NeSSI

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NeSSI(New Sampling/Sensor Initiative용)는 시애틀에 있는 워싱턴 대학교의 프로세스 분석 및 제어 센터(CPAC)가 후원하는 글로벌 개방형 이니셔티브입니다.

NeSSI 이니셔티브는 작업을 단순화하고 화학 공정 분석 시스템의 엔지니어링, 설치 및 유지보수와 관련된 전반적인 비용을 절감하기 위해 시작되었습니다.공정 분석 시스템은 일반적으로 화학, 정유 및 석유 화학 산업에서 화학 성분뿐만 아니라 특정 고유 물리적 특성(예: 점도)을 측정하고 제어하는 데 사용됩니다.NeSSI의 구체적인 목표는 다음과 같습니다.

1. 향상된 자동화 사용을 통해 이러한 시스템의 신뢰성을 높입니다.
2. 소형화를 통해 물리적 크기와 에너지 사용을 축소하고,
3. 공정 분석 시스템을 위한 산업 표준의 생성 및 사용을 촉진합니다.
4. 강력하고 선택적인 최신 마이크로 Analytics 센서 사용을 지원하는 데 필요한 인프라 구축을 지원합니다.

현재까지 NeSSI는 미니어처 및 모듈식 레고와 유사한 흐름 구성요소의 사용을 규정하는 산업 표준의 채택 및 개선을 위한 포럼 역할을 수행해 왔습니다.NeSSI는 또한 전기적으로 위험한 환경에서 프로세스 분석 샘플 시스템과 함께 사용하도록 특별히 설계된 플러그 앤 플레이 저전력 통신 버스(NeSSI-bus)의 개발과 상용화를 촉진하는 데 중요한 역할을 하는 사양을 발표했습니다.NeSSI는 개발 로드맵의 일환으로 전기 및 기계 인터페이스를 정의하고 자동화된 (스마트) 소프트웨어 기능 목록을 작성했으며, 현재 마이크로 분석 제조업체가 산업 애플리케이션에 사용하기 시작했습니다.

배경

현대의 화학 및 석유 화학 처리 공장은 다양한 원료로부터 하나 이상의 제품을 생산하는 데 관련된 많은 단계(종종 단위 작업이라고 함)를 포함하는 복잡한 시스템입니다.많은 프로세스를 제어하기 위해 제품 품질과 운영 안전을 개선하기 위해 다양한 처리 단계에서 많은 측정이 이루어집니다.이러한 측정은 간단한 센서(온도, 압력, 흐름 등) 또는 정교한 화학 분석기(화학 스트림에 하나 이상의 구성 요소를 제공)를 통해 수행됩니다.일반적으로 프로세스 작동의 "신호"를 제공하고 프로세스가 효율적이고 안전하게 작동하도록 프로세스를 제어하기 위한 프로세스 제어 알고리즘의 입력으로 사용됩니다.

전통적으로 온도, 압력 및 흐름을 제외한 대부분의 측정은 공정에서 표본을 추출하여 실험실에서 분석함으로써 "오프라인"으로 수행되었습니다.1930년대 후반부터 분석을 실험실에서 공정 공장으로 옮기는 것을 목표로 하는 추세가 시작되었습니다.보다 정교한 분석기의 등장으로 프로세스 분석(Process Analytics)이라는 개념이 1980년대에 훨씬 널리 퍼졌고 화학 공학과 분석 화학을 결합한 프로세스 분석 화학(PAC)이라는 새로운 학문이 등장했습니다.

PAC의 주요 원동력 중 하나는 샘플을 실험실로 보내고 분석 결과를 기다리는 것과 관련된 병목 현상과 시간 지연을 제거하는 것입니다.분석 결과를 프로세스로 이동함으로써 실시간에 가까운 결과를 얻을 수 있으며, 이는 프로세스 변경(피드백 및 피드포워드 제어)에 대한 제어 작업의 수정 능력을 효과적으로 향상시킵니다.

