피드백 제어시스템 구성요소

피드백 제어시스템 구성요소에 대해 알아보겠습니다. 

 

먼저 공정제어에 대한 주요 용어부터 정리해 보겠습니다. 

 

프로세스 컨트롤러는 트랜스미터에서 가변 데이터를 수집하고 프로세스에 영향을 미치기 위해 알고리즘에 따라 제어 요소에 동작 신호를 보냅니다.

 

1. 피드백 제어시스템의 용어

1) 프로세스

첫째, 우리는 프로세스로 알려진 것, 즉 우리가 모니터링하고 제어하고자 하는 물리적 시스템을 가지고 있습니다. 고온 증기를 사용하여 저온의 액체로 열을 전달하는 열교환기를 생각해 보면 열교환기는 화학 용액에 필요한 온도를 유지하기 위해 화학 산업에서 자주 사용되므로 원하는 혼합, 분리 또는 반응이 발생할 수 있습니다.

 

열교환기의 매우 일반적인 설계는 금속 쉘이 화학 용액이 흐르는 도관 역할을하는 "쉘 앤 튜브"스타일이며, 더 작은 튜브 네트워크는 쉘 내부를 통과하여 증기 또는 기타 열 전달 유체를 운반합니다. 튜브를 통해 흐르는 더 뜨거운 증기는 열교환기의 쉘 내부에 있는 튜브를 둘러싼 더 차가운 공정 유체로 열 에너지를 전달합니다.

 

 

 

이 경우 프로세스는 가열하려는 유체, 열교환기 및 필요한 열 에너지를 전달하는 증기로 구성된 전체 가열 시스템입니다. 공정 유체의 출구 온도를 안정적으로 제어하려면 이를 측정하고 해당 측정값을 신호 형태로 표현하여 어떤 형태의 제어 조치를 취하는 다른 기기에 의해 해석될 수 있는 방법을 찾아야 합니다.

 

 

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2) 공정 센서 또는 공정 트랜스미터

계측 용어로 측정 장치는 프로세스 측정을 신호 형태로 전송하기 때문에 송신기로 알려져 있습니다.  트랜스미터는 프로세스 다이어그램에서 내부에 식별 문자가 있는 작은 원으로 표시되며, 이 경우 "TT"는 Temperature Transmitter를 나타냅니다.

 

 

 

가열된 유체의 출구 온도를 나타내는 트랜스미터("PV" 점선으로 표시)에 의해 출력되는 신호를 공정 변수라고 합니다. 공정 변수를 제어하려면 열교환기를 통한 유체 흐름(공정 유체, 증기 또는 둘 다)을 변경할 수 있는 방법이 있어야 합니다.

일반적으로 열매체(증기)의 흐름을 변경하고 더 큰 공정의 요구에 따라 공정 유체 유량을 결정하는 것이 더 합리적입니다.

 

예를 들어, 이 열교환기가 정유 공장의 일부인 경우, 오일의 흐름을 변경하면 교환기의 업스트림 및 다운스트림의 다른 공정 변수에도 영향을 미치기 때문에 오일 흐름 자체를 스로틀링하는 것보다 오일 온도를 제어하기 위해 스로틀링하는 것이 훨씬 더 좋습니다. 이상적으로, 열교환기 온도 제어 시스템은 주어진 유입 오일 온도와 이를 통과하는 오일의 유량에 대해 배출되는 오일의 일관된 온도를 제공합니다.

 

 

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3) 출력 부하 장치 또는 제어 요소

열교환기로의 증기 흐름을 조절하는 한 가지 편리한 방법은 제어 밸브(T온도 V밸브이기 때문에 "TV"로 표시됨)를 사용하는 것입니다. 일반적으로 제어 밸브는 최종 제어 요소로 알려져 있습니다.

 

다른 유형의 최종 제어 요소(서보 모터, 가변 유량 펌프 및 일부 물리량을 마음대로 변경하는 데 사용되는 기타 기계 장치)가 있지만 밸브가 가장 일반적이며 아마도 가장 이해하기 쉬울 것입니다. 최종 제어 요소가 배치되면 증기 흐름은 조작된 변수로 알려지게 되는데, 이는 공정 변수를 제어하기 위해 조작할 양이기 때문입니다.

