KR20170101123A - 수소 충전 시스템을 위한 통신 시스템 - Google Patents

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KR20170101123A
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KR
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hrs
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safety
hydrogen
controller
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Application number
KR1020170021983A
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Inventor
라르스 묄레르
예른 로센룬드
Original Assignee
넬 하이드로겐 에이/에스
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Abstract

HRS(1)는 HRS 센터 모듈, HRS 디스펜서 모듈 및 HRS 센터 모듈과 HRS 디스펜서 모듈 사이에서의 수소의 흐름을 용이하게 하는 제1 수소 공급 라인을 적어도 포함하고, HRS 센터 모듈은 안전 컨트롤러 및 프로세스 컨트롤러를 포함하며, 데이터는 안전 통신 채널을 통해 안전 컨트롤러와 HRS 디스펜서 모듈의 안전 구성요소들 사이에서 전달되고, 데이터는 프로세스 통신 채널을 통해 프로세스 컨트롤러와 HRS 디스펜서 모듈의 프로세스 구성요소들 사이에서 전달된다.

Description

수소 충전 시스템을 위한 통신 시스템{Communication system for a hydrogen refueling system}
본 발명은 2개의 개별적인 통신 채널들을 포함하는 데이터 통신 네트워크를 갖는 수소 충전 스테이션에 관한 것이다.
최근 몇 년 동안 수소 충전소(Hydrogen Refueling Stations, 이하 'HRS'로 지칭함)가 시제품에서 정식 생산된 HRS로 출시되었다. 이 과정에서 디스펜서 모듈은 HRS 센터 모듈과 분리된 독립적인 모듈이 되었다. 이에 따라, HRS의 설계가 완전히 변경되었고, 개별 모듈들의 유지보수, 작동, 및 안전과 관련한 변경 또한 이루어지게 되었다.
본 발명은 HRS 센터 모듈과 분리된 독립적인 모듈인 디스펜서 모듈을 갖는 HRS 설계가 갖는 문제점들을 해결할 수 있는 수소 충전소를 제공하고자 한다.
본 발명은 수소 충전소(HRS; Hydrogen Refueling Station)에 관한 것으로, HRS 센터 모듈, HRS 디스펜서 모듈, 및 상기 HRS 센터 모듈과 상기 HRS 디스펜서 모듈 사이의 수소 유동을 촉진하는 제1 수소 공급 라인을 적어도 포함하고, 상기 HRS 센터 모듈은 안전 컨트롤러 및 프로세스 컨트롤러를 포함하며, 데이터는 상기 안전 컨트롤러와 상기 HRS 디스펜서 모듈의 안전 구성요소들 사이에서 안전 통신 채널을 통해 전달되고, 데이터는 상기 프로세서 컨트롤러와 상기 HRS 디스펜서 모듈의 프로세스 구성요소들 사이에서 프로세서 통신 채널을 통해 전달된다.
HRS 센터 모듈은 바람직하게는 차량의 수소 연료 보급을 촉진하는 구성요소를 용이하게 한다. 상기 HRS의 구성 요소들은 냉각 시스템, 압축기, 내부 수소 저장 장치, 수소 공급 장치로부터 차량에 연결할 수 있는 수소 출력 장치로의 수소 흐름을 제어하는 밸브들, 유로(flow path)에서의 압력, 유량, 온도 등을 측정하기 위한 트랜스듀서들 등을 포함할 수 있다.
상기 디스펜서 모듈은 HRS 센터 모듈의 통합 부품이 될 수 있지만, 대부분의 현장에서 상기 HRS 센터 모듈과 상기 HRS 디스펜서 모듈은 5 내지 65 미터 사이의 간격을 유지하는 것이 바람직하다. 이것은 주로 알려진 화석 연료 주유소들과 비교될 수 있는 HRS의 설계를 확보하기 위함이다.
하나 이상의 HRS 디스펜서 모듈이 상기 HRS 센터 모듈에 연결될 수 있음이 언급되어야 한다. 그러한 상황에서 데이터 통신 설정은, 수소 저장 모듈을 포함하는 HRS 하위 모듈(submodule)과 HRS 센터 모듈 사이의 직접적인 상황과 같이, 단지 하나의 HRS 디스펜서 모듈을 갖는 상황들과 유사할 수 있다. 대안적으로, HRS 센터 모듈과 상기 HRS 디스펜서들 사이의 통신은 직렬일 수 있으며, 즉 제2 HRS 디스펜서 모듈은 제1 HRS 디스펜서 모듈을 통해 HRS 센터 모듈과 통신한다.
상기 안전 컨트롤러와 상기 프로세스 컨트롤러는 동일한 인클로저에 구현될 수 있지만, 여전히 개별 마이크로프로세서들을 갖는 안전 컨트롤러와 프로세스 컨트롤러 내지 다른 무엇이 완전히 독립적으로 작동하여 고장 이슈들이 있는 일 지점을 줄이거나 제거하는 것이 필요하다.
안전 컨트롤러에 의해 수행되는 제어는 최종 안전 요소들로 지칭되는 액추에이터들에 의해 수행된다. 상기 안전 컨트롤러는, 예를 들어 재충전 프로세스이지만 HRS를 안전하지 않은 상태 작동 모드에서 안전한 작동 모드로 전환하도록 설계된다. 프로세스 컨트롤러에 의해 수행되는 제어는 최종 프로세스 요소들로 지칭되는 액추에이터들에 의해 수행된다. 상기 안전 컨트롤러와 대조적으로, 상기 프로세스 컨트롤러는 상기 HRS의 완벽한 제어를 용이하게 한다. 상기 최종 프로세스/안전 요소들은 종종 밸브들이다.
