안전 계장 시스템(SIS)이란 무엇인가요?

핵심 비즈니스 프로세스의 일부로 위험 물질을 취급하는 조직은 작업자의 안전을 보호하고 화재, 폭발, 독성 화학물질 유출 및 원자로 노심 용융과 같은 대형 사고의 발생 가능성을 줄이기 위해 안전 계장 시스템을 활용합니다.

안전 계장 시스템은 기본 공정 제어 시스템(BPCS)이라고 하는 또 다른 비즈니스 프로세스 시스템과 밀접한 관련이 있습니다. 그러나 BPCS는 정상적인 비즈니스 운영을 유지하는 데 중점을 두는 반면, SIS는 안전 확보에만 집중합니다. SIS가 위험한 상태를 감지하면 밸브의 압력을 방출하거나 비상 정지 시스템을 작동시키는 등 사전에 정의된 대응을 자동으로 수행합니다.

안전 계장 시스템은 주로 공정 산업에서 사용됩니다. 공정 산업은 화학적, 물리적, 생물학적 또는 열적 공정을 통해 원자재를 제품으로 전환하는 산업을 말합니다. 여기에는 석유 및 가스, 화학 제조, 발전, 제약 및 수처리 산업이 포함됩니다. 이러한 산업의 기업은 위험을 관리하기 위해 위험한 상태를 감지하고 시스템을 안전한 상태로 복원하는 안전 관련 시스템을 구축합니다.

SIS의 주요 목적은 시스템이나 공정을 안전한 상태로 복원하는 것입니다. 안전한 상태란 위험 상황이 발생한 후 시설이나 개별 장비가 다시 안전하게 운영될 수 있는 상태를 의미합니다.

모든 안전 계장 시스템의 핵심에는 하나 이상의 안전 계장 기능(SIF)이 있으며, 이는 SIS가 위험한 상태를 감지했을 때 수행하는 동작입니다. 예를 들어 SIS가 화학 반응기에서 위험한 수준을 감지하면 비상 차단 밸브와 펌프 제어 장치를 통해 추가 물질이 반응기로 유입되는 것을 자동으로 차단할 수 있습니다.

모든 안전 계장 시스템은 국제전기기술위원회(IEC)가 제정한 표준에 따라 엄격하게 규제됩니다. IEC 61508 및 IEC 61511 표준은 조직이 SIS 아키텍처를 구축할 때 따라야 하는 상세한 프레임워크를 제공합니다.

안전 계장 시스템(SIS)은 시스템과 공정을 지속적으로 모니터링하고 위험한 상태를 감지하면 사전에 정의된 조치를 수행합니다. 시스템 설계는 적용 분야와 산업에 따라 다르지만, 대부분의 SIS 아키텍처는 다음 세 가지 주요 구성 요소로 이루어져 있습니다.

• 센서
• 로직 솔버
• 최종 제어 요소

SIS의 첫 번째 계층은 시스템이나 공정 내부의 압력, 온도, 레벨 및 유량의 미세한 변화를 지속적으로 측정하는 센서와 트랜스미터로 구성됩니다. 이러한 소형 장치는 운전 상태에 대한 실시간 데이터를 제공하고 위험한 상태를 나타낼 수 있는 이상 징후를 감지합니다.

대부분의 최신 SIS는 이중화를 구현하고 오경보 발생 가능성을 줄이기 위해 여러 개의 센서를 사용합니다. 이중화 아키텍처는 단일 장치의 고장이 감지되지 않을 가능성을 낮추고 시스템의 신뢰성을 높이는 데 도움이 됩니다.

로직 솔버는 SIS의 의사결정 구성 요소로, 센서와 트랜스미터로부터 입력을 받아 해당 데이터가 사전에 정의된 안전 조건을 충족하는지 판단합니다. 로직 솔버가 평가한 데이터에서 위험한 상태가 확인되면 안전 대응을 자동으로 수행할 수 있습니다.

대부분의 현대 산업 자동화 환경에서 로직 솔버는 안전 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC)를 사용하여 신호를 수신·평가하고 안전 기능을 실행합니다. 생산 최적화에 중점을 두는 일반 PLC와 달리 안전 PLC는 SIS 내의 기능 안전 애플리케이션만 제어합니다.

최종 제어 요소는 SIS 내에서 공정을 실제로 제어하고 안전한 상태로 복원하는 물리적 구성 요소(운영 기술)입니다. 대표적인 최종 제어 요소로는 밸브, 차단 밸브, 모터 스타터, 릴레이, 댐퍼 및 액추에이터가 있습니다. 로직 솔버가 위험한 상태를 감지하면 최종 제어 요소가 사전에 정의된 보호 조치를 수행합니다.

예를 들어 센서가 배관 내 위험 물질의 수치가 사전 설정된 한계를 초과했다고 로직 제어부에 전달하면, 로직 솔버는 액추에이터를 작동시켜 밸브를 물리적으로 닫고 물질의 흐름을 차단합니다. 이 과정이 올바르게 수행되면 시스템은 안전한 상태로 복원됩니다.

