- 공유 링크 만들기
- X
- 이메일
- 기타 앱
이 글의 목적은 P&ID에서 계장 루프와 제어 신호의 구조를 체계적으로 이해하고, 폐루프와 개루프의 차이, 신호 종류와 선종 표기, 안전 계장 고려사항을 현장에서 바로 활용할 수 있도록 정리하는 것이다.
1. P&ID에서 계장 루프란 무엇인가
계장 루프는 하나의 공정 변수에 대해 센싱부터 제어 동작까지 이어지는 기능적 단위를 의미하며, 일반적으로 센서·변환기·전송기·연산 요소·최종 제어 요소로 구성되며 고유한 루프 번호로 관리한다.
P&ID에서 루프는 동일한 루프 번호를 공유하는 태그들의 집합으로 표현되며, 예를 들어 온도 루프의 경우 TI-101(온도 지시계), TT-101(온도 전송기), TIC-101(온도 지시·제어기), TV-101(온도 제어 밸브)처럼 표기한다.
2. 폐루프와 개루프의 정의
폐루프 제어는 측정값을 기준값과 비교하여 오차를 계산하고 이를 감소시키도록 제어량을 자동으로 조정하는 방식이다.
개루프 제어는 피드백 없이 미리 정한 입력 또는 로직에 따라 제어량을 구동하는 방식이다.
3. 폐루프와 개루프의 차이와 적용 기준
| 구분 | 핵심 메커니즘 | 장점 | 단점 | 대표 적용 |
|---|---|---|---|---|
| 폐루프 | 측정값 피드백으로 오차 수정 | 정확도와 안정성 우수, 외란 보정 가능 | 구성 복잡, 튜닝 필요 | 유량·압력·온도·레벨 자동제어 |
| 개루프 | 사전 정의 신호로 일방향 구동 | 단순, 비용 낮음 | 외란·부하 변화에 취약 | 시퀀스 구동, 배출 밸브 간헐 개폐 |
4. P&ID에서 루프 식별과 태그 구조
태그는 기능문자·루프번호·접미문자로 구성되는 경우가 많으며, 기능문자는 계기 기능을 나타내고 루프번호는 고유 식별 번호이며 접미문자는 장치 유형이나 위치를 보조 설명한다.
| 예시 태그 | 기능문자 | 의미 | 루프번호 | 접미문자 | 설명 |
|---|---|---|---|---|---|
| PT-205 | P, T | 압력 전송기 | 205 | - | 압력값을 신호로 전송한다 |
| PIC-205 | P, I, C | 압력 지시·제어기 | 205 | - | 압력 표시 및 제어 연산을 수행한다 |
| PV-205A | P, V | 압력 제어 밸브 | 205 | A | 루프 205의 최종 제어 요소 A를 의미한다 |
5. 신호 종류와 특성 요약
계장 신호는 전기, 공압, 유압, 디지털 통신 등 매체에 따라 구분하며, 정확도·응답성·방폭성·배선거리·유지보수성의 균형으로 선택한다.
| 신호 종류 | 표준 범위 | 장점 | 주의점 | P&ID 선종 표기 예 |
|---|---|---|---|---|
| 전류 루프 | 4–20 mA | 노이즈 강함, 장거리 유리, 루프 전원 겸용 가능 | 루프 저항·전원 용량 검토 필요 | 전기 신호선 |
| 전압 신호 | 0–10 V | 간단하고 저가 | 노이즈 민감, 거리 제한 | 전기 신호선 |
| 공압 신호 | 3–15 psi(약 20–100 kPa) | 방폭 유리, 고온 환경 적합 | 공기 품질·라인 누설 관리 필요 | 공압 점선 또는 특정 패턴 |
| 펄스/주파수 | 범위 정의형 | 유량계 등 고해상도 계측 | 케이블 차폐·접지 설계 필요 | 전기 신호선 |
| 디지털 통신 | HART, Fieldbus, Profibus PA, Modbus 등 | 양방향 진단, 다변수 전송 | 프로토콜·세그먼트 설계 필요 | 데이터 링크 선종 |
| 이산 신호 | Dry Contact, 24 VDC 등 | 단순한 ON/OFF 로직 | 전원·접점 용량 고려 | 전기 신호선 |
6. P&ID 선종(Line Type) 읽기 요령
선종은 신호 매체와 용도를 구분하기 위해 서로 다른 실선·점선·쇄선·복선 패턴으로 표기하며 범례에 해설을 제공한다.