바람직하게는, 상기 안전 컨트롤러는 단지 상기 HRS의 동작 모드를 모니터링하고 변경한다. 이는 하나의 컨트롤러만이 HRS를 제어하지만 2개의 컨트롤러들이 HRS를 모니터링하고 양자가 더 안전한 상황을 얻기 위해 동작 모드를 변경할 수 있는 권한을 갖는다는 점에서 유리하다. 이는 종종 HRS의 동작을 중지하는 것을 포함하여 HRS의 작동을 제한하는 것을 의미할 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 HRS는 제2 수소 공급 라인과 유동 연결된 수소 저장 모듈을 더 포함하고, 데이터는 상기 안전 컨트롤러와 상기 수소 저장 모듈의 안전 구성요소들 사이에서 안전 통신 채널을 통해 전달되고, 데이터는 상기 프로세서 컨트롤러와 상기 수소 저장 모듈의 프로세스 구성요소들 사이에서 프로세서 통신 채널을 통해 전달된다. 바람직하게는 상기 수소 저장 모듈은 외부 저압 수소 저장 장치이고, 상기 HRS는 상기 외부 저압 수소 저장 장치로부터 차량을 충전하기 위해 저장되어 있는 내부 버퍼 탱크로 수소를 가이드하고 압력 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 안전 구성요소들 및 상기 프로세스 구성요소들은 다음 리스트로부터 선택된다: 밸브, 온도 센서, 압력 센서, 밸브 포지셔너(valve positioner), 유동 센서, 누설 센서, UV/화재 센서. 바람직하게는, 상기 안전 및 프로세스 구성요소들은 다른 위치들에 설치되지만 동일한 값을 측정하거나 제어하는 동일한 구성요소들이다. 이로써 2개의 병렬 제어 시스템이 얻어진다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 안전 구성요소들은 안전 I/O 모듈들)을 통해 상기 안전 컨트롤러와 통신하고, 상기 프로세스 구성요소들은 프로세스 I/O 모듈들을 통해 상기 프로세스 컨트롤러와 통신한다. 이것은 2개의 병렬 제어 시스템들이 완전히 분리되고 하나가 다른 것보다 더 높은 안전 수준에 있다는 점에서 유리하다. 이는 기능 안전 표준(IEC61508) 표준의 요구사항들을 준수하고 및/또는 안전 무결성 레벨(SIL; Safety Integrity Level) 2, 바람직하게는 레벨 3의 요구사항들을 준수하는 제어 시스템의 구현을 용이하게 하고 그에 의해 SIL 레벨 3 평가된 제어 시스템이 확보된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 HRS 센터 모듈은, 디스펜서 안전 I/O 모듈과 통신하는 센터 안전 I/O 모듈 및 디스펜서 프로세스 I/O 모듈과 통신하는 센터 프로세스 I/O 모듈을 더 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 케이블은 센터 안전 I/O 모듈과 상기 디스펜서 안전 I/O 모듈 사이의 통신 및 센터 프로세스 I/O 모듈과 상기 디스펜서 프로세스 I/O 모듈 사이의 통신을 용이하게 한다. 이는 HRS 센터 모듈과 서브 모듈들(디스펜서 및 저장 장치) 사이에 하나의 물리적 케이블만이 제공되어야 한다는 점에서 유리하다. 따라서 상기 디스펜서 I/O 모듈들(안전 및 프로세스)은 하나의 케이블을 통해 바람직하게는 별도의 와이어 쌍들을 통해 센터 I/O 모듈들과 통신한다.
따라서 비록 HRS 센터 모듈과 디스펜서 모듈 사이에 단지 하나의 물리적인 통신 경로만이 존재하더라도, 안전 및 프로세스 통신 채널들이 유지된다.
센터 모듈과 수소 저장 모듈 또는 다른 HRS 모듈들 사이의 통신에도 동일한 원리들이 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 안전 및 프로세스 통신 채널들 중 적어도 하나는 지면 아래의 상기 HRS 센터 모듈과 HRS 디스펜서 모듈 사이의 케이블 공급(cable feed)으로 구현된다. 바람직하게는, 안전 및 프로세스 통신 채널들 모두는 별도의 케이블 또는 동일한 케이블 내의 적어도 상이한 쌍들의 와이어들이다. 상기 케이블들은 바람직하게는 구리(cobber) 또는 알루미늄 케이블들이지만, 이뿐만 아니라 광통신 케이블들과 무선 통신도 사용될 수 있다.
센터 모듈과 수소 저장 모듈 또는 다른 HRS 모듈 사이의 통신에 동일한 케이블들이 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, PROFINET(Process Field Net)을 사용하는 상기 안전 통신 채널들은 EtherCAT(Ethernet for Control Automation Technology) 또는 PROFIsafe(PROFIBUS safety 또는 PROFINET safety) 통신 프로토콜들에 대해 안전 장치로 작동한다. 이는 안전한 통신 프로토콜들을 통한 통신이 모듈들 간의 통신에서 데이터 패키지들의 손실 위험을 줄이는데 중요하다는 점에서 선호된다.