지금까지 PAC의 가장 일반적인 구현(특히 더 복잡한 분석기의 경우)은 추출 샘플링이라고 알려진 것을 사용합니다.여기에는 일반적으로 훨씬 큰 배관 시스템 또는 프로세스 용기에서 샘플의 작은 부분을 연속적으로(또는 때때로 주기적으로) 제거하는 작업이 포함됩니다.그런 다음 이 샘플을 컨디셔닝(필터링, 압력 조절, 흐름 제어 등)한 후 분석기에 도입하여 프로세스 유체(증기 및 액체)의 화학 성분 또는 고유 물리적 특성을 측정합니다.산업 공장에서는 대부분의 샘플 시스템 및 관련 분석기가 분석기 하우스에 설치됩니다.

추출 샘플링과 관련된 하드웨어(전통적으로 금속 튜브, 압축 피팅, 밸브, 조절기, 로타미터 및 필터)는 샘플링 시스템이라고 총칭됩니다.샘플 시스템은 가스 크로마토그래프, 산소 분석기 또는 적외선 분광계와 같은 분석 장치(분석기)에 사용하기에 적합한 수준으로 샘플 조건(압력, 허용 입자량, 온도 및 흐름)을 조절하거나 조정하는 데 사용됩니다.방금 설명한 간단한 설명에도 불구하고, 현대의 샘플링 시스템은 상당히 크고 복잡하며 비용이 많이 들 수 있습니다.분석 샘플 시스템의 설계 특징은 프로세스 분석 분야가 독일에서 시작된 이후 현재까지 거의 변하지 않았습니다.Buna Chemical Works(독일 Schkopau)에서 사용된 초기 분석기 및 샘플 시스템의 예는 다음 사진에 나와 있습니다.프로세스 분석은 프로세스 산업 내에서 낮은 수준의 자동화(수동 조정 및 가시적 검사 유지)의 마지막 전초기지라는 점에서 여전히 예외적입니다.

역사

NeSSI의 이론적 근거는 1999년 CPAC(Center for Process Analytical Chemistry)에서 개최된 포커스 그룹 회의에서 비롯되었습니다. 이 회의는 제조 공정에 대한 보다 신뢰할 수 있는 샘플링 및 분석을 요구했습니다.NeSSI의 초기 작업은 2000년 7월 Peter van Vuuren(ExxonMobil Chemical)과 Rob Dubois(Dow Chemical)에 의해 시작되었으며, ISA(Instrumentation, Systems and Automation Society) 기술 위원회에서 개발 중인 표준에서 다루어지고 있는 새로운 유형의 모듈형 및 소형 하드웨어를 채택하는 것을 목표로 합니다.(참조 1)

NeSSI라는 용어는 프로세스 분석(NeSSI-bus) 및 완전히 자동화된 샘플링 시스템을 위해 특별히 설계된 통신/전력 버스의 미래적 개념과 함께 2001년 1월 플로리다 아멜리아 아일랜드에서 열린 국제 프로세스 분석 화학 포럼(IFPAC)에서 CPAC 외부에 처음 소개되었습니다.미국. 이러한 새로운 개념은 NeSSI 2세대 사양에 수집되어 CPAC에 의해 2003년 공개 출판물로 공개되었습니다.사양은 CPAC 웹사이트에 있습니다.(참조 2)

NeSSI 기술 목표

• ANSI/ISA SP76.00.02-2002 표준에 기초한 기계 설계를 사용하여 모듈식, 소형 및 자동화(스마트) 샘플 시스템 기술의 수용 및 구현을 촉진합니다.[ANSI = 미국 국립 표준 연구소]
• 프로세스 산업 내에서 마이크로 분석 센서의 사용을 가속화하는 데 필요한 기계, 전기 및 소프트웨어 인프라를 제공합니다.
• 주요 공정 장비와 밀접하게 연결된 현장 장착형 분석 시스템(압력 전송기와 유사)의 사용을 촉진하여 분석기 하우스 외부로 분석 시스템 이동. (NeSSI는 이 개념을 By-Line 분석이라고 함)
• 프로세스 분석을 위한 개방형 커뮤니케이션 표준의 채택을 위한 토대를 마련합니다.여기에는 유량 센서, 액추에이터 및 마이크로 분석 센서와 같은 샘플 시스템 구성 요소 간의 통신뿐만 아니라 DCS(Distributed Control System)와의 통신도 포함됩니다.

