KR102013717B1 - 수소 급유 스테이션의 제어 시스템 - Google Patents

수소 급유 스테이션의 제어 시스템 Download PDF

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헨리크 힐레케 모르텐센
클라우스 두에 신딩
예스페르 니센 보이센
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넬 하이드로겐 에이/에스
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Abstract

본 발명은 차량의 용기를 수소로 충전시키기 위한 수소 급유 스테이션에 관한 것으로서, 수소 급유 스테이션(1)은, 프로세스 콘트롤러를 포함하는 기본 프로세스 제어 시스템, 복수개의 프로세스 측정 장치, 복수개의 최종 프로세스 요소들 및, 수소 급유 스테이션의 작동의 모니터 및 제어를 용이하게 하는 복수개의 관련 기본 프로세스 제어 기능들을 포함하고, 수소 급유 스테이션은 안전 콘트롤러, 복수개의 안전 측정 장치들, 복수개의 최종 안전 요소들, 복수개의 관련 안전 수단 기능들을 포함하는 안전 수단 시스템을 더 포함하고, 최종 프로세스 요소들 및 최종 안전 요소들중 적어도 하나는 관련 프로세스 콘트롤러 또는 관련 안전 콘트롤러의 제어하에 각각 수소 급유 스테이션의 작동을 트리핑하는 것을 용이하게 한다.

Description

수소 급유 스테이션의 제어 시스템{A control system for a hydrogen refuelling station}
본 발명은 수소 급유 스테이션의 제어 시스템 및, 그러한 제어 시스템을 가진 수소 급유 스테이션의 제어 방법에 관한 것이다.
수소 급유 스테이션(Hydrogen Refuelling Stations ;HRS)의 수가 증가하기 시작하므로, 수소 급유 스테이션 제조업자들은 안전을 훼손시키지 않으면서 개별 수소 급유 스테이션의 가격을 절감하는데 초점을 맞춘다.
수소 급유 스테이션의 제어 시스템은 국제 출원 공개 WO 2006065602 에 개시되어 있다. 이러한 제어 시스템의 구조는 제어 매니저(control manager) 및 복수의 서브시스템 매니저(subsystem manger)에 의존한다. 마스터 제어 매니저는 복수의 전용 서브시스템 매니저를 통하여 수소 발생기를 정화시키는 제어를 관리한다. 따라서 연료, 물, 공기등을 제어하는 서브시스템들은 마스터 제어 매니저에 통신되도록 부착된 서브시스템 콘트롤러에 의하여 탈중심 방식(de-central manner)으로 제어된다.
종래 기술 문헌인 국제 출원 공개 WO 2006065602 는 수소 급유 스테이션의 제어와 관련하여 이루어진 안전 고찰의 예이다. 그러나, 이러한 고찰들은 시스템 레벨에서 이루어지며 따라서 이행, 시스템 레벨에서 발생되는 오류, 잘못된 상황에서의 제어 전략과 같은 범위의 문제들을 해결할 수 없다.
본 발명의 목적은 이러한 문제점들을 극복하는 수소 재충전 스테이션의 제어 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 이러한 문제점들을 극복하는 것이다. 따라서 본 발명은 차량의 용기를 수소로 채우는 수소 급유 스테이션에 관한 것으로서, 상기 수소 급유 스테이션은: 수소 공급부, 차량의 용기에 연결 가능한 수소 유출부 및, 기본 프로세스 제어 시스템을 포함하고, 상기 기본 프로세스 제어 시스템은 프로세스 콘트롤러, 복수개의 프로세스 측정 장치들, 복수개의 최종 프로세스 요소들 및, 수소 급유 스테이션의 작동을 모니터하고 제어하는 것을 용이하게 하는 복수개의 관련된 기본 프로세스 제어 기능들을 포함하고, 상기 수소 급유 스테이션은, 안전 콘트롤러, 복수개의 안전 측정 장치, 복수개의 최종 안전 요소 및, 복수개의 관련 안전 수단 기능들을 포함하는, 안전 수단 시스템(safety instrumented system)을 더 포함하고, 최종 프로세스 요소들 및 최종 안전 요소들중 적어도 하나는 관련 프로세스 콘트롤러 또는 관련 안전 콘트롤러 하에서 수소 급유 스테이션의 작동을 각각 트리핑(tripping)하는 것을 용이하게 하는 것을 특징으로 한다.
수소 급유 스테이션의 작동의 트리핑은 프로세스 콘트롤러에 의하여 프로세스 제어 기능들의 수행으로써 이행되는 것이 바람직스러우며, 만약 어떤 이유로 그것이 발생되지 않으면 안전 콘트롤러에 의하여 안전 수단 기능들의 수행으로써 수소 급유 스테이션의 작동이 트리핑되는 것이 유리하다.
기본 프로세스 제어 기능들 및 안전 수단 기능들이 바람직스럽게는 안전 콘트롤러의 마이크로프로세서에 의해 수행된 프로그램 코드이고, 프로세스 제어 기능들이 바람직스럽게는 프로세스 콘트롤러에 의해 수행된 프로그램 코드이다.
수소 급유 스테이션의 트리핑 작동이 바람직스럽게는 수소 급유 스테이션의 작동을 즉각 정지시키는 결과를 초래하며, 예를 들어 위험한 상황이 검출되었다면 급유 프로세스는 즉각 중단되어, 냉각 시스템, 콤프레서등을 정지시킨다. 위험한 상황은 예를 들어 고온 또는 고압, 저압 또는 저온, 누설, 화재등일 수 있다.
수소 급유 스테이션의 작동을 정지시킬 수 있는 최종 요소가 바람직스럽게는 수소 유동 경로에서 노즐로의 수소 유동을 정지키거나 또는 굴뚝을 통한 수소의 벤팅(venting)을 용이하게 하는 밸브이다. 최종 요소는 제어 신호에 작용하는 것으로 정의되며, 최종 요소들의 제어 결과의 예는 수소 유동의 정지, 굴뚝 외부로 안전하게 수소를 안내함, 콤프레서를 트리핑(tripping)시킴등이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 기본 프로세스 제어 기능들의 수는 안전 수단 기능들의 수보다 많다. 안전에 관련된 기본 프로세스 제어 기능들만이, 즉, 위험한 상황에 이를 수 있는 것만이 안전 수단 시스템에 의하여 모니터되는 것이 바람직스럽다. 따라서 기본 프로세스 제어 기능들과 같은 수량의 안전 수단 기능들이 있을 필요는 없다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 안전 수단 기능들은 기본 프로세스 제어 기능들에 입력을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 입력은 수소 급유 스테이션의 작동 모드를 변화시키도록 이용되며, 바람직스럽게는 수소 급유 스테이션의 작동을 정지시키도록 이용된다. 이것은 안전 수단 기능이 그것의 입력을 (안전) 평가하고, 그 결과로서 위험한 상황이 발생하고 있거나 발생할 것 같음을 나타내는 상황에서 유리하다. 따라서 안전 수단 기능은 프로세스 콘트롤러에게 그것의 최종 안전 요소들에 의하여 수소 급유 스테이션의 작동을 정지할 것인지 그리고/또는 수소 급유 스테이션의 작동 정지를 개시할 것인지 물을 수 있다.
작동 모드의 정지 또는 변화가 바람직스럽게는 위험한 상황으로의 급등을 방지하도록 가능한 한 신속하게 이루어진다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 안전 콘트롤러 및 프로세스 콘트롤러는 독립적인 마이크로프로세서를 포함한다. 콘트롤러들이 완전히 독립적인 것이 유리하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 차량의 용기를 채울 때 수소의 온도는 마이너스 섭씨 20 도 이고, 바람직스럽게는 섭씨 30 도 미만이고, 가장 바람직스럽게는 마이너스 섭씨 33 도 내지 마이너스 섭씨 40 도 사이이다.
일 실시예에 따르면, 차량 용기의 급유의 끝에서 수소의 압력은 500 bar 와 같거나 그것을 초과하고, 바람직스럽게는 750 bar와 같거나 그것을 초과하고, 가장 바람직스럽게는 875 bar 와 같거나 또는 그것의 미만이다. 급유의 시작 압력은 수소 급유 스테이션의 분배기 모듈에 연결될 때 용기내 압력에 따라서 1 내지 700 bar 사이인 것이 바람직스럽다. 바람직스럽게는 급유의 끝에서의 압력은, 노즐 및 호스를 포함하는 수소 급유 스테이션 구성 요소들이 수소 급유 스테이션 분배기를 차량에 연결하는 압력에 제한되어야 한다. 차량 용기에 허용된 만큼 수소를 급유하도록 단부 압력이 바람직스럽게는 800 내지 875 bar 이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 수소 급유 스테이션은 차량의 용기를 수소로 채우는 것을 용이하게 하며, 수소 급유 스테이션은 수소 공급부; 차량의 용기에 연결 가능한 수소 유출부; 및, 수소 급유 스테이션의 작동을 모니터하고 제어하도록 구성된 프로세스 콘트롤러;를 포함하고, 1 파라미터의 값은 프로세스 측정 장치에 의해 측정되어 수소 급유 스테이션을 제어하기 위한 프로세스 콘트롤러로의 입력으로서 이용되고, 프로세스 콘트롤러에 의한 수소 급유 스테이션의 제어는 제 1 파라미터의 프로세스 평가(process evaluation)에 기초한 수소 급유 스테이션의 작동 정지를 포함하고, 수소 급유 스테이션은 수소 급유 스테이션의 복수개의 파라미터들을 모니터하고 적어도 부분적으로 수소 급유 스테이션을 제어하도록 구성된 안전 콘트롤러를 더 포함하는 것을 특징으로 하고, 제 1 파라미터의 값은 안전 측정 장치에 의해 측정되고 안전 콘트롤러로의 입력으로서 이용되고, 안전 콘트롤러는 제 1 파라미터의 안전 평가를 수행하고, 안전 콘트롤러의 제어는 제 1 파라미터 값의 안전 평가에 기초하여 최종 안전 요소의 상태를 변화시킴으로써 수소 급유 스테이션의 정상 작동 모드로부터 비정상 작동 모드로의 변화를 가능하게 한다.
본 발명의 수소 급유 스테이션은 소프트웨어에 기인한 구성 요소에서의 고장의 결과로서 수소 급유 스테이션에 심각한 사건이 발생될 위험성을 감소시킨다는 점에서 유리하다. 이것은 프로세스 콘트롤러 및 안전 콘트롤러에 의해 수행되는 제어를 안전 콘트롤러에 의해 제공되는 우수한 모니터링에 의하여 프로세스 콘트롤러를 지배함으로써 작동의 모드를 변화시키기 때문이다. 따라서, 수소 급유 스테이션의 제어는 프로세스 콘트롤러에 의하여 수행되고, 프로세스 콘트롤러가 작용하지 않으면서 작동 파라미터들의 값이 한계 밖에 있는 있는 경우에만, 안전 콘트롤러는 제어를 떠안아서 수소 급유 스테이션을 안전 모드로 제어하는 것(수소 급유 스테이션을 트리핑하는 것)을 보장하며, 즉, 정상 작동중에는 안전 콘트롤러가 제어에 간섭하지 않으면서 오직 수소 급유 스테이션 작동을 모니터하기만 한다.
수소 공급부는 밸브를 통하여 수소 급유 스테이션으로 수소의 유동을 허용하는 수소 저장소이다. 수소 저장소는 수소 급유 스테이션의 일부(내부 저장소)이거나 또는 수소 급유 스테이션의 외부에 위치된 저장소이다. 대안으로서, 수소 유입부는 수소 공급 네트워크등에 연결될 수 있다.
모니터는 제어 시스템의 콘트롤러에서, 특히 안전 콘트롤러에서 수행된 계산을 포함할 수도 있다. 따라서 그 어떤 종류의 계산, 합산 및 비교라도 그 어떤 프로세스 콘트롤러 또는 안전 콘트롤러에 의해 수소 급유 스테이션의 제어에 이용될 수 있는 파라미터의 값에 이를 수도 있다. 모니터 작용이 단지 계산인 경우에, 제 1 및 제 2 측정 장치들은 종종 콘트롤러들의 데이터 프로세서일 것이다. 바람직스럽게는 지칭되는 콘트롤러들이 안전 콘트롤러 및 프로세스 콘트롤러이지만, 그러나 만약 필요하다면 프로세스 콘트롤러 및 안전 콘트롤러가 그것의 개별적인 기능들을 수행함에 있어서 지원하는 추가적인 콘트롤러들이 다른 목적을 위하여 이용될 수 있다.