동일한 원리가 센터 모듈과 수소 저장 모듈 또는 다른 HRS 모듈들 간의 통신에서 통신 프로토콜을 결정하는데 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 프로세스 통신 채널들은 EtherCAT 통신 프로토콜을 사용한다. 프로세스 제어 데이터 통신에 대한 요구사항들은 안전 데이터 통신만큼 높지 않고 따라서 EtherCAT 또는 Profinet, Profibus 모드버스(Modbus) 등과 같은 다른 유사한 안전하지 않은 통신 프로토콜들이 사용될 수 있다.
동일한 원리가 센터 모듈과 수소 저장 모듈 또는 다른 HRS 모듈들 간의 통신에서 통신 프로토콜을 결정하는데 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 안전 및 프로세스 통신 채널들 중 적어도 하나는 케이블들로 구현되고, 상기 적어도 하나의 케이블은 상기 HRS 센터 모듈과 상기 HRS 디스펜서 모듈 사이에서 덕트(duct) 내 지면 아래에서 적어도 부분적으로 공급되고, 바람직하게는 상기 덕트 내 케이블 파이프 내에서 공급된다. 따라서 덕트는 비록 그것을 구축하는 것이 상대적으로 비싸더라도 매우 유리하고, 케이블들 및 파이프들의 보호 및 그에 대한 접근성은 매우 중요하며, 덕트 덕분에 케이블들 및 파이프들을 공급하는 방식이 선택되는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 덕트는 제거 가능한 상부 덮개를 갖는다.
바람직하게는 상기 덕트는 모듈들 사이에 만들어진 채널에서 콘크리트로 주조된다. 제거 가능한 상부 커버를 갖는 그러한 덕트는 덕트 내의 케이블들이 습기 및 먼지에 의한 열화에 노출되지 않고 케이블들 위의 영역에서 장래의 굴착으로 인한 손상들으로부터 더욱 보호된다는 점에서 유리하다. 또한 덕트에 접근하여 덕트 내의 케이블들 또는 파이프들을 유지관리하거나 점검할 수 있다.
덕트의 대안은 지상(ground)에서 케이블 파이프들을 파내고 케이블들이나 파이프들에 접근할 수 있는 거리에 통로들(wells)을 확보하는 것이다. 그러한 통로들은 특히 케이블들이나 파이프들이 지하 접점들(joint underground)이어야 할 경우 이러한 접점들(joints)을 검사할 수 있도록 하기 위해 필요하다.
HRS 센터와 다른 HRS 모듈들 간의 통신도 덕트들 내에서 공급되는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 수소 공급 라인들은 상기 HRS 센터 모듈과 상기 HRS 디스펜서 모듈 사이에서 상기 덕트 내에 적어도 부분적으로 공급된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 덕트는 수소 복귀 라인, 수소 배출 라인, 전방 냉각 라인, 복귀 냉각 라인, 및/또는 전력 케이블들의 공급도 용이하게 한다. 전원 케이블은 바람직하게는 데이터 통신 케이블들과 전원 케이블들 사이의 전자기 결합을 방지하기 위해 별도의 케이블 파이프로 공급된다.
전원 케이블들이 큰 경우(예를 들어, 16 또는 25 mm2 이상) 상기 전원 케이블들은 상기 케이블 파이프들 내로 공급되는 대신에 상기 덕트의 브래킷들에 고정될 수 있다.
바람직하게는 상기 덕트는 상기 HRS 센터 모듈로부터 상기 디스펜서 모듈을 포함하는 다른 HRS 모듈들로 수소 및 냉각 파이프들을 공급하는데 사용된다. 이는 상기 덕트들 내의 파이프들이 열화로부터 잘 보호된다는 점에서 유리하다.
상기 덕트 내에 공급되는 것은 센터 모듈과 다른 모듈들 사이의 길이에 따라 달라질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수소 공급 라인들은 적어도 매 15미터마다, 바람직하게는 적어도 10미터마다, 가장 바람직하게는 적어도 매 5미터마다 접지(grounded)된다. 이는 전기 전위를 방지하고 그에 의해 수소 파이프들의 손상을 방지한다는 점에서 유리하다. 바람직하게는 모든 수소 및 냉각 파이프들은 접지되어 상기 파이프들의 전위가 접지 전위가 되도록 하고 이는 손상 문제들을 줄이기 위함이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 덕트에는 상기 덕트 내 수소의 누설들을 감지하는 수소 센서가 구비된다. 상기 파이프들이 주변 공기를 갖는 덕트 내에서 공급된다는 사실은, 수소 또는 CO2와 같은 냉각 유체를 갖는 파이프가 센서에 의해 누설되는지를 보다 쉽게 검출할 수 있다는 점에서 유리하다.
상기 덕트가 약간 기울어진 경우 누출된 가스들은, 상기 누출된 가스가 공기와 비교한 그것의 무게에 따라 위 또는 아래로 이동할 것이라는 점에서 상기 덕트의 단부에서 감지될 수 있다.
선택적으로, 상기 덕트의 일 단부에서 환기 장치를 설치하여 상기 덕트의 공기를 바꿀 수 있도록 하는 것이 가능하고, 그에 의해 상기 덕트를 떠나는 공기가 여하의 가스들을 포함하고 있는지 테스트될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수소 센서는 지면으로부터 상기 덕트로 연장되는 통로(well)를 통해 접근 가능하다.