현재 기술과 비교NeSSI 기술(추출 시스템)

최신 기술	NeSSI 기술 (완전 개발 시)
분석기 대피소	샘플링 지점에 가까운 분석 시스템(By-Line)
긴 열 추적 전송 라인	짧은 줄, 빠른 응답
광범위한 설계 필요	웹 기반 설계 도구, 표준 구성 요소 기호 세트 및 모듈식/기능식 설계 블록을 보다 일반적으로 사용하여 설계 단순화
사용자 정의 어셈블리	모듈러 어셈블리
현장수리	모듈 교체
예방적 유지보수가 필요하며, 흐름, 온도 및 압력을 모니터링하기 위해 필요한 인력(일별로)	예측 유지보수, 진단 데이터가 자동으로 기록되고 필요한 경우에만 조치를 취함
일반적으로 샘플링 시스템의 낮은 수준의 자동화	높은 수준의 자동화 - 압력, 온도, 유량 및 히터 모니터링 및 제어
다량의 시료	샘플 양이 적고 조건화할 재료가 적음
도관, 씰, 장갑 케이블, 퍼징 및 가압	간단한 플러그인 커넥터, 소형의 유연한 케이블을 사용한 비장갑 배선
필요한 공간이 큼	소형, 소형, 낮은 내부 볼륨
다중 독립 시스템	샘플링 시스템과 분석기 및 열 추적 및 샘플 폐기와 같은 기타 지원 인프라의 긴밀한 통합

기술 개발 로드맵

NeSSI 기술 개발 로드맵은 기술을 하위 호환성이 있는 3세대로 그룹화합니다.1세대는 상업적 제품이며 수많은 산업 및 실험실 응용 분야에서 입증되었습니다.2세대 제품은 실험실에서 입증되었지만 아직 상용화되지 않았습니다.3세대(마이크로 분석)가 개발 중입니다.

기술 개발 세대

1세대 유체 구성 요소

1세대는 유체 취급 구성 요소와 관련하여 상업적으로 사용 가능한 기계 시스템을 다룹니다.I세대는 ANSI/ISA SP76.00.2002 소형 모듈식 기계 표준을 채택했습니다.이 표준은 서로 다른 제조업체 간에 레고와 같은 구성 요소의 상호 교환성을 허용하는 입구 및 출구 포트와 전체 치수를 정확하게 정의합니다.ANSI/ISA 표준은 국제 전기 기술 위원회에서 IEC 62339-1:2006을 참조합니다.

현재 3개 제조업체에서 다양한 구성 요소를 부착하는 플랫폼 역할을 하는 기계식 마운팅 시스템(기판이라고 함)을 생산하고 있습니다.구성요소는 O-링에 의해 밀봉되어 기판의 표면에 볼트로 고정되기 때문에 표면 장착 장치라고 불리기도 합니다.(반도체 산업은 관련 시스템을 가지고 있지만, 밀봉은 엘라스토머 O-링이 아닌 금속 씰로 이루어집니다.)밸브, 필터 및 조절기뿐만 아니라 압력 및 유량 감지 장치를 제공하는 다양한 공급업체에서 현재 60가지 이상의 다양한 유형의 표면 마운트 구성 요소를 사용할 수 있습니다.다양한 구성 요소를 장착하기 위한 플랫폼은 제조업체에서 일반적이지만, 표면 아래의 상호 연결은 독점적입니다.다음 그림은 일반적인 설계 중 세 가지를 보여줍니다.(왼쪽에서 오른쪽으로) 강체 채널에 설정된 다양한 길이의 튜브 커넥터를 사용하는 Swagelok 시스템; 다양한 흐름 튜브가 있는 단일 블록을 사용하는 CIRCORTech 설계; 흐름 경로 역할을 하는 작은 커넥터와 함께 포트된 다양한 블록을 사용하는 Parker Hannifin 설계.

