인 운영 상태에 있을 수 있는 정도를 나타냅니다.
- 예시: 더 많은 밸브나 센서가 동일한 작업을 수행하는 경우 가용성이 높아질 수 있습니다.
그러나 1oo2 구성에서는 하나의 기능을 수행하기 위해 두 장치가 사용되어 트립 가능성이 높아집니다.
 

2. 신뢰성(Reliability):

- 정의: 신뢰성은 시스템이 주어진 작업을 얼마나 정확하게 수행하는지에 대한 측정입니다.
- 예시: 더 많은 밸브나 센서가 동일한 작업을 수행하는 경우 신뢰성이 높아질 수 있습니다. 하지만 이는 가용성을 줄일 수 있습니다.
SIL 검증에서 사용되는 기본 용어

SIL 검증에서 사용되는 기본 용어

설계자는 이러한 측면들을 고려하여 안전 루프를 구성해야 합니다. 적절한 밸런스를 유지하여 시스템이 안전 기능을 신뢰하면서도 불필요한 트립이나 중단을 최소화할 수 있습니다. 이러한 균형은 안전 시스템의 효율적인 운영을 보장하는 데 중요합니다.

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ESDV와 HIPPS의 PST(Partial Stroke Test)를 알아보자.

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HIPPS에 대해 알아보자.

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