Chapter 4. Control Valve Accessories

현대의 제어밸브는 밸브 본체와 액추에이터만으로 작동하지 않는다.

제어 시스템의 명령을 액추에이터에 전달하고, 실제 밸브 위치를 설정값과 일치시키며, 응답 속도와 안전성을 높이기 위해 다양한 부속품을 사용한다.

제어밸브에 부속품을 설치하는 목적은 다음과 같다.

공정 제어 성능 개선
공정과 작업자의 안전성 향상
밸브 응답 속도 개선
밸브 위치와 작동 상태 확인
밸브와 액추에이터의 이상 진단

제4장은 포지셔너, I/P 변환기, 볼륨 부스터, 디지털 밸브 컨트롤러, 안전 계측 장치, 위치 확인 장치 및 비상 작동 장치를 설명한다.

4.1 환경 및 적용 고려 사항

제어밸브 부속품은 밸브에 직접 설치되거나 밸브 주변에 설치된다.

따라서 공정 조건뿐 아니라 주변 환경도 함께 고려해야 한다.

주요 환경 조건

주변 온도
진동
습도
염분
부식성 화학물질
가연성 가스
분진
방사선
계장 공기 품질

핸드북은 계측 장비의 주변 온도가 약 -60~125℃ 범위에 이를 수 있다고 설명한다.

염수나 화학물질에 노출되는 환경에서는 스테인리스강 또는 특수 수지 재질이 필요할 수 있다.

진동이 큰 장소에서는 다음 대책이 필요하다.

견고한 계측기 장착
내구성이 높은 내부 구조
원격 장착
튜브와 배선의 진동 방지

습도가 높으면 전자 부품의 부식과 절연 저하가 발생할 수 있다.

가연성 가스나 분진이 존재하는 위험 장소에서는 적용 지역의 기준에 따라 다음 보호 방식을 검토해야 한다.

내압 방폭
방폭
본질안전
비점화
분진 방폭

따라서 제어밸브 부속품은 기능과 가격만으로 선정해서는 안 된다.

환경 조건, 위험 장소 등급, 정비 가능성 및 계장 공기 품질을 함께 검토해야 한다.

4.2 포지셔너

포지셔너는 제어 시스템이 요구한 밸브 위치와 실제 밸브 위치를 비교하고, 두 값이 일치하도록 액추에이터의 공기압을 조절하는 장치이다.

포지셔너의 기본 목적은 다음과 같다.

제어 시스템의 설정값과 실제 밸브 위치를 일치시키는 것

포지셔너는 밸브 스템 또는 회전축의 실제 위치를 피드백받는다.

설정값과 실제 위치 사이에 오차가 발생하면 액추에이터의 공급 또는 배기 압력을 변경하여 밸브를 이동시킨다.

포지셔너가 필요한 이유

액추에이터에 제어 신호만 직접 공급하면 다음 요소가 밸브 위치 오차를 발생시킬 수 있다.

패킹 마찰
플러그 불평형력
유체의 동적 힘
액추에이터 스프링 특성
공급 압력 변화
스템 및 가이드 마찰
링크의 백래시
액추에이터 내부 누설

포지셔너는 실제 밸브 위치를 피드백받기 때문에 이러한 외란이 존재하더라도 밸브를 요구 위치로 이동시킬 수 있다.

포지셔너의 전체 구성

포지셔너의 형식이 달라져도 필요한 기본 기능은 동일하다.

1. 설정값 입력부

제어 시스템이 요구하는 밸브 위치를 입력받는다.

입력 신호는 포지셔너 형식에 따라 달라진다.

공압식 포지셔너: 3~15 psi
아날로그 I/P 포지셔너: 4~20 mA
디지털 밸브 컨트롤러: 4~20 mA, HART 또는 디지털 신호

2. 비교 및 제어부

설정값과 실제 밸브 위치를 비교한다.

두 값의 차이를 위치 오차라고 한다.

포지셔너는 이 오차를 줄이는 방향으로 액추에이터 압력을 조절한다.

3. 위치 피드백부

밸브 스템 또는 회전축의 실제 위치를 측정한다.

기계식 포지셔너: 링크, 축 및 캠 사용
디지털 밸브 컨트롤러: 전자식 위치 센서 사용

4. 공압 신호 발생부

위치 오차를 공압 신호로 변환한다.

공압식 포지셔너: 노즐과 플래퍼
아날로그 I/P 포지셔너: I/P 변환기와 노즐·플래퍼
디지털 밸브 컨트롤러: 마이크로프로세서가 I/P 변환기를 구동

5. 공압 증폭부

작은 제어 압력을 액추에이터를 움직일 수 있는 공기 용량으로 증폭한다.

