▲ 길주형 로터스프로슈밍매니지먼트 대표

[계장(計裝)]
계장(計裝)의 역사를 엄밀히 살펴보면 기계식에서 전자식으로, 아날로그(Analog)에서 디지털(Digital)로 기술이 변하면서 많은 발전을 해왔다. 이러한 변화들을 비유하자면 화려한 진공관(Vacuum tube) 시대의 개막을 깨고 훨씬 가볍고 소비전력(Power consumption)이 적은 당시 혁명에 가까운 트랜지스터(Transistor)의 발명과도 같다(빌 게이츠는 트랜지스터가 개발되어진 당시를 타임머신으로 가보고 싶은 과거로 꼽았다고 할 정도다).
이후 더 놀라운 IC(Integrated circuit)나 마이컴(Microcomputer) 등의 발명으로 인한 고집적화와 기기의 신뢰성 확보, 원가의 효율성 등 최적의 전자부품 기술의 향상이 계장의 역사에 큰 기여를 했다고 해도 과언이 아니다.

계장(計裝)은 무엇인가?
앞서 계측을 영어로 ‘Instrumentation’으로 표현했다. 계측(計測)을 ‘Measurement’로 표기하는 경우도 있는데 여기서 계측 혹은 계장의 표현은 엄연히 ‘Instrumentation’다.
우리가 흔히 알고 있는 것으로 여러 가지 기악(Instrumental music)을 배치해 놓은 것을 일반적으로 오케스트라(Orchestra) 라고 한다. 처음에 이러한 오케스트라는 보편적으로 악기를 배치한 집합체로써 사용되다가 단순히 집합만이 아닌 나름대로의 배열이 필요하게 되었으니 이것이 바로 ‘심포니 오케스트라(Symphony orchestra)’로 교향악을 연주하는 대규모의 관현악단이다.
이 화려한 관현악단은 특징이 있으니 바로 악기의 종류에 따라 현악기(String instrument), 금관악기(Brass wind instrument), 목관악기(Woodwind instrument), 타악기군(Percussion)으로 구성되어 있다는 것이다.
우리가 가장 잘 아는 현악기군은 바이올린, 비올라, 첼로, 더블베이스가 있겠다. 타악기는 큰북, 작은북, 팀파니, 실로폰 등이 있겠다. 금관악기로는 트럼펫, 트롬본, 튜바, 호른 등이 있겠다. 그리고 마지막 목관악기로는 오보에, 플루트, 클라리넷, 바순 등이 대표적으로 구성되어 있다.
이와 같이 계장(計裝)의 영어식 표기 ‘Instrumentation’은 오케스트라의 악기 배치에서 그 유래를 찾아볼 수 있으며 실제로 미국에서 1940년경부터 사용해왔다..

계기(計器)를 모두 갖추었다고 해서 계장(計裝)은 아니다.
현장에서는 요구되는 것이 있다. 제품을 생산하는 과정이든 폐기물을 처리하는 과정이든 요구되는 조건은 현장마다 다양하다.
현장에서는 제품생산의 효과와 품질향상, 작업속도, 불량률 제거 등 많은 요구를 원한다. 하지만 이러한 요구에서 오는 외부영향요인 즉, 외란(外亂)은 상당히 다양하며 여러 가지 원인에 의해 발생 된다.
계측과 제어를 수동으로 하는 현장은 많이 찾아보기 힘들다. 이는 상당 부분 외란을 검출(檢出)하기 위한 수단까지도 의미한다.
시스템이 고도화되고 정밀한 계측기기를 현장에 배치하였다 하더라도 완벽한 장치를 이루었다고 볼 수 없다. 완벽한 이론과 경험은 함께 상호 보완이 되어야 외란을 잡을 수 있는 좋은 기회이며 해결책이다.
결국 계장은 각 현장 프로세스(Process)마다 적절한 계기를 배치만 하는 것이 아니라 끊임없는 계측과 제어 그리고 설치공사 및 유지보수(Maintenance)를 함으로써 계장이라 말할 수 있는 것이고 최적의 효율을 끌어 올릴 수 있어야 하는 종합기술이다.

신호를 통일하다.(DC4~20mA, DC1~5V)
지금까지 가장 많이 사용한 계장신호를 꼽는다면 DC4~20mA와 DC1~5V를 말할 것이다. 지금은 IoT, ICT의 결합으로 디지털 통신을 많이 사용하고 있으나 향후 이 기술마저도 다른 방법으로 대체될 것이다.
우리는 계장신호로 DC4~20mA와 DC1~5V를 사용한다는 것에 의아할 만한 이유가 전혀 없을 것이다. 사실 아무것도 아닌 것 같아보여도 DC4~20mA와 DC1~5V는 국제통일신호(國際統一信號)가 되기까지 많은 수난을 거쳐야했다.