| 선종 | 의미 | 활용 |
|---|---|---|
| 단일 실선 | 전기 신호 또는 케이블 | 4–20 mA, 이산 신호 |
| 점선 | 공압 신호 | 포지셔너, 공압 조절기 |
| 쇄선 | 기계적 링크·캡릴러·튜브 | 차압 전송기 임펄스 라인 |
| 이중선 또는 특수 패턴 | 디지털 통신 버스 | Fieldbus 세그먼트 |
7. 루프 기능문자 해석과 기호 조합
첫 글자는 물리량을, 후속 문자는 기능을 나타내며 조합으로 계기의 역할을 읽을 수 있다.
| 기본 문자 | 의미 | 예시 |
|---|---|---|
| P | Pressure | PT, PIC, PSV |
| T | Temperature | TT, TIC, TV |
| F | Flow | FT, FIC, FV |
| L | Level | LT, LIC, LV |
| I | Indication | PI, TI |
| C | Control | FIC, PIC, TIC |
| V | Valve | PV, TV, LV |
| A | Alarm | LAH, LAL, PAH |
8. 폐루프 제어 전략 심화: 피드백·피드포워드·캐스케이드
피드백은 실제값과 기준값의 오차를 줄이는 기본 전략이다.
피드포워드는 외란을 선측정하여 보정 신호를 선제적으로 투입하는 보조 전략이다.
캐스케이드는 주 루프가 보조 루프의 기준값을 설정하여 빠른 내부 동특성을 보정한다.
이 외에도 비율 제어, 분할 범위, 선택기 기반 오버라이드 제어가 P&ID에 루프 간 신호 연결로 표현된다.
9. 개루프 시퀀스 설계 포인트
개루프는 셧다운 순서, 퍼지, 배출, CIP 같은 시간·조건 기반 작업에 적합하며, P&ID에는 인터록 표나 시퀀스 노트로 목적과 조건이 병기되는 경우가 있다.
10. 밸브 액추에이터와 실패 시 동작(Fail Action)
최종 제어 요소의 고장 시 안전방향을 정의하는 것이 핵심이며, P&ID에는 밸브 심볼 옆에 FO(Fail Open), FC(Fail Close), FL(Fail Last) 같은 표기가 붙는다.
| 코드 | 의미 | 대표 적용 | 주의사항 |
|---|---|---|---|
| FO | 공급 상실 시 개방 유지 | 압력 방호, 펌프 보호 바이패스 | 에너지 손실·과유량 위험 검토 |
| FC | 공급 상실 시 폐쇄 유지 | 유해물질 차단, 화재 구획 | 과압·수격 현상 예방 설계 |
| FL | 마지막 위치 유지 | 장치 보호 또는 공정 지속성 필요 | 동결 위험, 드리프트 감시 |
11. 신호 방향성과 화살표 해석
화살표는 신호 흐름을 나타내며, 컨트롤러 출력에서 최종 제어 요소로 향하는 화살표가 있으면 폐루프 제어가 완성된다.
피드포워드나 캐스케이드가 있는 경우 보조 루프 또는 외란 측정 신호가 추가 화살표로 연결된다.
12. 루프 예시로 읽는 폐루프 해석
예시 1: 압력 제어 루프 PIC-205의 경우 PT-205가 공정 압력을 계측하여 4–20 mA로 전송하고, PIC-205는 기준값과 비교하여 오차를 연산하고, PV-205A의 포지셔너에 제어 신호를 보내어 밸브를 개폐한다.
선종은 전기 실선으로, 차압 트랜스미터의 임펄스 라인은 쇄선으로 표시되어 유체 연결임을 구분한다.
13. 루프 예시로 읽는 개루프 해석
예시 2: 배출 시퀀스 루프 XV-310은 PLC의 타이머와 조건에 의해 밸브를 일정 시간 개방하며, 피드백 없이 동작을 종료한다.
이 경우 P&ID에는 개회로 신호 경로와 인터록 조건(탱크 레벨 High-High 시 차단 등)이 주석이나 인터록 표로 명시된다.
