Reasons for Documentation
Types of Documentation
Process Flow Diagram (PFD)
Piping and Instrument Diagrams (P&IDs)
Loop Numbering
Instrument Lists
Specification Forms
Logic Diagrams
Location Plans (Instrument Location Drawings)
Installation Details
Loop Diagrams
Standards and Regulations
Mandatory Standards
Consensus Standards
Operating Instructions
6.1 Reason for Control System Documentation(문서화의 필요성)
Control System Documentation 제어 시스템 문서화
현대 제어 시스템(control systems)을 정의하는 데 사용되는 문서화(documentation)는 지난 50년간 발전해왔습니다. 그 목적은 원하는 제품을 생산하는 가동 플랜트(operating plant)가 될 수 있도록, 숙련된 작업자에게 충분한 정보를 효율적이고 명확하게 전달하는 것입니다. 본 장에서 설명하는 문서들은 연속 공정 플랜트(continuous process plant)의 설계(design)에 사용되는 일반적인 문서 세트를 구성합니다. 일부 문서들은 다른 공정 유형(process types)에도 사용됩니다. 이러한 일반적인 문서 세트가 반드시 표준 세트는 아닙니다. 일부 설계(design)에서는 설명된 문서가 모두 포함되지 않을 수 있으며, 일부 설계에서는 설명되지 않은 문서가 포함되기도 합니다.
ISA는 계측, 시스템 및 자동화 협회(The Instrumentation, Systems, and Automation Society)의 약어입니다. 이러한 이유로, 본 섹션에서는 제어 시스템 문서화를 개발하는 엔지니어와 설계자를 설명하기 위해 마이어의 책에서 사용된 ‘계측 및 제어(instrument and control)’ (I&C) 대신 ‘자동화 및 제어(automation and control)’ (A&C)라는 용어를 사용합니다.
6.2 문서화의 유형
다음 항목들에 대한 설명과 일반적인 개략도(sketches)가 포함되어 있습니다.
- 공정 흐름도 (Process Flow Diagrams) (PFD)
- 배관 및 계장도 (Piping and Instrument Diagrams) (P&ID)
- 루프 번호 지정 (Loop Numbering)
- 계기 목록 (Instrument Lists)
- 사양서 양식 (Specification Forms)
- 로직 다이어그램 (Logic Diagrams)
- 배치도 (Location Plans) (계기 배치 도면) (Instrument Location Drawings)
- 설치 상세도 (Installation Details)
- 루프 다이어그램 (Loop Diagrams)
- 표준 및 규정 (Standards and Regulations)
- 운전 지침서 (Operating Instructions)
그림 6-1, 즉 타임라인은 문서 개발에 대한 가능한 순서를 보여줍니다. 한 문서의 정보는 다음 문서를 개발하는 데 사용됩니다.
시간 간격은 다양합니다. 그 간격은 며칠, 몇 주 또는 몇 달이 될 수 있지만, 순서는 동일하게 유지됩니다. 나열된 문서들이 모두 일반적인 자동화 및 제어 그룹(A&C)에 의해서만 개발되거나 사용되는 것은 아닙니다. 하지만, A&C 그룹은 플랜트 설계(plant design) 시 해당 문서에 포함된 정보에 기여하고 또 사용합니다.
6.3 공정 흐름도 (Process Flow Diagram) (PFD)
공정 흐름도(Process Flow Diagram)는 공정을 도식적으로 정의합니다. PFD는 연속 공정 화학 플랜트(continuous process chemical plants)에 가장 유용합니다. PFD에는 플랜트가 생산할 수 있는 각 제품의 종류와 양, 필요한 원자재의 설명과 수량, 생산되는 부산물, 주요 공정 조건(압력, 온도, 유량), 필요한 장비, 그리고 주요 공정 배관이 표시됩니다.
그림 6-2는 습식 가스 흐름(wet gas stream)에서 액체를 분리하는 녹아웃 드럼(knockout drum)의 간단한 PFD를 보여줍니다. 공정 엔지니어(Process engineers)가 주로 PFD를 작성합니다. 일부 PFD에는 기본적인, 중요하거나 고비용의 A&C 구성 요소가 포함됩니다. PFD에 대한 ISA 표준은 없지만, ISA-5.1-1984(R1992) 계기 기호 및 식별(Instrument Symbols and Identification)과 ISA-5.3-1983 분산 제어/공유 디스플레이 계측, 로직 및 컴퓨터 시스템용 그래픽 기호(Graphic Symbols for Distributed Control/Shared Display Instrumentation, Logic, and Computer Systems)에는 A&C 구성 요소를 나타내는 데 사용할 수 있는 기호가 포함되어 있습니다.
