화학공장에서의 계측제어시스템 설계이론 및 기본업무

화학공장에서의 계측제어시스템

설계이론 및 기본업무

목 차

1. 프로세스제어 1.1 자동제어 1.2 제어장치 시스템 1.3 제어의 목적

2. CONTROL 개념의 변천 2.1 수동제어 2.2 On-off 제어

2.3 Proportional Control

2.4 Proportional + Reset Control 2.5 Proportional + Rate Control

2.6 Proportional + Reset + Rate Control

3. 계측제어 시스템의 구성

4. 제어시스템의 설게 업무 4.1 기본설계

4.2 상세설계 4.3 구매 4.4 현장감리

1. 프로세스제어

프로세스 제어시스템이란 Process Plant를 운전관리하기 위한 계측제어장치 및 정보 처리장치등을 말한다. Plant 규모가 크고 복잡해짐에 따라서 Process 변수의 계측제 어뿐 아니라 운전, 관리하는 사람을 포함하여 Process 운전의 Optimization이 절실 하게 요구되고 있다.

1.1 자동제어

(1) 정 의

제어란 어떤 대상물이 설정된 목표값에 도달되도록 필요한 조작을 가해주는 것 을 말한다. 자동제어의 정의는 물체, 공정, 기계등의 어떤 양을 검출하여 외부 에서 주어진 목표값과 일치시키기 위해서 검출량을 목표값과 비교하여, 그것에 따라 정동작을 자 동적으로 하도록 하는 것이다. 여기서 "검출량을 목표값과 비교하여" 는 자동제 어시스템이 결과에서 원인으로 신호를 복원하는 궤환 (Feedback)시스템으로 안정시키는 않는 것을 의미하고, "자동적으로 하도록 하 는 것"은 제어시스템 구성요소의 내부 동작요소에서 사람이 개입하지 않는다는 것을 의미한다. 즉 전자는 제어(Control), 후자는 자동(Automatic)의 개념으로 이와같은 시스템을 자동제어시스템(Automatic Control System)이라 한다.

(2) Block Diagram

제어시스템에서 변수간의 관계를 전달함수와 이들 상호간에 신호의 흐름을 Block 으로 나타낸 것을 Block Diagram이라 한다.

시스템

E(s) G(s) C(s)

Fig 1.1-1 기본 제어시스템

기본제어시스템은 Fig 1.1-1과 같이 간단한 Block Diagram으로 나타낼 수 있다.

이 시스템의 목적은 입력 E(S)에 의해 제어시스템 G(S)를 통하여 출력C(S)가 되 는 것을 나타낸다. 출력에 의한 궤환이 없는 시스템을 Open Loop Control System 이라고 하며, 설정치와 실제출력을 비교하는 궤환요소가 있을 때 이 시 스템을 Closed Loop Control System 이라 한다.

Fig 1.1-2는 모든 기본적인 요소를 포함한 궤환제어시스템의 Block Diagram인 데, 각 요소에 대한 용어는 다음과 같다.

Gv(s) 기준입력

요 소

조절부

Gp(s) 제어 대상

H(s) 궤환요소

조절부 v

목 표 치

r 기준 입력 +

- - 동작

신호 e

b

제어 요소 Gc(s) i 조절 신호

m 조 작 량

외란 C 제어량

제어장치 Process

Fig 1.1-2 궤환 시스템

·목표값 (Command, V) :

인위적인 방법에 의해 외부에서 주어지며, 궤환 제어시스템과 무관한 입력이다

·기준입력요소(Reference Input Element, Gv) : 목표값에 비례하는 신호를 발생한다.

·기준입력(Reference Input, r) : 목표값에 비례하는 신호 입력이다.

·동작신호 (Actuating Signal, e) :

보통제어요소의 입력이 되며 기준입력 r와 궤환 b가 대수적으로 가감되는 양이다.

·제어장치 (Control Device) :

제어를 하기 위하여 제어대상에 부가되는 장치로서 기준입력요소, 제어요소, 궤한요소를 통틀어 일컫는다.

·제어요소(Control Element, Gc) :

동작신호로 부터 조작량을 만들어 주는 요소이다.