일반적으로 공압 릴레이가 사용된다.

6. 액추에이터 출력부

공압 릴레이가 액추에이터에 공급 또는 배기 압력을 전달한다.

액추에이터는 이 압력에 따라 밸브를 움직인다.

포지셔너 전체 신호 흐름

설정값 입력

↓

설정값과 실제 위치 비교

↓

위치 오차 계산 또는 기계적 평형 변화

↓

공압 제어 신호 생성

↓

공압 릴레이에서 공기 용량 증폭

↓

액추에이터 이동

↓

밸브 위치 변화

↓

실제 위치 피드백

↓

설정값과 일치할 때 정지

세 가지 포지셔너의 핵심 차이

공압식 포지셔너, 아날로그 I/P 포지셔너 및 디지털 밸브 컨트롤러는 모두 폐루프 위치 제어를 수행한다.

차이는 다음 세 요소를 무엇으로 구현하는가에 있다.

설정값을 받는 방법
설정값과 실제 위치를 비교하는 방법
실제 밸브 위치를 피드백하는 방법

기능	공압식 포지셔너	아날로그 I/P 포지셔너	디지털 밸브 컨트롤러
제어 입력	3~15 psi 공압 신호	4~20 mA 전류 신호	4~20 mA 또는 디지털 신호
입력 변환	필요 없음	I/P 변환기가 전류를 공압으로 변환	마이크로프로세서가 입력을 처리한 후 I/P 변환기를 구동
설정값 입력 요소	벨로우즈	I/P 출력이 공압식 포지셔너의 벨로우즈에 입력	전자 회로 및 마이크로프로세서
비교 및 제어	빔, 피벗, 캠, 플래퍼 및 노즐	공압식 포지셔너와 동일	마이크로프로세서와 위치 제어 알고리즘
위치 피드백	기계식 링크와 캠	기계식 링크와 캠	위치 센서 또는 링크리스 피드백
공압 변환	노즐·플래퍼	I/P 변환기와 노즐·플래퍼	프로세서가 I/P 변환기를 제어
공압 출력 증폭	공압 릴레이	공압 릴레이	공압 증폭 릴레이
액추에이터	공압 액추에이터	공압 액추에이터	공압 액추에이터
진단	거의 없음	거의 없음	압력·위치·온도 및 상태 진단
통신	없음	없음	HART, FOUNDATION Fieldbus, PROFIBUS, 무선 등
자동 교정	없음	없음	가능
원격 설정	없음	없음	가능

원문의 그림 4.1~4.4를 기능별로 비교하면, 포지셔너는 전체가 한 번에 교체되는 것이 아니라 입력부, 비교부 및 피드백부가 단계적으로 전자화되고 디지털화된다고 볼 수 있다.

각 포지셔너에서 대체되는 부품

공압식에서 아날로그 I/P 포지셔너로 변경

공압식 포지셔너의 핵심 기계 구조는 그대로 유지된다.

추가되거나 변경되는 부분은 입력부이다.

기존 공압식 입력

제어기 3~15 psi 신호 → 벨로우즈

아날로그 I/P 입력

제어기 4~20 mA 신호 → I/P 변환기 → 공압 신호 → 벨로우즈

즉, 아날로그 I/P 포지셔너는 다음 구조이다.

I/P 변환기 + 기존 공압식 포지셔너

다음 부품은 그대로 유지된다.

입력 벨로우즈
기계식 빔
피벗
캠
플래퍼
노즐
공압 릴레이
기계식 위치 피드백

따라서 아날로그 I/P 포지셔너는 공압식 포지셔너의 입력 앞에 I/P 변환기를 추가한 구조로 이해할 수 있다.

핸드북에서도 기존 공압식 포지셔너에 전기-공압 변환기를 공장에서 설치하거나 현장에서 추가하여 업그레이드할 수 있다고 설명한다.

아날로그 I/P 포지셔너에서 디지털 밸브 컨트롤러로 변경

디지털 밸브 컨트롤러에서는 기계식 위치 비교 구조가 전자식 제어 구조로 대체된다.

기계식 비교 장치

입력 벨로우즈
빔
피벗
기계식 캠
위치 비교용 플래퍼·노즐 어셈블리

대체되는 전자식 장치

마이크로프로세서
위치 제어 알고리즘
전자식 위치 센서
I/P 구동 전류 회로
압력 및 온도 센서

핸드북은 디지털 밸브 컨트롤러에서 마이크로프로세서가 기계식 빔, 캠 및 플래퍼 어셈블리를 대신하여 위치 제어 알고리즘을 수행한다고 설명한다.