NeSSI 버스와 SAM을 이용한 2세대 연결

NeSSI 2세대 사양의 핵심 요소는 다음과 같습니다.

• 4-20 mA 시스템을 대체하기 위해 특별히 프로세스 분석에 맞게 조정된 디지털 통신 버스(NeSSI-bus)의 채택.이 버스는 최대 30개의 장치를 처리할 수 있습니다.(이 버스는 개인용 컴퓨터의 플러그 앤 플레이 USB 버스와 동일하지만 특별한 요구 사항이 있습니다.)
• 위험 지역의 전기 장비의 경우 위험(가연성) 유체(예: 수소 및 에틸렌)를 취급하는 인클로저 내부를 디비전/구역 2가 아닌 디비전 1/구역 1로 분류.
• NeSSI 버스를 위한 내재적 안전성이라고 불리는 안전한 저에너지 전기 보호 방법의 사용을 채택합니다.
• 센서(유량, 압력 온도), ON/OFF 및 비례 액추에이터, 인클로저 히터 컨트롤을 포함한 소형 스마트/자동 전자 장치의 사용 채택
• 노동 집약적인 수동 점검(원형)을 줄이기 위해 게이지 및 로타미터와 같은 로컬 표시 장치의 사용에서 벗어나야 합니다.
• 중앙 집중식 제어(자동화) 모델에서 로컬/필드 제어 모델로 이동합니다. 로컬/필드 제어 모델은 센서 액추에이터 관리자(SAM)라는 작은 컴퓨팅 장치로 표시됩니다.
• 특정 샘플 시스템 기능을 자동화하기 위한 휴대용 상용 소프트웨어 스마트 애플릿 개념 채택.이 사과들은 SAM에 상주할 것입니다.
• SAM, DCS 및 Operator & Maintenance(O&M) 사용자 스테이션 간의 이더넷 네트워크를 사용합니다.(NeSSI는 이 버스를 ANLAN이라고 부릅니다)
• 물리적으로 컴팩트한 샘플링 시스템의 시각화를 개선하기 위한 GUI(그래픽 사용자 인터페이스)의 도입.

2006년 Siemens Process Analytics는 다중 노드/미니어처 2세대 시스템의 첫 번째 프로토타입을 시연했습니다.Siemens는 IC라는 기존² 버스 시스템을 본질적으로 안전한 모드로 작동하도록 개조했습니다.이 작업은 Foundation Fieldbus 및 Profibus와 같은 기존의 본질적으로 안전한 디지털 통신 시스템이 NeSSI-bus에 의해 정의된 낮은 비용 및 전력 소모량뿐만 아니라 물리적 크기 감소에 대한 요구 사항을 충족할 수 없다고 판단된 후 수행되었습니다.이 버스가 광범위한 상업적 생산에 들어갈지는 현재로서는 알 수 없습니다.

비영리 단체인 CAN in Automation(CiA)은 본질적으로 안전한 버스의 물리적 계층을 명시하는 초안 표준 제안서(DSP-103)를 2007년에 발표했습니다.[CAN = 컨트롤러 영역 네트워크]이 사양은 ABB, Pepperl+를 포함한 CiA 조직의 구성원들에 의해 개발되었습니다.Fuchs, Texas Instruments, Siemens.이 버스는 전원 공급 장치에 더 낮은 전압(9.5V)을 사용하여 위험한 환경에서 여러 장치에 더 많은 전류(최대 1,000mA)를 공급할 수 있습니다.이 그룹은 장치에 전원과 신호를 모두 제공하기 위해 5핀 M8 피코 커넥터를 표준화했습니다.이 버스를 이용한 프로세스 분석 시스템의 상용 구현은 아직 시연되지 않았습니다.

