계장 시스템의 이중화(Redundancy) 개념과 실무 적용 사례

계장 시스템의 이중화(Redundancy) 개념과 실무 적용 사례

 

 

 

 

 

■ 이중화(Redundancy) 개념 및 필요성

 

1. 이중화란?
이중화는 시스템의 일부가 장애를 일으키더라도 다른 요소가 이를 대신 수행하여 시스템의 정상 운영을 유지할 수 있도록 하는 설계 방식입니다.

2. 이중화가 필요한 이유

  - 운영 지속성 확보: 단일 시스템 고장 시에도 백업 시스템이 자동으로 동작하여 생산 중단을 방지
  - 안전성 향상: 프로세스의 안전성을 유지하고 사고 발생 가능성을 최소화
  - 장애 대응력 증가: 시스템 장애 시 신속하게 전환(Hot Standby, Cold Standby) 가능
  - 신뢰성 강화: 중요 계장 시스템(변압기 보호 계전기, 유압 제어, 압력 센서 등)에서 고장 시 빠른 복구 가능

 

 

 

 

 

■ 계장시스템 이중화 예시

 

1. 전원 이중화 (Power Redundancy)

 

1) 이중화 방식
  - UPS(Uninterruptible Power Supply) 이중화: 한 개의 UPS가 고장 나도 다른 UPS가 전원 공급
  - 듀얼 전원 공급(AC/DC 이중화): 한 개의 전원 장치 고장 시 자동으로 예비 전원 공급

 

2) 적용 사례
  - DCS 및 PLC 전원 공급 이중화
  - 고압 모터 및 컨트롤 패널 전원 이중화

 

 

 

2. 계측 장비 이중화 (Instrumentation Redundancy)

 

1) 1oo2(One out of Two), 2oo3(Two out of Three) 방식 적용
  - 1oo2(One out of Two): 두 개의 계측 장비 중 하나라도 동작하면 시스템이 정상 작동
  - 2oo3(Two out of Three): 세 개의 계측 장비 중 두 개가 같은 값을 가질 경우 이를 신뢰

 

2) 적용 사례
  - 압력(PT), 온도(TT), 유량(FT) 센서 이중화
  - 변압기 권선 온도 센서 이중화
  - 증기 터빈 속도 센서 이중화

 

 

 

3. 통신 이중화 (Communication Redundancy)

 

1) 이중화 방식
  - 이중 네트워크 구조: Ethernet Ring, Dual Fiber-Optic Network
  - 필드버스(Fielbus) 이중화: PROFIBUS, Modbus, Foundation Fieldbus 이중 네트워크 적용
  - Wireless Redundancy: Wi-Fi 또는 5G 기반의 무선 이중화 구성

2) 적용 사례
  - DCS와 필드 장비 간 이중 통신망 구축
  - PLC 간 통신 네트워크 이중화
  - 방폭 지역에서 무선 통신을 통한 이중 데이터 백업

 

 

 

4. 제어 시스템 이중화 (Control System Redundancy)

 

1) DCS 및 PLC 이중화
  - CPU 이중화(Dual CPU) → 한 개의 CPU가 고장 시 백업 CPU가 즉시 제어 수행
  - IO Module 이중화 → PLC 입출력 카드(IO Module) 두 개를 병렬로 구성하여 하나가 고장 나도 다른 카드가 작동

 

2) 적용 사례
  - 발전소 및 석유화학 플랜트의 DCS 이중화 구성
  - PLC 기반 안전 계장 시스템(SIS) 이중화
  - 터빈 제어 시스템(TCS)의 컨트롤러 이중화

 

5. 안전 계장 시스템(SIS) 이중화 (Safety Instrumented System Redundancy)

 

1) 이중화 방식
  - SIS의 SIL(Safety Integrity Level) 요구에 따라 1oo2, 2oo3 로직 적용
  - 비상 정지 시스템(ESD, Emergency Shutdown System)에서 PLC 및 계측 장비 이중화
  - 화재 및 가스 감지기(FGS, Fire & Gas System) 이중화

 

2) 적용 사례
  - 석유화학 플랜트에서 ESD 시스템 이중화
  - 고압 가스 배관에서 압력 센서 이중화(2oo3 적용)
  - 방폭 지역에서 SIL3 등급의 안전 계장 시스템 적용