·조작량 (Manipulated Variable, m) :

제어요소로 부터 얻어지는 양이며, 제어대상에 인가되는데 보통 동작신호보다 큰 에너지를 갖는다.

·제어대상(Controlled System, Gp) : 제어를 받는 대상(Process)이다.

·제어량 (Controlled Variable, C) :

직접 측정되고 제어되는 양이다. 즉 제어대상의 양이다.

·궤환요소(Feedback Element, H) :

제어량으로 부터 주궤환을 발생시키는 요소이다.

·궤환(Feedback, b) :

제어량의 함수이고 동작신호를 얻기 위하여 기준입력과 비교되는 신호이다.

·외란(Disturbance, u) :

제어량에 영향을 주는 원하지 않는 신호이다.

(3) 자동제어 시스템의 분류

자동제어 시스템은 다음과 같이 여러 가지 방법으로 분류된다.

1) 제어량의 성질에 의한 분류

① 프로세스 제어 (Process Control)

제어량이 Process 상태인 자동제어 시스템이다. Process 장치에서 주된 제조과 정은 자동적이며, 인위적인 것은 원료 혹은 에너지 공급량과 출력량을 규정하 는 것과 장치내의 환경조건이 이에 해당된다. 따라서 프로세스 공업에서는 이 와 같은 모든 조건을 제어하는 것으로 크게 분류하며, 이것을 자동제어하는 것 이 프로세스 제어이다.

에서의 제어량은 세 가지로 나누어진다.

첫째, 프로세스의 환경조건 (온도, 압력, 액위, 습도, pH, 농도)

·둘째, 출입하는 물질 및 에너지의 양 (전력, 유량, 중량율)

·셋째, End Point Control (pH, 밀도, 전도도, 점도, 농도)

② 자동조정 (Automatic Requlation):

전력계통, 원동기, 연소장치등의 주로 동력공업에서 전압, 주파수, 회전수, 전 력등을 제어량으로 하는 제어

③ 서어보기구 (Servo Mechanism):

선박, 비행기등의 위치, 속도, 가속도등의 기계적인 변위를 제어량으로 하는 궤환제어 시스템을 말하는데 항공산업과 군사분야에 많이 응용

2) 목표값의 시간적인 성질에 의한 분류

① 정치제어 (Constant Value Control):

목표값이 시간적으로 항상 일정한 제어

② 추종제어 (Follow-up Control) :

목표값의 변화가 시간적으로 임으로 변하는 경우의 제어

③ 프로그램제어 (Program Control) :

목표값이 미리 정한 프로그램에 따라서 시간과 더불어 변하는 경우의 제어

3) 제어동작의 연속성에 의한 분류

① 연속데이터 제어(Continuous Data Control) :

시스템의 모든 부분의 신호가 연속적인 시간 변수의 함수로 표시되는 제어

② 불연속 데이터 제어(Discrete Data Control):

시스템의 연속신호가 Pulse Train이나 Digital Code인 제어로서 Digital Computer의 많은 이점을 이용할 수 있다.

③ 개폐형(On-off Type) :

조작량이 두 개만 있는 2위치동작이라고 하며 조작량이 일정값을 유지하기 어 렵기 때문에 Cycling을 일으킨다.

4) 제어장치의 동특성에 의한 분류

2위치제어, 비례제어, 비례+미분 및 비례+적분+미분 제어동작이 있다.

1.2 제어장치시스템

앞에서도 언급하였지만 "Automation이란 단순한 기계화, 자동화를 뜻하는 것은 아 니고, 인간의 두뇌처럼 기계장치가 스스로의 동작결과를 감지, 반성하여 목표로 하는 기준과의 일치여부를 비교하고, 이들간에 어떤 차이가 있을 때 이를 수정하 면서 비교조작을 하는 기계화를 뜻한다." 기계자체의 자기동작반성은 궤환원리 (Feedback)에 의하여 이루어지므로 이를 요약하면, Automation이란 궤환원리에 따 른 자동적 기계화를 뜻하는 것이라고 생각할 수 있다. 이와같은 의미에서 공정제 어, 자동조정 및 서보기구는 모두 궤환을 동반한다는 것이 공통인데, 이들을 통합 하여 광의의 자동제어로 해석한다. 특히 프로세스제어는 자동조정 및 서보기구의 종합으로 달성되므로 프로세스제어가 가장 큰 분야가 되며 이것을 다루는 기술이 제어장치이다. 그러나 제어장치란 Automation이라는 광의의 용어가 뜻하는 분야의 일부이지만 경우에 따라서는 동의어로 쓰이기도 한다.