1.5세대라고 하는 중간 개발은 밸브를 작동시키기 위해 기존의 4-20 mA 아날로그 센서와 이산 신호를 모두 사용합니다.PLC(Programmable Logic Controller)는 센서 액추에이터 관리자(SAM)로 사용됩니다.

3세대 - 마이크로 애널리틱스

프로세스 산업에 새로운 마이크로 Analytics 장치를 도입하려면 표준 물리적, 전기적 및 소프트웨어 인터페이스를 사용해야 합니다.III 세대를 사용하면 샘플 컨디셔닝 및 분석 측정 장치를 보다 긴밀하게 통합할 수 있습니다.

적용들

NeSSI는 석유화학, 화학 및 정유 산업의 공정 분석 측정에 사용됩니다.이러한 측정은 원료 또는 최종 제품의 품질 관리, 환경 준수, 안전, 에너지 절감 또는 공정 제어 목적을 위한 것일 수 있습니다.증기 적용에는 탄화수소 공급 원료 및 중간체(에틸렌, 에탄, 프로필렌 등), 천연 가스 스트림, 액화 석유 가스(LPG) 스트림, 수소 및 공기 가스 스트림이 포함될 수 있습니다.

NeSSI의 1세대 기계 부품과 함께 사용하기에 적합한 액체 시스템은 수성 스트림뿐만 아니라 디젤 연료와 같은 탄화수소입니다.점성이 높은 유체 및 고체는 NeSSI와 함께 사용하기에 적합하지 않습니다.매우 더럽고 미립자가 많은 스트림은 필터링해야 합니다.일부 액체 서비스 애플리케이션은 직렬 구성에 연결된 구성 요소와 관련된 압력 강하에 의해 제한될 수 있습니다.NeSSI 시스템은 소형, 비숙련 조립 및 유연한 구성이 중요한 마이크로 리액터, 미니 플랜트 및 실험실 환경을 포함한 프로세스 분석 환경 이외의 영역에서 응용 프로그램을 발견했습니다.

CPAC의 역할

NeSSI의 개발은 산업 최종 사용자, 산업을 공급하는 제조업체 및 프로세스 분석 분야에서 일하는 학술 연구원 간의 협력 노력이었습니다.CPAC는 NeSSI 개발의 중심지이자 NeSSI 운영 팀의 후원자로 계속 활동하고 있습니다.CPAC는 중립적인 우산을 제공하여 관심 있는 기업(시장의 많은 경쟁업체)이 요구 사항과 문제를 충족하고 논의하며 산업 샘플링 및 분석기 시스템의 미래를 정의할 수 있도록 지원합니다.NeSSI 이름은 누구나 NeSSI의 사양 및 지침과 일치하는 제품 또는 서비스를 참조하기 위해 NeSSI라는 이름을 사용할 수 있도록 하기 위해 Washington University에 의해 상표 등록되었습니다.독점적인 제품 또는 서비스.

비판, 영향 및 요약

NeSSI 기계 시스템에 대한 비판은 초기 비용 증가, (콤팩트한/집중적인 간격으로 인한) 구성 요소 수준에서의 문제 해결 능력 부족, 그리고 장기 설치에서의 엘라스토머 씰 사용과 관련된 성능 데이터 부족을 포함했습니다.설계 관점에서 볼 때, 업계에서 발견되는 다양한 프로세스 애플리케이션의 요구를 충족하는 모듈식 기계 시스템을 설계하는 것은 어려울 수 있습니다.NeSSI 버스의 개발은 반복적인 연습이었으며, 장비가 NeSSI 버스를 준수하도록 하기 위해서는 부품 제조업체와 분석기 제조업체의 긴밀한 협력이 필요할 것입니다.이때 샘플 시스템 흐름과 비례식 소형 제어 밸브를 연속적으로 판독할 수 있는 저비용의 저전력 흐름 센서와 같은 요소가 누락되었습니다.

NeSSI 시스템의 예상 영향은 다음과 같습니다.