초기에 계측기기의 출력신호는 제조사마다 다양한 형태였다. 기기(器機)에서 전송되는 신호가 제각각이니 신호를 처리한다는 것은 매우 귀찮을 수밖에 없다.
이렇다보니 전송신호를 규격화 할 필요가 생겼다. 이 발상은 훗날 자동제어에 큰 공헌을 이루었다. 전송신호가 규격화되니 제어시스템장비가 간단해지고 비용이 크게 줄어들었던 것이다.
(전자식 전송신호는 1970년 국제전기기술위원회(IEC)에서 세계적으로 DC4~20mA를 통일신호로 정했다.)

왜 교류(Alternating Current)가 아닌 직류(Direct Current)인가?
한마디로 현장 노이즈(Noise)에 취약했기 때문이다. 당시의 직류증폭회로(DC Amplifying Circuit)는 드리프트(Drift) 영향을 없애기 위해 복합한 회로를 구성할 수밖에 없었다. 그 이유는 입력(Input)이 제로(Zero)인 경우에도 영점드리프트(Zero Drift)에 의해 출력(Output)이 나온다는 문제가 컸기 때문이다.
이에 교류신호는 증폭기 드리프트(Amplifier Drift)에 관계없이 회로가 간단하며 입력이 제로이면 출력도 제로인 장점으로 직류보다 안정적이었다. 하지만 현장에서의 환경조건은 그다지 좋지 않았던 것이 고압전류(High tension current)나 각종 유도전류(Induced Current) 등의 존재가 문제였다.
직류의 경우 필터회로(Filter Circuit)에 의해 제거가 가능하지만 교류신호는 노이즈 발생은 물론 신호 자체가 감쇠하는 현상까지 나타난 것이다. 결국 노이즈의 원인은 대부분 교류신호에서 발생되었던 것이다. 몰론 이러한 노이즈에 취약하다고 모든 계기를 직류신호로 사용하지는 않았지만 시스템의 불안정성을 감안해 볼 때 대부분 직류신호를 사용했다.

DC4~20mA와 DC1~5V의 신호변환
우리가 가장 많이 사용하는 방법으로 DC4~20mA를 DC1~5V로 변환하려면 일반적으로 250Ω의 저항(Resistor)을 사용하며 1/4W급 이상을 사용하면 된다. (일례 :　20mA X 5V = 0.1W , 공차(Tolerance)는 변환정도에 따라 요구되는 것이 다르며 일반적으로 ±0.1%를 사용하면 된다.)

 

 신호변환과 옴의 법칙(Ohm’s law)
DC4~20mA는 보통 계기에서 측정된 신호를 전송하거나 다른 현장 계기와의 제어 신호로 많이 사용된다. 이에 DC1~5V는 각 계기반(計器盤)내 계기간 신호분배(信號分配)용 등에 주로 사용하는 편이다.
독일의 과학자 옴(Georg S. Ohm)은 너무나도 유명한 다음의 공식을 만들어 내었으니 바로 누구나 알고 있는 옴의 법칙(Ohm’s law) 즉, 전류의 세기는 전압에 비례하고 저항에는 반비례한다는 이론이다. 그 중 다음의 공식을 살펴보자. 

  

V = I X R

   

여기서

V : 전압(電壓 : V)

I : 전류(電流 : A)

R : 저항(抵抗 : Ω)

 

상기의 식을 이용하여 DC4~20mA를 DC1~5V로 변환하여 보자. (단, 이때 사용하는 저항은 250Ω 이다.)

 

공식 : V = I X R

전류 : 4mA = 0.004(A)

20mA = 0.020(A)

저항 : 250(Ω)

풀이 : 0.004(A) X 250(Ω) = 1(V)

0.020(A) X 250(Ω) = 5(V)

 

계장(計装) 음악에 오케스트라가 있다면 현장의 오케스트라는 계장이 존재한다. 계장은 복합다학문으로 철저하게 기술자의 영역이며 정교함을 요구한다. 계장은 현장을 계측하고 제어하는데 필요한 설계, 공사, 설치, 유지보수 등 모든 기술과 경영을 통합한다. 결국 계장으로 제어시스템을 만드는 것. 즉, 계장제어시스템은 각 생산라인 공정의 자동제어계측시스템을 구축하여 이를 컴퓨터로 연산하고 제어함으로써 관리 비용과 생산비용을 절감하고 효율적인 품질관리를 하여 고객에게 맞는 최상의 서비스를 제공함에 있다.

 

 

 

 

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