자동제어 기초

기술자료 [기초지식]

자동제어 기초
티엠 솔루션(주) 최시용

본장 에서는 프로세스 산업에서 사용되는 자동제어 기술 중 실제로 자동제어장치를 배우는데 특히 기본적인 것에 대하여 설명 드리고자 합니다. 이미 많은 선배들께서는 아시고 계시는 내용들이지만, 현장에서 사용할 때 조금이나마 도움이 되기를 바라면서 미력 하나마 두서없는 글 읽어 주시고 많은 조언을 부탁 드립니다.

자동제어 역사

현재사용하고 있는 피드백(Feed Back)형태의 자동제어를 처음 적용한 것은 와트의 증기 기관이며 부하변동에 따른 속도변경을 원심추 원리를 응용한 속도조절기를 이용 제어하였다. 플랜트 제어면에서 보자면 1880년경 에디슨에 의하여 발명된 전기를 발생시키고 제어하는 발전소의 제어가 가장 오래된 것이 아닐까라고 생각하여 볼수 있다. 현재에도 보일러 제어는 피드백 제어의 모든 것을 담고 있다고 봐도 과언이 아닐 것이다. 시퀀스제어는 포드가 디트로이트에서 채용한 트랜스퍼 머신(Transfer Machine)의 제어를 효시로 들 수 있으며, 써보(Servo)제어는 피 제어대상의 움직임이 지시된 움직임을 추종하도록 하는 장치로서 1920년경 이후 군사적 사용이 늘면서 급속히 발전하여 현재의 로케트 산업에 지대한 공헌을 하였다고 할 수 있다. 이러한 제어기술이론의 발달과 함께 전자기술의 발달이 1930년이후 급속한 신장을 보여 관련 제어기기류의 고도화가 병행되어 현재의 컴퓨터를 이용한 플랜트제어까지 발전되었으며, 지금도 지속적인 소프트웨어 산업의 발달에 힘입어 가까운 장래에는 무인공장이 가동되리라 생각된다.

제어(制御)란 ?

제어란 '어떤 물리량의 상태를 바라는 목적에 맞는 상태로 하는 것' 이라고 할 수 있다. 예를 들어, 목욕물 온도를 제어한다고 하여 보자. 일단 손을 넣어 물의 온도를 확인(測定)하고 개개인의 취향(比較-設定)에 맞도록 뜨거운 물과 찬물을 섞어서(判斷) 사용하며 다시 온도가 식게 되면 상기사항을 반복(修正) 할 것이다. 설명한 대로 실생활에서도 원시적인 제어(?)를 하는 것을 많이 볼 수가 있는데 이렇듯 어느 일련의 동작이 행하여 지는 것을 루프(Loop)라고 하며, 상기와 같이 연속적으로 측정과 수정이 반복되는 것을 폐(閉)루프(Closed Loop)라고 한다. 인간이 여러 조작을 하여야 하는 것을 수동제어(手動制御)라고 하며 이는 1900년도 초기까지 행해 졌던 제어방식이다. 이후에 전자산업의 발달과 함께 점점 기계가 인간이 하던 일을 대신하게 되었고 근래에 들어서는 컴퓨터가 개입하게 되어 명실상부한 자동제어로 바뀌고 있다. 자동제어루프에서는 상기의 온도를 쟀던 인간의 손은 검출단(檢出端:Sensor), 비교-설정-판단등의 기능을 하는 것을 조절기(調節器:Controller) 그리고 뜨거운 물과 찬물을 섞기 위한 수도꼭지를 조작단(操作端 : Actuator)이라고 한다.

