NAMUR NE43 기준과 점검법｜4-20mA 고장신호 3.6mA·21mA 뜻

4-20mA 트랜스미터를 점검하다 보면 출력이 정상 측정범위를 벗어나 3.6mA 부근이나 21mA 이상에서 고정되는 경우가 있습니다.

이때 해당 전류를 그대로 공정값으로 환산하기 전에 먼저 확인해야 할 것이 있습니다.

트랜스미터가 현재 측정값을 보내고 있는지, 아니면 자체 진단 결과를 Failure Current로 알려주고 있는지입니다.

NAMUR NE43을 적용한 계측기에서는 대표적으로 3.8~20.5mA 범위를 측정정보 전달 영역으로 사용하고, 3.6mA 이하 또는 21mA 이상의 영역을 고장정보 전달에 사용합니다. 다만 실제 트랜스미터가 출력하는 Alarm Current는 제조사와 설정에 따라 달라질 수 있으므로 3.6mA나 21mA라는 숫자만으로 고장 원인을 단정해서는 안 됩니다.

이 글에서는 NAMUR NE43의 전류 영역을 먼저 구분한 뒤, 3.6mA와 21mA가 발생했을 때 실제 현장에서 어떤 순서로 확인해야 하는지 정리합니다.

NAMUR NE43은 왜 필요한가

4-20mA에서는 일반적으로

• 4mA = 측정범위 0%
• 20mA = 측정범위 100%

로 사용합니다.

예를 들어 0~10bar 압력 트랜스미터라면 4mA는 0bar, 12mA는 5bar, 20mA는 10bar에 해당합니다.

문제는 트랜스미터가 센서 이상이나 내부 전자회로 이상을 감지했을 때입니다.

고장이 발생했는데도 트랜스미터가 12mA를 계속 출력한다면 PLC나 DCS에서는 이를 정상적인 50% 공정값으로 받아들일 수 있습니다.

그래서 정상적인 측정정보와 트랜스미터 자체의 고장정보를 서로 다른 전류 영역으로 구분할 필요가 있습니다.

NAMUR NE43은 이러한 4-20mA 아날로그 출력의 측정정보 영역과 Failure Information 영역을 구분하기 위한 권고 기준입니다.

NAMUR NE43 기준에서 3.6mA와 21mA는 무슨 뜻일까

현장에서 가장 먼저 구분해야 할 부분입니다.

출력 전류	일반적인 해석
3.6mA 이하	Low Failure 가능성
3.6~3.8mA	고장과 측정정보 사이의 판정 경계, 장비 사양 확인
3.8~4.0mA	Underrange·Low Saturation
4.0~20.0mA	설정된 정상 측정범위
20.0~20.5mA	Overrange·High Saturation
20.5~21.0mA	측정정보와 고장 사이의 판정 경계, 장비 사양 확인
21.0mA 이상	High Failure 가능성

Siemens의 NAMUR NE43 적용 문서에서는 3.8~20.5mA를 확장된 측정정보 영역, 3.6mA보다 낮거나 21mA보다 높은 영역을 진단 고장정보 영역으로 설명합니다.

여기서 중요한 것은 3.8mA와 3.6mA를 같은 의미로 보지 않는 것입니다.

3.8mA와 3.6mA는 의미가 다르다

3.8mA 부근은 Underrange일 수 있다

0~10bar 압력 트랜스미터를 사용한다고 가정하겠습니다.

실제 공정압력이 설정된 LRV보다 약간 낮아졌지만 센서와 트랜스미터 자체에는 이상이 없다면 출력이 4mA에서 바로 멈추지 않고 4mA보다 조금 낮은 영역까지 실제 측정정보를 전달할 수 있습니다.

이 상태가 Underrange 또는 Low Saturation입니다.

따라서 약 3.8mA가 측정됐다는 이유만으로 트랜스미터를 고장으로 판단하는 것은 적절하지 않습니다.

3.6mA 이하는 Low Failure를 의심한다

반대로 트랜스미터가 자체 진단을 통해 정상적인 측정정보를 제공할 수 없다고 판단하고 Low 방향의 Failure Mode가 설정돼 있다면 출력이 3.6mA 이하의 영역으로 이동할 수 있습니다.