1.3 제어의 목적

제어방법으로는 Analog제어가 일반적이지만, Digital제어도 많이 쓰인다. 최근 Plant가 대형화, 복잡화 되어 감에 따라 개개의 제어 Loop로는 만족스런 제어가 되지 않으므로 Digital 제어와 함께서로 Loop를 관련시켜 Plant 전체를 최적의 조 건으로 효율적으로 제어하는 외에 외란의 영향을 없애고 목표치에 따른 Plant 조 업조건을 일정하게 하여 균일한 품질의 제품을 제조하고 있다.

(1) 운전비의 경감 :

제어장치 비용은 Plant 전체 설비비의 5 ~ 10% 정도가 된다. 따라서 Plant가 대 형화되면 제어비용은 그만큼 증가하지만 자동제어를 하므로써 제품의 질이 향상 되고 재료비가 적게 들고 에너지도 절약된다. 즉, 운전비가 싸지기 때문에 채산 성이 높아지므로 이득이 커진다.

(2) 품질의 균일성 :

조업조건이 항상 일정하기 때문에 완성된 제품의 균일한 제품을 얻을 수 있어서 불합격품도 적고 안정한 제품이 생산된다.

(3) 인재의 성력화 :

운전은 전부 제어장치가 하므로 숙련공이 필요없게 되며, 종업원이 대폭 줄어들 게 되고, 위험한 일로 부터 해방되므로, 종업원은 좋은 환경 속에서 기계 감시

와 고도의 두뇌적 판단에 매진할 수 있다.

(4) 환경보전 :

산업이 근대화됨에 따라 환경보전이 커다란 사회문제가 되고 있다. 공기나 물 을 더럽히고 있는 산업 폐기물을 감시하는 목적으로 제어장치가 유효하게 사용 된다. 예를 들어, 연도가스 SO₂, Gas Chromatograph, pH meter, 연소 유량계 등은 환경보전을 위한 제어장치로 사용된다.

2. CONTROL 개념의 변천 2.1 수동제어

프로세스 플랜트에서는 이론이나 분석적 방법보다는 실제적인 Control System이 먼저 사용되었다. 이 때의 프로세스 Controller는 제작자의 직관과 반복적인 경험 에 근거를 두어 실험식으로 설계되었으며 대부분은 비수학적이었다. 이론과 분석 적인 방법은 후에 System이 실제로 그렇게 동작하는가를 설명하기 위해 생겨났다.

여기서는 제어시스템이 역사적으로 발달한 순서대로 설명하여 수동제어에서 Ever Increasing Control까지 단계적으로 살펴보고자 한다.

Raw Water A

Vc Vb

Hot Oil C

Hot Water B

TR LR

Fig 2.1-1 수동 제어

Fig 2.1-1과 같은 Process가 존재한다고 가정하자.

Raw Water A가 Tank로 흘러 들어 간다. 이것을 원하는 온도까지 가열하여 Hot Water B를 얻기 위해서는 이를 가열하여야 한다. 가열하기 위해 Hot Oil C가 Tank 내의 열교환기를 통해 흐르도록 한다. 이렇게 하므로써 Hot Oil의 유량을 Control 하므로써 원하는 온도를 얻을 수 있다. 덧붙여 Level을 넘치지 않게 하거나 너무 낮지 않게 하려면 다소 복잡해진다.

온도는 Tank내에서 측정되며 Valve Vc가 보이는 곳에서 Tank벽에 있는 Recording Thermometer를 읽고 Tank벽에 부착된 Float Level Indicating Recorder로 Level을 보면서 Vb를 조정한다. 즉, 한 사람의 Operator만으로 Overflow 시키지 않고 온도 를 유지시킬 수 있다.