제 1 및 제 2 측정 장치들은 수소 급유 스테이션의 실질적으로 동일한 위치에서 동일한 파라미터를 측정하는 동일한 장치들일 수 있다. (계산에 대하여 위에서 언급된 데이터 프로세서들은 예외로 하고) 측정 장치들의 예는 압력, 온도, 유동, 시간, 밸브의 위치(예를 들어, 개방/폐쇄)등을 모니터하는 트랜스듀서일 수 있다.
측정 장치들에 의해 측정된 파라미터(제 1, 제 2...N 파라미터)의 값은 예를 들어 유동, 압력, 온도, 수소 밀도등을 직접 또는 간접적으로 나타내는, "1" 또는 "0" (예를 들어 밸브는 "온" 또는 "오프" ), 구분되거나 또는 연속적인 값들이다.
파라미터의 값의 평가는 예를 들어 파라미터에 대하여 종종 최소 또는 최대 허용 가능 값인 쓰레숄드 값에 대한 값의 비교일 수 있다. 평가는 또한 수소 유동을 나타낼 수 있는 서로 떨어져서 위치된 압력의 2 개의 측정치들을 비교하는 것일 수 있으며, 즉, 간접 측정일 수 있다. 안전 콘트롤러에 의해 이루어진 평가는 때때로 안전 평가로서 지칭되고 프로세스 콘트롤러에 의해 이루어진 평가는 때때로 프로세스 평가로서 지칭된다.
안전 콘트롤러 및 프로세스 콘트롤러는 복수개의 상이한 프로세스 및 안전 측정 장치들로부터 상기 언급된 제 1 파라미터와 같은 파라미터들을 수신할 수 있다는 점이 언급되어야 한다.
안전 콘트롤러 및 프로세스 콘트롤러는 동일한 엔크로져에서 구현될 수 있지만, 안전 콘트롤러 및 프로세스 콘트롤러가 바람직스럽게는 개별의 마이크로프로세서들을 가지며 고장 문제들중 하나라도 감소시키거나 또는 제거하도록 완전히 독립적으로 작동하는데 필요한 다른 것을 가진다.
안전 콘트롤러에 의해 수행되는 제어는 최종 안전 요소들로서 지칭되는 액튜에이터들에 의해 수행된다. 안전 콘트롤러는 예를 들어 급유 프로세스를 제어하도록 설계되지 않지만, 수소 급유 스테이션을 비안전 작동 모드로부터 안전 작동 모드로 가져가도록 설계된다. 프로세스 콘트롤러에 의해 수행되는 제어는 최종 프로세스 요소들로 지칭되는 액튜에이터들에 의해서 수행된다. 안전 콘트롤러에 반하여, 프로세스 콘트롤러는 수소 급유 스테이션의 완전한 제어를 용이하게 한다. 최종 요소들은 종종 밸브들이다.
바람직스럽게는 안전 콘트롤러가 복수개의 상이한 파라미터들을 동시에 모니터한다.
바람직스럽게는 안전 콘트롤러가 수소 급유 스테이션의 작동 모드를 오직 모니터하고 변화시킨다. 이것은 오직 하나의 콘트롤러가 수소 급유 스테이션을 제어하지만 2 개의 콘트롤러들이 수소 급유 스테이션을 모니터하고 양쪽 모두가 작동 모드를 변화시키는 권한(authorization)을 가짐으로써 더 안전한 상황을 얻을 수 있다는 점에서 유리하다. 종종 이것은 수소 급유 스테이션의 작동 정지를 포함하는 수소 급유 스테이션의 작동 제한을 의미할 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 프로세스 및 안전 측정 장치들에 의해 측정된 제 1 파라미터는 수소 공급부와 수소 유출부 사이의 수소 유동 경로에서 측정되고, 제 1 파라미터는 압력, 수소의 유동, 밸브 위치, 온도 및 시간을 포함하는 목록으로부터 선택된다. 바람직스럽게는 파라미터가 분배기에서 측정되거나 또는 적어도 차량에 가장 가까운 관련 측정 장치로써 측정되며, 즉, 노즐 형태의 수소 유출부에서 측정된다. 수소 유동 경로는 수소 라인, 밸브들 및 다른 구성 요소들에 의해 한정되며, 차량에 급유를 수행할 때 수소는 수소 유동 경로를 통하여 유동하고 수소 유동에서 이루어지는 측정이 바람직스럽게는 이들 구성 요소들에 의해 이루어진다.
이러한 파라미터들은 모두 상기의 제 1 파라미터로서 지칭될 것이다. 이들 파라미터들이 바람직스럽게는 가능한 한 수소 유출부에 인접한 분배기에서 측정된다. 이들 파라미터들은 만약 그들의 값들이 한계치를 초과한다면 위험한 상황을 나타낼 수 있다는 점에서, 이들 파라미터들은 임계 파라미터들로서 카테고리를 이룬다. 따라서 차량 용기의 안전한 충전을 보장하도록 이들 파라미터들을 정해진 한계내에 유지하고 모니터하는 것이 바람직스럽다. 그러한 한계는 수소 급유 스테이션의 설계가 기초하고 있는 설계 파라미터들에 의해 정해질 수 있다.
위에 언급된 바와 같이, 제 1 파라미터의 값은 다른 측정치들에 기초하여 간접적으로 판단될 수 있다. 하나의 예로서 수소의 유동이 언급될 수 있는데, 이것은 수소의 밀도가 필요하다면 2 개의 압력 측정치들 및 온도 측정치로부터 도출될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 프로세스 콘트롤러와 안전 콘트롤러 사이의 통신은 안전 콘트롤러로부터 프로세스 콘트롤러로의 단일 방향이다. 안전 콘트롤러에 의해 수행된 제어 작용을 무효화시킴으로써 프로세스 콘트롤러에 통지가 이루어지며 따라서 프로세스 콘트롤러에 의해 허용되어야 한다. 따라서 안전 콘트롤러는 프로세스 콘트롤러보다 높은 제어 레벨을 가져서 안전 콘트롤러가 프로세스 콘트롤러의 제어를 무효화(overrule)시킬 수 있다.
바람직스럽게는 오직 안전 상태 신호들이 안전 콘트롤러로부터 프로세스 콘트롤러로 통신된다. 안전 상태 신호들은, 예를 들어 안전 콘트롤러의 상태, 수소 급유 스테이션의 작동의 트리핑과 같은, 안전 콘트롤러에 의해 수행되는 제어에 관련된 정보를 포함할 수 있다.
안전 콘트롤러의 상태는 수소 급유 스테이션의 (작동의) 건전성을 나타내며 따라서 오직 2 가지의 안전 상태들이 필요할 수 있는데, 즉, 정상 작동 상태 및 경고 작동 상태가 필요할 수 있다.
프로세스 콘트롤러가 안전 콘트롤러와 통신하는데 제한된 액세스(access)를 가져서, 안전 콘트롤러가 안전 제어에 있어서 프로세스 콘트롤러로부터의 입력을 사용할 위험성이 없다는 점에서 더욱 유리하다. 일부 실시예들에서, 프로세스 콘트롤러는 안전 콘트롤러와 통신할 수 없고 다른 실시예들에서 그러한 통신이 안전하거나 또는 예를 들어 결정적(deterministic)이라면 오직 가능한데, 즉, 안전 콘트롤러의 통신의 수신부가 미리 결정되거나 또는 안전 수단 기능들에 충격을 가하지 않거나 또는 제어된 충격을 가하는 것이 보장된다면 통신이 가능하다. 그에 의하여 수소 급유 스테이션의 작동의 안전을 증가시키기 위한 2 개의 완전히 분리된 모니터 및 제어 시스템이 얻어진다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 만약 제 1 작동 파라미터의 값의 안전 평가가 한계를 초과하는 것으로 판단됨과 동시에 수소 급유 스테이션이 정상 작동 모드에서 작동된다면, 안전 콘트롤러는 정지 신호를 프로세스 콘트롤러로 통신시킨다.
본 발명의 실시예에 따르면, 프로세스 콘트롤러 및 안전 콘트롤러는 동일한 최종 요소들을 제어한다. 만약 액튜에이터가 정확하게 제어되지 않을지라도 위험한 상황으로 이어질 수 없는 위치들에서 액튜에이터들(최종 요소들)이 위치되고 예를 들어 수소 유동을 제어하면 유리하다.
2 개의 내부 개별 액튜에이터들을 가지는 다른 액튜에이터들이 이용될 수 있으며, 이것은 안전 및 프로세스 콘트롤러들에 의하여 제어될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 프로세스 및 안전 측정 장치들은 실질적으로 위치에서 제 1 파라미터를 모니터한다. 온도 센서 또는 압력 센서와 같은 하나의 트랜스듀서의 기능 부전(malfunction)이 자체적으로 상기 파라미터가 모니터되지 않음을 야기시키지 않는다는 점에서 이는 유리하다. 따라서, 만약 프로세스 측정 장치 및 안전 측정 장치중 하나가 기능 부전일 경우에 다른 하나가 수소 급유 스테이션의 제어에서 이용될 수 있는 파라미터를 측정한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제 1 및 안전 측정 장치는 동일한 엔크로져내에 위치된다. 프로세스 및 안전 측정 장치들은 2 개의 출력을 가진 하나의 측정 장치로서 구현되거나 또는 동일한 엔크로져내에서 구현될 수 있다. 후자의 경우에, 2 개의 출력은 상이한 안전 요건들에 부합될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 안전 콘트롤러는 수소 급유 스테이션의 정상 작동중에 항상 활성화되어 있다. 이것은 프로세스 콘트롤러 및 안전 콘트롤러의 조합에 의해 제공되는 안전 레벨이 항상 유지된다는 점에서 유리하다.
정상 작동은 수소 급유 스테이션이 차량에 급유를 준비하고 있을 때 또는 차량에 급유를 하고 있을 때로서 이해되어야 한다. 다른 작동 모드는 수소 급유 스테이션이 유지되는 서비스 모드(service mode)일 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 안전 콘트롤러는 불능화될 수 있다. 이것은 안전 수단 시스템의 부품들, 즉, 안전 콘트롤러 자체 또는 연결된 측정 장치들 또는 최종 요소들의 수리와 관련된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 안전 콘트롤러는 프로세스 콘트롤러의 안전 레벨보다 높거나 또는 같은 안전 레벨에 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 안전 측정 장치는 프로세스 측정 장치들의 안전 레벨과 같거나 또는 그보다 높은 안전 레벨에 있다. 이것은 프로세스 콘트롤러 및 프로세스 측정 장치들에 비교하여 이론적으로 안전 콘트롤러 및 안전 측정 장치들의 높은 신뢰성을 보장한다는 점에서 유리하다. 콘트롤러 및 측정 장치들과 같은 구성 요소들의 안전 레벨을 정의하는 한가지 방법은 기능 안전 IEC61508 표준 또는 안전 통합 레벨(safety integrity level, SIL 등급)의 요건들에 따르고 그에 부합되는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 프로세스 및 안전 측정 장치들은 상이하게 제조된다. 이는 예를 들어 동일한 설계 오류가 양쪽 측정 장치들 모두에게 영향을 미칠 수 없다는 점에서 제 1 측정 장치 및 안전 측정 장치들 양쪽의 기능 부전 위험성이 감소되므로 유리하다. 따라서 작동 시간의 주어진 양 또는 고온이 양쪽 측정 장치들 모두를 동시에 고장나게 하지 않을 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 적어도 하나의 최종 안전 요소에 의하여, 작동의 정상 모드로부터 비정상 모드로의 변화가 수소 급유 스테이션의 작동을 트리핑시킴으로써 용이해진다. 트리핑(tripping)은 수소 급유 스테이션의 정상 작동을 정지시키는 것으로 이해되어야 한다. 바람직스럽게는 오류가 위치된 것으로 평가된 곳에 인접하여 수소 저장소에 대하여 (수소 저장소를 향하여) 하류측에 위치된 밸브의 위치를 변화시킴으로써 트리핑이 이루어진다. 그에 대한 대안으로서 또는 그에 추가하여, 노즐에 인접하게 위치된 밸브들이 수소 급유 스테이션의 사용자 및 차량을 보호하도록 폐쇄된다.