이하에서, 본 발명의 몇 가지 예시적인 실시예들이 도면을 참조하여 설명된다.
도 1은 HRS 센터 모듈과 HRS 디스펜서 모듈 간의 통신을 도시한다.
도 2는 HRS 센터 모듈과 HRS 디스펜서 모듈 및 수소 저장 모듈 간의 통신을 도시한다.
도 3은 통신 채널들의 구현을 도시한다.
도 4는 통신 채널들, 전력 케이블들, 수소 파이프들 및 냉각 파이프들의 구현을 도시한다.
수소 충전소(HRS; Hydrogen Refueling Station)(1)는 연료 전지 차량들(또는 보트들, 기차들 또는 비행기들)의 연료 보급을 위한 충전소이다. 전형적으로, HRS(1)는 바람직하게는 수소로 차량의 연료 보급 제어를 용이하게 하는 구성요소를 갖는 센터 모듈(2)을 포함한다. HRS 센터 모듈(2)의 구성요소들은 제어 유닛들(5,6), 냉각 시스템, 압축기, 내부 수소 저장 장치, 차량에 연결 가능한 수소 출력으로의 공급 장치 또는 외부 수소 저장 장치와 같은 수소 공급 장치로부터의 수소의 흐름을 제어하는 밸브, 또는 수소 저장 장치에서 차량으로의 수소 흐름 경로에서의 압력, 유량(flow), 온도 등을 측정하기 위한 트랜스듀서들을 포함한다.
HRS(1)는 HRS 센터 모듈(2)의 통합된 부분일 수 있는 디스펜서 모듈(3)을 더 포함하지만, 대부분의 현장들에서 HRS 센터 모듈(2) 및 HRS 디스펜서 모듈(3)은 5 내지 65 미터로 이격되는 것이 바람직하다. 이것은 알려진 화석 연료 주유소에 대응할 수 있도록 HRS(1)를 설계하고, 차량을 충전하는 최종 사용자로부터 떨어져있는 수소 센터 모듈(2)에서 수소의 취급 및 저장과 관련한 주요 작업이 발생한다는 점에서 안전성을 높이기 위한 것이다.
하나 이상의 HRS 디스펜서 모듈(3)이 HRS 센터 모듈(2)에 연결될 수 있다는 것을 언급해야 한다. 밸브들, 센서들, I/O 모듈 등과 같은 HRS 디스펜서 모듈(3)의 프로세스 및 안전 구성요소들(7,9,12,14)과 HRS 센터 모듈 (3)의 제어 유닛들(5,6) 사이의 데이터 통신 설정(setup)은, 제어 모듈(5, 6)로의 또는 제어 모듈(5, 6)로부터의 통신 버스 또는 다른 유선 또는 무선 통신과 같이 단지 하나의 HRS 디스펜서 모듈(3)을 갖는 상황들과 유사한 상황일 수 있다.
도 1 및 도 2는 전술한 바와 같은 HRS(1)의 부분들을 도시한다. 도시된 부분들은 본 발명의 특징과 관련이 있는 부분들이므로 언급되지 않은 다른 부분들 및 기능들이 HRS(1)가 적절하게 작동하기 위해 필요할 수 있다.
도시된 HRS(1)는 안전 컨트롤러(5) 및 프로세스 컨트롤러(6)를 포함하는 HRS 센터 모듈(2) 및 안전 컴포넌트들(7) 및 프로세스 컴포넌트들(9)을 포함하는 HRS 디스펜서 모듈(3)을 포함한다. HRS 센터 모듈(2) 및 상기 HRS 디스펜서 모듈은 수소 공급 라인(4)으로 지칭되는 파이프에 의해 유동 연결(fluidly connected)되고 안전 통신 채널(8) 및 프로세스 통신 채널(10)을 통해 데이터를 교환한다.
안전 및 프로세스 구성요소들은 기능적인 관점에서 보면 예를 들어 다른 제조 업체들로부터의 유사한 구성요소들일 수 있다. 그들은 HRS(1)의 실질적으로 동일한 위치에서 동일한 값들을 측정할 수 있다. 측정 장치들의 예들은 압력, 온도, 유량, 시간, 밸브의 위치(예를 들어, 개방/폐쇄) 등을 모니터링하기 위한 트랜스듀서들일 수 있다. 이는 온도 또는 압력 센서와 같은 트랜스듀서들의 오작동 그 자체가 이 파라미터가 모니터되지 않음을 야기하는 것이 아니라는 점에서 유리하다. 따라서 프로세스 및 안전 측정 장치들 중 하나가 고장나면 나머지들은 파라미터를 측정하고 상기 파라미터는 이후 HRS 제어에 사용될 수 있다.
안전 컨트롤러(5)와 프로세스 컨트롤러(6)는 서로 통신할 수 있다. 그러나 상기 통신은 안전 컨트롤러(5)에서 상기 프로세스 컨트롤러로의 단방향인 것이 바람직하다. 컨트롤러들(5, 6) 간의 데이터/정보 교환은 바람직하게는 상태, 값들, 동작 모드 등에 제한되는데, 즉 HRS(1)의 다른 제어를 간섭하지 않아야 한다. 안전 문제들이 발생하거나 발생할 수 있는 경우, 프로세스 컨트롤러가 안전 문제에 반응하지 않는 경우, 안전 컨트롤러는 프로세스 컨트롤러를 지배할 수 있다.