2.2 On-off 제어

수동밸브 Vc 및 Vb가 Push Button에 의해 자동운전되도록 Fig 2.2-1와 같이

Solenoid Valve를 설치했다고 하자. 이 Valve는 두 개의 상태를 가지고 있다. 즉, 완전히 열리거나 완전히 닫힌 상태이다. 이러한 형태의 Control을 Two-position Control 또는 On-off Control이라 한다. 우선 Level은 일정상태로 유지시키고, 주 된 제어를 온도제어라고 생각하여 온도를 Set Point (SP) 300°C로 유지하도록 하 면 Recording Thermometor와 목표치를 비교하여 "Mode of Control"을 선택한다.

온도가 300°C 이상이면, Vc를 잠그고 300°C 이하이면 Vc를 연다. 이 때 온도는 Fig 2.2-2과 같다.

Vc

TR LR

Power Supply Raw Water A

Hot Water B Hot Oil C

Switch Fig 2.2-1 On-off 제어

300℃

Open

Close

0℃ 300℃ (SP) 100

℃ Neutral Zone SP

Fig 2.2-2 On-off 제어의 특성 t

Recorder는 Hot Oil이 한 순간에 Tank 안으로 흘러 들어 가고 다음 순간에 Tank밖 으로 나온다면 온도는 300°C 위,아래를 진동하게 된다. 진폭은 Process의 Lag와 주로 관련되며, SP와 Process Variable (PV) 사이의 Error를 판단하는 Operator 의 기민성과 Tank 온도에 따라 크게 달라진다.

SP 주위에는 Neutral Zone이 있다. 이는 Valve가 너무 자주 열리고 닫힘으로써

마모되는 것을 보호한다. 이 형태의 Control을 수학적으로 표현하면,

· Valve Poisition V = ∫(SIGN E): E > 0 일때 Open E < 0 일때 Closed

· E = SP - PV, E = Error SP = Set Point PV = Process Point 2.3 Proportional Control (P 제어)

Raw Water A

Hot Oil C Vc

TR LR

Hot Water B

Fig 2.3-1 P제어

프로세스에서 Hot Oil C를 어떤 값 이상으로 흘린다면 Control이 유연하게 될 것 이다.

(1) 정상조건에서 SP로 PV(온도)를 유지하게 하는 Hot Oil의 정상유량 값을 선정한 다.

(2) Hot Oil의 Error가 증가/감소함에 따라 Hot Oil Flow이 증가/감소하게 한다.

위의 두 조건이 P 제어의 기본 조건이다. 즉 Error에 비례해서 Valve 동작을 보 정한다. Operator는 그가 원하는 SP와 실제 온도에서 차이를 발견했을 때 Valve에 비례적인 조정을 할 수 있다. Process의 균형을 이루는 Steady한 Hot Oil을 유지하게 되므로 조정을 자주할 필요가 없어진다.

Open

Close

0% SP 100%

Open

Close

0% 300℃(SP) 100%

M Error

Valve

Change M

1 2 E

ΔV

Fig 2.3-2 P제어의 특성

Fig 2.3-2에 P 제어 특성이 나타나 있다. Error 1% 변화는 Full Travel에서 1%

움직인다. 완전히 열린상태에서 완전히 닫힌 상태가 되려면 오차에서 커다란 변 화가 필요하다.

이의 수학적인 식은 다음과 같다.

V = K(E) + M ··· (1)

단, K는 Proportional Gain이며 M은 Error가 0일 때 Valve Position을 나타내는 상수이다. K는 Valve 위치가 주어진 오차에 따라 얼마나 민감하게 변하는가를 나타내는 계수이며 Valve Curve의 기울기와 일치한다. Error와 Valve Action 사 이의 비례를 Proportional Band, 줄여서 PB라고 부르는데 PB는 Valve를 Full Scale로 움직이는데 필요한 Error %를 나타내는 값이다. 이는 Operator에게 얼 마나 작은 Error로 완전한 Valve Action을 할 수 있는가를 직관적으로 알 수 있게 한다. 즉, PB 10%는 SP와 PV의 10% Error로 Valve를 Full Travel할 수 있 다는 것을 나타낸다.

Proportional Gain K와의 관계는 다음과 같다

K = 100% PB

%

Graph상의 M 값은 온도 300°C 즉 PV=SP가 되게 하는 Hot Oil 양을 공급해 주는 Valve 위치가 되는데 이것을 Manual Reset이라 한다.