즉,

3.8mA 부근 = 측정범위를 벗어난 실제 측정정보일 수 있음

3.6mA 이하 = 장비 진단 이상을 알리는 Failure Current 가능성

으로 먼저 구분하는 것이 좋습니다.

20.5mA와 21mA도 구분해야 한다

상한에서도 같은 원리가 적용됩니다.

20.0~20.5mA는 Overrange일 수 있다

공정값이 트랜스미터의 설정 상한을 조금 초과했지만 센서와 트랜스미터가 정상적으로 측정하고 있다면 20mA보다 약간 높은 값을 출력할 수 있습니다.

이것이 Overrange 또는 High Saturation입니다.

21mA 이상은 High Failure 가능성을 확인한다

트랜스미터가 정상적인 공정값을 제공할 수 없다고 판단하고 Failure Direction이 High로 설정되어 있다면 21mA 이상의 전류를 사용할 수 있습니다.

따라서 20.5mA와 21mA 이상은 단순히 숫자 차이만 있는 것이 아닙니다.

20.5mA 부근은 아직 측정정보일 수 있지만, 21mA 이상의 영역은 트랜스미터의 Failure Information일 가능성을 먼저 확인해야 합니다.

3.6mA와 21mA 중 어느 쪽으로 출력될까

모든 트랜스미터가 고장 발생 시 똑같은 전류를 출력하지는 않습니다.

제품에 따라 설정 메뉴에서 다음과 같은 표현을 볼 수 있습니다.

• High Alarm
• Low Alarm
• Upscale
• Downscale
• Failure Mode
• Alarm Direction
• Burnout Direction

예를 들어 동일한 센서 입력 이상이 발생해도 한 트랜스미터는 Low 방향으로 고장전류를 출력하고 다른 트랜스미터는 High 방향을 사용할 수 있습니다.

실제 고장전류 값도 정확히 3.600mA 또는 21.000mA로 고정된다고 생각하면 안 됩니다.

Emerson Rosemount 644R은 오류전류를 프로그램할 수 있으며 NAMUR 관련 Low/High 고장영역을 별도로 제공합니다. Rosemount 3051의 일부 구성에서는 NAMUR 설정의 Low Alarm을 3.6mA 이하, 실제 High Alarm 출력값을 22.5mA 이상으로 설정하는 예도 확인할 수 있습니다. 즉 21mA는 대표적인 고장영역 경계이지 모든 장비가 정확히 21mA를 출력한다는 의미는 아닙니다.

따라서 최종 판단은 사용 중인 트랜스미터의 데이터시트와 설정값을 기준으로 해야 합니다.

3.6mA가 나오면 배선 단선일까

반드시 그렇지는 않습니다.

이 부분은 현장에서 특히 혼동하기 쉽습니다.

루프 자체가 끊어진 경우

2선식 4-20mA 루프 자체가 완전히 단선되거나 전원이 상실되면 전류가 흐를 경로가 없어져 전류가 0mA에 가까운 상태로 나타날 수 있습니다.

센서 입력에 문제가 생긴 경우

반면 트랜스미터에는 정상적으로 전원이 공급되고 있지만 트랜스미터에 연결된 RTD, 열전대 또는 센서 입력에 문제가 생겼다면 상황이 다릅니다.

트랜스미터 자체는 계속 동작하고 있기 때문에 내부 진단으로 입력 이상을 감지한 뒤 설정된 Failure Current를 출력할 수 있습니다.

예를 들어 Temperature Transmitter에 연결된 RTD가 단선됐다고 가정하면 트랜스미터까지의 4-20mA 루프가 살아 있는 한 트랜스미터는 입력 이상을 감지해 3.6mA 계열의 Low Failure 또는 21mA 이상의 High Failure를 출력할 수 있습니다.

따라서

3.6mA = 무조건 4-20mA 케이블 단선

으로 판단해서는 안 됩니다.

