R.STAHL Barrier 및 Isolator 비교 분석 (9160, 9170, 9180 vs 9001, 9002 series)

안녕하세요, 에스앤제이글로벌입니다.

산업 현장에서 '안전'은 아무리 강조해도 지나치지 않습니다. 특히 폭발 위험이 있는 '위험 지역(Hazardous Area)'에서는 작은 스파크 하나가 치명적인 사고로 이어질 수 있습니다. 이러한 위험을 근본적으로 방지하기 위한 가장 강력하고 신뢰할 수 있는 방법이 본질안전 방폭(Intrinsic Safety, IS)입니다.

R.STAHL의 본질안전 솔루션 중에서도 핵심적인 역할을 하는 Barrier 및 Isolator, 즉 9160, 9170, 9180 시리즈와 9001, 9002 시리즈를 집중적으로 비교 분석하며, 어떻게 이들이 본질안전의 원리를 구현하는지 제시해 드리겠습니다.

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견적문의 : 에스앤제이 글로벌 (R.STAHL 알스탈 공식 대리점)

- Tel : 070-8809-8332, Email : snjglobal1@gmail.com

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본질안전 방폭, 그 핵심 개념부터 이해하기!

먼저 본질안전 방폭이 무엇인지 명확하게 이해하는 것이 중요합니다.

본질안전(Intrinsic Safety, IS)은 위험 지역에서 폭발을 일으킬 수 있는 에너지(전압, 전류)를 애초에 극도로 낮은 수준으로 제한하여, 어떤 고장이 발생하더라도 스파크나 표면 온도가 인화성 물질(가스, 증기, 분진 등)을 점화시키기에 충분한 에너지를 가지지 못하도록 하는 방폭 기술입니다. 쉽게 말해, '폭발이 일어날 가능성 자체를 본질적으로 제거하는' 가장 안전한 방폭 방식입니다.

R.STAHL의 Barrier과 Isolator는 바로 이 본질안전 개념을 구현하여 위험 지역과 비위험 지역 사이에서 안전하게 신호를 주고받을 수 있도록 해주는 핵심 장치들입니다.

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◆ R.STAHL 9001, 9002 시리즈: 본질안전의 경제적인 선택, 제너 베리어(Zener Barrier)

R.STAHL의 9001, 9002 시리즈는 Zener Barrier 제품군입니다. 이들은 본질안전 회로를 구성하는 가장 기본적인 방법 중 하나로, 위험 지역으로 유입될 수 있는 과도한 전기 에너지를 제너 다이오드와 저항을 통해 안전 접지로 흘려보내어 에너지를 제한하는 수동형 장치입니다.

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9001 Zener Barrier - single channel

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▶ 9001, 9002 제품별 작동 방식 및 특징

제품 시리즈	본질안전 구현 방식 및 특징	본질안전 구현 방식 및 특징	장점
9001 시리즈 (Single Channel)	- 에너지 제한 원리: 제너 다이오드가 특정 전압 이상에서 도통하여 과전압을 안전 접지로 우회시키고, 직렬 저항이 과전류를 제한하여 본질안전 회로 유지. - 수동형 설계: 외부 전원 없이 루프 전원(Loop powered) 방식으로 작동. - 양방향 신호 전송: 아날로그/디지털 신호 모두를 위험 지역으로 보내고, 다시 받아오는 것이 가능.	- 위험 지역의 센서(온/오프, 4-20mA 등) 신호를 PLC/DCS로 안전하게 전달할 때 사용. - 필수적인 안전 접지: 제너 다이오드가 고장 전류를 안전하게 흘려보내려면 신뢰성 높은 안전 접지가 필수. - 접지 상태가 양호하고 Ground Loop 문제가 발생하지 않는 환경에 적합.	- 경제적인 본질안전 솔루션: 갈바닉 절연 증폭기에 비해 초기 설치 비용이 저렴. - 간단한 설치 및 배선: 복잡한 전원 배선 없이 신호 라인에 연결하여 본질안전 회로 구현. - 견고하고 유지보수 용이: 움직이는 부품이 없어 고장률이 낮고 긴 수명 보장.
9002 시리즈 (Dual​ Channel)	- 9001의 다채널 확장: 기본 작동 원리는 9001과 동일하게 제너 다이오드와 저항으로 에너지 제한. - 콤팩트한 다채널 설계: 여러 채널의 제너 방벽 기능을 하나의 모듈에 통합하여 공간 효율성 극대화. - DIN 레일 마운팅: 표준 DIN 레일에 쉽게 장착 가능.	- 다수의 신호 라인에 본질안전 방폭이 필요할 때, 제어반 공간을 절약하며 효율적인 시스템 구축 가능. - 센서 밀집 지역이나 복잡한 공정에서 배선 간소화 및 설치 시간 단축에 기여. - 중앙 집중식 신뢰성 있는 안전 접지 시스템이 구축된 현장에 적합.	- 뛰어난 공간 효율성: 여러 채널을 통합하여 제어반 내부 공간 절약 및 배선 간소화. - 유연한 시스템 확장성: 필요에 따라 채널 수를 쉽게 추가하거나 변경 가능. - R.STAHL의 검증된 안전성: 국제 방폭 규격 준수 및 높은 신뢰성으로 본질안전 회로 구성 지원.