다만 다음 공압 부품은 여전히 필요하다.

I/P 변환기
공압 증폭 릴레이
계장 공기
공압 액추에이터

즉, 디지털 밸브 컨트롤러가 공압 장치를 모두 제거하는 것은 아니다.

기계식 비교·피드백 기능은 전자식으로 대체하지만, 실제 액추에이터를 움직이는 에너지는 여전히 계장 공기에서 얻는다.

부품 대체 관계 요약

공압식 포지셔너

3~15 psi 입력

→ 벨로우즈

→ 빔·캠·플래퍼·노즐

→ 공압 릴레이

→ 액추에이터

→ 기계식 캠 피드백

아날로그 I/P 포지셔너

4~20 mA 입력

→ I/P 변환기 추가

→ 공압 신호

→ 기존 공압식 포지셔너의 벨로우즈

→ 빔·캠·플래퍼·노즐

→ 공압 릴레이

→ 액추에이터

→ 기계식 캠 피드백

디지털 밸브 컨트롤러

4~20 mA 또는 디지털 입력

→ 마이크로프로세서

→ 위치 제어 알고리즘

→ I/P 변환기

→ 공압 릴레이

→ 액추에이터

→ 전자식 위치 센서 피드백

4.2.1 공압식 포지셔너

공압식 포지셔너는 공압 제어 신호를 입력받아 밸브 위치를 제어한다.

일반적인 입력 범위는 다음과 같다.

3~15 psi

또는

20.7~103 kPa

3 psi는 밸브 이동 범위의 0%, 15 psi는 100%에 대응하도록 설정할 수 있다.

주요 구성 부품

입력 벨로우즈
범위 스프링
빔
입력 축
피드백 축
캠
플래퍼
노즐
공압 증폭 릴레이
액추에이터 출력

작동 원리

입력 압력이 증가하면 벨로우즈가 팽창한다.

벨로우즈의 움직임이 빔을 회전시키고 플래퍼를 노즐에 가까이 이동시킨다.

플래퍼가 노즐에 가까워지면 노즐에서 빠져나가는 공기가 감소하고 노즐 배압이 증가한다.

증가한 노즐 압력은 공압 릴레이로 전달된다.

공압 릴레이는 액추에이터에 더 높은 출력 압력을 공급한다.

액추에이터가 움직이면 밸브 스템 또는 샤프트의 위치 변화가 캠을 통해 빔으로 피드백된다.

캠의 피드백은 플래퍼를 노즐에서 멀어지게 하여 출력 압력을 조절한다.

설정값에 해당하는 위치에 도달하면 입력 힘과 피드백 힘이 평형을 이룬다.

이때 액추에이터 압력이 안정되고 밸브가 정지한다.

장점

구조가 비교적 단순하다.
전기 신호가 없어도 작동할 수 있다.
공압식 제어 시스템과 직접 연결할 수 있다.
위험 장소 적용이 상대적으로 용이하다.
기존 설비에서 오랫동안 사용된 검증된 구조이다.

한계

기계식 링크와 캠이 마모될 수 있다.
진단 기능이 제한된다.
원격 구성과 교정이 어렵다.
양방향 통신이 불가능하다.
캠, 피벗 및 링크의 마찰과 백래시 영향을 받을 수 있다.

특수 적용

원자력 분야에서는 고온 및 방사선 조건을 고려한 재질이 필요하다.

핸드북은 EPDM O링과 EPDM·메타아라미드 계열 다이어프램 등의 적용 사례를 설명한다.

4.2.2 아날로그 I/P 포지셔너

아날로그 I/P 포지셔너는 4~20 mA 전류 신호를 입력받아 밸브 위치를 제어한다.

I/P는 다음을 의미한다.

I: Electric Current
P: Pneumatic Pressure

기본 구성

4~20 mA 입력

→ I/P 변환기

→ 비례 공압 신호

→ 공압식 포지셔너 입력 벨로우즈

→ 기계식 위치 비교

→ 공압 릴레이

→ 액추에이터

핵심 특징

아날로그 I/P 포지셔너는 공압식 포지셔너를 완전히 다른 장치로 바꾼 것이 아니다.

공압식 포지셔너 앞에 전류-공압 변환 기능을 추가한 구조이다.

I/P 변환기는 4~20 mA 신호를 비례적인 공압 신호로 변환한다.

이 공압 신호가 기존 공압식 포지셔너의 입력 벨로우즈에 전달된다.