트리핑에 대한 대안으로서 또는 트리핑에 더하여, 안전 콘트롤러는 수소 배기를 용이하게 할 수도 있고, 접촉 서비스 인원, 소방대, 의료진등을 저장소의 수소 및 수소 라인들의 일부와 격리시킬 수 있다. 잘못된 상황과 관련하여 이루어지는 위험성 평가에 부합되는 전부는 오류에 의해 야기되는 불안정 상황으로부터 수소 유동의 정지를 적어도 의미하는 안전 상황으로 이전되는 것을 지칭한다.
특히 안전 콘트롤러가 변화를 용이하게 하기 전에 프로세스 콘트롤러가 작동의 정상 모드로부터 비정상 모드로 변화시키는 것을 가능하게 하는 상황에서, 프로세스 콘트롤러가 트리핑(tripping) 및 그에 대한 대안이 가능해진다는 점이 언급되어야 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 수소 급유 스테이션의 트리핑은 안전 콘트롤러 단독으로 작동되는 최종 안전 요소에 의해 용이하게 이루어진다. 이것은 위험한 상황을 야기할 수 있는 트리핑 이벤트(tripping event)에서 그러한 액튜에이터의 기능 부전(malfunction)의 위험성을 감소시키므로 유리하다.
본 발명의 실시예에 따르면, 안전 콘트롤러에 의해 수행되는 제 1 파라미터의 값의 평가는, 만약 정해진 쓰레숄드가 값에 의해 초과되거나 또는 그 미만이 되는지 여부를 모니터하는 것을 포함한다. 제한 통로(corridor)를 함께 정하는 2 개의 쓰레숄드들이 정해질 수 있으며, 상기 제한 통로 내에서 제 1 파라미터의 값이 정상 작동중에 존재한다는 점이 언급되어야 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 쓰레숄드는 수소 급유 스테이션의 작동중에 동적으로(dynamically) 판단된다. 이것은 파라미터들의 모니터가 동적으로 이루어지고 그에 의하여 주위 조건들(온도, 압력, 습도등), 급유되어야 하는 차량, 저장소, 작동 모드, 수소 급유 스테이션의 다른 구성 요소등으로부터의 정보가 제공되도록 적합화되므로 유리하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 안전 콘트롤러는 수소 급유 스테이션의 작동을 트리핑(tripping)하는데 이용되는 최종 프로세스 요소의 제어를 용이하게 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 안전 콘트롤러상의 소프트웨어 프로그램은 프로세스 콘트롤러상의 소프트웨어 프로그램과 상이하다. 이것은 2 개의 소프트웨어 프로그램들이 동일하지 않고 바람직스럽게는 동일한 프로그래머에 의해 만들어지지 않기 때문에 양쪽 콘트롤러에서 동일한 에러가 발생될 위험성이 현저하게 감소된다는 점에서 유리하다.
본 발명의 실시예에 따르면, 안전 콘트롤러의 소프트웨어 프로그램은 복수개의 안전 수단 기능들을 수행한다. 안전 수단 기능들은 수소 급유 스테이션의 작동 안전에 중요한 다수의 개략적인 제어 기능들로 이해되어야 한다. 따라서 수소 급유 스테이션에 대하여 안전을 증가시키기 위하여 이러한 안전 수단 기능들에 관련된 모니터 및 제어를 증가시키는 것이 유리하다. 안전 수단 기능들은 누설, 차량 용기 압력, 냉각 시스템, 차량에 전달된 수소 압력등을 모니터할 수 있다 (그리고 필요하다면 예를 들어 트리핑을 제어할 수 있다).
본 발명에 따르면, 복수개의 안전 수단 기능들은 개별의 작동 윈도우들을 가진다. 이것은 급유 프로세스에 대한 요건들이 제 1 급유로부터 다음 급유(주위 조건들, 상이한 시작 압력을 가진 상이한 차량들 등)로 변화될 수 있다는 점에서 유리하다. 따라서, 소위 안전 콘트롤러가 측정된 값의 위치 변화, 압력 또는 온도 변화, 검출된 유동등과 같은 하나 또는 일련의 이벤트들을 관찰했을 때, 개별적인 안전 수단 기능들의 작동 윈도우가 시작되고 정지되며, 즉, 모니터가 시작되고 정지된다. 이것은 안전 콘트롤러에 의하여 예를 들어 급유 프로세스의 주어진 상태로서 해석되며, 안전 콘트롤러는 작동의 상이한 상태들에서 작동 조건들을 알기 때문에, 수소 급유 스테이션이 안전한지 여부를 판단할 수 있다.
본 발명에 따르면, 안전 수단 기능들은 다음을 포함하는 목록으로부터 선택된다: 과잉 수소 유동 모니터(Excess Hydrogen Flow Monitoring), 개시 급유 누설 점검(Start Up Refueling Leak Check), 수소 전달 압력 모니터(Hydrogen Delivery Pressure Monitoring), 냉각 카테고리 모니터(Cooling Category Monitor), 수소 중간 압력 모니터(Hydrogen Middle Pressure Monitoring), 목표 압력 모니터(Target Pressure Monitoring), 차량 시동 압력 모니터(Vehicle Start Pressure Monitoring).
더욱이, 본 발명은 차량의 용기에 급유를 수행하기 위한 전기한 청구 내용중 어느 하나의 청구 내용에 따른 수소 급유 스테이션의 사용에 관한 것이다.
더욱이, 본 발명은 수소 급유 스테이션의 안전 콘트롤러에서의 수행을 위한 안전 수단 기능들을 판단하는 방법에 관한 것으로서, 상기 방법은: 수소 급유 스테이션을 제어하는데 필요한 제어 기능들을 안전 수단 기능들 및 비 안전 수단 기능들(non-safety instrumented functions)로 나누는 단계, 안전 수단 기능들을 모니터하도록 안전 콘트롤러에 필요한 입력을 판단하는 단계, 안전 콘트롤러가 안전 수단 기능들을 제어할 수 있도록 안전 콘트롤러로부터의 필요한 출력을 판단하는 단계를 포함한다.
더욱이, 본 발명은 안전 콘트롤러에 의해 적어도 부분적으로 제어되는 청구항 제 1 항 내지 제 28 항중 어느 한 항에 따른 수소 급유 스테이션에 관한 것으로서, 안전 콘트롤러에 의해 수행되는 제어는 적어도 하나의 안전 수단 기능에 기초한다. 바람직스럽게는 안전 콘트롤러에 의해 제공되는 제어가 수소 급유 스테이션의 작동을 트리핑한다.
다음에서, 본 발명의 몇가지 예시적인 실시예들은 도면을 참조하여 설명된다.
도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 수소 급유 스테이션을 도시한다.
도 2 는 본 발명의 실시예에 따른 중심 모듈 및 분배기 모듈 통신을 도시한다.
도 3 은 본 발명의 실시예에 따른 수소 급유 스테이션의 제어에 대한 예를 도시한다.
도 4a 는 본 발명의 실시예에 따른 안전 수단 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 4b 는 수소 급유 스테이션(1)의 분배기(14) 및 수소 급유 스테이션 엔크로져(11)내에서 도 4a 에 도시된 안전 수단 시스템의 구성 요소들의 위치를 도시한다.
도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 수소 급유 스테이션(1)의 개략적인 도면을 도시한다. 수소 급유 스테이션(1)은 공급 네트워크(4), 외부 수소 저장소(5), 내부 수소 저장소(6) 또는 임시 수소 저장소(7)의 형태인 수소 공급부로부터 차량(3)의 수용 용기(2)로 수소를 공급한다.
차량(3)에 수소를 급유하는 것에 관한, 예를 들어 SAE J2601 표준과 같은 현재 표준에 부합하도록, 수소 압력, 온도, 흐름, 시간등을 조절하도록, 수소 급유 스테이션(1)은 콤프레서(8), 냉각 시스템(9) 및, 제어와 모니터 시스템(10)을 포함하며, 이들 모두가 바람직스럽게는 수소 급유 스테이션(1)의 엔크로져(11)내에 위치한다.
급유 과정은 몇가지 상태를 포함하는데, 사용자가 급유를 요청할 때 "준비 상태"로부터 "사전 급유 상태"로 움직이는 것을 포함한다. 사용자가 노즐을 들어올리고 그것을 차량에 부착시킬 때, 사용자는 "급유 개시 상태(Refueling Start Up State)"를 시작할 수 있으며, 여기에서 차량의 차량 용기의 시작 압력이 결정된다. 시작 압력 및 다른 초기 파라미터들의 결정시에 "주 급유 상태(Main Refuelling State)"가 수행되는데, 여기에서 수소는 차량의 용기를 충전시킬 목적으로 차량의 용기로 제공된다. 급유가 완료되었을 때 "급유 정지 상태"에 진입하며, 여기에서는 준비 상태로의 복귀를 위한 준비가 이루어져서 수소의 호스 및 노즐이 비워진다.
제어 및 모니터 시스템(10)은 안전 콘트롤러(12) 및 프로세스 콘트롤러(13)를 포함하며, 이들은 이후에 더 설명될 것이다.
수소 급유 스테이션(1)의 대부분의 위치들에서, 호스(15) 및 노즐(16)(수소 유출부)에 의해 차량(3)에 연결될 수 있는 분배기(dispenser, 14)로부터 HRS 엔크로져(11)를 물리적으로 분리시키는 것이 바람직스럽다. HRS 엔크로져(11) 및 분배기(14)는 수소를 수소 급유 스테이션(1)으로부터 분배기(14)를 통하여 차량(3)의 수용 용기(2)로 공급하기 위하여 하나 이상의 공급 라인(17)들에 의해 연결된다.
도 1 에 도시된 수소 급유 스테이션(1)이 공급 라인(17)과 연결되고 분리된 분배기(14) 및 엔크로져(11)를 포함하는 것으로 도시되었을지라도, 수소 공급부(4,5,6,7)로부터 도 1 에서 노즐(16)로서 도시된 수소 유출부까지의 수소 급유 스테이션(1)의 구성 요소들 및, 그 사이의 수소 유동 경로에 있는 모든 것(밸브, 트랜스듀서, 액튜에이터, 즉, 수소 유동을 제어하기 위해 사용된 모든 구성 요소들)은 하나의 엔크로져내에 완전하게 통합될 수 있거나 또는 도 1 에 도시된 바와 같이 하나 이상의 개별 구성 요소들로서 설치될 수 있다는 점이 언급되어야 한다.
도 2 는 본 발명의 실시예에 따른 수소 급유 스테이션(1)의 제어 및 모니터 시스템(10)의 개략적인 도면을 도시한다.
제어 및 모니터 시스템(10)의 주 목적은 수소 급유 스테이션(1)이 안전 및 급유와 관련된 모든 관련 표준들에 부합됨을 보장하는 것이다. 따라서, 제어 및 모니터 시스템(10)은 복수개의 트랜스듀서(18a,18b)(일반적으로 18 로 표시됨)들로부터 입력을 수신하는데, 이것은 도 2 에서 수소 라인(19)에서의 측정 압력(P)이다 (여기에서 라인은 수소의 유동을 가능하게 하는 파이프를 지칭한다). 그러나 트랜스듀서(18)들은 수소 급유 스테이션(1)에서 수소 공급부(4,5,6,7)로부터 노즐(16)에 있는 수소 유출부까지 어느 곳에라도 위치될 수 있다. 또한 트랜스듀서(18)들은 수소 급유 스테이션 엔크로져(11)등의 내부와 외부의 온도와 같은 외부 값들과 관련된 입력을 제공할 수도 있다. 트랜스듀서(18)들은 유동, 압력, 온도, 밸브 위치등과 관련된 입력을 제공한다.
트랜스듀서(18a)는 프로세스 측정 장치의 예이고, 트랜스듀서(18b)는 안전 측정 장치의 예라는 점이 언급되어야 한다.
