이 글의 목적은 P&ID 관점에서 계장 패널과 I/O 배치를 체계적으로 설계·검토·시공·검수하는 방법을 제시하여 현장에서 바로 활용할 수 있도록 돕는 것이다.
1. P&ID에서 패널과 I/O를 읽는 관점
P&ID는 계장 루프의 기능적 연계를 표현하며 신호의 출발점과 종착점을 확인하는 기준 문서이다. 계기 태그, 신호 종류(아날로그·디지털·펄스), 인터록, 전원 및 통신 요구사항을 기반으로 정션 박스(JB)→마샬링 캐비닛(MC)→시스템/PLC 패널(SC)로 이어지는 물리적 배치 전략을 수립해야 한다.
도면상 기호·문자식별은 일관된 규격을 따라야 혼선을 방지할 수 있다. 국내외 다수 프로젝트는 ISA 5.1의 심볼·식별 체계를 준용하여 태깅과 신호 표기를 표준화한다.
2. 전체 구조와 데이터 흐름
필드 계기→현장 정션 박스→마샬링 캐비닛→시스템/PLC 패널→운전 HMI의 순서로 신호가 이동한다. JB는 현장 케이블을 집합하고, MC는 단자대와 점퍼링을 통해 채널을 정리·분배하며, SC는 I/O 카드·전원·네트워크·안전모듈을 수용한다. 대형 플랜트는 이 구조를 설비 영역별로 반복 배치하여 케이블 길이와 시공 난이도를 줄인다. 마샬링의 도입은 시운전·유지보수 시간을 단축하고 변경 대응성을 높인다.
3. 정션 박스(JB) 설계 포인트
- 설치 위치: 필드 계기로부터 접근성이 좋고 케이블 트레이와 배수·부식·진동을 고려한 높이에 설치한다.
- IP·재질: 실내 IP54 이상, 실외 IP65 이상을 목표로 하며 환경에 따라 스테인리스나 코팅 강판을 적용한다.
- 단자대: 신호 유형별 분리(4–20 mA, 접점, RTD/TC), 접지용 PE 바 별도 구성, 스페어 20% 이상 확보한다.
- 글랜드·케이블: 차폐 케이블의 실드 처리는 한쪽 접지 원칙을 기본으로 하되 노이즈 환경에서의 양단 접지를 검토한다.
- 라벨링: JB 번호, 단자대 열·핀, 입출력 방향을 명확히 표기하고 도면과 1:1 매핑한다.
4. 마샬링 캐비닛(MC) 설계 포인트
마샬링 캐비닛은 필드에서 올라온 신호를 체계적으로 정리하여 시스템 패널의 I/O 카드로 연결하는 중간 허브이다. 채널 스와핑·카드 교체 시 배선 변경을 최소화하고, 배선 시험성과 트러블슈팅을 용이하게 한다. 충분한 단자대 수량과 로프팅 룸, 표준화된 점퍼링, 케이블 덕트 용량을 확보해야 한다.
- 레이아웃: 상부 필드 인입, 중앙 단자대, 하부 시스템 인터페이스 순으로 직관 배치한다.
- 분리: AI/DI/AO/DO 단자열을 분리하고, 24 VDC와 230 VAC는 최소 간격과 차폐판을 적용한다.
- 시험 포인트: 플러그인 테스트 소켓, 힌지형 단자, 패치 리드 채널을 사전에 설계한다.
- 스파이크 보호: 서지 보호기(SPD)를 신호 유형에 맞춰 선택한다.
5. 시스템/PLC 패널(SC) 구성 원칙
- I/O 카드 슬롯 계획: 채널 유형 묶음 배치, 이중화(Redundant) 슬롯은 물리적 분리와 전원 이중화를 함께 고려한다.
- 전원: 24 VDC 이중화 전원, 배터리 백업, 전원 버스 분리(로직/필드)와 과전류 보호를 적용한다.
- 네트워크: 컨트롤 네트워크와 플랜트 네트워크를 물리·논리 분리하고, 관리형 스위치와 링 토폴로지를 검토한다.
- EMC: 고조파·서지·RF 노이즈 저감을 위한 부품 배치와 차폐, 금속 인클로저 접속을 준수한다.