그 이후의 작동은 공압식 포지셔너와 동일하다.

장점

DCS와 PLC의 4~20 mA 출력에 직접 연결할 수 있다.
제어실에서 밸브까지 긴 공압 신호 배관이 필요하지 않다.
기존 공압식 포지셔너 구조를 사용할 수 있다.
기존 포지셔너를 I/P 방식으로 개조할 수 있다.
밸브 위치 피드백을 이용한 폐루프 제어가 가능하다.

한계

기계식 빔, 캠 및 링크가 남아 있다.
디지털 진단 기능이 없다.
양방향 디지털 통신이 불가능하다.
원격 구성과 자동 교정이 제한된다.
기계적 마찰과 백래시의 영향을 받을 수 있다.

아날로그 I/P 포지셔너와 독립형 I/P 변환기의 차이

이 두 장치는 혼동하기 쉽다.

아날로그 I/P 포지셔너

I/P 변환기 + 위치 피드백 포지셔너

4~20 mA를 공압으로 변환한다.
실제 밸브 위치를 측정한다.
설정값과 실제 위치를 비교한다.
위치 오차를 보정한다.
폐루프 위치 제어를 수행한다.

독립형 I/P 변환기

전류-압력 변환기만 존재

4~20 mA를 공압으로 변환한다.
실제 밸브 위치를 측정하지 않는다.
설정값과 실제 위치를 비교하지 않는다.
밸브 마찰과 유체력을 직접 보정하지 않는다.
밸브 위치 관점에서는 개루프 방식이다.

따라서 두 장치의 차이는 I/P 기능의 존재 여부가 아니다.

실제 밸브 위치를 피드백하여 제어하는가가 핵심 차이이다.

4.2.3 디지털 밸브 컨트롤러

디지털 밸브 컨트롤러는 마이크로프로세서를 사용하여 밸브 위치를 제어하는 포지셔너이다.

공압식 및 아날로그 I/P 포지셔너의 기본적인 위치 제어 기능에 다음 기능이 추가된다.

디지털 위치 제어
자동 교정
진단
상태 감시
데이터 저장
양방향 통신
원격 구성

기본 구성

제어 설정값

→ 마이크로프로세서

→ 디지털 위치 제어 알고리즘

→ I/P 구동 전류

→ I/P 변환기

→ 공압 증폭 릴레이

→ 액추에이터

→ 전자식 위치 센서

→ 마이크로프로세서 피드백

작동 원리

마이크로프로세서는 제어 시스템의 설정값을 읽는다.

전자식 위치 센서는 밸브의 실제 위치를 측정한다.

마이크로프로세서는 설정값과 실제 위치를 비교하여 위치 오차를 계산한다.

위치 오차가 있으면 I/P 변환기로 전달되는 구동 전류를 변경한다.

I/P 변환기의 출력 압력은 공압 증폭 릴레이로 전달된다.

릴레이는 액추에이터에 필요한 공기 용량을 공급하거나 배출한다.

액추에이터가 움직이면 위치 센서가 변경된 밸브 위치를 다시 측정한다.

밸브가 설정값에 도달하면 마이크로프로세서가 I/P 구동 신호를 안정화하고 밸브 이동이 정지한다.

단동식과 복동식 액추에이터

단동식 액추에이터는 일반적으로 하나의 공압 출력을 사용한다.

복동식 액추에이터는 두 개의 공압 출력을 사용한다.

복동식에서는 제어 신호가 증가할 때 한쪽 출력 압력은 증가하고 다른 쪽 출력 압력은 감소한다.

링크리스 피드백

기계식 포지셔너는 스템, 링크 및 캠이 물리적으로 접촉한다.

디지털 밸브 컨트롤러는 비접촉식 또는 링크리스 위치 피드백을 사용할 수 있다.

링크리스 피드백은 다음 장점이 있다.

기계적 마모 감소
백래시 감소
수명 증가
설치 단순화
위치 측정 안정성 향상

4.2.3.1 진단

디지털 밸브 컨트롤러는 내부 센서와 마이크로프로세서를 사용하여 밸브 어셈블리의 상태를 진단한다.

주요 측정 정보

밸브 위치
밸브 이동량
공급 압력
액추에이터 출력 압력
내부 온도
스트로크 시간
이동 편차
공기 사용량
마찰 변화

진단 가능한 문제

패킹 마찰 증가
밸브 스틱션
공급 압력 저하
액추에이터 누설
밸브 이동 제한
공압 배관 막힘
포지셔너 조정 불량
밸브 응답 지연
밸브 또는 액추에이터 성능 저하

수행 가능한 시험

밸브 특성 시험
동적 오차 범위 시험
스텝 응답 시험
스트로크 시간 시험
전체 스트로크 동적 시험
부분 스트로크 시험

진단 기능은 고장이 발생한 후 수리하는 방식에서 벗어나 상태 기반 정비와 예측 정비를 가능하게 한다.