입력은 압력, 온도, 유동등을 조절하도록 제어 및 모니터 시스템(10)에 의해 이용된다. 도 2 에서, 이러한 제어는 도시된 밸브(20a,20b)(전체적으로 20 으로 표시됨)들에 의해 가능하게 이루어지는데, 밸브는 수소 라인(21)에서의 유동을 제어하고 그에 의해 분배기(14)로의 공급 라인(17) 및 분배기(14)에서의 유동을 제어한다. 제어 및 모니터 시스템(10)에 의해 수행되는 제어는 콤프레서(8), 냉각 시스템(9), 밸브(20) 등을 제어함으로써 바람직스럽게 이루어진다.
밸브(20a)는 최종 프로세스 요소의 예이고, 밸브(20b)는 최종 안전 요소의 예라는 점이 언급되어야 한다.
안전 콘트롤러(12) 및 프로세스 콘트롤러(13)는 아래에서 설명되는 바와 같이 통신할 수 있어서 안전상의 이유로 오직 안전 콘트롤러(12) 만이 프로세스 콘트롤러(13)에 정보를 제공하는 것이 바람직스럽다. 이와 같은 것으로써, 본 발명의 실시예에서는 제한된 정보가 프로세스 콘트롤러(13)로부터 안전 콘트롤러(12)로 보내질 수 있으며, 일 예로서 프로세스 콘트롤러(13)가 작동중이고(alive)/온라인(online)에 있는 것을 나타내는 감시 신호(watch dog signal)일 수 있다. 모니터 및 제어에서(즉, 바람직스럽게는 수소 급유 스테이션(1)의 작동을 트리핑(tripping)함에 있어서) 안전 콘트롤러(12)에 의해 사용되는 데이터는 프로세스 콘트롤러(13)에 의해 제공되지 않는다.
트리핑(tripping)은 수소 급유 스테이션의 작동을 임의의 정상 과정 상태로부터 안정 상태(secure state)로 가져가는 것으로 이해되어야 하며, 안정 상태는 대부분의 경우에 예를 들어 수소 유동을 제어하는 밸브를 개방/폐쇄함으로써, 수소 급유 스테이션의 작동을 정지 또는 차단하는 것을 의미한다. 트리핑은 유리하며, 왜냐하면 수소 급유 스테이션이 작동되는 온도 및 압력을 제어하는 것이 곤란하고 적절하게 제어되지 않으면 사람에게 위험할 수 있기 때문이다.
콘트롤러(12,13)들 사이에서 교환된 정보(바람직스럽게는 오직 안전 콘트롤러(12)로부터 프로세스 콘트롤러(13)로의 정보)는 안전 콘트롤러(12)에 의해 취급된 모든 데이터를 포함할 수 있다. 따라서, 수소 급유 스테이션(1)의 작동의 모드 또는 상태, 쓰레숄드 값, 측정 파라미터/값등에 관한 데이터는 프로세스 콘트롤러(13)에 의하여 기록(log)될 수 있다. 그러한 데이터가 프로세스 콘트롤러(13)에 제공되는 경우에 그것은 수소 급유 스테이션(1)의 제어에 이용되지 않는다는 점이 언급되어야 한다. 따라서 그러한 데이터는 프로세스 콘트롤러(13)에 의해 얻어진 측정치의 검증에 이용될 수 있다.
그러나 안전 콘트롤러는, 예를 들어 최종의 누설 점검 이래로 주어진 시간이 지나간 상황에서, 기본 프로세스 제어 기능 수행의 중단을 가능하게 할 수 있다. 통상적으로 만약 안전 콘트롤러(13)가 수소 급유 스테이션의 작동을 트리핑시켰다면, 이것은 측정 장치들을 통하여 프로세스 콘트롤러에 의해 관찰될 것이며 다음에 프로세스 콘트롤러는 작동의 안전 모드로 변화될 것이다. 작동의 정상 모드(normal mode)는 대기 및 급유 모드를 포함할 수 있고, 작동의 비정상 모드(non-normal mode)는 안전 및 작동의 비상 모드를 포함할 수 있다. 따라서 구성 요소들이 고장나지 않고, 제어 소프트웨어의 오류가 발생되지 않고 모든 파라미터들이 쓰레숄드내에 유지될 때, 급유 모드와 같은 수소 급유 스테이션 작동의 정상 모드가 발생된다. 구성 요소가 고장나고, 제어 소프트웨어에 오류가 생기고, 파라미터가 그것의 쓰레숄드를 초과하여 급유를 위한 현재의 표준에 부합되지 않거나, 또는 수소 급유 스테이션(1) 등에 인접한 사람이 위험해질 때, 안전 모드 또는 작동의 비상 모드와 같은, 수소 급유 스테이션(1) 작동의 비정상 모드가 발생된다.
도 2 에서 제어 및 모니터 시스템(1)의 안전 콘트롤러(12)와 프로세스 콘트롤러(13), 트랜스듀서(18) 및, 최종 요소(20)들은 통신 라인(22a,22b,22c)들을 통하여 통신하는 것으로 도시되어 있다. 그러나 안전 콘트롤러(12)와 안전 측정 장치(18b)와 최종의 안전 요소(20b)들 사이에서의 분리된 통신과 같은 대안의 통신 구성이 바람직스러울 수 있으며, 이것은 함께 안전 수단 시스템(safety instrumented system) 또는 약어로 SIS 로 지칭된다. 안전 수단 시스템의 통신과 병행하거나 또는 그것 이외에, 프로세스 콘트롤러(13)와 프로세스 측정 장치(18a)와 최종의 프로세스 요소(20a) 사이에서의 분리된 통신(이것은 함께 기본 프로세스 콘트롤 시스템(basic process control system)으로서 지칭되며 BPCS 로 약칭된다)이 바람직스럽게는 가능해진다. 통신 경로(22a,22b,22c)가 하나 이상의 통신 시스템들에서 와이어로 연결될 필요가 없다는 점이 언급되어야 한다. 통신은 그 어떤 종류의 무선 통신으로서 적어도 부분적으로 구현될 수 있고, 허용되는 경우에 그 어떤 종류의 통신 버스등으로서 구현될 수 있다.
따라서 제어 및 모니터 시스템(10)은 프로세스 콘트롤러(13)에 의하여 수소 급유 스테이션(1)의 제어를 가능하게 하고 안전 콘트롤러(12)에 의하여 이러한 제어의 모니터링을 가능하게 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 안전 콘트롤러(12)에 의한 수소 급유 스테이션(1)의 모니터링이 바람직스럽게는 동적 쓰레숄드 값(dynamic threshold value)에 기초한다. 이것은 수소 급유 스테이션(1)의 작동 모드에 따라서 측정 파라미터의 값들이 상이한 한계값을 가질 수 있게 한다. 따라서 대기 모드에서 분배기(14)의 수소 압력 및 온도는 급유 모드에서의 압력 및 온도 보다 낮을 수 있으며, 여기에서 압력 및 온도의 값들은 현재 표준과 부합되어야 한다.
따라서 안전 콘트롤러(12)는 파라미터에 대한 하나 이상의 쓰레숄드 값들을 실시간으로 판단하고, 안전 측정 장치(18b)에 의하여 측정된 파라미터를 가지고 상기 판단된 쓰레숄드를 안전 평가한다. 쓰레숄드 값들은 주어진 상황/모드에 대하여 미리 결정된, 순람표(look up table)로부터 판단될 수 있는데, 여기에서 예를 들어 작동의 모드에 기초하여 값이 판단된다. 즉, 쓰레숄드는 대기 모드에서 제 1 값을 가지고 급유 모드에서 제 2 값을 가질 수 있으며 제 1 값 및 제 2 값 모두는 테이블로부터 찾을 수 있다.
판단된 쓰레숄드 및 측정된 파라미터들의 평가(안전 또는 프로세스 평가)는 측정된 파라미터의 표준화(normalization), 복수의 측정 파라미터들의 비교, 계산등과 같은 수학적 조작을 포함할 수 있다. 하나의 예로서, 2 개의 압력 측정치 및 온도 측정치에 기초하여 유동의 계산이 이루어진다는 점이 언급될 수 있다. 압력은 압력 강하를 제공하는 구성 요소의 양측에서 측정된다. 수소 온도를 알게 됨으로써, 수소의 유동을 판단하도록 이용될 때 수소 밀도가 계산될 수 있다. 안전 콘트롤러(12)가 측정 장치(18b)로부터 입력을 획득한다는 점에서 평가가 동적으로(dynamic) 그리고 가능하게 이루어지며, 상기 측정치는 예를 들어 작동 모드의 변화를 나타내도록 이용된다. 따라서, 예를 들어 분배기(14)에 위치된 밸브들중 하나를 모니터하는 밸브 위치 선정기(valve positioned)로부터 수신된 파라미터가 "폐쇄"를 나타내는 상태로부터 "개방"을 나타내는 상태로 변화될 때, 안전 콘트롤러(12)는 현재의 작동 모드를 예를 들어 대기 모드로부터 급유 모드로 변화시키도록 판단하는데 상기 입력을 이용한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 사용자는 예를 들어 안전 콘트롤러(12) 및 프로세스 콘트롤러(13) 양쪽에 의하여 등록된 지불(payment)에 의하여 사용자 인터페이스(user interface, UI)를 통해서 급유를 개시한다. 안전 콘트롤러(12)는 다음에 예를 들어 밸브 위치 선정기(18b)들로부터의 정보를 이용하여, 개시 압력이 획득되는 때를 판단한다. 마찬가지로, 밸브 위치 선정기들 및 압력 센서(18B)들로부터의 정보는 (급유를 위해 이용된) 수소 저장소에서의 변화(shift)가 있을 때 그리고 급유가 종료되는 때를 판단하는데 이용될 수 있다.
안전 콘트롤러(12)가 모니터링을 수행하고 적어도 부분적으로 수소 급유 스테이션(1)을 제어하는데 기초가 되는 쓰레숄드 값들은 "고정"될 수도 있으며, 예를 들어 압력 및 온도와 같은 입력 값들에 기초한 일람표(look up table)로부터 찾을 수 있다는 점이 주목되어야 한다. 쓰레숄드 값들이 "고정"되는지 또는 동적(dynamic)이도록 되는지 여부는 이후의 급유 프로토콜(refueling protocol)에 의하여 판단될 수 있다. 바람직한 급유 프로토콜들은 SAE J2601 표준에 있다. 고정된 쓰레숄드의 예는 노즐의 압력일 수 있으며, 이것은 노즐의 정격 압력(rated pressure) 또는 표준치에 의해 결정된다. 최대 허용 노즐 압력의 쓰레숄드 값은 예를 들어 830 bar 일 수 있다.
대안으로서, 안전 콘트롤러(12)에 의해 모니터되는 작동 파라미터들에 대한 한계치 또는 쓰레숄드 및, 작동의 윈도우 안에 있는 관련된 안전 수단 기능(associated safety instrumented function)은 동적일 수 있다. 이것은 예를 들어 급유의 제 1 부분 동안, 허용 온도에 대한 쓰레숄드가 급유의 제 2 부분 동안의 온도와 상이하기 때문이다. 따라서, 개별 안전 수단 기능이 그것을 떠안아서 현재 쓰레숄드에 대한 입력을 평가한다면 유리하다. 그러므로, 하나의 온도는 급유 과정의 일 부분에서 안전 콘트롤러로부터 수소 급유 스테이션 작동의 제어(바람직스럽게는 오직 트리핑(tripping))에서의 상호 작용을 개시하며, 다른 부분에서는 그러하지 않는다.
예를 들어, 사용자가 노즐(16)을 분배기(14)로부터 제거하였고, 분배기(14)에 있는 사용자 인터페이스(UI)가 활성화되고, 지불이 받아들여지는지의 여부 등이 등록되었을 때, 대기 모드가 측정 장치(18a)에 의하여 급유 모드로 변화되어야 한다는 입력이 프로세스 콘트롤러(13)에 의해 수신된다. 상기 언급된 바와 같이, 안전 콘트롤러(12)가 바람직스럽게는 동일한 입력을 수신하지만 그 자체의 안전 측정 장치(18b)들로부터 수신한다.