이것은 추후에 프로세스 컨트롤러(6)가 안전 컨트롤러(5)에 의해 수행되는 제어 동작들에 의해 통지 및/또는 지배되고 따라서 프로세스 컨트롤러(6)에 의해 허용되어야 한다는 점에서 유리하다. 따라서, 안전 컨트롤러(5)는 프로세스 컨트롤러(5)보다 더 높은 제어 레벨을 가져 안전 컨트롤러(5)가 프로세스 컨트롤러(6)의 제어를 지배하는 것을 가능케 한다.
안전 상태 신호들만이 안전 컨트롤러(5)로부터 프로세스 컨트롤러(6)로 전달되는 것이 바람직하다. 안전 상태 신호들은 예를 들어 안전 컨트롤러의 상태, HRS(1)의 동작을 트립(tripping)하는 것 등과 같은 상기 안전 컨트롤러 의해 수행되는 제어에 관한 정보를 포함할 수 있다.
안전 컨트롤러(5)의 상태는 HRS(1)의 (동작의) 안정(health) 상태를 나타내며, 따라서 단지 2개의 안전 상태들, 즉 정상 작동 상태 및 경보 작동 상태만이 필요할 수 있지만, 모든 범위의 파라미터들 및 상태가 안전 컨트롤러(5)로부터 프로세스 컨트롤러(6)로 제공될 수 있다.
실시예들에서, 프로세스 컨트롤러(6)는 안전 컨트롤러(5)와 통신할 수 없고, 그에 따라 안전 컨트롤러(5)가 안전 제어 및 모니터링에서 프로세스 컨트롤러(6)부터의 입력을 사용할 위험이 없다는 점에서 더욱 유리할 수 있다. 이로써 HRS 작동의 안전성을 높이기 위해 완전히 분리된 2개의 모니터링 및 제어 시스템이 확보된다.
안전 컨트롤러(5) 상의 소프트웨어 프로그램은 프로세스 컨트롤러(6)상의 소프트웨어 프로그램과는 다른 것이 바람직하다. 이는 2개의 소프트웨어 프로그램들이 동일하지 않고 바람직하게는 동일한 프로그래머에 의해 만들어지지 않으며, 바람직하게는 동일 제조사들의 컨트롤러들 상에서 실행되지 않아, 컨트롤러들(5, 6) 모두에서 동일한 에러가 발생할 위험이 현저하게 감소된다는 점에서 유리하다. 상기 컨트롤러들은 (Programmable Logic Computer로 알려진) 프로그래머블 로직 컴퓨터들(이하 'PLC'로 지칭함) 및 산업 PLC(황색으로 표시된 안전 컨트롤러들 또는 안전 PLC 라고도 함)가 될 수 있다. 본 발명은 PLC에 한정되지 않으며, 따라서 IPC(Industrial Personal computer) 또는 PAC(Programmable Automation Controller)와 같은 다른 컨트롤러들도 사용될 수 있다.
일 실시 예에서, 2개의 컨트롤러들(5, 6)은 동일한 인클로저, 즉 안전 및 프로세스 관련 데이터를 모두 취급하는 하나의 PLC에 있을 수 있다. 2개의 컨트롤러들이 물리적으로 동일한 인클로저(enclosure)이 있는 경우, 그들은 동일한 마이크로 프로세서를 사용할 수 있지만, 이 경우 PLC는 안전 컨트롤 전용의 일 마이크로 프로세서와 프로세스 컨트롤 전용의 마이크로 프로세서로 구성되는 것이 바람직하다.
안전 컨트롤러(5)의 소프트웨어 프로그램은 복수의 안전 설비 기능들을 구현하는 것이 바람직하다. 안전 설비 기능들은 HRS(1)의 작동 안전에 중요한 여러 개의 개략적인 제어 기능들로 이해되어야 한다. 따라서 HRS(1)와 관련된 안전성을 높이려면 이러한 안전 설비 기능들에 관한 모니터링 및 제어를 늘리는 것이 유리하다. 안전 설비 기능들은 누출들, 차량 용기 압력, 냉각 시스템, 차량에 전달되는 수소 압력 등을 모니터링(그리고 제어가 필요한 경우 예를 들어 트립(trip))할 수 있어, 안전 무결성 레벨(SIL; Safety Integrity Level) 등급/레벨이 높아진다.
통신 채널들(8, 10)은 바람직하게는 케이블들(8a, 10a)로 구현되지만, 이들은 배선될 필요가 없다. 통신은 적어도 부분적으로는 임의의 종류의 무선 통신으로 구현될 수 있고 임의의 종류의 통신 버스가 허용되는 곳에서 구현될 수 있다.
차량으로부터의 데이터는 디스펜서 모듈에 연결될 때 예를 들어 노즐 내 적외선 수신기/트랜스듀서에 의해 디스펜서로 전달될 수 있음이 언급되어야 한다. 차량으로부터 수신된 데이터의 적어도 일부는 안전과 관련된 것으로 바람직하게는 안전 통신 채널(8)을 통해 안전 컨트롤러(5)에 전달될 수 있다. 안전과 관련이 없는 다른 데이터는 프로세스 통신 채널(10)을 통해 프로세스 컨트롤러에 전달될 수 있다. 그러나, 용이한 구현을 촉진하기 위해, 데이터 스플리터 또는 스위치가 차량으로부터의 데이터를 2개로 분할 또는 복사하는데 사용될 수 있고, 그에 따라 안전 컨트롤러(5) 및 프로세스 컨트롤러(6) 모두가 차량으로부터 모든 데이터를 수신한다.