회분식 공정 플랜트(Batch process plants)는 원자재와 공정 매개변수(process parameters)가 변경됨에 따라 장비를 다양한 방식으로 구성할 수 있습니다. 동일한 플랜트에서 여러 가지 다양한 제품이 종종 생산됩니다. 각 제품에 대해 제어 레시피(control recipe), 즉 포뮬라(formula)가 개발됩니다. 각 레시피(recipe)에 대해 PFD가 개발될 수 있습니다.
6.4 배관 및 계장도 (Piping and Instrument Diagrams) (P&ID)
P&ID라는 약어는 공정 산업(process industries) 내에서 공정, 장비, 배관, 그리고 모든 A&C 구성 요소를 정의하는 데 사용되는 주요 문서(principal document)를 의미하는 것으로 널리 통용되고 있습니다. P&ID에 대한 ISA의 자동화, 시스템 및 계측 사전(Automation, Systems, and Instrumentation Dictionary) 정의는 P&ID의 역할을 알려줍니다. P&ID는 “공정 장비와 공정 제어에 사용되는 계측 장비의 상호 연결(interconnection)을 보여줍니다.”
P&ID는 프로젝트가 진행됨에 따라 다양한 설계 분야(design disciplines)의 구성원들에 의해 단계별로 개발됩니다. 한 분야에서 P&ID에 기입한 정보는 다른 분야에서 설계를 위한 기초 자료로 사용됩니다.
그림 6-3에 표시된 P&ID는 그림 6-2의 PFD를 기반으로 개발되었습니다. 이 P&ID는 ISA-5.1 및 5.3의 기호를 사용하여 제어 시스템 정의를 포함하고 있습니다. 공유 디스플레이/분산 제어 시스템(shared display/distributed control system) (DCS)의 일부인 두 개의 전자식 루프(electronic loops)가 있는데, 하나는 제어 및 기록 기능(control and recording capability)이 있는 유량 루프(flow loop)인 FRC-100이고, 다른 하나는 제어 및 지시 기능(control and indicating capability)이 있는 액위 루프(level loop)인 LIC-100입니다. 또한 제어 및 지시 기능이 있는 현장 설치(field-mounted) 공압식 루프(pneumatic loop)인 PIC-100이 있습니다. 핸들 작동 스위치 및 램프인 HS 및 ZL-400, HS 및 HL-401, HS 및 HL-402를 포함하여 현장(field) 패널에 설치된 여러 스위치와 램프가 있습니다. 이 외에도 다른 제어 시스템 구성 요소들이 표시되어 있습니다. 이제 P&ID는 더 많은 배관 및 기계 장비의 상세 내용을 포함합니다.
6.4.1 루프 번호 지정 (Loop Numbering)
문자 식별 부호(Letter designations)와 태그 번호(tag numbers)는 모든 A&C 구성 요소를 식별합니다. 루프 내의 모든 장치는 동일한 태그 번호를 가지지만, 문자 식별 부호는 다릅니다.
그림 6-4는 현장 설치(field mounted) 전자식 전송기(electronic transmitter)인 LT-100, 현장 설치 전자식 지시기(electronic indicator)인 LI-100, DCS의 일부인 액위 조절기(level controller)인 LIC-100, 전류-공압 변환기(current-to-pneumatic) (I/P) converter인 LY-100, 그리고 공압식 버터플라이 제어 밸브(pneumatic butterfly control valve)인 LV-100으로 구성됩니다. ISA-5.1은 루프 번호가 각 공정 변수에 대해 새로운 번호 순서를 요구하는 병렬(parallel) 방식이거나, 모든 공정 변수에 대해 단일 번호 순서를 사용하는 직렬(serial) 방식일 수 있다고 명시합니다. 그림 6-3의 P&ID는 병렬 번호 지정 시스템을 사용합니다. 유량 루프 FRC-100, 액위 루프 LIC-100, 그리고 온도 루프 TI-100이 있습니다. 액위계(level gauges), 압력계(pressure gauges), 온도계(thermometers)는 모두 1로 시작하는 번호가 부여됩니다. LG-1, PI-1, TI-1과 같습니다.
그림 6-5는 태그 마크(tag marks)가 루프 위치 또는 서비스(loop location or service)를 식별하는 방법도 보여줍니다. 계기를 P&ID, 장비 또는 위치와 연결하는 다른 번호 지정 시스템도 사용됩니다.