다음에 안전 콘트롤러(12)는 그것의 제어 소프트웨어에 기초하여 쓰레숄드를 판단할 수 있다. 파라미터에 따라서, 쓰레숄드는 파라미터에 대한 상부값 및 하부값 양쪽을 가질 수 있으며, 즉, 파라미터 값이 그 안에 있어야 하는 제한 통로(corridor)를 가진다. 트랜스듀서(18)들에 의해 측정된 파라미터 값은 통상적으로 압력, 온도, 유동등을 직접 또는 간접으로 나타낸다.
파라미터가 제한 통로(corridor)를 막 떠나려 하거나 또는 떠났거나 또는 쓰레숄드를 초과하는 것을 측정된 파라미터가 나타낸다면, 안전 콘트롤러(12)는 작동의 정상 모드로부터 비정상 모드로 작동 모드를 변화시킬 수 있다. 이것은 차량(3)의 급유를 제어하는 프로세스 콘트롤러(13)를 가지고 정보의 교환 또는 상호 작용(interaction)이 전혀 없이 이루어지는 것이 바람직스럽다.
그러한 상황에서, 안전 콘트롤러(12)가 바람직스럽게는 프로세스 콘트롤러(13)에 작동 모드의 변화를 알린다. 이것은 프로세스 콘트롤러(13)가 새로운 작동 모드에 따라서 제어할 수도 있다는 점에서 그리고 예를 들어 제어 가능한 최종 요소(20a)들중 하나를 폐쇄할 수 있다는 점에서 유리하다.
도 3 을 참조하면, 상기의 일 예가 도시되어 있다. 프로세스 콘트롤러(13)는 사용자가 차량(3)의 급유를 시작한다는 입력을 사용자 인터페이스(UI)로부터 수신한다. 프로세스 콘트롤러(13)는 다음에 작동 모드를 대기 모드로부터 작동의 급유 모드로 변화시키는데, 이것은 밸브(V1)를 개방하여 분배기(14)로부터 차량(3)으로의 수소 유동을 가능하게 하는 것을 포함한다. 급유 동안에 수소 라인(21)의 영역(A)에서의 압력(P1)은 프로세스 콘트롤러(13)에 의하여 압력 트랜스듀서(P1p)로써 측정된다. 사용자 인터페이스(UI) 및 압력 트랜스듀서(P1p)는 모두 프로세스 측정 장치(18a)의 예이고, 밸브(V1)는 최종 프로세스 요소(20a)의 예라는 점이 언급되어야 한다.
안전 콘트롤러(12)는 밸브(V1)가 개방되었다는 입력을 밸브 위치 선정기(VP1)으로부터 수신하고, 이러한 정보를 이용하여 예를 들어 영역(A)에서의 수소 라인(21)에 있는 수소의 허용 압력(P1)에 대한 쓰레숄드를 판단하기 시작한다. 밸브 위치 선정기(VP1) 및 압력 트랜스듀서(P1s)는 안전 측정 장치(18b)의 예라는 점이 주목되어야 한다.
작동의 급유 모드는 현재의 급유 표준과 부합되도록 프로세스 콘트롤러(13)에 의해 제어 및 모니터된다. 급유하는 동안, 수소 라인(21)의 영역(A)에서의 압력은 안전 콘트롤러(12)에 의하여 압력 트랜스듀서(P1s)로써 그리고 프로세스 콘트롤러(13)에 의하여 압력 트랜스듀서(Plp)로써 측정된다.
바람직스럽게는 트랜스듀서(P1p, P1s)들이 압력을 측정하는 곳 사이의 거리가 0 내지 2 미터 사이이고, 바람직스럽게는 1 미터 미만이다. 도 3 에서 트랜스듀서(P1p, Pls)들은 직렬로 도시되어 있지만 이들이 병렬로 위치될 수도 있다.
정상적으로 만약 예를 들어 영역(A)에서의 압력이 그것의 쓰레숄드를 초과한다면, 프로세스 콘트롤러(13)는 예를 들어 하나 이상의 최종 프로세스 요소(20a)를 폐쇄함으로써 급유 모드의 중단을 보장하여, 수소의 유동을 정지시킨다. 그러나, 하나 이상의 프로세스 측정 장치(18a)들로부터의 입력이 상실(missing)되거나 또는 오도(misleading)된 경우에, 제어 소프트웨어들은 기능을 멈추거나, 또는 하나 이상의 최종 프로세스 요소(20a)들이 오작동하는 경우에 수소의 흐름은 시기 적절하게 정지되지 않을 수 있다.
그러한 상황에서 안전 콘트롤러(12)는 작동의 정상 모드로부터 비정상 모드로의 변화를 보장한다. 이것은 바람직스럽게는 안전 제어 소프트웨어인 제어 소프트웨어를 구비한 안전 콘트롤러(12)를 포함하는 안전 수단 시스템(safety instrumented system) 때문에 가능하며, 측정 장치(18b) 및 최종 안전 요소(20b)들은 모두 바람직스럽게는 프로세스 콘트롤러(13) 및 그것의 제어 소프트웨어, 측정 장치(18a) 및 최종 프로세스 요소(20a)들과 완전하게 독립적이다.
요약하면, 프로세스 콘트롤러(13)는 현재 표준에 따라서 수소 급유 스테이션(1)을 제어하는 것으로 지칭될 수 있는 반면에, 안전 콘트롤러(12)는 수소 급유 스테이션(1)의 작동을 모니터하며 만약 현재 표준에 부합되지 않는 경우에만 작동한다. 또한, 안전 콘트롤러(12)는 명백하게 바람직스럽게는 예를 들어 수소 저장소, 파이프등의 설계 제한치가 초과되는지의 여부를 모니터한다. 그러한 모니터 작용은 압력, 온도등과 관련된 것일 수 있다.
따라서, 영역(A)에서 측정된 압력과 같은 제 1 파라미터가 그것의 쓰레숄드(즉, 허용된 값/현재 표준에 의해 제한되고 바람직스럽게는 정의됨)를 초과하는 경우에, 안전 콘트롤러(12)는 왜 그것이 발생하는지도 모르고 왜 프로세스 콘트롤러(13)가 작용하지 않는지도 모를 수 있지만, 예를 들어 수소 흐름의 정지를 보장하게 되며 그에 의하여 프로세스 콘트롤러(13)의 제어를 무효화(overrule)시킨다.
프로세스 콘트롤러(13)에 의해 이용된 쓰레숄드들은 안전 콘트롤러(12)에서의 쓰레숄드보다 통상적으로 더 보수적(conservative)이다. 왜냐하면 필요한 경우에 프로세스 콘트롤러가 예를 들어 수소 급유 스테이션(1)을 폐쇄시키는 것이 바람직스럽기 때문이다. 이와 같은 것으로써 2 개의 콘트롤러(12,13)들에서 동일한 쓰레숄드 값들을 가지고 작동함에 의하여, 더 큰 작동 윈도우(operation window)가 여전히 최대의 안전과 함께 얻어진다.
도 3 을 참조하면, 트랜스듀서(Pls, 18b)가 도시되어 있으며, 정해진 쓰레숄드를 초과하는 압력을 측정할 때, 이것의 정보가 안전 콘트롤러(12)에 의해 사용되어 밸브(V2)를 폐쇄하고 통신 경로(22a)를 통하여 그것의 제어 작용과 통신하거나 또는 프로세스 콘트롤러(13)로 작동 모드의 변화를 이룬다. 밸브(V2)는 최종 안전 요소(20b)의 예라는 점이 언급되어야 한다.
예를 들어, 결함 측정 장치, 데이터 프로세서, 소프트웨어 오류 또는 유사한 것의 경우에, 프로세스 콘트롤러(13)는 쓰레숄드가 초과되는지를 관측할 수 없으며 밸브(V1)의 폐쇄를 개시하지 않아서, 비상 상황의 위험성이 발생된다. 그러한 상황을 방지하도록 본 발명은 병렬의 안전 수단 시스템을 이용한다. 따라서 안전 콘트롤러(12)로부터의 통신에 기초하여, 프로세스 콘트롤러(13)가 바람직스럽게는 밸브(V1)를 폐쇄하고, 그에 의하여 급유 과정이 바람직스럽게는 밸브(V2)를 폐쇄하는 안전 콘트롤러(12) 및 밸브(V1)를 폐쇄하는 프로세스 콘트롤러(13)에 의해 중단된다.
만약 안전 콘트롤러(12)가 수소 급유 스테이션(1)의 작동을 중단시키면, 통상적으로 기본 프로세스 제어 시스템(basic process control system)에서 어떤 유형의 기능 부전(malfunction)을 나타낸다. 따라서, 이벤트(event)의 근본 원인을 조사할 필요성이 종종 있다. 그러한 조사는, 에러의 수동 또는 자동 재설정(reset) 이전에, 측정 장치(18) 및 최종 요소(20)들의 수동 점검, 콘트롤러(12,13)들로부터의 데이터 분석을 포함할 수 있다.
통상적으로, 소위 하드 쓰레숄드(hard threshold)가 초과되었을 때, 안전 콘트롤러에 의하여 이루어지는 트리핑(tripping)은 수동 재설정을 필요로 한다. 이것은 그러한 에러가 가능하지 않아야 하지만 발생되었으므로 서비스 요원은 그러한 에러의 원인을 조사하여야 하기 때문이다. 하드 쓰레숄드 값의 예는 노즐의 최대 압력일 수 있으며, 예를 들어 830 bar 이다.
급유와 관련된 에러가 예를 들어 수소 온도가 약간 높은 것이라면, 프로세스 콘트롤러(13)에 의하여 교정되어야 한다. 그러나, 만약 어떤 이유로 온도를 낮추지 못한다면, 안전 콘트롤러는 급유 과정을 트리핑할 수 있거나 또는 중지할 수 있다. 그러나 그러한 에러는 차후의 급유 과정을 억제하는 것이 아니므로 자동적으로 재설정될 수 있다.
측정 장치/트랜스듀서들이 바람직스럽게는 분배기(14)내의 질량 유동, 분배기(14)로부터의 수소 유동을 제어하는 밸브의 위치, 가능한 한 노즐에 인접한 압력, 분배기(14)로부터의 수소 유동의 온도등을 측정한다. 또한 적외선 통신 채널을 통한 차량으로부터의 정보는, 안전 콘트롤러(12)로의 데이터, 프로세스 콘트롤러(13)로의 데이터, 또는 예를 들어 안전 콘트롤러(12)를 통한 프로세스 콘트롤러(13)와 같은, 양쪽 콘트롤러(12,13)로의 데이터로 분할될 수 있다.
상기 설명으로부터 이제 명백해지는 바로서, 본 발명의 제어 시스템(10)은 수소 급유 스테이션(1)의 작동을 제어하는, 즉, 제어 소프트웨어의 단계가 다음에 수행되는, 프로세스 콘트롤러(13)의 작동을 가능하게 한다. 이것은 안전 콘트롤러(12)에 반대인데, 안전 콘트롤러는 예를 들어 수소 급유 스테이션(1)의 모니터 이벤트(monitoring event)들에 기초하여 프로세스 콘트롤러(13)가 수소 급유 스테이션(1) 제어의 다음 단계로 움직이는지 여부를 평가한다.
명백하게 안전 콘트롤러(12)에 대한 수요는 프로세스 콘트롤러(13)에 대한 수요와 완전하게 다르다. 일 예로서, 안전 콘트롤러(12)는 수소 급유 스테이션의 모니터링에 기초하여, 예를 들어 급유 과정의 정지(stopping) 또는 중지(pausing)에서의 차이에 기초하여 계산하여야 한다. 안전 콘트롤러는 소위 뱅크 쉬프트(bank shift)에 기인한 밸브 폐쇄를 급유의 종료로부터 구분할 수 있어야 한다(즉, 급유 과정의 중지이며 정지가 아님)는 점이 하나의 예로서 언급되어야 한다.
도 4a 는 안전 수단 시스템의 개략적인 도면이며, 즉, 최종 안전 요소(20b)를 제어하는 안전 콘트롤러(12)에 입력을 제공하는 안전 측정 장치(18b)를 도시한다. 따라서 도 4a 는 오직 안전 콘트롤러(12)에 의하여 제어되는 안전 수단 시스템에 관련되는 것이지만, 프로세스 콘트롤러(13)에 의해 제어되는 기본 프로세스 제어 시스템의 유사한 개략적 도면이 존재한다. 바람직스럽게는 측정 장치(18b) 및 최종 안전 요소(20b)가 연결되는 I/O 모듈이 도시되지 않았다. 상기 I/O 모듈이 바람직스럽게는 안전 콘트롤러(12)의 I/O 모듈들에 케이블을 통하여 연결된다.