3.6mA·21mA가 나타나는 대표적인 원인

고장전류가 나타났다면 전류값 자체보다 트랜스미터가 왜 Failure Mode로 들어갔는지를 확인해야 합니다.

대표적으로 확인할 항목은 다음과 같습니다.

1. 센서 엘리먼트 이상
2. RTD·열전대 등 센서 입력 배선의 단선 또는 단락
3. 트랜스미터 내부 전자회로 진단 이상
4. 측정 가능한 센서 입력범위를 크게 벗어난 상태
5. 트랜스미터 Configuration 오류
6. 공급전압 또는 Loop Voltage 부족
7. Analog Input 설정 오류
8. Failure Current 또는 Alarm Direction 설정

제품마다 제공하는 진단 항목이 다르기 때문에 단순히 전류값만 보고 원인을 확정하지 않는 것이 중요합니다.

3.6mA·21mA 고장신호 점검 순서

1. 트랜스미터 현장 표시부터 확인한다

LCD 또는 상태 LED가 있는 스마트 트랜스미터라면 먼저 현장 표시부를 확인합니다.

단순히 PLC 화면에 표시된 3.6mA보다 트랜스미터 자체의 Diagnostic Message가 원인을 더 직접적으로 알려줄 수 있습니다.

예를 들어

• Sensor Error
• Electronics Error
• Input Failure
• Configuration Error
• Out of Range

같은 메시지가 있다면 해당 진단부터 확인하는 것이 빠릅니다.

2. HART 진단정보를 확인한다

HART를 지원하는 트랜스미터라면 Communicator 또는 자산관리 시스템에서 Device Status를 확인합니다.

트랜스미터가 실제로 Failure Mode에 들어갔는지, 센서 입력 이상인지, 내부 전자회로 또는 설정 문제가 있는지 판단하는 데 도움이 됩니다.

중요한 것은 전류값과 디지털 진단정보를 함께 보는 것입니다.

3. 실제 루프전류를 측정한다

PLC나 DCS 화면에 3.6mA가 표시된다고 해서 실제 현장 루프에도 정확히 같은 전류가 흐른다고 단정해서는 안 됩니다.

적절한 계측기로 실제 Loop Current를 확인합니다.

실제 전류는 정상인데 PLC 값만 비정상이라면 트랜스미터보다 Analog Input 또는 입력 처리 설정을 점검해야 합니다.

전류를 직접 측정하기 위해 회로를 개방하거나 직렬 측정하는 경우에는 해당 루프와 인터록에 미치는 영향을 먼저 확인해야 합니다.

4. 트랜스미터 단자전압을 확인한다

2선식 트랜스미터는 같은 두 선을 통해 동작전원과 4-20mA 신호를 함께 사용합니다.

따라서 Loop Voltage가 부족하면 정상적인 출력동작에 영향을 줄 수 있습니다.

특히 Failure Current가 제품의 정상 20mA보다 높은 방향으로 설정돼 있다면 최대 전류에서 요구되는 전압 조건도 달라질 수 있습니다.

단자전압은 해당 트랜스미터가 요구하는 Minimum Operating Voltage 또는 Load Curve와 비교해야 합니다.

5. 센서와 입력 배선을 확인한다

Temperature Transmitter라면 RTD 또는 열전대 배선, 압력 트랜스미터라면 센서 진단 상태 등 실제 입력부를 확인합니다.

트랜스미터까지 전원이 정상적으로 공급되고 있기 때문에 센서 입력만 고장난 상황에서는 4-20mA 회로가 끊기지 않은 채 Failure Current가 계속 출력될 수 있습니다.

6. Failure Mode와 Alarm Direction을 확인한다

트랜스미터 설정에서 현재 고장출력 방향을 확인합니다.

• Low
• High
• NAMUR
• Manufacturer Default
• Custom Alarm Current

등을 확인해야 현재 측정된 전류값을 정확하게 해석할 수 있습니다.

7. PLC·DCS Analog Input 진단 설정을 확인한다

모든 Analog Input 모듈이 NAMUR NE43을 자동으로 동일하게 판단하는 것은 아닙니다.