안전 수명 주기 관리는 조직이 안전 계장 시스템(SIS)과 해당 안전 계장 기능이 올바르게 작동하도록 보장하기 위해 수행하는 체계적인 프로세스입니다.

안전 수명 주기를 효과적으로 관리하고 SIS의 성능을 보장하려면 다음 세 가지 핵심 요소가 중요합니다.

• 안전 무결성 수준: 안전 무결성 수준(SIL)은 SIS의 특정 안전 계장 기능에 요구되는 위험 감소 수준을 의미합니다. SIL은 SIL 1부터 SIL 4까지 있으며, 수준이 높을수록 신뢰성이 더 높음을 의미합니다. 대부분의 조직에서는 충분한 위험 감소 효과를 제공하면서도 실용성과 비용 효율성을 갖춘 SIL 2와 SIL 3을 적절한 수준으로 사용합니다.
• 안전 요구사항 명세: 안전 요구사항 명세(SRS)는 SIS의 특정 안전 계장 기능에 필요한 신뢰성과 운영 요구사항을 정의합니다. 조직은 SIS를 구축하는 과정에서 일반적으로 다양한 위험 및 리스크 평가를 수행합니다. 대표적인 평가 방법으로는 위험 및 운전성 분석(HAZOP)과 보호 계층 분석(LOPA)이 있습니다. 이처럼 널리 사용되는 방법론은 작업자와 기술자가 잠재적으로 위험한 공정에 적합한 안전 대책을 마련하는 데 도움이 됩니다.
• 기능 시험: 마지막으로 SIS를 설계하고 운영하는 조직은 안전 기능이 올바르게 작동하는지 지속적으로 시험하여 확인해야 합니다. 기능 시험에는 안전 계장 시스템에 대한 정기적인 점검과, 위험한 상황이 발생했을 때 SIS가 정상적으로 작동하는지 확인하기 위한 체계적인 시험이 포함됩니다. 기능 시험 외에도 조직은 위험 공정에 사용되는 장비의 고장률과 요구 시 고장 확률(PFoD) 등의 핵심 지표를 지속적으로 관리합니다.

현대 산업 시설은 인공지능(AI)과 사물인터넷(IoT) 같은 복잡한 자동화 기술에 점점 더 많이 의존하고 있습니다. 이러한 기술은 효율성과 생산성을 높이는 동시에 환경, 보건 및 안전(EHS)과 비즈니스 연속성에 새로운 위험을 초래하기도 합니다. 예를 들어 현대 산업 시설에서는 적절한 안전 대책이 마련되어 있지 않을 경우 단일 장비의 오작동이 심각한 위험 사고로 이어질 수 있습니다.

안전 계장 시스템(SIS)을 구축하면 공정의 신뢰성을 높이고 작업자의 안전을 강화하며 핵심 자산을 더욱 효과적으로 보호할 수 있습니다. 최근 보고서에 따르면 SIS 시장에 대한 수요가 증가하고 있으며, 현재 52억 6천만 달러 규모인 시장은 향후 5년 내 73억 2천만 달러 규모로 성장할 것으로 전망됩니다.

다음은 기업에서 SIS를 구축할 때 얻을 수 있는 대표적인 이점입니다.

SIS는 위험한 상태를 초래할 수 있는 공정과 시스템을 지속적으로 모니터링하여 공정 안전 관리를 강화합니다. 한 보고서에 따르면 SIS는 위험을 감지하고 대응하는 기능을 통해 작업장 사고를 최대 80%까지 줄일 수 있습니다. 안전 계장 시스템은 각종 변수를 자동으로 추적하고 보호 조치를 실행하여 사고와 치명적인 고장 발생 가능성을 줄이는 데 도움이 됩니다.

예를 들어 산업 시설의 작업자는 일상적인 업무에서 위험물이나 인화성 화학물질을 취급하는 경우가 많습니다. SIS가 작동시키는 안전 차단 시스템은 작업자에게 잠재적인 노출 위험을 알리고 시정 조치를 수행할 수 있습니다. 조건이 허용 한계를 초과하면 SIS는 사람보다 더 빠르고 일관되게 대응할 수 있습니다.

SIS가 모니터링하는 많은 공정과 시스템은 효율성과 복원력을 높이기 위해 비즈니스 프로세스를 설계하고 최적화하는 운영 관리의 핵심 요소입니다. 자산 고장은 안전 문제를 초래할 뿐만 아니라 상당한 재정적 손실로 이어질 수도 있습니다.

SIS는 반응기, 배관, 압축기, 터빈 및 기타 핵심 자산의 손상을 방지하여 수리 비용과 계획되지 않은 가동 중단을 줄일 수 있습니다. 예를 들어 대형 원심 압축기는 천연가스 산업에서 가장 중요하면서도 비용이 많이 드는 자산에 속합니다. 기술자와 장비 작업자는 압축기를 통과하는 가스의 흐름이 불안정해져 자산이 손상될 수 있는 서지 현상을 방지하기 위해 안전 계장 시스템이 유량, 압력 및 진동 수준을 모니터링하도록 설정합니다.

