공정 제어 사례

공정 제어 사례를 통하여 공정 제어 루프(Process control loop) 및 공정 제어 요소 등 계장 전반에 대한 내용을 공유하고자 한다.

 

 

 

 

공정 제어 사례

공정 제어 루프(Process control loop)

다음 그림 1은 계절에 따라 혹은 다른 요인에 의해 변화될 수 있는 온도에 있는 온수 저장 탱크를 나타낸다.

 

<그림 1> hot water tank and temperature control loop

 

탱크는 내부의 스팀 가열 코일에 의해 온도가 일정하게 유지되는 물을 내보낸다. 주입되는 스팀의 양은 입구와 출구 온도 간의 차이에 의존한다. 탱크 내에 삽입되어 있는 열전대는 스팀 공급 라인의 조절변 개폐를 조절함에 의해 코일로의 스팀 유량을 증가 또는 감소시키는 제어 장치로 가열된 물의 온도를 보낸다.

일반적인 공압식 계장 기호로 되어 있는 그림 1에 나타낸 바와 같이, 출력 온도의 자동 제어에 기여하는 요소의 모음이 제어 루프로 알려져 있다. 온도(공정 변수) 측정값, 측정값의 전송, 원하는 값, 즉 설정점과 측정값의 비교, 다른 변수에 취해질 교정 동작에 관한 결정, 그리고 조절변을 통한 이 교정 동작의 실제 구현 등이 결합된 기능을 “제어루프”라고 부른다.

 

 

제어 루프의 도식적 표현

블록 선도는 그림 2에 나타낸 바와 같이 이러한 요소들을 묘사하는 데 있어서 계산상의 목적을 위해 편리한 도식적 표현 방법이다.

 

<그림 2> block diagram of control loop for hot water tank

 

블록 선도는 다양한 신호 사이의 수학적인 관계를 가시화하는 데 도움을 준다. 공장에서 제어 루프 개개의 도식적인 블록은 위에서 설명한 기능을 실행해 주는 실제의 물리적 하드웨어 또는 소프트웨어 요소이다.

 

 

제어 요소(Control element)

모든 제어 루프는 하나 또는 그 이상의 원하는 변수에 대한 제어 수치를 얻기 위하여 함께 작동하는 최소 한 네 개의 기본적인 요소로 이루어진다.

이들 요소는 다음과 같다.

- 센서, 또는 기본 요소

- 전송 요소

- 제어 요소

- 최종 제어 요소

 

 

● 센서는 측정되는 특정물에서의 변화를 감지하는 기기이다. 그림 1에서는 열전대(Ther-mocouple)가 센서이다. 탱크 내의 액체 표면 위에 떠 있는 부표는 액위를 감지하는 요소이다. 이것은 액위가 변함에 따라 오르내린다. 또한 탱크 수위는 커패시턴스 액위 탐침기(Capacitance level probe) 또는 액체를 통과하는 기포를 발생시키는 공압식 튜브에 의해 측정될 수도 있다. 배관의 구멍판(오리피스판)은 흐름 센서이다. 센서는 측정값을 다른 기기로 보낼 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다. 구멍판 또는 부표판은 판을 통한 압력 강하나 액위와 같은 특성값을 감지하기 위해서만 사용된다.

● 전송 요소는 센서로부터 신호를 받아서 그것을 다른 유형의 신호로 변환시킨 후, 제어실과 같이 멀리 떨어진 지역으로 전송한다. 부표에 연결된 로프, 커패시턴스 탐침기로부터의 전기적 신호, 또는 구멍판에 대한 압력 강하 등이 전송 요소로 신호를 보내는데, 이 전송 요소는 측정된 특성값의 상대적인 변화 또는 어떤 값으로서 이 신호를 변환시킨다.

● 측정된 값은 공기압식 신호 또는 전기적 신호로 바뀌어지고, 튜브 또는 케이블을 통해 원하는 설정값과 그 신호를 비교하는 기기로 전송된다. 이 기기는 측정된 변수값을 원하는 값으로 다시 유지시키기 위하여 측정 변수에 영향을 미치는 흐름에서 의 필요한 변화를 추정하기 위한 몇 가지 산술적인 기능을 수행한다. 그리고 이 전송 요소는 계산된 변화를 적용시키기 위해 공압식 혹은 전기적 신호를 최종 제어 요소에 보낸다.

● 최종 제어 요소는 조절 인자(예를 들어 조절변, 댐퍼, 펌프, 수송 벨트, 가변 스피드 드라이브 등)가 되며, 그 위치는 입력되는 신호의 크기에 따라 바뀌게 된다. 또한 최종 제어 요소는 정적 요소(예를 들어 리코더, 얼람, 카운터, 계산 기구, 또는 운전 정지 장치)일 수도 있다.

공정 제어 루프의 신호와 제어 기능은 최종 제어 요소에서 종결된다.

 

 

Reference : 1. 계장기술, 한국계측제어협회 공정과 공정 제어 (Process and Process control)