 

 

9001 Single-Channel Safety Barriers for Positive Polarity

이 그림은 안전지역과 위험지역이 어떻게 구분되고, 그 사이에서 제너 베리어가 어떤 역할을 하는지 잘 나타내고 있습니다.

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안전지역 (Safe area, 오른쪽)

Control room equipment 라고 표시된 부분입니다. DCS, PLC, 컴퓨터 등 제어 시스템이 위치하는 곳으로, 전원( +Ue, 0V)을 공급하고 신호를 수신하는 곳입니다.

이곳은 전기적 고장이나 스파크가 발생해도 폭발 위험이 없는 안전한 공간입니다.

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위험지역 (Hazardous area, 왼쪽)

Intrinsically safe field device (본질안전 방폭형 현장 기기)라고 표시된 부분입니다. 센서, 밸브 등 실제 공정 장비가 설치된 곳으로, 폭발성 가스나 증기가 존재할 수 있는 위험한 공간입니다.

여기에 설치되는 모든 기기는 본질안전(Ex i) 인증을 받은 제품이어야 합니다.

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Zener Barrier (가운데 점선 박스)

이 장치가 바로 안전지역과 위험지역을 나누는 경계선 역할을 합니다.

안전지역의 제어 시스템(1, 2번 단자)과 위험지역의 센서(3, 4번 단자)를 전기적으로 연결해주는 중간 다리입니다.

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▶ 9001 베리어의 구체적인 작동 원리 (신호의 흐름)

정상적인 신호 흐름일때

· 안전지역의 Control room equipment에서 +Ue 전압이 1번 단자로 들어와 제너 방벽을 통과합니다.

· 이 신호는 3번 단자를 거쳐 위험지역의 센서에 도달합니다.

· 방벽 내부의 저항은 이 신호의 전류를 미리 안전한 수준으로 낮춰줍니다.

· 이 과정에서 제너 다이오드는 작동하지 않고, 신호는 정상적으로 주고받아집니다.

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사고 발생 시 (→ 가장 중요한 역할)

· 만약 안전지역의 제어 시스템에 전기적 고장이 발생하여 **과도한 전압이나 전류(사고 전압)**가 1번 단자로 들어오면, 제너 방벽의 보호 회로가 작동합니다.

· 제너 다이오드가 이 과전압을 감지하여 즉시 작동합니다.

· 과전류는 다이오드를 통해 **안전 접지(⊥/PA)**로 흘러나갑니다.

· 이 모든 과정이 순식간에 이루어져, 위험한 전압과 전류가 3번 단자를 넘어 위험지역으로 들어가는 것을 완벽하게 막아줍니다.

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◆ R.STAHL 9160, 9170, 9180 시리즈: 본질안전의 완벽한 구현, 갈바닉 아이솔레이터(Galvanic Isolator)

R.STAHL의 9160, 9170, 9180 시리즈는 Galvanic Isolator 제품군입니다. 이들은 위험 지역과 비위험 지역 간에 완벽한 전기적 절연(Galvanic Isolation)을 제공함으로써 본질안전 원리를 구현합니다. 신호를 광학, 자기 또는 커패시티브 결합 방식을 통해 전달하여, 양쪽 회로 간에 물리적인 전기적 연결을 완전히 차단합니다. 이를 통해 위험 지역의 에너지가 비위험 지역으로, 또는 그 반대로 전달되는 것을 원천적으로 방지합니다.