SIS를 설계하고 운영하면 조직은 여러 측면에서 규정 준수 모니터링 역량을 강화할 수 있습니다. 첫째, 공정 산업은 핵심 비즈니스 공정에서 사용하는 물질의 특성 때문에 엄격한 안전 규정과 표준의 적용을 받는 경우가 많습니다. IEC 61508 및 IEC 61511을 준수하면 조직이 작업자 안전을 중요하게 여기고 있으며 기능 안전 관리 모범 사례를 적절하게 구현했음을 입증할 수 있습니다.

둘째, 규제 기관과 보험사는 시설이 SIS 설계, 기능 시험 문서 및 유지보수 활동 기록을 포함한 안전 프로그램을 문서화하여 유지하도록 요구하는 경우가 많습니다.

신뢰할 수 있는 SIS는 실제로 위험한 상황에서만 장비를 정지시켜 불필요한 정지 발생 가능성을 줄이는 데 도움이 됩니다. SIS가 없으면 장비 작업자는 수동으로 장비를 정지해야 하며, 수동 방식은 자동 방식보다 신뢰성이 낮기 때문에 불필요한 정지가 발생할 가능성이 커집니다.

또한 안전하지 않은 조건에서 장비를 운전하면 고장 발생 가능성이 높아집니다. 적절하게 설계된 SIS는 치명적인 장비 손상을 방지하고 긴급 수리, 연쇄 고장 및 계획되지 않은 가동 중단을 줄이는 데 도움이 됩니다.

안전 계장 시스템은 위험한 상황에 대비한 독립 보호 계층(ILP)을 제공하여 위험 관리를 강화하는 데 도움이 됩니다. 적절한 절차와 작업자의 개입은 운전 중 위험을 줄이는 데 도움이 되지만, SIS는 상태를 지속적으로 모니터링하고 위험한 상황이 되면 자동으로 개입할 수 있습니다.

다음은 안전 계장 시스템이 예방하는 대표적인 위험 상황의 예입니다.

• 독성 화학물질 농도를 적절히 제어하지 못하는 제어 밸브의 고장
• 안전한 운전 조건을 유지하지 못하는 공정 제어 시스템의 고장
• 위험한 상태가 발생했음에도 작업자가 이를 인지하지 못하는 경우
• 베어링, 배관, 모터 및 기타 하드웨어 구성 요소의 고장

안전 계장 시스템은 주로 석유, 물, 화학물질과 같은 원재료를 제품으로 전환하는 공정을 보호하기 위해 공정 산업에서 사용됩니다. 대표적인 활용 사례는 다음과 같습니다.

• 석유 및 가스: 석유 및 가스 산업에서는 정유소, 해양 시추 플랫폼, 파이프라인 및 처리 시설을 모니터링하기 위해 안전 계장 시스템을 활용합니다. 석유 및 가스 산업용 안전 계장 시스템은 고압 상태에서의 자동 차단, 위험 화학물질 감지 및 장비의 자동 격리를 수행합니다.
• 화학 제조: 화학 제조업체는 반응성, 독성 또는 인화성을 가진 액체와 기체를 모니터링하기 위해 안전 계장 시스템을 활용합니다. 화학 제조 공장에서 SIS는 작업자의 안전을 확보하고 치명적인 사고를 방지하기 위해 반응기 온도, 액체 및 기체의 압력, 화학물질의 농도를 모니터링합니다.
• 발전소: 발전소 운영자는 터빈, 보일러 및 보조 설비와 같은 핵심 자산을 보호하기 위해 안전 계장 시스템을 사용합니다. 발전소의 SIS는 일반적으로 터빈 과속 보호, 보일러 정지 및 냉각 시스템 모니터링과 같은 안전 기능을 수행합니다.
• 제약 제조: 제약 산업에서 안전 계장 시스템은 생산 설비와 핵심 시스템이 안전하게 운영되도록 지원합니다. 많은 제약 공장에서는 인화성 용제, 독성 화학물질 및 고압 시스템을 사용합니다. 제약 공장에 구축된 SIS는 합성 반응기, 용제 저장 시스템, 증류 장치 및 고압 반응기를 안전하게 제어하는 데 도움이 됩니다.
• 폐수 처리 시설: 폐수 처리 시설에서는 화학약품 주입 시스템, 저장 탱크 및 펌프장을 안전하게 관리하기 위해 SIS 기술을 활용합니다. 폐수 처리 시설의 안전 기능은 컨베이어 시스템의 오작동, 가스 및 독성 화학물질 누출, 화재 및 폭발과 같은 다양한 위험 사고를 예방하는 데 도움이 됩니다.