6.5 계기 목록 (Instrument Lists)
계기 목록(Instrument List) (또는 계기 색인(instrument index))은 모든 태그 마크(tag-marked) 구성 요소에 대한 영숫자 목록(alphanumeric listing)입니다. 각 태그 마크는 해당 장치에 대한 관련 도면 및 문서(relevant drawings and documents)를 참조하게 됩니다.
그림 6-6은 D-001—K.O. 드럼에 있는 액위 장치들을 포함하는 부분 목록입니다. 여기에는 액위계(level gauge)인 LG-1, 액위 전송기(level transmitter)인 LT-100, 그리고 액위 지시기(level indicator)인 LI-100 (모두 그림 6-3 P&ID에 있는 것들)이 포함됩니다. 또한, 목록에는 포함되지 않은 다른 P&ID에 있는 다른 계기들도 표시됩니다. 그림 6-6에는 P&ID, 사양서 양식(Spec Form), 요청 번호(Req. #), 배치도(Location Plan), 설치 상세도(Installation Detail), 그리고 배관 도면(Piping Drawing)에 대한 여섯 개의 열이 있습니다.
계기 목록은 A&C 그룹에 의해 개발됩니다. 계기 목록을 정의하는 ISA 표준은 없습니다. 컴퓨터 지원 설계 기술(computer-aided design techniques)의 출현으로, 계기 목록은 프로젝트 설계, 건설 및 운전 중 다양한 용도를 위한 수많은 열을 포함할 수 있습니다.
6.6 사양서 양식 (Specification Forms)
A&C 그룹은 공급업체가 올바른 장치에 대해 견적을 내고 공급할 수 있도록 태그가 지정된 장치들을 정의합니다. 각 장치에 대해 사양서 양식(Specification Form) (또는 데이터 시트(data sheet))이 작성됩니다.
LT-100은 그림 6-3에서 전자식 변위형 액위계(level transmitter)로 정의됩니다.
그림 6-7은 ISA-20-1981 표준에 따른 LT-100의 완성된 사양서입니다. 다양한 형태의 사양서가 있는데, 대부분의 엔지니어링 계약업체(engineering contractors), 일부 제어 부품 공급업체(control component suppliers), 그리고 ISA에서도 새로운 형태의 기술 보고서인 ISA-TR20.00.01-2001에서 사양서를 제공합니다.
모든 사양서의 목적은 A&C(계측 및 제어) 그룹이 제어 부품에 대한 견적을 받고 공급업체로부터 납품받을 수 있도록, 해당 부품을 완벽하고 정확하게 정의하는 데 필요한 정보를 체계적으로 정리하는 데 있습니다. 사양서 작성은 A&C 그룹이 담당하며, 이는 이 그룹의 주요 업무 중 하나입니다.
6.7 로직 다이어그램(Logic Diagrams)
연속 공정 제어는 P&ID에 명확히 표시되지만, 온/오프(on/off) 제어를 위해서는 다른 형태의 도면이 필요합니다. 로직 다이어그램은 이러한 도면 중 하나이며, ISA-5.2-1976(R1992) 표준에 따라 ISA의 기호들이 정의되어 있습니다.
ISA 기호인 AND, OR, NOT, MEMORY(FLIP-FLOP)는 그림 6-8과 6-9에 그 의미와 함께 나타나 있습니다. 온/오프 제어를 문서화하기 위해 텍스트 설명, 래더 다이어그램(ladder diagrams) 또는 전기 결선도(electrical elementaries)와 같은 다른 기호 세트나 방법이 사용될 수도 있습니다.
일부 설계자들은 전체 시스템을 문서화하기 위해 기능 사양서(Functional Specification) 또는 운전 설명서(Operation Description)를 작성하기도 합니다. 이러한 문서에는 보통 공정의 온/오프 제어에 대한 설명이 포함됩니다.
모터 시동 회로(motor start circuit)는 그림 6-10에서 ISA 로직 형식과 전기 결선도로 함께 보여집니다.
6.8 배치도(Location Plans)
배치도 또는 계기 배치도(Instrument Location Drawing)를 정의하는 ISA 표준은 없습니다. 배치도는 플랜트의 평면도에 제어 부품의 위치와 높이(elevation)를 나타냅니다.