도 2는 도 1에 도시된 HRS에 추가하여 수소 저장 모듈(11)도 도시한다. 수소 저장 모듈(11)은 HRS 센터 모듈(2)에 구현될 수 있고 또는 도 2에 도시된 바와 같이 수소 공급 라인(32)으로 지칭되는 파이프에 의해 HRS 센터 모듈(2)에 유동 연결된 외부 수소 공급 장치일 수 있다.
HRS 센터 모듈의 안전 및 프로세스 컨트롤러들(5, 6)은, 전술한 HRS 센터 모듈(2)과 HRS 디스펜서 모듈(3) 사이의 통신과 유사하게, 안전 및 프로세스 통신 채널들(13, 15)을 통해 수소 저장 모듈(11)의 안전 및 프로세스 구성요소들(12, 14)과 통신한다.
도 2에는 확장된 I/O 모듈들(16-19)이 도시된다. 이들 확장된 I/O 모듈들은 바람직하게는 도 1을 참조하여 설명된 통신에도 사용된다. 확장된 I/O 모듈들(16-19)은, 그들이 컨트롤러들(5, 6)의 컴포넌트(7, 9, 12, 14)로의 접근 지점을 제공한다는 점에서 유리하다. 도 2에 도시된 바와 같이, 그리고 도 1에도 적용될 수 있는 바와 같이, 안전 컨트롤러(5) 및 프로세서 컨트롤러(6)는 센터 I/O 모듈들(20, 21)을 통해 디스펜서/저장 모듈들(3, 11)의 프로세서 및 안전 구성요소들과 통신한다. I/O 모듈들(16-21)은 아날로그 및 디지털 통신 모두를 용이하게 할 수 있다.
도 3은 도 1을 참조하여 설명된 바와 같은 HRS(1)을 도시하지만, 도 3이 HRS(1)의 모듈들간의 통신에 관한 것이라는 점에서, HRS 디스펜서 모듈(2)은 수소 저장 모듈(11)로 대체되거나 보충될 수 있다.
전술한 안전 및 프로세스 데이터는 별도의 통신 채널들을 통해 통신하는 것으로 설명되며, 이는 바람직하게는 별도의 케이블들 또는 동일한 케이블 내에서의 개별 와이어 쌍들로 적어도 구현된다. 따라서 안전 통신과 프로세스 통신 간의 완벽한 분리가 구축된다. 이는 위험 상황들의 발생 가능성을 줄이기 위해 또는 적어도 그러한 상황에서 HRS(1)의 작동을 감지하고 제어할 수 있도록 하기 위해 매우 유리하다.
비록 하나의 케이블(22)만이 도시되어 있지만, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 분할된 통신 토폴로지는 도 3에 도시된 실시예에 의해 손상되지 않는다.
이를 달성하기 위해, 케이블(22)의 양단부들의 하드웨어는 케이블(22)을 통해 전달되는 데이터의 분리를 용이하게 해야 한다. 안전 컨트롤러(5)로의 또는 안전 컨트롤러(5)로부터의 안전 관련 데이터 및 프로세스 컨트롤러(6)로의 또는 프로세스 컨트롤러(6)로부터의 프로세스 관련 데이터의 데이터 분리는, 안전 컨트롤러(5) 및 프로세스 컨트롤러(6)의 모니터링과 제어 사이의 독립성을 얻거나 유지하는데 필요한 이 실시예에 따른다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 이는 안전 컨트롤러(5) 및 프로세스 컨트롤러(6)가 안전 I/O 모듈(16, 17) 및 프로세스 I/O 모듈(18, 19)과 통신하게 함으로써 달성된다.
도 3에 도시된 실시예는 프로세스 컨트롤러와 직접 또는 I/O 모듈들(후자가 도시됨)을 통해 통신하는 안전 컨트롤러를 구비함으로써 구현될 수 있다.
지면(23) 아래에서 HRS 센터 모듈(2)과 HRS 디스펜서 모듈(3) 사이에 케이블들 및 파이프들을 공급하는 것이 그것의 환경으로부터의 보호, 예를 들어 트럭 등과 같은 높은 장애물들로부터의 보호를 위해 바람직하다.
채널이 지면 내로 제공될 수 있고, 케이블들과 파이프들이 흙으로 덮히기 전에 놓여진다. 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 케이블들(8a, 10a, 13a, 15a) 형태의 통신 채널들(8, 10, 13, 15)이 HRS 센터 모듈(2)과 디스펜서 모듈(3) 사이에 설치될 수 있는 대안을 도시한다.
도 4는 덕트(24)의 단면을 도시한다. 일 실시예에 따르면, 상기 덕트는 콘크리트 또는 플라스틱 벽들 및 상부 커버(26)를 갖고, 상부 커버(26)는 덕트(24)로의 용이한 접근을 촉진한다. 상기 덕트에는 케이블들 및 파이프들이 장착되는 브래킷들(33)이 제공되어 그에 의해 안전하게 고정된다.