입력 모듈에 따라

• Underrange
• Overrange
• Wire Break
• Channel Fault

등의 진단 기능과 임계값이 다를 수 있습니다.

따라서 트랜스미터의 Failure Current와 PLC/DCS 입력모듈의 진단 임계값을 서로 맞춰야 합니다.

Failure Current와 Saturation Current는 다르다

이 둘을 구분하면 NAMUR NE43을 이해하기 훨씬 쉽습니다.

Saturation Current

공정값이 설정된 측정범위를 조금 벗어났지만 트랜스미터는 여전히 유효한 측정정보를 제공할 수 있는 상태입니다.

대표적인 영역은

• 약 3.8~4.0mA의 Low Saturation
• 약 20.0~20.5mA의 High Saturation

입니다.

Failure Current

트랜스미터가 정상적인 측정정보를 제공하기 어렵다고 자체 진단하고 고장 상태를 알리기 위해 출력하는 전류입니다.

대표적으로

• 3.6mA 이하
• 21mA 이상

영역을 사용합니다.

정리하면

Saturation = 범위를 벗어난 측정정보

Failure = 측정값으로 사용하면 안 되는 진단정보

라는 차이가 있습니다.

Siemens 장비 문서에서도 3.8~20.5mA를 정상 또는 확장 측정범위로 두고, 별도의 NAMUR 고장출력 영역을 사용하고 있습니다.

PLC에서 3.6mA를 그대로 Scaling하면 안 되는 이유

0~10bar 압력 트랜스미터를 예로 들어보겠습니다.

정상 4-20mA Scaling은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

압력 = (입력전류 – 4mA) ÷ 16mA × 10bar

12mA라면

(12 – 4) ÷ 16 × 10

= 5bar

입니다.

그런데 PLC가 아무런 진단 없이 3.6mA도 같은 공식으로 계산한다고 가정해 보겠습니다.

(3.6 – 4) ÷ 16 × 10

= -0.25bar

가 됩니다.

HMI에는 -0.25bar라는 그럴듯한 숫자가 표시됩니다.

하지만 트랜스미터가 3.6mA를 Low Failure로 출력하고 있었다면 실제 압력이 -0.25bar라는 뜻이 아닙니다.

21mA에서도 같은 문제가 생긴다

21mA를 정상값처럼 계산하면

(21 – 4) ÷ 16 × 10

= 10.625bar

입니다.

측정 Span 기준으로는 106.25%에 해당합니다.

하지만 해당 트랜스미터의 High Failure 영역으로 출력된 21mA 이상 신호라면 이를 10.625bar의 실제 공정압력으로 표시해서는 안 됩니다.

따라서 PLC/DCS에서는 가능하면

1. 입력 신호의 상태를 먼저 판정하고
2. 정상 또는 유효한 측정정보 영역인지 확인한 뒤
3. 유효한 신호만 Engineering Unit으로 Scaling

하는 순서가 적절합니다.

기존 PLC Scaling 글에서도 이와 같은 이유로 신호 진단과 Scaling을 분리할 필요가 있습니다.

PLC·DCS에서는 어떤 순서로 신호를 처리할까

실제 진단 임계값은 트랜스미터와 Analog Input 사양을 기준으로 정해야 하지만, 개념적으로는 다음 순서가 이해하기 쉽습니다.

Low Failure 영역

설정된 Low Failure 기준 이하라면 공정값으로 Scaling하지 않고 계측기 또는 센서 고장 상태로 처리합니다.

Underrange 영역

Failure가 아니면서 4mA 아래의 유효 측정범위라면 공정값이 LRV 아래로 벗어났는지 확인합니다.

정상 측정영역

4~20mA에서는 설정된 Engineering Range로 정상 Scaling합니다.

Overrange 영역

Failure가 아니면서 20mA보다 높은 유효 측정영역이라면 공정값이 URV를 초과했는지 확인합니다.

High Failure 영역

설정된 High Failure 기준 이상이면 실제 공정값으로 사용하지 않고 진단 상태로 처리합니다.