14. 디지털 통신 루프의 P&ID 표현
HART는 4–20 mA 위에 진단 통신을 중첩하여 표현되며, Fieldbus나 Profibus PA는 버스형 통신 선종으로 그룹화되어 표시된다.
디지털 루프는 세그먼트 전원, 터미네이션, 디바이스 어드레스가 설계 문서에서 함께 관리되며 P&ID에는 통신 버스와 노드 연결이 요약된다.
15. 안전 계장(SIS)과 기본 제어(BPCS)의 구분
안전 계장 시스템은 위험 시 공정을 안전 상태로 전이시키는 독립 기능을 수행하며, P&ID에는 ESDV, SDV 등 안전 밸브와 트립 로직의 연결이 별도 심볼 또는 주석으로 구분된다.
기본 제어 시스템은 정상 운전의 제어 최적화를 담당하며, 두 시스템의 신호는 기능적으로 분리되어 표시한다.
16. 방폭과 본질안전(IS) 신호 설계 포인트
위험 장소에서는 본질안전 장벽 또는 아이솔레이터를 통해 4–20 mA 루프 에너지를 제한하며, P&ID에는 장벽 심볼과 접지 포인트가 표시된다.
공압 신호는 점화원이 없어 유리하나 공기 품질, 응축수, 결빙을 관리해야 한다.
17. 루프 문서 세트와 P&ID의 역할 분담
루프 시트는 계기 사양과 배선·입출력 할당을 상세히 기록하며, P&ID는 공정·계장 인터페이스와 제어 개념을 시각화한다.
실무에서는 P&ID로 루프 경계를 파악하고, 루프 시트와 계기 사양서, 케이블 스케줄로 상세를 추적한다.
18. 제어 밸브 포지셔너와 신호
포지셔너는 입력 신호와 실제 밸브 위치를 비교하여 구동하고, 공압식의 경우 3–15 psi, 전기입력형의 경우 4–20 mA를 수용하며 디지털 포지셔너는 통신 기능을 포함할 수 있다.
P&ID에는 포지셔너 박스 심볼과 공압 라인, 공급 공기 레귤레이터가 함께 도시된다.
19. 측정 소자와 전송기의 조합
온도는 TC/RTD와 TT 조합, 압력은 게이지/다이어프램과 PT, 유량은 DP·코리올리·자기식 등 센서 기술과 FT가 조합된다.
차압 전송기는 두 임펄스 라인으로 연결되며, P&ID에서 쇄선으로 유체 연결을 구분한다.
20. 튜닝과 동특성 고려
폐루프 성능은 측정 지연, 밸브 히스테리시스, 공정 시간지연에 좌우되며, P&ID 단계에서 센서 위치, 밸브 크기, 액추에이터 유형을 합리적으로 배치하면 제어 품질을 높일 수 있다.
21. 인터록과 셧다운 신호 체계
인터록은 안전·품질·설비 보호를 위한 조건 논리이며, P&ID에는 트립 신호의 기원과 영향 범위를 주석으로 표현한다.
예를 들어 고압 트립 신호는 ESDV 폐쇄, 펌프 정지, 바이패스 개방을 유발하도록 정의된다.
22. 루프 검증과 시운전 체크리스트
| 항목 | 체크포인트 | 방법 | 합격 기준 |
|---|---|---|---|
| 배선 극성 | 4–20 mA 루프 극성 일치 | 멀티미터 측정 | 저항 및 루프 전압 규격 충족 |
| 통신 세그먼트 | 터미네이션, 어드레스, 전원 | 네트워크 점검 | 오류 없는 장치 인식 |
| 공압 라인 | 압력, 누설, 수분 | 비눗물, 드레인 | 누설 없음, 적정 압력 유지 |
| 밸브 동작 | FO/FC/FL 확인 | 에어 컷 테스트 | 정의된 실패 동작 재현 |
| 루프 방향성 | 화살표와 실제 신호 매칭 | 시뮬레이션 | 명령-응답 일치 |
23. 유지보수와 루프 성능 지표
루프 편차, 제어 출력 포화, 빈번한 밸브 헌팅은 성능 저하의 신호이며, 센서 오프셋과 포지셔너 튜닝으로 개선한다.