도 4는 복수의 상이한 파이프들을 도시하며, 이들은 예를 들어 수소 공급 라인들(4, 32), 수소 복귀 라인(27), 수소 배출 라인(28), 전방 냉각 라인(29), 복귀 냉각 라인(30), 및/또는 전력 케이블(31)과 같이 덕트(24) 내로 제공될 수 있다.
브래킷들(33) 외에도, 중공 튜브 형태의 케이블 가이드들(25)이 덕트(24) 내로 장착될 수 있다. 이들 케이블 가이드들(25)에서, 취약한(fragile) 데이터 통신 케이블들(8a, 10a, 13a, 15a)이 주변으로부터 보호되어 공급될 수 있다.
예를 들어, 전원 케이블(31)과 데이터 케이블들(8a, 10a, 13a, 15a) 사이의 전자기 커플링을 방지하기 위해, 이들은 바람직하게는 상호간에 가능한 한 많이 이격되도록 공급된다. 또한, 데이터 케이블들(8a, 10a, 13a, 15a)은 차폐되는 것이 바람직하다.
또한, 수소 파이프들(4, 32, 27, 28) 및 냉각 파이프들(29, 30)의 부식의 위험을 방지 또는 감소시키기 위해, 이들 파이프들은 접지된다, 즉 파이프들과 그라운드(대지 전위) 사이의 전기 전위가 접지된다. 이는 각각의 파이프들(27-30) 및 금속 스틱에 와이어를 부착하여 이루어지며, 지면 내로 적어도 1미터를 제공함으로써 행해진다. 그러한 접지는 바람직하게는 덕트(24)의 길이를 따라 5 내지 15 미터마다 수행된다.
케이블들 및/또는 파이프들이 덕트(24) 내에, 케이블 가이드들(25) 내에, 지면 내에 또는 지면 내에 직접 공급되는지와 무관하게, 그들은 HRS 센터 모듈(2)과 HRS 디스펜서 모듈(3) 사이에 제공된 통로들(wells)에 의해 접근될 수 있음이 언급되어야 한다.
HRS(1)의 전술한 설명에 추가하여, 바람직하게는 프로세스 컨트롤러(6)뿐만 아니라 안전 컨트롤러(5)도 외부 데이터 프로세서(미도시)와의 통신을 용이하게 할 수 있음이 언급되어야 한다.
전술한 설명으로부터 이해될 수 있는 바와 같이, 설명된 통신 시스템은 HRS 센터 모듈(2)로부터의 및 디스펜서 모듈(3), 저장 모듈(11) 및 다른 언급되지 않은 또는 도시된 모듈들로의 2개의 개별 통신 채널들(8, 10, 13, 15)을 통한 모니터링 및 제어와 같은 데이터 통신을 용이하게 한다는 점에서 유리하다. 따라서 HRS 센터 모듈(2)과 하위 모듈(3, 11) 사이의 통신 채널 중 하나가 실패하더라도 HRS를 안전한 방식으로 트립하는 것이 계속 가능하다. 제1 통신 채널(8, 13)로부터의 추가 측정들은 제2 통신 채널(10, 15)을 통해 수행되는 제어에서 사용될 수 있고 그 반대도 가능하다. 이를 위해, 프로세스 컨트롤러(6)는 안전 컨트롤러(5)에 의해 수행되는 제어를 방해하지 않는 것이 바람직하다. 그러나, 이 경우 안전 컨트롤러(5)는, 프로세스 컨트롤러가 작동하지 않거나 위험한 상황에 있거나 그러한 상황으로 전개될 수 있는 경우 바람직하게는 HRS(1)의 동작을 트립(tripping)함으로써 제어를 인계 받음이 이해된다.
1. 수소 충전소 (HRS)
2. HRS 센터 모듈
3. HRS 디스펜서 모듈
4. 제1 수소 공급 라인 (2와 3 사이)
5. 안전 컨트롤러
6. 프로세스 컨트롤러
7. (디스펜서 모듈의) 안전 구성요소들
8. 안전 통신 채널 (2와 3 사이)
8a. 케이블로 구현된 안전 통신 채널
9. (디스펜서 모듈의) 프로세스 구성요소들
10. 프로세스 통신 채널 (2와 3 사이)
10a. 케이블로 구현된 프로세스 통신 채널
11. 수소 저장 모듈
12. 안전 구성요소들 (수소 저장 모듈의 안전 구성요소들, 7과 유사)
13. 안전 통신 채널 (2 ~ 11 사이)
13a. 케이블로 구현된 안전 통신 채널
14. 프로세스 구성요소들 (수소 저장 모듈의 프로세스 구성요소들, 9와 유사)
15. 안전 통신 채널 (2와 11 사이)
15a. 케이블로 구현된 안전 통신 채널
16. 안전 I/O 모듈 (디스펜서 모듈에서)
17. 안전 I/O 모듈 (수소 저장 모듈에서)
18. 프로세스 I/O 모듈 (디스펜서 모듈에서)
19. 프로세스 I/O 모듈 (수소 저장 모듈에서)
20. 안전 I/O 모듈 (센터 모듈에서)
21. 프로세스 I/O 모듈 (센터 모듈에서)
22. 통신 케이블 (2와 3/11 사이)
23. 지면
24. 덕트
25. 케이블 가이드 (예를 들어, 중공 튜브)
26. 덕트용 상부 덮개
27. 수소 복귀 라인
28. 수소 배출 라인
29. 전방 냉각 라인(cooling line forward)
30. 복귀 냉각 라인(cooling line return)
31. 전원 케이블들
32. 제2 수소 공급 라인 (2와 11 사이)

Claims (16)

  1. 수소 충전소(1)(HRS; Hydrogen Refueling Station)로서,
    - HRS 센터 모듈(2),
    - HRS 디스펜서 모듈(3), 및
    - 상기 HRS 센터 모듈(2)과 상기 HRS 디스펜서 모듈(3) 사이의 수소 유동을 촉진하는 제1 수소 공급 라인(4)을 포함하고,
    상기 HRS 센터 모듈(2)은 안전 컨트롤러(5) 및 프로세스 컨트롤러(6)를 포함하고,
    데이터는 상기 안전 컨트롤러(5)와 상기 HRS 디스펜서 모듈(3)의 안전 구성요소들(7) 사이에서 안전 통신 채널(8)을 통해 전달되고
