조절계동작

기술자료 [기초지식]

조절계 동작

오찬종/광양제철소

제1절. 조절계 PID 동작

1. 개요
각종 프로세스 산업에 있어서 플랜트 각부의 계측제어는 아날로그신호를 주로 취급하는 각종의 공업계기에서 출발하여 이제는 디지탈 신호를 처리하는 인텔리젠트화된 계기 및 전자계산기를 도입하여 플랜트의 최적운용, 경제적 운전에 관한 계산, 공정 스케쥴링을 행하며, 그 결과를 운전자에게 지시하거나 외부의 자동제어 설정부에 보내어 직접 조작부를 제어한다.
조절계에 의한 프로세스 제어는 종래에는 대부분 사용되었지만, 이제는 소규모 계장 또는 분산제어시스템을 채용시 경제성이 없는 곳이나 플랜트 운전에 있어 비상시 운전용으로 사용되고 있다. 아래 그림 2-1은 조절계에 의한 압력제어의 예이다.

가. 조절계의 운전 모드

1) 수동운전
조절계의 운전 모드는 세가지로서 수동 운전,자동 운전,캐스케이드 운전이며, 운전 모드를 선택하는 것은 조절계 전면부 운전모드 변환 스위치로 선택할 수 있다.
수동운전 의미는 <그림 2-2>에서와 같이 밸브 위에 사람이 앉아서 유량이 얼마나 흐르는가를 보면서 유량이 많이 흐르면 밸브를 닫고, 적게 흐르면 밸브를 여는 것이 수동 운전이다. 그러나 이와 같은 수동 운전은 밸브가 설치되어 있는 곳이 현장이기 때문에 작업 환경이 좋지 못하므로 신호선을 연결하여 운전실에서 밸브를 열고 닫고 하는 것이다.
수동운전으로 절환하기 위해 조절계 운전모드 변환 스위치중 M을 누르게 되면은 조절계에서 조작출력이 자동으로 출력되는게 아니라 수동조작 레바에 의해 조작된 결과에 의해서 조작출력이 결정된다. 수동조작레바의 조작 방법은 C방향으로 움직이면 밸브가 닫히고, O쪽 방향으로 움직이면은 밸브가 열리게 된다. 이때 주의할 사항으로 대부분 조절계는 왼쪽이 C로 되어있으나 조절계 특성상 온도 및 다른 제어계는 반대로 되어 있으므로 사전동작여부를 알고 있어야 한다..

2) 자동운전
조절계의 운전 모드중 자동 운전 모드를 선택하는 것은 조절계 전면부에있는 운전모드 변환 스위치 A를 선택함으로서 자동 운전이 가능하게 된다.
자동운전 의미는 <그림 2-3>에서와 같이 배관으로 유량이 최대 1000ℓ/h 흐르고, 최소 0이 흐른다고 가정할때 조절계의 설정치 보턴을 이용하여 50％ 설정시 조절계는 자동으로 발신기에 의해 얻어진 측정치에 따라 배관내 흐르는 유량이 500 ℓ/h 이상이면 조작량 출력이 감소하고, 유량이 500 미만이면은 조작량 출력은 증가하게 된다. 따라서 자동 운전은 운전자가 설정치 조정보턴을 이용해 설정한 목표값과 일치될때까지 계속적으로 조절동작이 이루어진다.

3) 캐스케이드 운전
조절계의 운전모드중 캐스케이드 운전모드를 선택하는 것은 조절계 전면에 있는 운전모드 변환 스위치 C를 선택함으로서 캐스케이드 운전이 가능하게 된다. 설정방법은 수동운전일 경우에는 자동운전을 선택한후에 캐스케이드 운전모드를 선택해야하고 ,캐스케이드 운전중 수동운전으로 바꿀시 바로 M을 선택하여 수동운전으로 전환이 가능하다.
캐스케이드운전의 의미는 설정치를 조절계에서 운전자가 하지 않고 조절계에 컴퓨터 또는 상위 조절계를 연결하여 자동으로 목표값을 설정한다.
이와 같은 조절 형태는 피드백 제어계에서 하나 제어장치의 출력 신호에 의해 다른 제어장치의 목표값을 변화시켜 실시하는 것으로 캐스케이드 제어계를 구성하는 제어의 목적은 2차 조절계에 의하여 들어오는 2차 제어루프에 들어오는 외란이 1차 프로세스에 미치는 영향을 제거하는 것이다.
다음의 <그림 2-4>는 가열로 운전에 있어서 캐스케이스 운전형태의 예를 나타낸 그림이다.

가. 제어 동작

1) 제어동작과 인간
제어동작과 인간과의 관계를 4가지 형태로 분류하면은 <그림2-5> 제어동작과 인간 관계에서 보는바와 같이 A는 표준적 작업자로서 주어진 시간내에 소정의 목적을 성취한 형태이며, B는 예민한 사람으로 마무리를 못짓는 사람이다. 이런 경우에는 감도를 약하게 하여 충분한 작업내용을 주지시킬 필요가 있다. 제어동작으로 보면은 감도가 예민, 목표치에 도달하는 시간이 상당히 소요된다. C의 제어형태를 사람으로 비교하면, 능력이 부족하고 감도가 둔하여 목적이 없을 뿐만 아니라 시간을 아무리 많이 준다고 해도 목표로 하는 값에 도달을 하지 못하는 형태이다. 따라서 C와 같은 형태의 대책으로는 일을 부여하는 것만이 아니고 항상 과거의 성과를 분석하여 해결 가능한 만큼의 수정 동작이 절대적으로 필요하다.
D는 과연 어떤 형태의 유형인가 하면, 감도가 둔하여 상당한 시간이 걸리지만 끝내는 일을 달성 시키는 사람으로서 B의 형태와 정반대 개념이다.
이런 경우는 일을 시키기 전에 일의 내용을 충분히 설명한 후 준비시간을 주는 것이 바람직하다.
제어의 목적은 목표값이 변경 되었을 경우 A동작 처럼 추종하도록 하는 것이나 조절계를 적절히 조정하지 않으면 B, C, D형태의 제어동작이 되는 것이다.

2) 제어의 목적

가) 목표치 변경에 대한 추종성

목표치 변경의 경우 제어량은 목표치에 즉시 추종하는 것이 바람직하다 즉, 다음 <그림 2-6>의 목표치 추종에 대한 제어의 목적과 같이 목표치인 STEP 입력에 대해서 응답이 B와 같은 결과가 이상적이나 실제로는 B∼E와 같은 출력이 나타나며, 조절계의 PID 파라메타를 조정하여 가능한 한 B와 같이 하는 것이 제어 동작이다.

나) 외란에 대한 억압성
제어계 안정상태를 혼란케하는 외적요인에 의해 안정상태가 무너지는데 외란은 들어오는 장소,크기,시간,모양이 일정치 않다. 따라서 제어계에 있어서 이러한 외란 영향을 억압하여 최소로 하는 것이 제어에 좋다.