이 시스템 장치를 고안할 때는 두 개의 변수 K와 M을 정해야 한다. 이 때 가장 좋은 Control을 하기 위해 K와 M을 어디에 Setting해야 하는 가를 알아야하므로 더 복잡해 진다. 이의 결점은 Process에 빈번한 교란이 일어난다면 PV를 SP에 일치시키기가 힘들다. 예를 들면, Tank로 흐르는 유량이 갑자기 증가한다면, Tank 內의 온도를 300°C로 유지시키기 위해 더 많은 Hot Oil이 공급되어야 한 다. 이는 Valve 위치의 변화를 요구한다. 식(1)에서 M은 상수이기 때문에, Valve 위치(V)를 변화시키는 유일한 방법은 Error(E)를 변화시키는 것이다. 여 기서 새로운 유량 증가에 따라 평형이 일어날 때 까지, 온도는 300°C 이하로 내려갈 것이다. 이 강하량은 Controller에 있는 K값에 좌우된다. K값이 클수록 Offset은 줄어드나 K값을 무한히 증가시키면 Control Loop가 불안정하게 되므로 계속 증가 시킬 수 없다. 그래서 약간의 오차는 부하가 변할 경우 어쩔 수 없 이 일어난다.

Position #2

Position #1

Hot Oil Flow

T1 T2 Hot Water Temp

High Flow

Low Flow C

E A

Fig 2.3-3 P제어의 Load 변화에 따른 특성

Fig 2.3-3에 Low 및 High Flow, Hot Water Temp 및 Hot Oil Flow Rate (Valve Position)간의 관계가 나타나 있다. Valve가 #1에 있고 Raw Water A가 Low Flow Rate로 흐를 때 프로세스는 유체를 덥게하여 온도 T₂인 Hot Feed B를 만든다.

갑자기 High Flow로 Load가 증가하면 Valve 위치가 변하지 않는 한 온도는 T₁ 으로 떨어진다. 초기 온도 T₂를 만들려면 Valve는 #2로 움직여야 한다.

SP 300℃

Max

Min Valve Position

Without Control With P Control

Offset

Max.

Min Raw Water

t

Fig 2.3-4 P 제어에서의 Offset

Fig 2.3-4는 P 제어에서의 Offset을 표시한다. Offset을 제거하기 위해 M을 조 정한다. 우리가 M값 (Controller에 있는 Knob)을 조정함으로써 새로운 조건 하 에서 PV=SP가 되도록 새로운 위치에 Valve가 열리도록 수동으로 조절한다. 식

(1)에서 보면 E가 0일 때 V에 새로운 값을 갖게하는 유일한 방법은 M을 변화시 키는 것이다. 그러므로, 부하변화가 자주있거나 크다면 M값을 자주 바꾸어야 할 필요가 있다. 따라서, 더 나은 Control Mode가 필요하다.

2.4 Proportional + Reset(Integral) Control (PI 제어)

앞의 Section에서 설명한 바와 같이 P 제어에서 M의 조정이 Operator에 의하지 않 고 Controller에 의해 자동적으로 된다면 Load변화에 따른 Offset은 없어질 것이 다. 이의 기본적 개념은 Error가 0 이 될 때까지 일정한 비율로 Valve를 움직여 올바른 Valve위치가 되도록 한다. 그러나 Valve를 움직이는 Rate에는 여러가지 종 류가 있을 수 있다. 가장 일반적인 방법은 Controller를 Error에 비례하게끔 Valve를 움직이는 것이다. 이 방법에 의해 Error가 커지면 Valve를 더 빨리 움직 일 수 있게 된다. 이 Control Mode를 Automatic Reset라 한다. 이는 Offset을 제 거시켜주므로 P 제어와 함께 사용된다. Fig 2.4-1에 PI 제어특성을 표시하였다.

Time축에 대해 SP에서 Error가 Step변화라 하면 먼저P 제어에 의해 K(E)에 해당하 는 갑작스런 변화가 있고 동시에 Error를 감지하는 Reset Mode가 Error에 비례하 는 비율로 Valve를 움직인다. 여기서는 Constant Error를 나타내므로 Valve Rate 는 일정하다.