안전 수단 시스템(SIS; Safety Instrumented System)을 언급할 때, 하드웨어 및 소프트웨어 제어의 엔지니어링 세트(engineered set)를 포함하는 시스템이 참조되며, 이것은 특히 중요한 프로세스 시스템상에서 사용된다는 점이 언급되어야 한다. 중요한 프로세스 시스템은, 일단 가동되면 작동상의 문제가 발생되어, 불리한 안전, 건강 및 환경상의 결과를 회피하도록 "안전 상태"로 두어질 필요가 있을 수 있는 것으로 식별될 수 있으며, 즉, 위험한 상황을 회피하기 위하여 수소 급유 스테이션(1)의 작동을 트리핑시켜야 하는 것으로 식별될 수 있다.
SIS 에 의해 수행되는 특정의 제어 기능들은 안전 수단 기능(Safety Instrumented Functions; SIF)으로서 지칭된다. 이들은 전체적인 위기 감소 전략의 일부로서 수행되는데, 이것은 이전에 식별된 안전, 건강 및 환경 이벤트의 가능성을 제거하도록 의도되며, 상기 이벤트는 경미한 장비 손상으로부터 에너지 및/또는 물질의 제어되지 않은 재난적 방출을 포함하는 이벤트에 이르는 범위를 가질 수 있다.
안전 콘트롤러는 특유의 SIFs 에 의해 식별된 분리 기능들을 수행하기 위한 신호 처리 및 논리(signal processing and logic)를 포함한다. 따라서 SIF 는 측정 장치(18b)로부터의 입력을 수신하고 최종 요소(20b)를 제어하는 안전 콘트롤러의 일부로서 구현된다.
따라서 안전 수단 시스템(Safety Instrumented System; SIS)은 수용 불가능한 프로세스 조건들이 검출될 때 프로세스의 안전 상태를 유지하도록 설계된다. SIS 와 관련된 제어 및 수단(instrumentation)은 기본 프로세스 제어 시스템과 독립적으로 작동된다.
기본 프로세스 제어는 제 1 층의 보호를 제공하는데, 이것은 만약 예를 들어 압력 또는 온도가 범위를 벗어난다면 제어 작용을 교정하여 온도를 범위로 다시 돌려보낸다. 안전 콘트롤러의 SIF 는 제 2 층의 보호로서, 이것은 예를 들어 기본 제어가 온도 또는 압력을 범위내로 돌려보낼 수 없는 경우에 이용됨으로써, SIF 는 위험한 상황을 방지한다. SIF 를 필요로 하는 제어 기능 또는 구성 요소들은 위험 분석(risk analysis)에 의하여 판단된다. 마지막으로, 만약 안전 콘트롤러가 어떤 이유 때문에 예를 들어 작동을 트리핑시킴으로써 위험한 상황을 정지시키지 않는다면, 제 3 레벨, 즉, 기계적인 압력 제어 밸브가 활성화될 수 있다.
SIS 는 밸브 위치, 압력, 질량 유동등에서의 변화 패턴을 관찰함으로써 급유 과정에서 어디에 있는지, 즉, 프로세스 콘트롤러가 어떤 상태인지를 식별할 수 있다. 급유 과정에서 프로세스 콘트롤러가 어디에 있는지를 알게 됨으로써, SIS 및 SIF 는 작동의 개별 윈도우들이 언제 개방하고 폐쇄되는지를 알게 된다. 하나의 예는 급유를 위한 압력 램프(pressure ramp)의 모니터링일 수 있는데, 그것의 윈도우는 차량의 시작 압력이 측정될 때 개방될 수 있고 벤트 밸브가 개방될 때 폐쇄된다.
도 4b 는 수소 급유 스테이션 엔크로져(11)의 위치를 도시하고 수소 급유 스테이션(1)의 분배기(14)에서 안전 수단 시스템의 구성 요소들은 도 4a 에 도시되어 있다. 안전 수단 기능(SIF; Safety instrumented function)들의 몇가지 예는 도 4b 를 참조하여 설명될 것이다.
위에서 언급된 바와 같이, 안전 수단 시스템은 하나 이상의 안전 수단 기능들을 포함하며, 그 각각은 수소 급유 스테이션(1)의 하나 이상의 안전 관련 고장 모드들을 모니터한다. 또한 안전 수단 기능은 안전 수단 시스템의 최종 요소들이 활성화되어 안전 수단 기능들에 의해 검출된 위험을 제거하거나 또는 그것의 전개를 정지시키는 것을 보장한다.
SIF (안전 수단 기능)의 제 1 예는 차량 시동 압력 모니터 작용에 관한 것이다.
이러한 SIF 는 급유의 특정한 국면 동안의 안전으로서 의도되며 즉, 수용 용기의 압력과 예를 들어 수소 라인(21)에 있는 분배기(14) 안의 수소 사이에서의 압력 균등화 단계이다.
이러한 SIF 는 사용자가 급유를 시작한 이후에 10 초 동안 개방되는 작동의 윈도우에서 수소 급유 스테이션의 작동을 트리핑시킬 수 있을 뿐이다. 이것은 밸브 위치 선정기에 의해 안전 콘트롤러(12)로써 검출될 수 있다. 따라서, 작동의 압력 균등화 윈도우는 예를 들어 질량 유동이 검출되었을 때 시작될 수 있고, 분배기 노드 밸브(Dispenser Node Valve) 및 분배기 노즐 밸브(Dispenser Nozzle Valve) 모두가 폐쇄 위치에 있음을 안전 콘트롤러(12)가 검출했을 때 판단 기준(criteria)이 이행되어 끝난다.
이러한 SIF 는 압력 트랜스듀서(P2; 안전 측정 장치(18b))로부터 입력을 필요로 하고 그러한 입력에 기초하여 안전 콘트롤러(12)가 밸브(V3; 최종 안전 요소(20b))를 제어한다.
그러한 제어는, 만약 압력이 예를 들어 60 초 이내에 균등화되지 않으면 수소의 유동을 정지하는 것을 포함할 수 있다.
SIF 의 제 2 예는 급유의 개시시의 누설 점검에 관한 것이다. 분배기(14)의 호스(15)는 수소 급유 스테이션(1)과 차량(3) 사이의 직접 인터페이스이다. 안전하고 신뢰성 있는 급유를 보장하도록, 호스(15)는 급유 시작 시퀀스에서 점검되고, 주어진 시간 프레임(timeframe)에 걸쳐서 현저한 압력을 상실하면 아니된다.
이러한 SIF 는 급유의 특정 단계 동안의 안전으로서 의도되며, 즉, 호스 급유 누설 점검으로서 의도된다.
이러한 SIF 는 프로세스 콘트롤러(13) 및 안전 콘트롤러(12)가 수소 라인(21)에서의 유동을 검출할 때 개방되는 작동의 윈도우에서 수소 급유 스테이션(1)의 작동을 단지 트리핑시킬 수 있어야 한다. 누설 점검이 완료되었을 때 윈도우는 폐쇄된다.
이러한 SIF 의 로직(logic)은 안전 측정 장치(18b)들로부터의 입력을 필요로 하며, 안전 측정 장치들은 밸브(V4)의 위치를 모니터하는 밸브 위치 선정기(V4pos), 압력 트랜스듀서(P2) 및 온도 트랜스듀서(T1)를 포함한다. 이러한 입력들에 기초하여, 안전 콘트롤러(12)는 밸브(V3)를 포함하는 최종 안전 요소(20b)를 제어한다.
만약 제 2 압력/온도 점검으로부터 2 초 시간 간격의 제 1 압력/온도 점검 사이에 예를 들어 1 bar 와 섭씨 50 도의 차이가 있다면 상기 제어는 밸브(V3)의 폐쇄를 포함할 수 있다.
SIF 의 제 3 예는 분배기에서의 과도한 수소 유동 모니터 작용에 관한 것이다. 분배기(14)에서의 수소 유동은 기지의 유동 제한부를 가로지르는 압력 차이에 기초하여 계산된다. 질량 유동은 2 개의 압력 트랜스미터들을 포함하며, 만약 중간 제어 밸브가 폐쇄되어 수소의 유동이 불가능하게 되면, 잘못된 유동 계산이 초래된다. 이를 회피하도록, 상기 언급된 제어 밸브의 상태는 밸브 위치 선정기(Valve Positioner)에 의해 안전 콘트롤러(12)로 제공된다. 만약 측정된(계산된) 질량 유동이 밸브 개방중에 예를 들어 2 초 보다 더 오래 허용 가능 한계를 초과하면, 급유는 밸브와 같은 최종 안전 요소(20b)를 폐쇄시킴으로써 정지된다.
이러한 안전 통합 시스템을 위한 작동의 윈도우는 항상 수소 급유 스테이션(1)의 정상 작동중에 있다.
이러한 SIF 의 로직은 분배기(14)에 있는 수소의 질량 유동의 입력 및, 노즐 밸브의 상태를 모니터하는 밸브 위치 선정기로부터의 신호를 필요로 한다. 따라서, 노즐 밸브가 개방된 것을 제어 밸브 위치 선정기가 나타내는 동안, 만약 분배기(14)에서의 계산된 질량 유동이 2 초를 초과하는 동안 예를 들어 0.060 kg/second 의 한계를 초과한다면, 콤프레서의 작동은 트리핑되고 안전 최종 요소(20b)들은 폐쇄되어 수소 급유 스테이션(1)에서의 상이한 위치들에서 수소 유동을 정지시킨다. 또한 프로세스 콘트롤러(13)에 정보가 전해진다. 이러한 SIF 의 트리핑 형태는 수동 재설정(manual reset)을 필요로 한다.
SIF 의 제 4 예는 수소 전달 압력 모니터 작용이다. 주 급유 기간 동안, 수소 급유 스테이션은 압력을 적용하며, 급유 순람표(fueling Look-up table)에 기초하여 평균 압력 램프 비율값(Average Pressure Ramp Rate value)을 목표로 한다. 적용된 압력은 주 급유 기간의 경과된 시간에 기초하여 상부 허용치와 하부 허용치내에 속할 것이다. 주 급유 기간의 처음 5 초 동안을 제외하고, 만약 상부 허용치와 하부 허용치내에 압력 램프(pressure ramp)를 유지할 수 없다면 수소 급유 스테이션은 5 초 이내에 급유를 정지시킬 것이다.
이러한 SIF 는 급유의 특정한 단계(주 급유 상태) 동안의 안전으로서 의도되며, 오직 작동의 윈도우(window of operation) 안에서만 트리핑할 수 있어야 하는데, 이것은 필수적인 급유 파라미터들이 안전 콘트롤러(12)의 의해 판단될 때 개방되고, 완료 급유 상태(complete refueling state)로 진입할 때, 즉 호스 및 노즐의 벤팅(venting)을 가능하게 하는 벤트 밸브가 개방된 것을 밸브 위치 선정기가 측정할 때 폐쇄된다.
이러한 SIF 의 로직은 노즐 압력 트랜스미터로부터의 입력을 필요로 하며, 상부 쓰레숄드와 하부 쓰레숄드 사이에 압력이 있는지 모니터한다. 상부 쓰레숄드가 초과된 경우에, 안전 콘트롤러는 수소 급유 스테이션(1)의 작동을 트리핑한다.
압력이 하부 쓰레숄드 아래로 떨어지는 경우에, 수소 급유 스테이션(1)의 작동은 중지 타이머(pause timer)가 가동되지 않는 한 트리핑된다. 주 급유 상태의 처음 5 초를 제외하고, 만약 노즐 압력이 1/2 x 평균 압력 램프 비율 보다 작은 압력 증가를 겪는다면, 중지 타이머가 시작되고, 즉, 노즐 압력의 저장 및 측정이 중지된다. 중지 타이머가 온(on) 상태인 동안, 압력의 상부 및 하부 허용치(tolerance)들은 일정하게 유지되고, 수소 급유 스테이션(1) 작동의 트리핑을 가능하게 하지 않으면서 압력은 하부 한계치 아래로 떨어질 수 있다.