6. 본질안전(IS) 회로와 배리어/아이솔레이터
폭발위험 장소로 가는 계장 신호는 IEC 60079-11 등급에 부합하는 본질안전 방식 적용을 우선 검토한다. IS 배리어는 제한 소자를 이용해 전압·전류·에너지를 제한하며, 갈바닉 아이솔레이터는 본질적으로 회로를 절연하여 접지·노이즈 문제를 줄인다. 회로 인증 범위 내에서 최대 케이블 정전용량·인덕턴스·루프 저항을 검증해야 한다.
- 배치: IS 배리어/아이솔레이터는 일반적으로 안전구역의 마샬링 또는 시스템 패널에 설치한다.
- 접지: 지너 배리어의 리턴 접지는 저임피던스로 설계하며, 갈바닉형은 접지 의존성이 낮다.
- 표기: P&ID와 루프 다이어그램에 장치형식, 방폭 등급, 엔티티 파라미터를 명시한다.
7. 케이블 분리·차폐·EMC 레이아웃
패널 내부와 케이블 트레이에서 전력·제어·통신 케이블을 가족군별로 분리한다. 가능한 경우 트레이 자체를 분리하고, 불가피한 교차는 90도로 한다. 접촉기·릴레이 등 노이즈원은 I/O 모듈과 물리적 간격을 둔다. 차폐 처리는 제조사 가이드와 현장 노이즈 특성을 반영하여 일관되게 적용한다.
8. 접지·본딩·차폐 일관성
- 보호접지(PE), 기능접지(FE), 차폐 접속점을 구분하고, 스타 접지 또는 메쉬 접지 전략을 시스템 관점에서 통일한다.
- 패널 도어·레일·덕트·차폐 클램프의 연속성을 확인하고 도면에 접지 심벌을 표기한다.
9. 태깅·참조식별(Reference Designation)
패널·단자대·케이블·장치의 참조식별은 ISO/IEC 81346 계열 원칙을 적용하면 복잡한 설비에서도 탐색성이 향상된다. 기능(=F), 위치(+L), 제품(-P) 관점의 다중 구조를 사용해 물리/기능 계층을 표현한다.
10. I/O 할당 전략
- 루프 기반 묶음: 동일 루프의 AI·AO·DI·DO를 카드 기준으로 근접 배치하여 트러블슈팅을 단순화한다.
- 프로세스 단위 묶음: 유닛·패키지·스커트별 채널을 그룹화하여 케이블 동선과 마샬링 복잡도를 낮춘다.
- 스페어: 카드·채널 20~30% 스페어 확보와 예비 덕트 공간을 반영한다.
- 이중화: 중요 루프는 이중화 카드와 분리 경로를 사용하고, 전원·네트워크까지 이중화 수단을 일치시킨다.
11. 문서·도면 세트 구성
- I/O 리스트: 태그, 서비스, 신호유형, 전원, 인터록, 패널·단자 정보, 케이블·코어 매핑을 표로 관리한다.
- 루프 다이어그램: 계기에서 PLC 채널까지 모든 단자와 점퍼·차폐·접지 경로를 상세하게 표현한다.
- 터미네이션 도면: JB/MC/SC별 단자대 배치, 위치좌표, 케이블 인입 방향, 글랜드 사이즈를 표시한다.
- 케이블 스케줄: 규격, 길이, 트레이 경로, 방폭등급, 차폐·배선 방식 기재한다.
12. 시공·시험·검수 체크리스트
| 항목 | 체크 방법 | 합격 기준 | 빈도 |
|---|---|---|---|
| 단자 토크 | 토크 드라이버 계측 | 제조사 권장값 ±10% | 패널별 100% |
| 차폐 연속성 | 연속성 시험 | <0.1 Ω | 케이블별 100% |
| IS 엔티티 검증 | 회로 계산서 대조 | U, I, P, C, L 한계 만족 | IS 회로 100% |
| EMC 분리 | 시각 점검 | 전력/신호 최소 간격 및 분리판 | 패널별 100% |
| I/O 채널 매핑 | 루프체크 | 도면과 1:1 일치 | 루프 100% |
13. 케이블 분리 기준 예시
| 조합 | 권장 최소 간격 | 비고 |
|---|---|---|
| 230 VAC ↔ AI/RTD | ≥ 200 mm | 동일 트레이 금지, 불가시 금속 분리판 적용한다. |
| 24 VDC ↔ DI/DO | ≥ 50 mm | 접촉기 배선과 분리한다. |
| VFD 출력 ↔ 모든 신호 | ≥ 300 mm | 교차는 90도로 한다. |
14. 태그·단자 체계 예시(ISO/IEC 81346 적용)
| 객체 | 표기 예 | 설명 |
|---|---|---|
| 패널 | =F01+L-CP01 | 기능 F01, 위치 L, 제품 CP01로 복합 식별한다. |
| 마샬 단자열 | =F01+L-CP01/XT10 | 패널 내 단자대 그룹 XT10이다. |
| 채널 | =F01+L-CP01/XT10:13-14 | 단자 13–14 채널이다. |
표준화된 참조식별은 유지보수 기간 동안 부품 교체·배선 변경의 추적성을 크게 향상한다.