4.2.3.2 양방향 디지털 통신

디지털 밸브 컨트롤러는 제어 시스템으로부터 설정값을 받을 뿐 아니라 밸브 상태와 진단 정보를 제어 시스템으로 보낼 수 있다.

이를 양방향 통신이라고 한다.

HART

HART는 기존 4~20 mA 신호에 디지털 통신 신호를 중첩한다.

기존 전류 제어 기능을 유지하면서 다음 기능을 사용할 수 있다.

기기 구성
원격 교정
밸브 상태 감시
실제 밸브 이동 거리 확인
진단 경고 확인
유지보수 정보 확인

FOUNDATION Fieldbus

FOUNDATION Fieldbus는 설정값과 계측 정보를 완전한 디지털 신호로 전달한다.

4~20 mA 아날로그 설정값 대신 디지털 설정값을 사용할 수 있다.

PROFIBUS

PROFIBUS도 완전한 디지털 통신을 제공한다.

FOUNDATION Fieldbus와 통신 구조가 다르므로 플랜트 제어 시스템에 맞게 선정해야 한다.

무선 통신

무선 기능을 적용하면 제어 배선과 별도로 밸브 상태 및 진단 정보를 전송할 수 있다.

주로 다음 목적으로 사용한다.

밸브 위치 감시
상태 진단
유지보수 데이터 수집
배선 설치가 어려운 장소의 모니터링

포지셔너 3종 최종 비교

공압식 포지셔너

공압 신호를 기계식으로 비교하고 공압 릴레이를 제어한다.

입력: 3~15 psi
비교 장치: 빔, 캠, 플래퍼 및 노즐
피드백: 기계식 링크와 캠
출력: 공압
진단: 없음
통신: 없음

아날로그 I/P 포지셔너

공압식 포지셔너 앞에 I/P 변환기를 추가한다.

입력: 4~20 mA
입력 변환: I/P 변환기
비교 장치: 공압식 포지셔너와 동일
피드백: 기계식 링크와 캠
출력: 공압
진단: 없음
통신: 없음

디지털 밸브 컨트롤러

기계식 비교 및 피드백 기능을 마이크로프로세서와 센서로 대체한다.

입력: 4~20 mA 또는 디지털
비교 장치: 마이크로프로세서
피드백: 전자식 위치 센서
출력 변환: I/P 변환기
출력 증폭: 공압 릴레이
진단: 가능
통신: 가능

4.3 I/P 변환기

I/P 변환기는 4~20 mA 전류 입력을 비례적인 공압 출력으로 변환한다.

일반적인 관계는 다음과 같다.

4~20 mA → 3~15 psi

일부 응용에서는 포지셔너 수준의 위치 정밀도가 필요하지 않다.

이 경우 독립형 I/P 변환기를 사용하여 전류 신호를 직접 액추에이터 압력으로 변환할 수 있다.

주요 구성

전기-공압 변환 모듈
편향판 또는 노즐 파일럿 단계
공압 증폭 릴레이
출력 압력 센서
전자식 피드백 회로

입력 전류가 변하면 편향판의 위치가 변한다.

편향판은 수신 노즐로 전달되는 공기 흐름을 변경하여 파일럿 압력을 조절한다.

파일럿 압력은 공압 릴레이를 구동하여 출력 압력을 변경한다.

내부 전자식 피드백 회로는 입력 전류와 실제 출력 압력을 비교한다.

이를 통해 다음 영향을 보정할 수 있다.

공급 압력 변화
하류 공기 누설
출력 압력 편차

특징

실제 밸브 위치 피드백이 없다.
반응 속도가 빠르다.
포지셔너보다 구조가 단순하다.
정밀한 위치 제어에는 한계가 있다.
패킹 마찰과 불평형력에 의한 위치 오차를 직접 보정하지 못한다.

4.4 볼륨 부스터

포지셔너와 I/P 변환기는 일반적인 제어밸브를 구동하기에 충분한 공기 용량을 제공한다.

그러나 대형 액추에이터 또는 빠른 스트로크가 필요한 응용에서는 공기 공급 및 배출 용량이 부족할 수 있다.

볼륨 부스터는 포지셔너의 출력 신호를 기준으로 액추에이터에 공급하거나 배출하는 공기 유량을 증가시킨다.