• 샘플 시스템에 대해 보편적으로 수용되는 보호 방법(본질적 안전)을 채택하면 시스템 설계가 세계화되고 조화를 이룰 것이며, 공장 상호(FM) 및 UL(Underwriters Laboratory), ATEX(Europe), UL(Underwriters Laboratory) 등과 같은 다양한 전기 인증/승인 기관에서 현재 의무화되어 있는 지리적 제약을 극복하는 데 도움이 될 것입니다.GOST(러시아 연방) 및 캐나다 표준 협회(CSA).
• 분석기 기술 담당자는 로컬 및 원격으로 분석 샘플 시스템 성능의 모든 주요 지표 상태에 액세스할 수 있습니다.예방적 유지보수보다는 예측적 유지보수를 수행할 수 있으며 원격 진단 및 그래픽 사용자 인터페이스가 일반적입니다.분석기 라운드가 제거됩니다.분석기 시스템은 더욱 안정적이고 신뢰할 수 있게 될 것입니다.분석기 정비사는 스마트 애플릿을 사용하여 원하는 대로 샘플링/분석 시스템을 구성할 수 있습니다.조정 가능한 렌치와 스크루드라이버는 소프트웨어로 교체됩니다.
• 더 많은 화학 공정 분석을 통한 더 엄격한 공정 제어를 의미하는 분자 관리는 더 낫고, 더 빠르고, 더 적은 비용으로 더 풍부한 분석을 통해 실현 가능해질 것입니다.이를 통해 제조 에너지 비용을 절감하고 공정 산업의 환경 배출량을 최소화할 수 있습니다.

NeSSI 기계 부품은 2000년에 출시된 이후 업계에서 점진적이지만 꾸준히 받아들여지고 있습니다.현재 NeSSI 호환 기계 시스템의 3개 주요 상용 공급업체와 이러한 시스템에 장착할 수 있는 수십 개의 구성 요소가 있습니다.또한 제조 및 파일럿 플랜트 시설에서 NeSSI 시스템을 구현하는 기업의 수가 증가하고 있습니다.최근 프로세스 분석기의 최대 공급업체 중 두 곳은 NeSSI 하드웨어 지원과 본질적으로 안전한 NeSSI 버스 통신을 자사 제품으로 개발하기 위해 노력하고 있습니다.NeSSI는 많은 프로세스 샘플링 시스템 애플리케이션을 위한 사실상의 표준으로 자리매김하고 있습니다.

오늘날 NeSSI 수용(I세대)은 초기 화학 및 석유화학 산업의 뿌리를 넘어 자동차, 식품 및 제약 산업뿐만 아니라 연구소의 분석 개발 시스템으로서의 응용 분야까지 확산되고 있습니다.2세대 전기 시스템은 2008년에 가동될 예정인 첫 번째 산업 시스템과 함께 상용화에 가까워졌습니다.

레퍼런스

1. "표면 실장 유체 분배 구성요소를 위한 ANSI/ISA 76.00.02-2002 모듈식 구성요소 인터페이스 – Part 1: 엘라스토머 씰", ISA, 구성 분석가 위원회, (2002), www.isa.org
2. Dubois, Robert N.; van Vuuren, Peter; Gunnell, Jeffrey J. "NeSSI (New Sampling/Sensor Initiative) 제2세대 사양", 전기 위험 영역에서의 ANSI/ISA SP76 기판 적응을 위한 소형 모듈형 전기 구성품 사용을 설명하는 개념 및 기능 사양.프로세스 분석 화학 센터(CPAC), 워싱턴 대학교 시애틀 워싱턴, (2003)

외부 링크

• — NeSSI에 대한 자세한 기술 정보는 물론 NeSSI의 설립 이후 다양한 회의, 워크샵 및 컨퍼런스에서 발표된 논문 및 강연을 통해 개발의 전체 역사를 제공합니다.
• AvenISENSE—점도, 밀도, 압력, 온도 및 몰 질량과 같은 NeSSI 소형 유체 특성 센서 및 송신기(액체 및 가스)를 제공합니다.