그림 6-11은 배치도의 한 가지 예시를 보여줍니다. 이 도면은 그림 6-3의 P&ID에 포함된 태그가 부착된 장치들의 대략적인 위치와 높이, 장치에 필요한 공기 공급 라인(air supplies), 그리고 공압 루프(pneumatic loop)를 완성하는 데 필요한 상호 연결 링(interconnection tubing)을 보여줍니다. 다른 방식의 배치도에는 전선관(conduit) 및 케이블 정보, 피팅(fitting) 및 정션 박스(junction box) 정보가 포함될 수 있습니다. 배치도는 A&C 그룹 또는 전기 그룹에서 작성합니다. 이 도면들은 건설 중이거나 플랜트 건설 후 유지보수(maintenance)를 위해 다양한 장치들의 위치를 파악하는 데 사용됩니다.
6.9 설치 상세도(Installation Details)
설치 상세도(Installation Details)는 태그(tag)가 부착된 장치들을 올바르게 설치하기 위한 요구사항을 명시합니다. 이 도면에는 공정 연결(process connections), 공압 튜브(pneumatic tubing) 또는 전선관 연결(conduit connections), 단열(insulation) 및 방한(winterizing) 요구사항, 그리고 지지 방식(support methods)이 포함됩니다. 설치 상세도를 정의하는 ISA 표준은 없지만, 엔지니어링 계약업체, A&C 장치 공급업체, 일부 플랜트 소유주, 설치 계약업체, 그리고 일부 개별 설계자들은 각자의 설치 상세도 라이브러리를 개발하고 관리하고 있습니다. 이들의 목표는 모두 성공적인 설치라는 점에서 동일하지만, 이를 달성하는 세부 방식은 다를 수 있습니다.
그림 6-12는 한 가지 접근 방식을 보여줍니다. 이 도면에는 설치 자재의 조달을 돕고 설치 인력을 지원하기 위한 자재 목록(material list)이 포함되어 있습니다.
설치 상세도는 설계 단계에서 A&C 그룹이 작성할 수 있지만, 때로는 건설 중인 설치업체나 해당 프로젝트의 장비 공급업체에 의해 작성되기도 합니다.
6.10 루프 다이어그램(Loop Diagrams)
ISA(국제자동화학회)의 자동화, 시스템 및 계측 용어 사전은 루프 다이어그램(Loop Diagram)을 “완전한 유압, 전기, 자기 또는 공압 회로의 도식적 표현”으로 정의합니다. 이 회로를 루프(loop)라고 부릅니다.
일반적인 루프는 그림 6-4에서 보실 수 있습니다. ISA-5.4-1991 표준은 공압, 전자, 분산 제어 시스템(DCS)에 대해 각각 두 가지씩, 총 6가지의 전형적인 루프 다이어그램을 제시합니다. 각 유형은 필수 항목만 보여주는 다이어그램과 추가적인 선택 항목을 보여주는 다이어그램으로 구성됩니다.
그림 6-13은 전자식 유량 루프(electronic flow loop)인 FIC-301의 루프 다이어그램입니다. 루프 다이어그램은 설계 패키지에 항상 포함되는 것은 아닙니다. 일부 플랜트 소유주들은 상당한 비용에 비해 그 가치가 높지 않다고 판단하기도 합니다. 루프 다이어그램은 때때로 주요 프로젝트의 A&C(계측 및 제어) 공급업체, 설치 계약업체, 또는 플랜트 소유주의 운영, 유지보수, 엔지니어링 인력에 의해 제작되기도 합니다. 때로는 플랜트 가동 후에 “필요에 따라” 제작되기도 합니다.
6.11 표준 및 규정
6.11.1 강제 표준(Mandatory Standards)
연방, 주, 지방 법률은 코드(codes), 법률, 규정 등과 같은 강제 요구사항을 설정합니다. 미국 식품의약국(Food and Drug Administration)은 의약품 제조 및 품질관리 기준(Good Manufacturing Practices)을 발행하고, 미국방화협회(NFPA)는 국가 전기 코드(National Electric Code, NEC)인 NFPA 70 표준을 발행합니다. 미국 정부는 약 50,000개의 강제 표준을 관리하고 있습니다. 산업안전보건청(OSHA)은 매우 유해한 화학물질의 공정 안전 관리(PSM)에 관한 정부 문서인 29 CFR 1910.119를 포함한 많은 규정을 발행합니다. PSM에는 특정 유해 물질을 다룰 때 필요한 문서들을 나열하는 세 개의 항목이 있으며, 이 중 일부 문서는 플랜트의 A&C(계측 및 제어) 그룹의 자료를 필요로 합니다.