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9170 Switching Repeater

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▶ 9160, 9170, 9180 제품별 작동 방식 및 특징

 

제품 시리즈	본질안전 구현 방식 및 특징	사용할 때의 특성	장점
9160 시리즈 (아날로그 입력/출력 Isolator)	- 갈바닉 절연 통한 본질안전: 광학/자기/커패시티브 절연을 통해 위험 지역과 비위험 지역 회로를 완전히 분리하여 에너지 전파 차단. - 아날로그 신호 처리 전문: 4-20mA, 0-10V 등 표준 아날로그 신호를 위험 지역으로부터 안전하게 전달 및 변환. - 외부 전원 필요: 안정적인 신호 변환 및 절연을 위해 별도의 전원 공급 필요.	- 센서(온도, 압력, 유량 등)의 아날로그 출력을 PLC/DCS로 본질안전하게 전달할 때 사용. - 액추에이터(밸브, 모터)를 아날로그 신호로 안전하게 제어할 때 사용. - Ground Loop 방지: 접지 루프로 인한 신호 왜곡 및 노이즈 문제를 근본적으로 해결.	- 우수한 신호 무결성: 갈바닉 절연으로 Ground Loop 방지 및 외부 노이즈로부터 신호 완벽 보호. - 높은 범용성: 다양한 아날로그 입출력 신호 유형 지원. - 안정성과 정확성: 전압 변동이나 노이즈가 많은 환경에서도 정밀한 본질안전 신호 전송. - SIL (Safety Integrity Level) 등급 제품 보유: 높은 수준의 안전 무결성 요구 사항 충족 가능.
9170 시리즈 (디지털 입력/출력 및 스위칭 Isolator)	- 갈바닉 절연을 통한 디지털 본질안전: 디지털 ON/OFF 신호, 펄스 신호 등을 전기적으로 완벽하게 분리하여 안전하게 전달 및 제어. - 릴레이/무접점 출력: 다양한 부하(솔레노이드 밸브, 경보등)를 본질안전 회로를 통해 제어. - 주파수/펄스 신호 변환: 위험 지역의 펄스 신호를 아날로그 신호로 변환하여 PLC/DCS에 본질안전하게 전달.	- 스위치, 리미트 스위치, 근접 센서 등 위험 지역의 디지털 센서 신호를 받을 때 사용. - 솔레노이드 밸브, 경보등 등 위험 지역의 디지털 액추에이터를 본질안전하게 제어할 때 사용. - 유량계 등에서 발생하는 펄스 신호를 제어 시스템으로 안전하게 전달해야 할 때 유용.	- 빠른 응답 속도: 디지털 신호의 특성을 살려 본질안전 회로에서도 즉각적인 반응 제공. - 다양한 출력 옵션: 릴레이, 트랜지스터 등 현장 요구에 맞는 본질안전 출력 선택 가능. - 안정적인 스위칭 동작: 안전성을 확보하면서도 정확한 스위칭 제어. - 소형화된 디자인: 협소한 공간에도 효율적인 설치 가능.
9180 시리즈 (온도 측정 Isolator)	- 온도 센서(RTD, Thermocouple) 전용 갈바닉 절연: RTD(Pt100, Pt1000 등) 및 Thermocouple(K, J, T 등) 신호를 전기적으로 완벽하게 절연하여 본질안전하게 변환. - 냉접점 보상 (Cold Junction Compensation): Thermocouple 사용 시 정확한 본질안전 온도 측정을 위한 필수 기능 내장. - 라인 저항 보상: RTD 사용 시 케이블 저항으로 인한 오차를 최소화.	- 화학 플랜트, 정유 공장 등 위험 지역에서 온도를 정밀하게 측정하고 본질안전하게 제어할 때 사용. - 보일러, 반응기 등 고온 또는 저온 환경의 온도 모니터링에 필수적. - 온도 변화에 민감한 공정에서 안정적이고 정확한 본질안전 온도 데이터 제공.	- 최고 수준의 본질안전 온도 측정 정확도: 전문화된 설계로 오차 최소화. - 다양한 온도 센서 호환성: 현장에서 사용하는 대부분의 RTD 및 Thermocouple 센서 지원. - 진단 기능: 센서 단선/단락 등의 오류를 감지하여 시스템 안정성 향상. - 견고한 설계: 산업 현장의 가혹한 환경에서도 안정적인 작동 보장.