볼륨 부스터의 목적은 압력 설정값을 높이는 것이 아니라 공압 유량 용량을 증가시키는 것이다.

작동 원리

포지셔너 출력 압력이 급격히 변하면 부스터 입력과 출력 사이에 압력 차이가 발생한다.

압력 차이에 의해 다이어프램이 움직인다.

다이어프램은 공급 포트 또는 배기 포트를 연다.

액추에이터에 많은 공기를 빠르게 공급하거나 배출한다.

입력과 출력의 압력 차이가 데드밴드 안으로 들어오면 포트가 닫힌다.

바이패스의 역할

작고 느린 신호 변화는 바이패스를 통해 액추에이터로 직접 전달된다.

큰 신호 변화가 발생할 때만 부스터가 작동한다.

바이패스를 지나치게 닫으면 다음 문제가 발생할 수 있다.

밸브 Hunting
불안정한 위치 제어
포지셔너와 부스터의 상호 간섭

바이패스를 지나치게 열면 스트로크 속도 개선 효과가 감소한다.

적용

대형 피스톤 액추에이터
압축기 Anti-Surge Valve
터빈 바이패스 밸브
빠른 비상 차단 밸브
대용량 액추에이터

단동식 액추에이터에는 일반적으로 하나의 볼륨 부스터를 사용한다.

복동식 액추에이터에는 피스톤 양쪽에 최소 두 개의 볼륨 부스터를 사용한다.

4.5 안전 계측 시스템

공정 제어 루프에는 연속 제어밸브뿐 아니라 다음 안전 밸브가 포함된다.

비상 배출 밸브
차단 밸브
격리 밸브

이러한 밸브는 일반적으로 정상 운전 중 고정된 위치에 있으며, 비상 상황에서 안전 상태로 이동한다.

안전 밸브는 별도의 안전 로직 솔버에 의해 제어될 수 있다.

주요 부속품

디지털 밸브 컨트롤러
솔레노이드 밸브
볼륨 부스터
위치 송신기
트립 시스템
공기 저장 탱크

각 부속품은 안전 기능을 지원하지만 새로운 고장 원인이 될 수도 있다.

따라서 개별 장치뿐 아니라 최종 제어 요소 전체의 고장 모드를 평가해야 한다.

4.5.1 부분 스트로크 테스트

안전 밸브는 정상 운전 중 장기간 같은 위치에 있을 수 있다.

이 때문에 스템, 샤프트 또는 내부 부품이 고착될 수 있다.

부분 스트로크 테스트는 밸브를 전체 이동 거리의 일부만 천천히 움직인 후 정상 위치로 복귀시키는 시험이다.

목적

밸브 고착 확인
액추에이터 작동 확인
스템과 샤프트 움직임 확인
공압 회로 확인
이동 시간 확인
잠재적 고장 진단

부분 스트로크 테스트는 공정을 완전히 차단하지 않고 안전 밸브의 기계적 작동 상태를 확인할 수 있다.

그러나 다음 항목은 완전히 검증하지 못한다.

전체 스트로크 구간
최종 시트 차단 성능
완전 개폐 위치에서의 문제

따라서 전체 스트로크 시험을 완전히 대체하지는 못한다.

4.5.2 안전 기능 및 제품 인증

스프링 복귀식 단동 액추에이터는 공기압이 제거되면 스프링 힘으로 안전 위치로 이동한다.

안전 동작은 다음 장치로 구현할 수 있다.

액추에이터 스프링
솔레노이드 밸브
디지털 밸브 컨트롤러
볼륨 부스터
트립 시스템
공기 저장 탱크

이러한 장치는 다음 두 종류의 문제를 발생시킬 수 있다.

불필요한 트립
요구 시 안전 상태로 이동하지 못하는 고장

FMEDA는 각 구성 요소의 고장 모드, 영향 및 진단 가능성을 분석한다.

이를 바탕으로 요구되는 위험 감소 수준을 만족하도록 안전 계측 시스템을 설계한다.

4.6 최적화된 디지털 밸브

최적화된 디지털 밸브 패키지는 엄격한 동적 성능과 스트로크 시간 요구를 만족하도록 설계된 밸브 시스템이다.

단순히 큰 액추에이터나 볼륨 부스터를 설치하는 것이 아니라 다음 요소를 함께 최적화한다.