 

 

 

밸브는 다양한 크기와 스타일로 제공되며 일부 밸브는 수동으로 작동됩니다 : 즉, 파이프를 통과하는 흐름 통로를 열기 위해 이동할 수있는 "휠"또는 다른 형태의 수동 제어가 있습니다. 다른 밸브에는 신호 수신기와 포지셔너 장치가 장착되어 있어 신호 명령(일반적으로 송신기 기기에 의해 출력되는 유형과 같은 전기 신호)에 따라 밸브 메커니즘을 다양한 위치로 이동합니다. 이 기능을 사용하면 원격 제어가 가능하므로 인간 운영자 또는 컴퓨터 장치가 멀리서 조작된 변수를 제어할 수 있습니다. 이전 그림에서 증기 제어 밸브에는 "제어 신호" 점선으로 표시되는 이러한 전기 신호 입력이 장착되어 있습니다.

 

 

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4) 프로세스 컨트롤러

열교환기 온도 제어 시스템의 마지막 구성 요소인 컨트롤러는 트랜스미터의 프로세스 변수 신호를 해석하고 해당 프로세스 변수를 원하는 값으로 유지하기 위해 제어 밸브가 얼마나 열려 있어야 하는지 결정하도록 설계된 장치입니다.

 

 

 

여기서 중앙에 "TC"라는 문자가 있는 원은 컨트롤러를 나타냅니다. 이 문자는 Temperature Controller의 약자로, 제어되는 공정 변수가 공정 유체의 온도이기 때문입니다. 일반적으로 컨트롤러는 미리 결정된 설정점에서 공정 변수를 안정화하기 위해 필요에 따라 밸브를 열고 닫는 자동 결정을 내리는 컴퓨터로 구성됩니다.

 

컨트롤러의 원에는 중앙을 통과하는 실선이 있고 송신기와 제어 밸브 원은 열려 있습니다. 열린 원은 계측 기호에 대한 ISA 표준에 따른 현장 장착 장치를 나타내며, 원 중앙을 가로지르는 단일 실선은 장치가 주 제어실 위치의 제어 패널 전면에 있음을 나타냅니다.

 

따라서 다이어그램은 이 세 가지 기기가 서로 가까이 있는 것처럼 보일 수 있지만 실제로는 상당히 멀리 떨어져 있을 수 있습니다. 트랜스미터와 밸브는 모두 열교환기 근처에 위치해야 하지만(건물 내부가 아닌 "필드" 영역 외부) 컨트롤러는 작업자가 안전하고 보안이 유지되는 제어실 내부에서 설정값을 조정할 수 있는 먼 거리에 있을 수 있습니다.

 

 

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2. 피드백 루프 구성 요소

프로세스(제어할 시스템), 프로세스 변수(측정 및 제어할 특정 수량), 트랜스미터(프로세스 변수를 측정하고 해당 신호를 출력하는 데 사용되는 장치), 컨트롤러(프로세스 변수를 가능한 한 설정값에 가깝게 만들기 위해 수행할 작업을 결정하는 장치), 최종 제어 요소(공정에 직접 제어를 행사하는 장치) 및 조작된 변수(공정 변수를 제어하기 위해 직접 변경할 수량)는 피드백 제어 시스템의 필수 요소를 구성됩니다. 

 

피드백 제어는 트랜스미터(프로세스 변수 측정)에서 컨트롤러, 최종 제어 요소, 그리고 프로세스 자체를 통해 트랜스미터로 다시 돌아가는 일종의 정보 "루프"로 볼 수 있습니다. 이상적으로, 프로세스 제어 "루프"는 프로세스 변수를 일정한 수준(설정값)으로 유지할 뿐만 아니라 설정값의 변경 및 프로세스의 다른 변수의 변경에 따라 프로세스 변수에 대한 제어를 유지합니다.

 

 

 

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1) 네거티브 피드백 제어 시스템

"음수"라는 용어는 공정 변수에서 측정된 변화에 대한 응답으로 제어 시스템이 취하는 조치 방향을 나타냅니다. 프로세스 변수를 위로 올리는 일이 발생하면 제어 시스템은 프로세스 변수를 원래 있던 위치로 다시 가져오는 방식으로 자동으로 응답합니다. 공정 변수가 설정값 아래로 처지면 제어 시스템이 자동으로 작동하여 공정 변수를 설정값으로 다시 끌어올립니다. 프로세스 변수가 설정값과 관련하여 수행하는 작업이 무엇이든 제어 시스템은 설정값에서 안정화하기 위해 반대(역 또는 음수) 작업을 수행합니다.

