Process and Control Loop 특성, 정상상태 특성-1

안녕하세요 레이닝덕 레덕입니다!

 

 

 공정과 제어루프 특성

공정제어 시스템을 설계, 분석 및 사용하기 위해서 공정 자체의 특성에 친숙해질 필요가 있습니다. 만약 제어 엔지니어가 공정의 주된 물리, 화학적 현상에 대해 이해가 깊다면 좋겠지만, 기본적으로 엔지니어의 공정에 대한 인식 자체는 공정 설계 엔지니어와는 다릅니다. 이번에는 제어 엔지니어의 공정에 대한 관점을 기준으로 알아보겠습니다. 제어 엔지니어와 공정설계 엔지니어의 생각의 차이는 생각보다 큽니다.

 

 제어 엔지니어와 공정설계 엔지니어의 생각 차이

첫째, 공정설계 엔지니어는 생산율, 품질, 규격 등 "설계조건(Design Condition)"을 고려합니다. 제어 엔지니어는 설계조건이 아니더라도(생산량 감소, 원료의 변동 및 기타 비정상적인 상황) "현재 존재하는 공정 상태에서의 운전, 운영"을 고려합니다.

 

둘째, 공정설계 엔지니어의 목표는 공정기기의 비용(초기 투자비용 및 설비운영비용) 감소입니다. 

제어 엔지니어의 목표는 이미 구성된 공정을 가장 효율적으로 운영하는 것입니다.

 

셋째, 공정설계 엔지니어는 우리가 독립변수라 여기는 설계 데이터(Design Parameter)들을 주로 고려합니다. 다른 파라미터 값들은 이들로부터 파생된 연관변수(Dependant)입니다. 예를 들어 포화 증기 시스템의 압력은 공정을 설계할 때 정해지는 독립변수이고, 이때 증기의 온도는 연관 변수가 됩니다. 

반면 제어 엔지니어는 공정에 미치는 영향이 조절될 수 있는 제어변수들 (밸브, 유량 등)을 독립변수로 생각합니다. 따라서 제어 엔지니어 입장에서 증기 압력은 밸브 개도 또는 유량 변동에 따라 달라지는 연관 변수가 됩니다.

 

넷째, 공정설계 엔지니어는 보통 "공정의 정상상태(Steady-State Condition)도 고려합니다.

반면 제어 엔지니어는 "정상상태뿐만 아니라, 동적/과도상태에서의 공정 응답"도 고려해야 합니다.

 

각 공정마다 고유 특성은 서로 다를 것입니다. 그럼에도 서로 다른 공정에서 공통적으로 나타나는 어떤 특성들이 있습니다. 

 

 

 정상상태 특성(Steady State Characteristic, 정특성)

모든 입력 및 외란이 일정하게 유지된다면 거의 대부분의 공정은 정상상태에 도달합니다. 정상상태의 의미를 이해하기 위해 열교환기를 예시로 들어보겠습니다. 액상 유체를 공급하여 원하는 온도로 가열하는 공정을 가정합니다. 가열원 역시 뜨거운 물이나 오일 같은 액상입니다.

 

공정제어의 관점에서 볼 때 독립변수는 밸브 개도 또는 등가적으로 제어기의 출력입니다. 우리가 고려하는연관 변수는 공정의 출구온도 입니다. 다른 연관변수는 열원 유체의 유량과 이의 배출 온도입니다. 운전 중에 이 값들은 비정상 동작을 감지하기 위해 모니터링되나, 실제 제어에선 매우 사소한 것들입니다. 고려해야 할 중요 변수들은 '외란'입니다. 제어 시스템의 목적은 이러한 외란을 상쇄하는 것입니다. 

 

예로든 열교환 공정에 영향을 미칠 수 있는 외란은 공정 유량 변동, 공정 유입 온도 변동, 열원 매질 온도 변동, 열원 매질의 압력변동에 의한 열원 유량의 변동, 열교환기 튜브의 스케일(열전달 변동), 그리고 부적절한 보온으로 인한 외부 영향 등을 생각할 수 있습니다.

 

이 예시에서 공정 유량변동, 유입 온도 변동, 열원 온도 변동 외의 다란 외란은 없으며 이들 모두 초기에 일정한 값으로 가정합니다. 다시 말해서 이 시스템에서는 밸브 개도만이 유일한 독립변수이며 오직 이를 통해 열원의 유량이 조절될 수 있다고 가정합니다. 

 

"공정에의 모든 외부 영향(외란)이 일정하다면 제어신호(독립변수)의 각 값에 대하여 측정치(연관 변수)는 특정하고 유일한 값을 나타낸다." 이러한 일대일 관계는 그래픽으로 나타낼 수 있으며 이를 Process Graph라 합니다. 

Process Graph는 특정한 외란 조건에서 제어기출력(밸브개도)과 정상상태 관계를 나타낸다는 것입니다.. 만약 외란변수가 변한다면 Process Graph는 달라집니다.

 

Process Graph(특정 외란조건 하에서 제어기 출력과 측정치의 정상상태 관계)는 제어 루프 동작을 이해하는데 중요한 개념입니다. Process Graph는 우리가 결정하는 것은 아니고, 수많은 외란 변수의 조합에 의해 거의 무한히 많기 때문에 하나로 결정하는 것은 불가능합니다. 그럼에도 측정치를 특정값(설정치)으로 제어하고자 한다면 Process Graph를 통해 필요한 제어기 출력 값을 알 수 있습니다.

 

 

 

레이닝 덕입니다.

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