밸브
액추에이터
디지털 밸브 컨트롤러
공압 배관
볼륨 부스터
에어 브레이크
쿠션 실린더
제어 알고리즘

주요 기술

Lead-Lag 입력 필터
Lead-Lag Boost
최종 압력 제어
Air Brake
Cushion Cylinder

목적은 빠른 응답과 정밀한 위치 제어를 동시에 확보하면서 진동과 충격을 줄이는 것이다.

4.7 컨트롤러

일부 공정에서는 DCS나 PLC 없이 현장에서 공압 컨트롤러가 직접 공정 변수를 제어한다.

로컬 컨트롤러는 공정 변수를 측정하고 설정값과 비교하여 공압 출력 신호를 제어밸브에 전달한다.

측정 가능한 공정 변수

압력
차압
온도
레벨

입력 요소

부르동관
벨로우즈
액체 변위 레버
온도 센서

공정 변수의 변화는 빔과 플래퍼의 움직임으로 변환된다.

플래퍼와 노즐 사이의 거리가 변하면 노즐 압력이 변한다.

공압 릴레이는 이 압력을 증폭하여 액추에이터로 전달한다.

제어 동작

비례 제어
비례-리셋 제어
비례-리셋-레이트 제어
Direct Acting
Reverse Acting

비례 밴드를 넓히면 제어기 이득이 감소한다.

비례 밴드를 좁히면 제어기 이득이 증가한다.

리셋 기능은 설정값과 공정 변수 사이의 정상상태 오프셋을 줄인다.

레이트 기능은 느린 공정에서 초기 보정 동작을 빠르게 한다.

리셋 방지 와인드업 기능은 설정값에서 크게 또는 장기간 벗어난 후 발생하는 오버슈트를 줄인다.

4.7.1 차압 제어기

차압 제어기는 서로 다른 두 지점의 압력을 측정한다.

두 압력의 차이를 설정값과 비교한다.

차압이 설정값에 도달하도록 제어밸브에 공압 출력 신호를 전달한다.

적용

필터 차압 제어
유량 제어
열교환기 차압 제어
탱크 압력 균형

4.7.2 게이지 압력 표시 제어기

게이지 압력 표시 제어기는 공정 압력과 설정값을 표시한다.

공정 압력을 설정값과 비교하고, 압력이 설정값에 수렴하도록 제어밸브에 공압 신호를 전달한다.

4.7.3 온도 표시 제어기

온도 표시 제어기는 온도 센서로 공정 온도를 측정한다.

측정값을 작업자가 설정한 온도와 비교한다.

가열 또는 냉각 유체를 조절하는 제어밸브에 공압 신호를 전달한다.

4.8 위치 송신기

위치 송신기는 제어 시스템에 독립적인 밸브 위치 피드백을 제공한다.

밸브 스템 또는 샤프트의 연속적인 위치를 측정한다.

출력 방식

유선 방식: 4~20 mA
무선 방식: 0~100% 디지털 신호

주요 용도

밸브 위치 감시
공정 운전 확인
문제 해결
시동 및 정지 검증
안전 밸브 위치 확인
포지셔너 위치 정보의 독립 검증

4.9 리미트 스위치

리미트 스위치는 밸브가 특정 위치에 도달했는지를 이산 신호로 전달한다.

주요 신호

완전 열림
완전 닫힘
지정된 중간 위치

위치 송신기와의 차이

위치 송신기

밸브의 연속적인 위치를 전달한다.

예: 37%, 65%, 92%

리미트 스위치

특정 위치에 도달했는지를 On-Off 신호로 전달한다.

예: 완전 열림 또는 완전 닫힘

주요 기술

근접식
솔리드 스테이트식
자기식
기계 접점식

4.10 솔레노이드 밸브

솔레노이드 작동 밸브는 전기 신호에 따라 액추에이터의 공압 경로를 전환하는 On-Off 밸브이다.

솔레노이드 밸브는 일반적으로 액추에이터로 연결되는 공압 튜브에 설치된다.

주요 기능

액추에이터 공기 공급
액추에이터 공기 배출
액추에이터 내부 공기 차단
비상 정지
Fail-Open
Fail-Close
Fail-Lock

액추에이터별 적용

스프링 복귀식 액추에이터: 일반적으로 3-Way SOV
복동식 액추에이터: 일반적으로 4-Way SOV

직접 작동식

솔레노이드의 전자기력만으로 밸브를 직접 전환한다.

파일럿 작동식

외부 공기압을 이용하여 주 밸브를 전환한다.

압력 범위와 요구 유량에 따라 직접 작동식 또는 파일럿 작동식을 선정한다.

디지털 밸브 컨트롤러와 솔레노이드 밸브의 1oo2 구성

정상 운전 중에는 디지털 밸브 컨트롤러의 공압 신호가 솔레노이드 밸브를 통과한다.