분배기 전달 압력 트랜스미터가 1/2 x 평균 압력 램프 비율보다 큰 압력 증가를 겪을 때, 중지 타이머가 정지되고, 압력의 상부 및 하부 허용치들의 전개가 이제 재개된다. 만약 중지 타이머가 예를 들어 20 내지 35 초 이후에 타임 아웃(time out)된다면 수소 급유 스테이션(1)의 작동이 트리핑되는 것이 바람직스럽다. 또한, 만약 예를 들어 중지 타이머가 정지된 이후에 최대 10 초가 경과한다면, 만약 (수소 공급의 변화를 가능하게 함에 있어서) 중지(pause) 하는 동안 측정된 압력을 노즐 압력에서 차감한 절대 압력이 100 bar 보다 작고 노즐 압력이 하부 쓰레숄드보다 아래라면, 수소 급유 스테이션(1)의 작동이 또한 트리핑된다. 그에 의하여 급유 동안 누설의 표시가 얻어지며, 이는 예를 들어 뱅크 쉬프트(bank shift) 동안 가장 현저한 것이다.
SIF 의 제 5 예는 분배기(14)에서의 냉각 카테고리(cooling category)의 모니터에 관한 것이다. 그 어떤 냉각 카테고리에 대하여, 즉, 급유 속도를 위하여 판단되는 수소의 온도 인터벌(temperature interval)에 대하여, 개시 이후의 30 초 기간 및, (예를 들어 뱅크 쉬프트(수소 소스의 변화)에서, 중간 누설 점검 등에서 발생되는) 의도된 비 급유 시간(Intended Non-fueling Time) 이후의 10 초 기간 동안, 냉각 카테고리는 그것의 대응하는 온도 범위를 유지할 것이다. 그러한 온도 범위의 일 예로서, 마이너스 섭씨 33 도 내지 마이너스 섭씨 40 도 까지의 T40 냉각 카테고리에 대한 것이 언급될 수 있으며, 여기에서 만약 수소 온도가 20 초 이내에 그 범위로 돌아온다면 마이너스 섭씨 30 도의 수소 온도가 수용된다. 만약 수소 급유 스테이션(1)이 이러한 냉각 카테고리 온도 범위내에 연료 전달 온도를 유지할 수 없다면, 대체 절차(fallback procedure)를 쫓아서 수소 급유 스테이션의 성능을 감소시키거나 또는 가능한 한 빠르게, 그렇지만 5 초 이내에 연료 주입을 중단시킨다. 상기 설명된 온도 범위는 냉각 카테고리(Cooling Category)로서 정의되며, 이것은 상기 안전 수단 기능이 수소 온도를 능동적으로 모니터하기 이전의 30 초에 판단된다. 따라서 이러한 안전 수단 기능을 가진 의도는, 냉각 카테고리의 변화를 2 번 일으키는 분배된 수소의 온도 변화가 차단(shut down)으로 이어져야만 한다는 것이다.
이러한 안전 수단 기능은 급유의 특정한 단계(주 급유 상태) 동안의 안전으로서 의도된 것이며, 급유 파라미터 상태(Refueling Parameter State; 급유를 시작하기 위하여 필요한 파라미터가 평균 압력 램프 비율 및 목표 압력과 같은 것으로 판단되는 상태) 이후에 30 초 동안 개방되고 급유 상태의 완료 또는 정지(급유가 끝난 상태)에 진입했을 때 폐쇄되는, 작동 윈도우에서만 안전 수단 기능이 트리핑될 수 있어야 한다.
이러한 안전 수단 기능은 노즐 온도 측정 장치로부터 입력을 가져오며, 따라서 만약 노즐 온도가 현재 냉각 카테고리에 대한 상부 한계를 초과한다면, "더 높은(hotter)" 냉각 카테고리로의 변화가 개시되고, 그러한 변화에 관하여 프로세스 콘트롤러(13)로 신호가 제공된다. 노즐 온도가 2 번 상부 한계를 초과하는 이벤트의 경우에, 안전 콘트롤러(12)가 수소 급유 스테이션(1)의 작동을 트리핑하는 것이 수행되고 프로세스 콘트롤러(13)에 정보가 제공된다.
SIF 의 제 6 예는 분배기(14)에서의 수소 중간 압력 모니터에 관한 것이다. 주 급유 기간 동안에, 수소 급유 스테이션(1)은 압력을 적용하되, 급유 순람표에 기초하여 평균 압력 램프 비율 값(average pressure ramp rate value)을 목표로 한다. 가해진 압력은 주 급유 기간 경과 시간에 기초하여, (평균 압력 램프 비율의 상부 한계와 하부 한계를 한정하는) 상부 쓰레숄드와 하부 쓰레숄드 이내에 속할 것이다. 주 급유 기간의 처음 5 초 동안을 예외로 하고, 만약 상부 쓰레숄드와 하부 쓰레숄드내에서 압력 램프를 유지할 수 없다면, 수소 급유 스테이션(1)은 5 초 이내에 급유를 정지할 것이다.
이러한 SIF 는 평균 압력 램프 비율의 쓰레숄드들에 대한 압력을 모니터하는데, SIF 는 냉각 카테고리의 변경 및 중지로서 연속적으로 업데이트(update)되어야 하고, 뱅크 전환(bank switch)은 쓰레숄드들의 통상적인 시간 의존적 전개(time-dependent development)를 변경시킬 수 있다. 이러한 SIF 의 의도는, 만약 차량의 급유 동안의 압력이 평균 압력 램프 비율을 한정하는 지정된 쓰레숄드를 벗어난다면, 수소 급유 스테이션의 작동의 트리핑 또는 급유 과정의 정지로 이어져야만 하는 것이며, 이는 시간 기간 이후에 자동적으로 재설정될 수 있다.
이러한 SIF 는 급유의 특정 단계(주 급유 상태) 동안의 안전으로서 의도되며, 안전 콘트롤러(12)가 평균 압력 램프 비율 또는 목표 압력과 같은 필수적인 급유 파라미터들을 판단했을 때 개방되고 완료 급유 상태에 진입했을 때, 즉, 호스 및 노즐로부터의 수소를 배출시키는 벤트 밸브가 프로세스 콘트롤러(13)에 의하여 개방될 때 폐쇄되는, 작동 윈도우에서만 트리핑될 수 있어야 한다.
이러한 SIF 의 로직(logic)은 노즐 압력 센서로부터의 입력을 필요로 하는데, 그 입력은 상기에 설명된 SIF 의 제 4 예에서의 노즐 압력 센서로부터의 것과 다른 것이 바람직스럽다. 이러한 SIF 의 로직은 상기 설명된 제 4 예의 로직으로서 작동하여 동일한 출력을 가진다.
SIF 의 제 7 예는 목표 압력 모니터에 관한 것이다. 목표 압력은 안전 급유에 대한 상부 한계를 정의한다. 프로세스 콘트롤러(13)는 성공적인 급유를 인식하도록 공차를 차감시킨 목표 압력을 이용하는 반면에, 안전 콘트롤러(12)는 이러한 SIF 를 통하여 차단(shutdown)을 이행하여 한다. 목표 압력은 급유 파라미터 상태에서 판단되지만, 통신이 상실되는 경우에 변화될 수 있다. 통신의 손실을 부담하도록, 스테이션은 목표 압력을 통신이 이루어지는 급유로부터 통신이 이루어지지 않는 목표 압력으로 변경할 수 있다. 만약 노즐 압력이 통신의 상실시에 비 통신 목표 압력을 초과한다면, 급유는 중단된다.
이러한 SIF 의 의도는, 만약 공차를 차감시킨 급유의 목표 압력에 도달하는 작용에서 프로세스 콘트롤러(13)가 실패한다면 수소 급유 스테이션(1)의 작동의 트리핑을 강제하기 위한 것이다. 공차를 차감시킨 목표 압력은 급유의 성공적인 종료를 판단하는 한가지 방법이다.
이러한 SIF 는 급유의 특정 단계(압력 평형화 상태) 동안의 안전으로서 의도되며, 파라미터들이 개시되었을 때 개방되고 완료 급유 상태가 달성되었을 때 폐쇄되는 작동의 윈도우에서만 트리핑될 수 있어야 한다.
이러한 SIF 의 로직은 압력 트랜스미터들이다 (예를 들어 분배 압력 전달 트랜스미터 및 목표 압력이다). 안전 콘트롤러(12)는 목표 압력의 순람표 값을 읽어야만 하며, 예를 들어 사전 냉각 온도 카테고리와 같은 변화 때문에 급유 충전 시퀀스 동안 안전 콘트롤러는 목표 압력의 순람표 값을 변화시킬 수 있다는 점이 인식되어야 한다. 따라서 SIF 는 순람표 값들을 그것의 작동 윈도우내에서 이행하며, 따라서 SIF 는 순람표 값을 압력 측정치와 비교하기만 하여야 한다.
만약 분배기 압력 전달 트랜스미터가 목표 압력을 초과한다면, 수소 급유 스테이션(1)의 작동이 트리핑된다. 그러나, 만약 안전 콘트롤러(12)가 기록되고, 통신이 상실되며, 통신이 상실되는 순간에 차량과 통신이 이루어지지 않으면서 급유에 허용된 목표 압력보다 분배기 전달 압력 트랜스미터가 더 높으면, 10 초간 대기한다. 만약 상기 10 초 동안 압력이 50 bar 보다 더 강하하면, 프로세스 콘트롤러(13)는 완료 급유 상태로 진입한 것으로 가정되고, 이러한 SIF 는 더 이상 활성화되지 않는다.
이러한 SIF 에 의한 수소 급유 스테이션(1)의 트리핑은 콤프레서 작동의 트리핑을 포함하고, 몇 개의 안전 최종 요소(20b)들은 폐쇄되어 수소 급유 스테이션(1)에서의 상이한 위치들에서 수소 유동을 정지시킨다. 또한 프로세스 콘트롤러(13)에게 정보를 제공한다. 이러한 SIF 를 형성하는 트리핑은 수동 재설정을 필요로 한다.
SIF 의 제 8 예는 분배기(14)에서의 차량 시동 압력 모니터 작용에 관한 것이다. 시동되는 동안 측정된 초기 압축 수소 저장 시스템 압력은 표준 SAE J2601 의 순람표의 적용에 있어서 P0 로서 이용될 것이다. 만약 측정된 초기 CHSS 압력이 5 bar 보다 작거나 또는 압력 클래스 공칭 작용 압력(pressure class nominal working pressure (700 MPa)) 보다 크다면, 수소 급유 스테이션(1)은 급유 과정을 가능한 한 빠르게 그러나 5 초 이내에 중단할 것이다.
이러한 SIF 는 질량 유동이 특정 한계를 초과할 때 윈도우가 폐쇄되는 작동의 윈도우 안에서 작동한다. 질량 유동(mass flow)은 각각의 펄스에 대하여 순간적으로 제로(zero)와 다를 수 있지만, 25 g/s 보다 높은 일관된 질량 유동만이 성공적인 압력 평형 상태를 나타낼 것이다. 이러한 SIF 의 의도는 시작 압력이 안전 범위내에 있고, 만약 그렇지 않으면 급유를 거부할 것을 보장하는 것이다.
이러한 SIF 는 급유의 특정 단계(압력 평형 상태) 동안의 안전으로서 의도되며, 급유 요청 이후에 5 내지 25 초 동안 개방되고 25 g/s 보다 높은 질량 유동이 1 내지 5 초 동안 일관되게 기록되었을 때 폐쇄되는 작동의 윈도우에서만 수소 급유 스테이션(1)의 작동을 트리핑시킬 수 있어야 한다.
이러한 SIF 의 로직은 압력 전달 압력을 측정하는 압력 센서로부터의 입력을 필요로 하고, 분배기를 통한 질량 유동과 관련된 안전 콘트롤러로부터의 입력을 필요로 한다. 급유 과정이 작동의 윈도우내에 있을 때 다음의 시퀀스가 수행된다.
