공정 제어(Process control)

계장이란 계기장치(計器裝置)의 약자로서, 측정 기기를 총칭하는 용어로 사용되며, 물리적 양을 표시, 측정 및 기록하는 데 사용된다.

 

 

 

공정 제어(Process control)

계장(instrumentation) vs. 계장 엔지니어링(instrumentation engineering)

계장이란 계기장치(計器裝置)의 약자로서, 측정 기기를 총칭하는 용어로 사용되며, 물리적 양을 표시, 측정 및 기록하는 데 사용된다. 즉, 플랜트 운전에 있어서 설비의 운전상태를 판정하고 조정해 주는 것을 계장이라 한다. 여기서 운전상태라 하면 온도, 유량, 압력, 액위, 성분, 폭, 두께, 무게 등을 말한다.

계장에서 계측제어 기기는 여러가지 검출원리를 응용하고 각종 최신기술을 구사한 제품이 계속 출현하는 등 눈부신 진보를 이룩하였다. 이와 같이 계기장비를 장비하는 목적은 궁극적으로 플랜트를 합리적으로 운전하는데 있다. 또한 계측 기기를 만드는 기술과 과학에 대한 연구 분야로, 계측학, 자동화 및 제어 이론과 관련된 분야가 있다.

 

계장 엔지니어링은 전기 및 공압 도메인과 같은 분야에서 자동화 시스템의 설계 및 구성과 측정되는 양의 제어에 사용되는 측정 계기의 원리와 작동에 초점을 맞춘 엔지니어링 전문 분야이다.

이들은 일반적으로 화학 또는 제조 공장과 같은 자동화된 프로세스가 있는 산업에서 시스템 생산성, 신뢰성, 안전성, 최적화 및 안정성을 개선하는 것을 목표로 한다. 프로세스 또는 특정 시스템의 매개변수를 제어하기 위해 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러 또는 PLC와 같은 장치가 사용되지만 궁극적인 목적은 시스템의 매개변수를 제어하는 ​​것이다.

 

 

다음 그림은 계장 엔지니어에 의해 작성된 제조공장 P&ID의 계장 부분의 사례이다.

<그림 1> The instrumentation part of a P&ID (출처:https://en.wikipedia.org/wiki/Instrumentation)

 

 

공정 제어의 진화

프로세스 제어의 초기에는 공정 지표와 밸브와 같은 제어 요소를 작업자가 모니터링하여 장치 주변을 돌아다니며 밸브를 조정하여 원하는 온도, 압력 및 유량을 얻었다.

기술이 발전함에 따라 공압 컨트롤러가 발명되어 프로세스를 모니터링하고 밸브를 제어하는 현장에 장착되었다. 이로 인해 공정 운영자가 프로세스를 모니터링하는 데 필요한 시간이 단축되었다.

이후에는 실제 컨트롤러는 중앙실로 옮겨졌고 신호는 제어실로 전송되어 프로세스를 모니터링하고 출력 신호는 밸브와 같은 최종 제어 요소로 전송되어 필요에 따라 프로세스를 조정했다. 이러한 컨트롤러와 표시기는 제어 보드라고 하는 벽에 장착되었다. 작업자는 이 보드를 통하여 프로세스 지표를 모니터링했고, 이로 인해 공정 작업자가 장치 주변을 돌아다니는 데 필요한 횟수와 시간을 다시 줄일 수 있었다.

 

 

또한 계장용 신호 표준에서도 많은 발전이 있었고, 다음 그림은 공압용 신호와 전자식 신호 제어 루프 비교 사례이다.

Pneumatic era	Electronic era

<그림 2> Evolution of analogue control loop signalling  (출처:https://en.wikipedia.org/wiki/Instrumentation)

 

계장용 신호 표준에 대해서는 기 포스팅한 다음 링크 자료 참조

https://sec-9070.tistory.com/1473

계장용 신호 표준 및 기호

 

 

공정 제어 시스템

제어 시스템에 부착된 계측기는 solenoids, valves, regulators, circuit breakers(회로 차단기), relays 및 기타 장치를 작동하는 데 사용되는 신호를 제공한다. 이러한 장치는 원하는 출력 변수를 제어하고 원격 모니터링 또는 자동 제어 기능을 제공할 수 있다.

모든 제어 루프는 하나 또는 그 이상의 원하는 변수에 대한 제어 수치를 얻기 위하여 함께 작동하는 최소한 네 개의 기본적인 제어 요소(Control element)로 이루어진다.

이들 제어 요소는 다음과 같다.

- 센서, 또는 기본 요소

- 전송 요소

- 제어 요소

- 최종 제어 요소

 

 

다음 그림은 단일 제어 루프의 사례이다.

 

 

<그림 3> Example of a single industrial control loop, showing continuously modulated control of process flow

(출처:https://en.wikipedia.org/wiki/Instrumentation)

 

Reference : 1. 주영씨앤에스 내부 교육자료

2. https://en.wikipedia.org/wiki/Instrumentation