 

예를 들어, 가열되지 않은 공정 유체 유량이 갑자기 증가하면 열 전달의 물리학으로 인해 열교환기 출구 온도가 떨어지지만 이 강하가 트랜스미터에 의해 감지되어 컨트롤러에 보고되면 컨트롤러는 온도 강하를 보상하기 위해 자동으로 추가 증기 흐름을 호출합니다. 따라서 프로세스 변수를 설정값과 다시 일치시킵니다.

 

이상적으로, 잘 설계되고 잘 조정된 제어 루프는 프로세스 또는 설정값의 모든 변경 사항을 감지하고 보상하며, 최종 결과는 항상 설정값 값으로 일정하게 유지되는 프로세스 변수 값입니다.

 

가열되지 않은 유체 유속은 제어되지 않거나 거친 변수의 한 예인데, 이는 제어 시스템이 이에 영향을 줄 수 있는 능력이 없기 때문입니다. 이 흐름은 부하라고도 하는데, 이는 안정화하려는 프로세스 변수에 "로드"하거나 영향을 미치기 때문입니다.

 

부하는 거의 모든 제어 시스템에 존재하며 실제로 제어 시스템을 필요로 하는 주요 요소입니다. 열교환기 공정을 다시 언급하면, 다른 요소(증기 온도, 유체 유량, 유입 유체 온도 등)가 변경되지 않는 경우 수동으로 설정된 증기 제어 밸브만으로 작동 온도를 적절하게 제어할 수 있습니다.

 

2) 오토파일럿 시스템의 피드백 제어

많은 유형의 프로세스가 피드백 제어에 적합합니다. 측풍과 같은 하중의 영향에도 불구하고 비행기가 안정적인 항로를 유지하도록 하는 항공기 자동 조종 시스템을 생각해 보면 전자 나침반에서 비행기의 방향(프로세스 변수)을 읽고 방향타를 비행기의 "요"를 변경하는 최종 제어 요소로 사용합니다.

 

자동차의 "크루즈 컨트롤"은 피드백 제어 시스템의 또 다른 예로, 프로세스 변수는 자동차의 속도이고 최종 제어 요소는 엔진의 스로틀입니다. 크루즈 컨트롤의 목적은 언덕, 역풍, 순풍 및 도로 거칠기와 같은 하중의 영향에도 불구하고 일정한 주행 속도를 유지하는 것입니다.

 

자동 압력 제어 기능이 있는 증기 보일러, 자동 전압 및 주파수 제어 기능이 있는 발전기, 자동 유량 제어 기능이 있는 물 펌핑 시스템은 특정 공정 변수에 대한 제어를 유지하기 위해 피드백을 사용할 수 있는 방법의 또 다른 예입니다.

 

현대 기술을 통해 산업 공정에서 측정할 수 있는 거의 모든 것을 제어할 수 있습니다. 이는 단순한 압력, 수위, 온도 및 유량 변수의 창백함을 넘어 특정 화학적 특성까지 포함합니다.

 

 

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3) 폐수 시스템의 피드백 제어

도시 상하수도 처리 시스템에서는 최대의 건강과 최소한의 환경 영향을 보장하기 위해 수많은 화학 물질의 양을 자동으로 측정하고 제어해야 합니다. 예를 들어, 폐수 처리 시설을 떠나 강, 만 또는 바다와 같은 큰 수역으로 들어가기 전에 처리된 폐수를 염소 처리하는 것을 생각해 보면 잔류 박테리아를 죽이기 위해 물에 염소를 첨가하여 방출되는 물의 몸에서 산소를 소비하지 않도록 합니다. 염소가 너무 적고 박테리아가 충분히 죽지 않아 물 속의 생물학적 산소 요구량 또는 BOD가 높아져 물에서 수영하는 물고기를 질식시킬 수 있습니다. 염소가 너무 많으면 염소 자체가 해양 생물에 위험을 초래할 수 있습니다. 따라서 염소 함량은 특정 설정점에서 신중하게 제어되어야 하며 용존 염소 농도가 너무 낮거나 너무 높을 경우 제어 시스템이 적극적인 조치를 취해야 합니다.