Reset Time

K(E) K(E)

Reset Open

Close

t

Error (SP-PV) +E

-E SP=PV

t Fig 2.4-1 PI제어의 특성

여기서 새로운 용어가 생긴다. Interval T1이 지난 후, 원래의 P 제어에 의한 Valve 위치변화와 같은 증가가 일어난다. 이 시간 T1을 Reset Time이라 한다. 이 는 Reset Controller에서 Graph에 있는 Reset Response에 해당하는 기울기를 조정 한다. 이 때 점선은 다른 조정을 하는 Controller를 나타낸다. 이 시간이 Reset Action을 나타내는데 이를 Reset Time이라 한다. 일반적으로 그 값의 역수이며

"Repeats per Minutes" 줄여서 R/M 또는 RPM으로 표시한다. 이 용어는 P 제어을 할 때 생긴 Valve위치 변화에 대해 1分간의 Reset Action 동작 횟수를 나타낸다.

그러나 최신 Control Aanalysis Techniques에서는 이 용어를 사용하지는 않으나 실제로는 아직 사용되고 있다.

현대 제어기술자는 T1을 Integral Time이라 한다. 위의 그림에서 보면, Reset Action이 Error에 비례하는 비율로 Valve를 움직이므로 이를 수학적으로 다음과 같이 쓸 수 있다.

dV

dt = K E

( )

따라서 Error가 있는 어느 순간의 Valve의 위치는 이를 적분하면 된다.

V = K

z

^{( )} E dt

이 식에서 알 수 있듯이 Valve의 위치는 시간이 0일때 부터 존재하는 Error의 적 분값에 비례한다. 따라서 Reset Action은 "Integral Control"이란 명칭을 갖게 되었고 이렇게 부르는 것이 이 Mode를 보는 더 근본적인 방법이다. 요즈음에는 Reset Time 보다는 Integral Time 이란 용어를 사용한다.

K1은 보통 다음과 같이 나타난다.

K K

1

T

1

=

여기서, K는 Proportional Gain이며, T1은 Integral Time이다.

결국 P 제어와 I 제어 두 개를 결합한 것이 PI 제어이다.

V K E K

T E dt M

t

= ^{( )}+ ^{1 0}

z

SP 300℃

Max

Min

With P Control

Offset Temp

PV

t SP 300℃

Max

Min Temp

PV

Without Control With PI Control

t

Max

Min Raw Water

t

Fig 2.4-2 PI제어 Response

··· (2)

2.5 Proportional + Rate (Derivative) Control (PD 제어)

외란에 의해 생기는 Offset을 빠르게 감소시키기 위해 Error나 프로세스 변수의 화에 비례하는 제어 동작을 추가한다. 이러한 보정은 단지 Error가 변화하고 있을 때만 가능하다. 즉, Error가 매우 큰 값이라 하더라도 변화하지 않으면 사라진다.

Error는 SP, PV 또는 양쪽의 변화에 대한 변화 비율을 갖게 된다. 이 Mode는 수 학적으로 다음과 같이 표현된다.

V Kd dE

= ( dt )

이 Mode를 P 제어와 혼합하면 아래와 같이 표시할 수 있다.

V K E KD dE dt M

= ( ) + ( ) +

Fig 2.5-1에서 보듯이 SP를 변화시킴으로써 Error가 일정 비율로 변하고 있다고 가정할 때 Rate Action은 Error 변화의 비율에 비례하여 Valve위치 변화를 일으킨 다. Loop가 Open되어 있어 PV는 영향을 받지 않으므로 SP Line의 기울기와 같다.

Error가 증가함에 따라 P 제어는 추가로 Valve 운동을 하게 한다. 어느 정도 시간 이 지난 후 P 제어가 한 일과 Rate Action이 한 일과 같게 될때의 시간을 Rate Time 또는 Derivative Time 이라 하며 TD로 표시한다. 수학적으로 표시하면

E = C(t) , E : Error

C : Constant (Slope of Set Point Change) T : Time

식(3)에 의한 Valve 위치 변화는 V - M = KC (t + TD) 이다. 이는 Valve 위치가 시간 TD 만큼 앞서 있다는 것을 나타낸다. 이 위치는 P 제어도 TD시간 후에는 같 은 Error로 똑같은 위치에 있게 된다. 이 제어방식을 P 제어와 D 제어를 연관시켜 보면, 식(3)의 KD는,

KD K TD

PB TD

= ( ) = ×

% 100%

2.6 Proportional + Reset + Rate Control (PID 제어)

모든 Mode를 동시에 결합함으로써 전체적인 Three-Mode Controller가 얻어진다.