15. 루프 다이어그램 작성 팁
- 각 절점의 단자 번호, 점퍼, 차폐 접속, 접지, 배리어/아이솔레이터 유형을 누락 없이 기입한다.
- 테스트 포인트와 임시 쇼트 위치를 기호로 명확히 표기한다.
- 인터록·시퀀스 연계 신호는 색상 또는 선형 구분 기준을 문서 상단에 범례로 정의한다.
16. 유지보수·트러블슈팅 패턴
- 채널 확인: I/O 리스트→마샬 단자→PLC 채널 순으로 물리 경로를 확인한다.
- 전기적 시험: 루프 저항, 절연저항, 접지 임피던스를 측정한다.
- 교란원 배제: VFD, 대전류 케이블, 무접점 스위칭 주변의 배선 재배치를 검토한다.
- IS 회로: 엔티티 파라미터 초과 여부, 접지 포인트, 배리어 상태를 점검한다.
17. 품질과 확장성 설계 체크
- 스페어 용량: 단자·덕트·I/O·전원 20~30% 여유를 두어 증설 리스크를 낮춘다.
- 온도·환기: 패널 내부 발열 계산과 팬·필터 또는 열교환기를 적용한다.
- 케이블 관리: 최소 굽힘반경, 여유 길이, 타이 고정 간격을 준수한다.
- 문서 동기화: 시공변경(As-built)을 I/O 리스트·루프·터미네이션 도면에 즉시 반영한다.
18. 샘플 서식
| 필드 | 설명 | 예시 |
|---|---|---|
| I/O No. | PLC 카드/채널 번호 | AI-07/CH16 |
| 태그 | 계기 태그 | PT-101A |
| 신호 | 유형·범위 | 4–20 mA, 0–10 barg |
| 전원 | 필요 전원 | 24 VDC |
| 회로 | IS/비-IS | IS, Ex ia IIC T4 |
| JB/단자 | 정션 박스·단자 | JB-13 / 05–06 |
| MC/단자 | 마샬링 단자 | MC-01 / XT12:17–18 |
| PLC | 시스템 패널·채널 | CP01 / AI-07:CH16 |
| 비고 | 검사·특이사항 | 차폐 한쪽 접지 |
FAQ
마샬링 없이 필드→PLC 직결 배선은 언제 고려하나?
소규모 설비·소수 채널·현장과 패널 간 거리가 짧고 변경 가능성이 낮을 때 고려한다. 그러나 확장성·시험성·표준화 측면에서 마샬링의 이점이 크다.
IS 배리어와 갈바닉 아이솔레이터 선택 기준은 무엇인가?
지너 배리어는 비용이 낮으나 신뢰성 높은 접지를 요구한다. 갈바닉형은 접지 의존성이 낮고 노이즈 성능이 좋으나 가격이 높다. 회로 인증, 엔티티 파라미터, 노이즈 환경, 유지보수 체계를 종합하여 결정한다.
EMC 분리를 도면에 어떻게 반영하나?
패널 레이아웃에 전력·제어·통신 존을 구획하고, 트레이·덕트 분리, 금속 분리판, 90도 교차 규칙을 일반사항으로 명기한다. 부품 배치도와 케이블 라우팅 도면에 동일 규칙을 중복 표기한다.
태깅 규칙을 프로젝트 초기에 확정해야 하는 이유는 무엇인가?
ISO/IEC 81346 기반 참조식별을 초기에 합의하면 공정·전기·기계 간 인터페이스 도면과 자재관리 체계가 일관화되어 변경 비용과 일정 리스크가 줄어든다.