    데이터는 상기 프로세서 컨트롤러(6)와 상기 HRS 디스펜서 모듈(3)의 프로세스 구성요소들(9) 사이에서 프로세서 통신 채널(10)을 통해 전달되는, 수소 충전소.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 수소 충전소(1)는 제2 수소 공급 라인(32)과 유동 연결된 수소 저장 모듈(11)을 더 포함하고,
    데이터는 상기 안전 컨트롤러(5)와 상기 수소 저장 모듈(11)의 안전 구성요소들(12) 사이에서 안전 통신 채널(13)을 통해 전달되고,
    데이터는 상기 프로세서 컨트롤러(6)와 상기 수소 저장 모듈(11)의 프로세스 구성요소들(14) 사이에서 프로세서 통신 채널(15)을 통해 전달되는, 수소 충전소.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 안전 구성요소들(7, 12) 및 상기 프로세스 구성요소들(9, 14)은 밸브, 온도 센서, 압력 센서, 밸브 포지셔너(valve positioner), 유동 센서, 누설 센서, UV/화재 센서 중 적어도 하나를 포함하는, 수소 충전소.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 안전 구성요소들(7, 12)은 안전 I/O 모듈들(16, 17)을 통해 상기 안전 컨트롤러(5)와 통신하고,
    상기 프로세스 구성요소들(9, 14)은 프로세스 I/O 모듈들(18, 19)을 통해 상기 프로세스 컨트롤러(6)와 통신하는, 수소 충전소.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 HRS 센터 모듈(2)은, 디스펜서 안전 I/O 모듈(16)과 통신하는 센터 안전 I/O 모듈(20) 및 디스펜서 프로세스 I/O 모듈(18)과 통신하는 센터 프로세스 I/O 모듈(21)을 더 포함하는, 수소 충전소.
  6. 청구항 5에 있어서,
    케이블(22)은 센터 안전 I/O 모듈(20)과 상기 디스펜서 안전 I/O 모듈(16) 사이의 통신 및 센터 프로세스 I/O 모듈(21)과 상기 디스펜서 프로세스 I/O 모듈(18) 사이의 통신을 용이하게 하는, 수소 충전소.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 안전 및 프로세스 통신 채널들(8. 10) 중 적어도 하나는 지면(23) 아래의 상기 HRS 센터 모듈(2)과 HRS 디스펜서 모듈(3) 사이의 케이블 공급(cable feed)으로 구현되는, 수소 충전소.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    PROFINET을 사용하는 상기 안전 통신 채널들(8, 13)은 EtherCAT 또는 PROFIsafe 통신 프로토콜들에 대해 안전 장치로 작동하는, 수소 충전소.
  9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프로세스 통신 채널들(10, 15)은 EtherCAT 통신 프로토콜을 사용하는, 수소 충전소.
  10. 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 안전 및 프로세스 통신 채널들(8, 10) 중 적어도 하나는 케이블들(8a, 10a)로 구현되고, 상기 적어도 하나의 케이블(8a, 10a)은 상기 HRS 센터 모듈(2)과 상기 HRS 디스펜서 모듈(3) 사이에서 덕트(24) 내 지면(23) 아래에서 적어도 부분적으로 공급되고, 바람직하게는 상기 덕트(24) 내 케이블 파이프(25) 내에서 공급되는, 수소 충전소.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 덕트(24)는 제거 가능한 상부 덮개(26)를 갖는, 수소 충전소.
  12. 청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 수소 공급 라인들(4)은 상기 HRS 센터 모듈(2)과 상기 HRS 디스펜서 모듈(3) 사이에서 상기 덕트(24) 내에 적어도 부분적으로 공급되는, 수소 충전소.
  13. 청구항 1 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 덕트(24)는 수소 복귀 라인(27), 수소 배출 라인(28), 전방 냉각 라인(29), 복귀 냉각 라인(30), 및/또는 전력 케이블들(31)의 공급도 용이하게 하는, 수소 충전소.
  14. 청구항 1 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수소 공급 라인들(4, 32)은 적어도 매 15미터마다, 바람직하게는 적어도 10미터마다, 가장 바람직하게는 적어도 매 5미터마다 접지되는, 수소 충전소.
  15. 청구항 1 내지 청구항 14 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 덕트(24)에는 상기 덕트(24) 내 수소의 누설을 감지하는 수소 센서가 구비되는, 수소 충전소.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 수소 센서는 지면(23)으로부터 상기 덕트(24)로 연장되는 통로(well)를 통해 접근 가능한, 수소 충전소.
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