제어의 종류

앞에서 살펴본 제어를 하기 위하여 여러 가지 방식이 있는데 여기서는 이러한 제어의 종류에 대하여 알아 보도록 한다.
피드백 제어 (Feed Back Control)
센서에서 측정한 측정치(Process Value: PV)가 컨트롤러에 가해지면 컨트롤러 내부의 제어하고자 하는 설정치(Set Point: SP)와 비교하여 그 차이에 따른 양 만큼을 조작단으로 보내게 되며 이 수정한 결과는 다시 검출단 센서에서 측정되어 비교되게 된다. 이렇듯 제어결과가 한바퀴 돌아서 다시 처음으로 돌아오는 제어계를 피드백 제어계 (Feed Back Loop)라고 한다. 여기서 본 것처럼 피드백 제어계는 폐루프(Closed Loop)로 되어 있음을 알 수 있으며, 상대적으로 피드백이 없는 경우를 개루프(Open Loop)라고 한다.
피드포워드 제어(Feed Forward Control)
근래 들어 프로세스 제어의 급속한 발달에 힘입어 외란 및 부하변동에 따른 프로세스 제어계에 대한 영향 및 동 특성(動特性)을 분석 플랜트의 최적, 경제운전에 대한 요구가 높아져 제어계의 설계, 해석에 새로운 개념이 속속 도입되고 있다. 이중의 하나가 피드 포워드 제어이며 이로 인해 피드백 제어방식의 제어성능이 개선되었다. 예로서 보일러의 계장에서 연소 공기량, 증기온도, 내부압력등을 보일러에서 요구되는 부하변동이 발생하였을 때 조작단이나, 응답지연을 개선하기 위하여 조절기의 출력이 제어동작에 의해 변화되기 전에 부하변동에 비례하는 수정신호를 조작단에 보내서 조작단, 조절기의 응답속도지연에 의한 영향을 감소시켜 제어 효과를 좋게 하기 위한 제어 방법이다. 정리하면, 피드백 제어는 일어난 결과를 가지고 조절하는데 반하여 일어나려고 하는 원인을 검출하여 미연에 방지하도록 움직여주는 제어를 피드 포워드 제어라고 하며 일종의 예측제어이다.따라서 이를 위하여는 프로세스의 동 특성 해석이 필수다. 여기서 피드 포워드 제어를 한다고 하여도 결국 피드백 제어에 의해 제어계를 닫아주는 계장 즉 Closed Loop 계장이 일반적이다.
배치제어( Batch Control)
배치제어는 일반적으로 불연속적인 프로세스 제어를 일컫는다. 열 교환장치의 제어과정을 보면, 냉수가 장치에 들어가 가감되는 수증기 양에 의하여 온수가 얻어지는 것으로 이 프로세스는 연속적으로 행해진다. 이와 같은 연속 프로세스에 반하여 어떤 원료를 일정량만 탱크 속에 넣은 후 일정 시간 동안 원료는 그대로 둔 채 외부로부터 여러가지 조작을 순서대로 가하는 프로세스는 불연속한 프로세스이며 이 제어를 배치 제어라고 한다. 프로세스 중에서 UP STREAM에 해당하는 정제 프로세스는 연속제어가 주를 이루며, 상대적으로 이러한 정제물질에 여러 가지 화학반응을 첨가하거나 조작하여서 새로운 물질로 변화시키는 DOWN STREAM에서는 배치제어가 주를 이룬다.

제어 방식의 종류

제어 방식에 대하여 알아 보면, 공업화 초기에는 수동제어가 주를 이루었으며, 많은 계기류가 현장에 설치되어 인간이 이를 점검하고 조작하여야 하였다. 그러나 1920년경 전기방식의 계기류가 등장하면서 (일설에는 최초의 전기제어장치는 독일 잠수함에서 사용하였다고도 하니 전쟁의 양면을 보는 것 같아 아이러니를 느낀다; 전쟁이 과학을 발달 시켰다고 주장하는 과학자의 얘기도 일리가 있는 것 같으니...) 원거리 전송이 가능하여 중앙통제실에 각종 계기류를 집중시킨 후 이를 조작하게 되었으며 다시 이러한 계기류를 소형화 시키고 고 기능화 시켜 설치 파넬(Panel)의 크기를 점점 줄일수 있었다. 그후 컴퓨터의 등장으로 현장 계기류에서 전송되어온 신호를 입력받아 계산하여 출력 신호를 내보내는 직접제어방식이 (Direct Digital Control) 1960년대들어 실용화되었으나 (우리주변에서 대표적으로 볼 수 있는 것이 열차표 발권기 일 것이다. 가장 필요로 하는 명절등에 과부하가 걸리면 전국의 발권기가 정지되곤 하는 것을 우리는 심심찮게 언론매체에서 접할 수 있다) , 신뢰성 문제로 곧 사양길에 올랐으며 요즈음 대부분의 방식은 분산제어방식(Distributed Control System : 제어등을 위한 기능성 장비류는 분산 시키고, 정보는 집중시킨 방식)을 채택하고 각각의 부품 신뢰성도 향상되면서 신뢰성, 기능성이 좋아 보편화되었고 여기에 각종 추가 정보까지를 제공하여 경영진의 의사결정을 돕는 단계에 이르렀다. 정리하여 보면, 수동제어(현장제어) - 패널형 아날로그 제어 - D.D.C 제어 - D.C.S. 제어 - MIS 까지로 볼 수 있다.