디지털 루프에서는 진단 데이터로 밸브 마모, 공정 드리프트를 조기 감지한다.
24. 표준 기호 활용 팁
도면 우측 하단의 범례를 먼저 확인하여 선종과 심볼 의미를 현장 표준과 일치시키는 것이 중요하다.
프로젝트마다 약간의 커스텀이 있으므로, 범례와 태그 규칙 문서를 함께 참조하여 해석한다.
25. 현장 적용 사례 시나리오
케이스 A: 탱크 레벨 제어에서 LT-401이 레벨을 측정하고, LIC-401이 기준값과 비교하여 LV-401을 구동한다.
발포·점성 유체에서는 레벨 측정 지연과 거품 영향을 고려하여 캐스케이드로 유량 루프를 보조 루프로 구성하면 안정성이 향상된다.
케이스 B: 보일러 연료/공기 비율에서는 비율 제어로 연료와 공기 유량을 연동하며, 산소 트림으로 피드백을 추가하여 효율과 배출을 균형화한다.
26. 체크리스트: P&ID로 루프 빠르게 검토하기
- 루프 번호 묶음을 추출하여 센서–컨트롤러–최종요소 경로를 확인한다.
- 선종 범례로 신호 매체를 식별한다.
- 화살표 방향으로 신호 흐름과 피드백 경로를 추적한다.
- FO/FC/FL, 인터록, 트립 신호의 목적을 확인한다.
- 통신 버스와 전원·접지·IS 장벽 위치를 파악한다.
27. 자주 혼동하는 포인트 정리
- 지시계(I)와 전송기(T)는 기능과 위치가 다르며, 지시·제어기(IC)는 제어 연산을 포함한다.
- 개루프 시퀀스는 자동이라도 피드백이 없으면 폐루프가 아니다.
- 디지털 통신은 버스 하나에 다수 기기가 연결되므로 단선·종단저항 상태를 별도로 확인해야 한다.
28. 샘플 루프 노트 양식
| 항목 | 내용 |
|---|---|
| 루프 ID | PIC-205 |
| 변수/범위 | 압력 0–10 barg |
| 입력 신호 | PT-205, 4–20 mA |
| 출력 신호 | PV-205A 포지셔너, 4–20 mA → 공압 |
| 제어 모드 | PID, 캐스케이드 보조 없음 |
| 실패 동작 | PV-205A FC |
| 인터록 | PAH-205 트립 시 ESDV-901 폐쇄 |
29. 도면 리뷰 절차 제안
- 범례·약어·선종을 도면마다 통일 확인한다.
- 루프별 태그 누락·중복을 점검한다.
- 안전 관련 신호는 BPCS와 SIS의 분리를 확인한다.
- 밸브 실패 동작과 전원/공기 공급 신뢰도를 검증한다.
- 시운전 체크리스트로 실제 동작을 재현한다.
FAQ
폐루프에서 4–20 mA를 표준으로 쓰는 이유는 무엇인가?
저항과 전원 강하에 강하고 노이즈에 비교적 둔감하며 루프 단선 시 0 mA와 구분되어 진단이 용이하기 때문이다.
디지털 통신과 아날로그 신호를 혼용해도 되는가?
가능하며, 디지털은 진단과 다변수 전송에 유리하고 아날로그는 단순성과 호환성이 높다. 프로젝트 요구사항과 유지보수 역량에 따라 혼용 설계를 선택한다.
개루프 시퀀스에도 피드백을 넣어야 하는가?
안전과 품질에 영향이 큰 경우에는 위치 스위치나 상태 입력 등 최소한의 피드백을 넣어 미스오퍼레이션을 방지하는 것이 바람직하다.
FO/FC 결정은 어떻게 하나?
유출·과압·열폭주 등 위험 시 공정을 더 안전한 방향으로 이동시키는 상태를 기준으로 결정한다. 유해물질 차단은 FC, 과압 방호는 FO가 일반적이다.
Fieldbus 표기는 왜 버스형 선종으로 묶는가?
다수 기기가 하나의 세그먼트를 공유하기 때문에 물리적 배선 구조를 반영하여 버스형으로 묶어 표현한다.