시작 타이머(start timer)가 예를 들어 60 초에 있을 경우
만약 분배기 전달 압력 트랜스미터 측정치가 예를 들어 5 bar 내지 700 bar 의 안전 범위 밖에 있다면, 수소 급유 스테이션(1)의 작동은 트리핑되고, 프로세스 콘트롤러(13)에 정보가 제공된다.
만약 예를 들어 60 초 이후의 타임아웃이 질량 유동 기준(예를 들어, 2 초 동안 25 g/s)을 기록하지 않으면서 지나갔다면, 수소 급유 스테이션(1)의 작동은 트리핑되고, 프로세스 콘트롤러(13)에 정보가 제공된다.
이러한 SIF 는 예를 들어 60 초 이후에 자동 재설정될 수 있다.
상기한 것은 안전 콘트롤러(12)에 의해서 수행되는 모니터 작용 및 제어를 설명하도록 SIF 의 쌍을 설명한다. 상기의 SIF 의 센서들/트랜스듀서들의 예는 측정 장치(18b)들 및, 20b 로서 표시되고 트리핑을 가능하게 하는 최종 요소들이라는 점이 언급되어야 한다.
언급된 바와 같이 트리핑 또는 다른 제어 작용들이 수행되는 경우에 안전 콘트롤러(12)가 바람직스럽게는 정보를 프로세스 콘트롤러(13)에 제공한다. 또한 만약 안전 수단 기능이 부합된 것으로 판정되면 정보가 제공될 수 있다.
본 발명의 수소 급유 스테이션은 보트, 기차, 비행기등과 같이 차량이 아닌 것을 충전시키는데 이용될 수 있다는 점이 언급되어야 한다.
또한 만약 상기 설명에서 명확하지 않다면 여기에 설명되거나 도시된 실시예들 및 특징들 모두가 소망의 수소 급유 스테이션의 디자인/제어를 달성하도록 조합될 수 있다는 점을 언급하기로 한다.
마지막으로 수소 급유 스테이션(1)은 프로세스 콘트롤러 및 안전 콘트롤러에 의하여 수소 급유 스테이션의 안전한 차단을 가능하게 하는 무정전 전원 장치(UPS; Uninterruptible Power Supply)를 포함하는 것이 바람직스럽다는 점이 언급되어야 한다.
1. 수소 급유 스테이션 2. 수용 용기
3. 차량 4. 수소 공급 네트워크
5. 외부 수소 저장소 6. 내부 수소 저장소
7. 일시적인 수소 저장소 8. 콤프레서
9. 냉각 시스템 10. 제어 및 모니터 시스템
11. 수소 급유 스테이션 엔크로져
12. 안전 콘트롤러 13. 프로세스 콘트롤러
14. 분배기 15. 호스
16. 노즐 17. 공급 라인
18. 측정 장치 18a. 프로세스 측정 장치(Vpl, Pls)
18b. 안전 측정 장치(UI. Plp) 19. 수소 라인
20. 최종 요소 20a. 최종 프로세스 요소(V1)
20b. 최종 안전 요소(V2) 21. 수소 라인
22a. 22b.22c. 통신 라인 A. 수소 라인에서의 압력 측정의 영역

Claims (31)

  1. 차량(3)의 용기(2)를 수소로 채우기 위한 수소 급유 스테이션(HRS, 1)로서, 상기 수소 급유 스테이션(1)은:
    수소 공급부;
    차량(3)의 용기(2)에 유체 연결 가능한 수소 유출부; 및,
    프로세스 콘트롤러(13), 복수개의 프로세스 측정 장치(18a), 복수개의 최종 프로세스 요소(20a) 및, 수소 급유 스테이션(1)의 작동을 모니터하고 제어하는 복수개의 프로세스 제어 기능들을 포함하는, 프로세스 제어 시스템(basic process control system);을 포함하고,
    상기 수소 급유 스테이션(1)은, 안전 콘트롤러(12), 복수개의 안전 측정 장치(18b), 복수개의 최종 안전 요소(20b) 및, 복수개의 안전 수단 기능들을 포함하는, 안전 수단 시스템(safety instrumented system)을 더 포함하고,
    최종 프로세스 요소들(20a) 및 최종 안전 요소들(20b)중 적어도 하나는 프로세스 콘트롤러(13) 또는 안전 콘트롤러(12) 하에서 수소 급유 스테이션의 작동 각각을 정지(stopping)시키고,
    안전 콘트롤러상의 소프트웨어 프로그램은 프로세스 콘트롤러상의 소프트웨어 프로그램과 상이하고, 안전 콘트롤러의 소프트웨어 프로그램은 복수개의 안전 수단 기능들을 이행하고,
    제 1 파라미터의 값은 프로세스 측정 장치(18a)들중 하나에 의해 측정되어 수소 급유 스테이션(1)을 제어하기 위한 프로세스 콘트롤러(13)로의 입력 파라미터로서 이용되고,
    제 1 파라미터의 값은 안전 측정 장치(18b)들중 하나에 의해서도 측정되고 안전 콘트롤러(12)로의 입력 파라미터로서 이용되고,
    상기 안전 콘트롤러는 상기 입력 파라미터의 안전 평가에 기초하여 수소 급유 스테이션의 작동을 정지시키는 것을 특징으로 하는, 수소 급유 스테이션.
  2. 제 1 항에 있어서, 프로세스 제어 기능들의 수는 안전 수단 기능들의 수보다 많은, 수소 급유 스테이션.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 안전 수단 기능들은 프로세스 제어 기능들에 대한 입력(input)을 제공하는, 수소 급유 스테이션.
  4. 제 3 항에 있어서, 입력은 수소 급유 스테이션의 작동 모드를 변화시키도록 이용되고, 입력은 수소 급유 스테이션의 작동을 정지시키도록 이용되는, 수소 급유 스테이션.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 안전 콘트롤러의 마이크로프로세서와 프로세스 콘트롤러의 마이크로프로세서는 서로 독립적인, 수소 급유 스테이션.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 차량의 용기를 충전할 때 수소 온도는 섭씨 마이너스 10 도 미만인, 수소 급유 스테이션.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 차량의 용기의 급유가 끝났을 때 수소의 압력은 500 bar 와 같거나 500 bar 를 초과하는, 수소 급유 스테이션.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 수소 급유 스테이션(1)은 차량(3)의 용기(2)를 수소로 채우는 것을 수행하고, 상기 수소 급유 스테이션(1)은:
    수소 공급부; 및,
    차량(3)의 용기(2)에 연결 가능한 수소 유출부;를 포함하고,
    프로세스 콘트롤러(13)는 수소 급유 스테이션의 작동을 모니터하고 제어하도록 구성되고,
    프로세스 콘트롤러(13)에 의한 수소 급유 스테이션(1)의 제어는 제 1 파라미터의 프로세스 평가(process evaluation)에 기초한 수소 급유 스테이션의 작동 정지를 포함하고,
    수소 급유 스테이션(1)은 안전 콘트롤러(12)가 수소 급유 스테이션(1)의 복수개의 파라미터들을 모니터하고 적어도 부분적으로 수소 급유 스테이션(1)을 제어하도록 구성된 것을 특징으로 하고,
    안전 콘트롤러(12)는 제 1 파라미터의 안전 평가를 수행하고,
    안전 콘트롤러(12)의 제어는 제 1 파라미터 값의 안전 평가에 기초하여 최종 안전 요소(20b)의 상태를 변화시킴으로써 수소 급유 스테이션(1)의 정상 작동 모드로부터 비정상 작동 모드로의 변화를 수행하는, 수소 급유 스테이션.
  9. 제 8 항에 있어서, 프로세스 및 안전 측정 장치(18a,18b)들에 의해 측정된 제 1 파라미터는 수소 공급부 및 수소 유출부 사이의 수소 유동 경로에서 측정되고, 제 1 파라미터는 압력, 수소의 유동, 밸브 위치, 온도 및 시간을 포함하는 목록으로부터 선택되는, 수소 급유 스테이션.
  10. 제 1 항에 있어서, 프로세스 콘트롤러(13)와 안전 콘트롤러(12) 사이의 통신은 안전 콘트롤러(12)로부터 프로세스 콘트롤러(13)까지 단일 방향(unidirectional)인, 수소 급유 스테이션.
  11. 제 8 항에 있어서, 제 1 파라미터 값의 안전 평가가 한계치를 초과하는 것으로 판단됨과 동시에 수소 급유 스테이션이 정상 작동 모드에서 작동된다면, 안전 콘트롤러(12)가 정지 신호를 프로세스 콘트롤러(13)로 통신시키는, 수소 급유 스테이션.
  12. 제 1 항에 있어서, 프로세스 콘트롤러 및 안전 콘트롤러는 동일한 최종 요소(20)들을 제어하는, 수소 급유 스테이션.
  13. 제 8 항에 있어서, 프로세스 및 안전 측정 장치(18a, 18b)들은 밸브 위치에서 제 1 파라미터를 모니터하는, 수소 급유 스테이션.
  14. 제 13 항에 있어서, 프로세스 및 안전 측정 장치(18a, 18b)들은 동일한 엔크로져(enclosure)내에 위치되는, 수소 급유 스테이션.
  15. 제 1 항에 있어서, 안전 콘트롤러(12)는 수소 급유 스테이션(1)의 정상 작동중에 항상 활성화되는, 수소 급유 스테이션.
  16. 제 1 항에 있어서, 안전 콘트롤러(12)는 불능화(disable)될 수 있는, 수소 급유 스테이션.
  17. 제 1 항에 있어서, 안전 콘트롤러(12)는 프로세스 콘트롤러(13)의 안전 레벨과 같거나 상기 안전 레벨을 초과하는 안전 레벨에 있는, 수소 급유 스테이션.
  18. 제 1 항에 있어서, 안전 측정 장치(18b)들은 프로세스 측정 장치(18a)들의 안전 레벨과 같거나 상기 안전 레벨을 초과하는 안전 레벨에 있는, 수소 급유 스테이션.
  19. 제 8 항에 있어서, 프로세스 측정 장치(18a)는 안전 측정 장치(18b)로부터 분리되는, 수소 급유 스테이션.
  20. 제 1 항에 있어서, 정상 작동 모드로부터 비정상 작동 모드로의 변화는 적어도 하나의 최종 안전 요소(20b)에 의하여 수소 급유 스테이션(1)의 작동을 정지(stopping)시킴으로써 수행되는, 수소 급유 스테이션.
  21. 제 1 항에 있어서, 수소 급유 스테이션(1)의 정지는 안전 콘트롤러(12) 단독으로 작동되는 최종 안전 요소(20b)에 의해 수행되는, 수소 급유 스테이션.
  22. 제 8 항에 있어서, 안전 콘트롤러(12)에 의해 수행되는 제 1 파라미터 값의 평가는, 상기 값이 정해진 쓰레숄드를 초과 또는 미달하는지 여부를 모니터링하는 것을 포함하는, 수소 급유 스테이션.
  23. 제 22 항에 있어서, 쓰레숄드는 수소 급유 스테이션(1)의 작동중에 동적으로 판단되는, 수소 급유 스테이션.
  24. 제 1 항에 있어서, 안전 콘트롤러(12)는 수소 급유 스테이션의 작동을 정지시키기 위하여 사용되는 최종 프로세스 요소(20a)의 제어를 수행하는, 수소 급유 스테이션.
  25. 삭제
  26. 삭제
  27. 제 1 항에 있어서, 복수개의 안전 수단 기능들은 개별적인 작동의 윈도우들(window of operations)을 가지는, 수소 급유 스테이션.
  28. 제 1 항에 있어서, 안전 수단 기능들은: 허용 한계를 초과하는 수소 유동의 모니터링, 시작 급유 누설 점검, 수소 전달 압력 모니터링, 급유 속도의 판단을 위한 온도 범위 모니터링, 수소 중간 압력 모니터링, 목표 압력 모니터링, 차량 시동 압력 모니터링을 포함하는 목록으로부터 선택되는, 수소 급유 스테이션.
  29. 삭제
  30. 삭제
  31. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 안전 콘트롤러에 의해 적어도 부분적으로 제어되고, 안전 콘트롤러에 의해 수행되는 제어는 적어도 하나의 안전 수단 기능에 기초하는, 수소 급유 스테이션.
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