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Connection diagram - 9170/21-14-11

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▶ 9170 Isolator의 구체적인 작동 원리 (신호의 흐름)

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1단계: 위험지역 센서 신호 발생

왼쪽의 스위치는 위험지역(Hazardous area)에 설치된 현장 기기(스위치 또는 NAMUR 센서)를 나타냅니다. 이 센서가 물체를 감지하면 On/Off 디지털 신호를 생성합니다. 이 신호가 9170 시리즈의 작동을 시작하는 첫 번째 단계입니다.

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2단계: 스위칭 리피터 내부의 신호 처리

14번(+)과 15번(-) 단자는 위험지역 센서에서 온 신호가 배리어로 들어오는 입력부입니다. 신호는 사각형 블록으로 표시된 내부 회로를 거치며 신호의 노이즈를 제거하고 다음 단계로 전달될 수 있도록 준비됩니다.

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3단계: 갈바닉 절연 (Galvanic Isolation)의 핵심

이 부분은 9170 시리즈의 가장 중요한 원리인 갈바닉 절연을 담당합니다.

입력 신호가 왼쪽의 LED(화살표 기호)를 작동시키면 전기 신호가 빛 신호로 변환됩니다.

오른쪽의 포토트랜지스터는 그 빛을 감지하여 다시 전기 신호로 복원합니다.

이 과정에서 물리적인 전기 연결이 완전히 끊어지므로, 안전지역에서 발생한 과전압이나 과전류가 위험지역으로 넘어가는 것이 원천적으로 차단됩니다.

삼각형 기호는 증폭기(Amplifier)를 나타냅니다. 절연부를 통과하면서 약해진 신호를 다음 단계로 전달하기 위해 전압을 증폭시키는 역할을 합니다.

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4단계: 안전지역으로의 신호 출력 및 전원 공급

이 회로는 베리어 자체의 작동 전원을 공급받고, 최종 신호를 안전지역의 제어 시스템으로 보내는 출력부입니다.

릴레이(Relay): 갈바닉 절연부를 통과한 신호가 릴레이 스위치를 작동시킵니다. 스위치가 닫히거나 열리는 상태가 곧 위험지역 센서의 On/Off 상태를 의미하며, 이 신호가 7번(+)과 8번 단자를 통해 제어 시스템으로 전달됩니다.

전원: 9170 자체를 구동하기 위한 24V DC 전원이 이 부분을 통해 공급됩니다.

LF (Line Fault): 센서의 배선이 단선되거나 단락되었을 때 이를 감지하여 제어 시스템에 알려주는 중요한 안전 기능입니다.

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요약하면,

Zener Barrier(9001)과 Isolator(9170)의 차이점

9001 : 퓨즈와 제너 다이오드를 사용해 과도한 에너지를 접지로 흘려보내 안전을 확보하는 반면

9170 : 갈바닉 절연을 통해 회로를 물리적으로 분리하는 방식입니다.

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◆ 현장에는 어떤 본질안전 솔루션이 적합할까요?

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→ 높은 신호 정확도가 중요하고, Ground Loop 문제 해결이 필수적이며, 외부 전원 공급이 용이하다면 :

9160, 9170, 9180 Isolator 시리즈를 추천합니다. 이들은 완벽한 전기적 절연을 통해 가장 높은 수준의 본질안전을 구현하며, 특히 정밀한 아날로그 신호, 복합적인 디지털 제어, 또는 정확한 온도 측정이 필요한 경우 최적의 선택이 될 것입니다.

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→ 비용 효율성을 중시하고, 안정적인 안전 접지 시스템이 구축되어 있으며, 시스템 구성이 비교적 단순하다면 :

9001, 9002 Zener Barrier 시리즈가 좋은 대안이 될 수 있습니다. 이는 제너 다이오드를 통해 에너지를 제한하여 본질안전 개념을 구현하며, 특히 다수의 온/오프 신호 처리에 9002 시리즈는 뛰어난 공간 효율성을 제공합니다.

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궁극적으로 어떤 본질안전 솔루션이 가장 적합한지는 현장의 특정 애플리케이션, 위험 지역 분류, 필요한 안전 무결성 수준, 그리고 예산 등 다양한 요소를 고려하여 결정해야 합니다.

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다음 시간에는 본질안전 집합체인 REMOTE I/O에 대해서 알아보겠습니다.

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감사합니다.