이렇게 하면 공정 Overrange와 트랜스미터 Failure를 서로 다른 상태로 관리할 수 있습니다.

21mA 이상의 Failure Current는 Loop Power에도 영향을 줄 수 있다

Loop Powered Transmitter의 부하 계산에서는 정상 최대값인 20mA만 확인하고 끝내기 쉽습니다.

그러나 실제 트랜스미터가 High Failure 상태에서 21mA보다 높은 전류를 출력한다면 부하에서 발생하는 전압강하도 증가합니다.

예를 들어 전체 저항이 500Ω이라면

20mA에서는

0.020A × 500Ω = 10V

입니다.

22mA에서는

0.022A × 500Ω = 11V

입니다.

차이는 1V입니다.

전압 여유가 충분한 시스템에서는 큰 문제가 아닐 수 있지만 이미 최대 허용부하 근처에서 동작하는 루프라면 고장신호가 제어 시스템까지 정상적으로 전달될 수 있는지도 확인할 필요가 있습니다.

따라서 정확한 Loop Power 설계에서는 해당 트랜스미터의 Maximum Output Current와 Load Curve를 기준으로 판단하는 것이 좋습니다.

현장에서 자주 하는 잘못된 판단

3.6mA가 나오면 무조건 케이블이 끊어졌다

그렇지 않습니다. 트랜스미터는 정상적으로 전원을 공급받으면서 센서 입력 이상을 진단해 Low Failure Current를 출력할 수 있습니다.

3.8mA도 고장 신호다

3.8mA 부근은 Underrange 또는 Low Saturation 영역일 수 있습니다. 3.6mA 이하의 Failure 영역과 구분해야 합니다.

20.5mA가 나오면 장비가 고장났다

공정값이 측정 상한을 조금 벗어난 Overrange일 수 있습니다.

21mA를 106.25% 공정값으로 표시하면 된다

해당 전류가 High Failure Current라면 실제 공정값으로 사용해서는 안 됩니다.

모든 제조사가 정확히 3.6mA와 21mA를 출력한다

고장영역을 판단하는 기준과 실제 출력되는 Alarm Current는 같은 개념이 아닙니다. 실제 값은 제조사와 설정에 따라 달라질 수 있습니다.

핵심 정리

4-20mA 신호가 정상 범위를 벗어났다고 해서 모두 같은 이상 상태는 아닙니다.

가장 중요한 구분은 Saturation과 Failure입니다.

• 3.8~4.0mA: Underrange 가능성
• 4.0~20.0mA: 정상 설정 측정범위
• 20.0~20.5mA: Overrange 가능성
• 3.6mA 이하: Low Failure 가능성
• 21mA 이상: High Failure 가능성

다만 실제 Alarm Current와 판정 임계값은 제조사와 설정에 따라 다를 수 있으므로 반드시 사용하는 트랜스미터와 PLC/DCS 입력모듈의 매뉴얼을 확인해야 합니다.

현장에서 3.6mA나 21mA 계열의 신호가 지속된다면 전류값 자체를 공정값으로 해석하기보다 트랜스미터 진단정보 → 실제 루프전류 → 단자전압 → 센서 입력 → Failure Mode → PLC/DCS 진단설정 순으로 확인하는 것이 효율적입니다.

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참고자료

Siemens, SITRANS TDL Operating Instructions
NAMUR NE43의 3.8~20.5mA 측정정보 영역과 3.6mA 이하·21mA 이상의 진단 Failure 영역을 설명합니다.

Siemens, SITRANS TH320/TH420/TR320/TR420 Technical Documentation
NAMUR NE43 Upscale·Downscale, 정상 출력범위와 Fault Current 관련 제품 사양을 확인할 수 있습니다.

Emerson, Rosemount 644R Temperature Transmitter Documentation
프로그래밍 가능한 Error Current와 NAMUR High/Low Alarm 및 Saturation 값을 확인할 수 있습니다.

Emerson, Rosemount 3051 Reference Manual
NAMUR 설정과 제조사 표준 Alarm/Saturation Current가 서로 다를 수 있음을 확인할 수 있습니다.