공정 제어_방향성

안녕하세요 레이닝덕 레덕입니다!

 

 

 방향성 : Direct acting, Reverse acting 

Block Diagram에서 에러는 목표값과 공정변수의 차이를 의미합니다. 식으로 표현하면 e(에러)=SP(Setpoint)-PV(Process Variable)입니다. 하지만 이 식을 반대로 계산할 수도 있습니다.  즉  e=PV-SP 입니다. 두 방법 모두 사용 가능하지만, 특정 루프가 주어지면 둘 중 하나만 옳게 적용되며 그것을 사용하여야 합니다.

 

하드웨어 혹은 소프트웨어를 통한 구현 여부에 관계없이 제어기는 Direct Acting 혹은 Reverse Acting이라는 속성을 가집니다. 이들은 공정변수와 제어기 출력 변동의 상대적인 방향을 의미합니다. 만약 공정변수(PV)가 증가함에 따라 제어기의 출력이 증가하는 응답이 나타난다면, 제어기의 출력이 측정치를 추종하므로 "Direct Acting Controller"라 불립니다.

예를 들어 온도가 올라가면 밸브를 더 열어서 쿨링워터를 더 공급하는 응답이라 생각할 수 있겠습니다.

반대로 공정변수(PV)이 증가함에 따라 제어기의 출력이 감소한다면 이 제어기는 "Reverse Acting Controller"로 불립니다. 예를 들어 연소가스 온도가 과도하게 올라가면 연료밸브를 닫아서 연료공급을 줄이는 응답이라 할 수 있습니다.

정리하면 아래와 같습니다. SP는 고정되어 있다고 생각하고 PV 증가 시 e 증가하여 제어기의 출력증가 =>Direct Acting

Direct Acting : e(에러)=PV-SP

SP 고정이고, PV 증가시 에러 감소로 제어기 출력 감소 => Reverse Acting

Reverse Acting : e(에러)=SP-PV

 

제어루프가 정상적으로 동작하기 위해서 엔지니어는 이 'Direct/Reverse Acting'을 적절하게 설정해야 합니다. 이는 공정의 특성 자체 및 Final Control Element(Control Value)의 Failure Mode에 따라 달라집니다. 피드백 제어가 이루어 지기 위해서는 전체 시스템의 특성이 Negative Feedback이어야 하는데, 측정치가 설정치에서 멀어지면 이를 설정치로 되돌리는 방향으로 제어동작이 수행되기 때문에 'Negative'라고 합니다. 반대는 당연히 Positive Feedback입니다. 예를 들면 증기밸브 개도를 조절하는 온도제어 루프가 있을 때, 온도가 증가함에 따라 증기밸브 개도가 더 열린다면 온도가 더 증가하게 되고, 밸브가 더욱 열리고 결국 온도를 제어할 수 없게 됩니다. 이것이 Positive Feedback이며 제어를 위해서 이는 반드시 피해야 합니다. 제어기의 방향 설정을 위해 공정 자체로 생각하든 제어기의 동작을 기준으로 생각하든 결과는 동일합니다.

 

공정자체를 고려하였을 때 밸브로 전달되는 신호가 증가하면 공정변수(PV)를 증가시킬지, 아니면 감소시킬지 알려면 우선 밸브의 동작을 알아야 합니다. 전달되는 신호에 따라 개도가 증가하는지 감소하는지를 알아야 합니다. 또한 이 조작 변수(증기, 냉각수, 연료 등)가 PV에 어떻게 영향을 주는지도 알아야 합니다. 트랜스미터의 신호가 PV 증가에 따라 증가하는지 혹은 감소하는지도 알아야 판단할 수 있습니다.

 

최종적으로 Negative Feedback 속성을 가지고 공정이 제어될 수 있으려면, 제어기와 공정은 서로 반대 특성을 가져야 합니다. 대부분의 공정들은 Direct Acting 속성을 가지며, 따라서 대부분의 제어기는 Reverse Acting으로 설정됩니다. 

 

다른 관점에서 공정에 필요한 제어동작을 고려할 수도 있습니다. "측정 신호가 증가하면 제어기 출력이 증가하는 게 좋을까 감소하는 게 좋을까?" 생각했을 때 제어기 출력이 증가하는 것이 좋다면 'Direct Acting'으로 그렇지 않다면 'Reverse Acting'으로 제어기를 설정합니다. 물론 이런 설정은 밸브 동작, 조작 변수 영향, 트랜스미터 신호 등을 먼저 고려하여야 합니다. 

 

0~100%의 제어기 출력 신호는 항상 밸브의 '% 개도'를 나타냅니다. 따라서 제어기의 Direct/Reverse Acting은 공정 변수와 밸브 동작의 상대적인 방향성을 나타나게 됩니다. 이에 따라 신호가 Reverse 일지, Direct일지를 결정해야 합니다. 신호가 Reverse가 아니라면 0~100%의 신호는 4~20mA 신호로 변환되어 밸브에 인가되며 반대로 Reverse 인 경우 20~4mA로 인가됩니다.

 

 

 

레이닝 덕입니다.

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