6.11.2 합의 표준(Consensus Standards)
합의 표준은 전문가 협회 및 산업 단체에서 개발한 권장 관행, 표준, 기타 문서들을 포함합니다. A&C 인력이 가장 자주 사용하는 표준은 ISA(국제자동화학회)에서 개발한 것들입니다.
관련 ISA 표준은 다음과 같습니다.
- ISA-5.1-1984-(R1992): A&C 장치에 대한 기호를 정의하는 계측 기호 및 식별(Instrumentation Symbols and Identification) 표준입니다.
- ISA-5.2-1976-(R1992): 로직 다이어그램(Logic Diagrams)에 사용되는 추가 기호들을 제공하는 공정 운전용 2진 로직 다이어그램(Binary Logic Diagrams for Process Operations) 표준입니다.
- ISA-5.3-1983: 분산 제어/공유 디스플레이 계측, 로직 및 컴퓨터 시스템용 그래픽 기호(Graphic Symbols for Distributed Control/Shared Display Instrumentation, Logic and Computer Systems)에 유용한 기호들을 포함하고 있습니다. 현재 ISA-5.3의 핵심 요소는 ISA-5.1에 포함되었으며, 향후 폐지될 예정입니다.
- ISA-5.4-1991: 루프 다이어그램(Loop Diagrams)에 대한 추가 기호와 여섯 가지 전형적인 루프 다이어그램을 포함합니다.
- ISA-5.5-1995: 공정 디스플레이에 사용되는 기호 세트를 설정하는 공정 디스플레이용 그래픽 기호(Graphic Symbols for Process Displays) 표준입니다.
- ISA-20-1981: 공정 측정 및 제어 계기, 1차 요소 및 제어 밸브용 사양서(Specification Forms for Process Measurement and Control Instruments, Primary Elements and Control Valves) 표준입니다. ISA TR20.00.01-2001은 ISA-20을 업데이트한 **공정 제어 및 계기용 사양서, 1부: 일반 고려사항(Specification Forms for Process Control and Instrument, Part 1: General Considerations)**입니다.
- ANSI/ISA-84.00.01-2004: 안전 시스템에 대한 요구사항을 정의하는 기능 안전: 공정 산업 부문용 안전 계장 시스템(Functional Safety: Safety Instrumented Systems for the Process Industry Sector) 표준입니다.
- ANSI/ISA-88.01-1995: 모델과 용어 간의 관계를 보여주는 배치 제어 1부: 모델 및 용어(Batch Control Part I Models and Terminology) 표준입니다.
ISA 외에도, API(American Petroleum Institute), ASME(American Society of Mechanical Engineers), NEMA(National Electrical Manufacturers Association), PIP(Process Industry Practice), TAPPI(Technical Association of the Pulp and Paper Industry)와 같은 단체들이 전문가들을 위한 지침 문서를 개발하고 있습니다.
6.12 운전 지침서(Operating Instructions)
운전 지침서는 복잡한 플랜트를 운전하는 데 필수적입니다. 이는 플랜트의 한 부분을 설명하는 몇 페이지 분량에서부터 시설 전체의 운전에 관한 완전한 책 세트에 이르기까지 다양합니다. 운전 지침서는 기능 사양서(functional specification) 또는 운전 설명서(operating description)에 포함될 수도 있습니다. 운전 지침서 개발을 위한 ISA 표준은 없지만, 프로젝트, 공정, 전기 및 A&C(계측 및 제어) 담당자로 구성된 팀이 플랜트 설계 단계에서 준비할 수 있습니다. 일부 소유주들은 플랜트 운전 인력이 이러한 문서를 직접 준비하는 것을 선호하기도 합니다. 운전 지침서는 플랜트 운영자 및 기타 인력이 플랜트의 정상 및 비정상 운전, 시동(start-up), 정지(shutdown) 및 비상 운전(emergency operation) 중에 지침을 따를 수 있도록 안내합니다.
OSHA(미국 산업안전보건청)는 유해 화학물질을 취급하는 모든 시설에 대해 운전 절차(operating procedures)를 요구합니다. 이들의 요구사항은 정부 문서인 29 CFR 1910.119의 공정 안전 정보(Process Safety Information), 운전 절차(Operating Procedures), 그리고 변경 관리(Management of Change)에 정의되어 있습니다. 또한, 많은 종류의 식품 가공 및 의약품 제조에 대해서는 FDA(미국 식품의약국)가 의약품 제조 및 품질관리 기준(Good Manufacturing Practices)을 발행합니다.