수학적으로 표시하면 아래와 같이 표현된다.

V K E K

T E dt K Td dE dt M

= ^{( )} + ¹ z

^{( )} + ^{( )( )} +

^K = 100 PB

단, KD는 Derivative Constant

··· (3)

Rate Action 증가분

D 제어 PD 제어

t Open

Valve Position

Close

SP

Valve Position

Constant

Ramp

Constant

Constant Ramp

SP 변화에 따른 Valve 위치 변화

rate action 증가분

Proportional Control

원래 Rate증가분과 같은 값의 Proportional 증가분

SP

E=ct

Ramp Set Point에 따른 Rate Action t

t t

Fig 2.5-1 PD 제어의 특성

3. 계측제어 시스템의 구성

최근의 공업계기는 전자공학, 재료 및 기계가공기술의 눈부신 진보에 힘입어 끊임 없이 신제품이 발표되고 있는데, 그 변화를 적절하게 파악하고 있지 않으면 시대에 뒤지게 된다. 계측 또는 자동제어 Loop를 기능에 따라 계기를 분류하면 다음 4가지 로 나누어진다.

· 검출, 변환부

· 지시, 기록부

· 조절부

· 조작부

프로세스를 제어하기 위해서는 우선 프로세스로 부터 필요한 공업량을 검출하고 적 당한 변환(증폭, 연산)을 하여야 한다. 검출되는 공업량은 온도, 압력, 유량, 액 면, 기타각종 성분등 매우 다양하다. 이들 공업량은 전송선로를 통하여 지시 기록 부 또는 조절부로 보내진다. 조작부는 조절부로부터 지령 또는 수동 원격조작의 지 령을 받아 제어대상인 온도, 압력, 유량, 액면등의 제어량을 설정치에 유지할 수 있도록 제어대상을 동작시킨다. 이상의 검출부, 조절부, 조작부는 자동제어시스템 에 있어 3대 요소가 되는 중요한 것이다.

4. 제어시스템의 설계 업무 4.1 기본설계

기본 설계는 상세설계에 필요한 기본사항을 결정하는 단계인데, 제어시스템 설계 에서 수행하는 업무는 다음과 같다.

(1) Instrument Design Criteria (2) Instrument Data Sheet (3) Instrument Index

(4) Overall Control Scheme

(5) Control Valve, Flow Element Sizing (6) Interlock Logic Scheme

4.2 상세설계

상세 설계는 발주자로 부터 기본설계에 대한 승인을 득한 후, 그것을 바탕으로 현

장공사를 위한 시공 도면을 작성하는 업무인데 제어시스템 부문의 수행업무는 다 음과 같다.

(1) Interlock Diagram

(2) Instrument Loop Diagram

(3) Instrument Hook-up Detail (Process Piping, Steam Tracing, Analyzer) (4) Instrument Wiring & Tubing Connection Detail

(5) Control Room Equipment Plan (6) Instrument Main Cable Way Plan (7) Instrument Main Cable Plan

(8) Instrument Wiring Plan (Signal, Temperature, Power & Contact) (9) Instrument Air Piping Plan (Signal, Supply)

(10) Field Instrument Plot Plan (11) Typical Mounting Detail

(12) Instrument Wiring & Tubing Connection List (13) Panel Instrument Arrangement

(14) Material List 4.3 구매

기본 설계 및 상세설계로 부터 얻어진 계기의 시방 및 공사 물량 등을 기초로 하 여 공사수행에 필요한 자재를 구매하는 단계로서 제어시스템부문에서 수행하는 업무는 다음과 같다.

(1) Instrument 및 Construction Bulk Material 시방서 작성 (2) Inquiry 작성

(3) Technical Bid Evaluation (4) Vendor Print 검토

4.4 현장감리

(1) 현장 감리 및 현장설계 (2) 준공도 작성