비상 시 다음 두 장치 중 하나가 밸브를 안전 상태로 이동시킬 수 있다.

디지털 밸브 컨트롤러
솔레노이드 밸브

이를 1oo2 구조라고 한다.

1oo2 = 2개 중 1개가 작동하면 안전 기능 수행

XooY의 의미

전체 Y개 장치 중 X개가 상태를 변경해야 안전 기능이 수행되는 구조이다.

1oo1: 한 개 중 한 개 필요
1oo2: 두 개 중 하나 필요
2oo2: 두 개 모두 필요

구성에 따라 요구 시 작동 실패와 불필요한 트립 가능성이 달라진다.

추가 구조

수동 리셋 SOV
이중화 SOV
SOV 매니폴드

수동 리셋 SOV는 전기 신호가 회복되더라도 작업자의 확인 전에는 정상 상태로 복귀하지 않도록 구성할 수 있다.

4.11 트립 시스템

트립 시스템은 계장 공기 공급 압력이 손실되거나 설정값 아래로 떨어졌을 때 액추에이터를 지정된 상태로 이동시키거나 고정한다.

가능한 동작

밸브를 위쪽 방향으로 이동
밸브를 아래쪽 방향으로 이동
마지막 위치에 고정
지정된 안전 위치로 이동

복동식 액추에이터는 스프링에 의한 고유 Fail-Safe 기능이 없을 수 있다.

이 경우 트립 밸브와 공기 저장 탱크를 사용한다.

공급 압력이 트립 설정값 아래로 떨어지면 저장 탱크의 공기를 이용하여 밸브를 지정된 위치로 이동시킨다.

공급 압력이 설정값 이상으로 회복되면 트립 밸브가 자동으로 재설정되고 정상 운전으로 복귀할 수 있다.

4.12 스위칭 밸브

스위칭 밸브는 파일럿 작동식 컨트롤러 및 공압 계측기에 일정한 감압 공기를 공급하거나 공압 경로를 전환하는 데 사용한다.

스프링과 다이어프램을 이용하여 작동 압력을 설정한다.

스프링 케이스의 조정 나사를 이용하여 전환 지점을 조정할 수 있다.

주요 적용

공압 신호 전환
공급 압력 감시
액추에이터 공기 차단
공압 회로 격리
Fail-Lock 구현
마지막 위치 유지

스위칭 밸브는 전기 신호가 아니라 공압 설정 압력에 의해 작동할 수 있다는 점에서 솔레노이드 밸브와 구분된다.

4.13 핸드휠

핸드휠은 비상 상황이나 정비 작업에서 밸브를 수동으로 조작하는 장치이다.

또한 액추에이터의 이동 범위를 제한하는 조정식 스토퍼로 사용할 수 있다.

측면 장착 핸드휠

측면 장착 핸드휠은 액추에이터 스템 이동 범위 내에서 밸브를 양방향으로 움직일 수 있다.

한쪽 방향의 이동 거리를 제한할 수도 있다.

핸드휠이 중립 위치에 있으면 액추에이터가 전체 스트로크를 자동으로 이동할 수 있다.

중립 위치가 아니면 밸브 이동 범위가 제한된다.

상단 장착 핸드휠

상단 장착 핸드휠은 액추에이터 스템을 직접 수동으로 움직인다.

정비 빈도가 낮거나 비상 수동 조작이 필요한 경우에 사용한다.

자동 운전 전에 핸드휠이 중립 위치에 있는지 확인해야 한다.

제4장 전체 구조 정리

제4장의 부속품은 다음 기능으로 연결된다.

신호 변환

I/P 변환기가 전류를 공압 신호로 변환한다.

밸브 위치 제어

포지셔너가 설정값과 실제 밸브 위치를 일치시킨다.

응답 속도 개선

볼륨 부스터가 액추에이터의 공기 공급 및 배출 용량을 증가시킨다.

진단과 통신

디지털 밸브 컨트롤러가 밸브 상태를 분석하고 제어 시스템과 정보를 교환한다.

상태 확인

위치 송신기는 연속 위치를 제공한다.

리미트 스위치는 특정 위치 도달 여부를 제공한다.

비상 안전 동작

솔레노이드 밸브, 트립 시스템 및 스위칭 밸브가 비상 상황에서 공압 경로를 변경한다.

수동 조작

핸드휠이 정비 또는 비상 상황에서 밸브를 직접 움직인다.

핵심 정리

공압식 포지셔너는 벨로우즈, 빔, 캠, 플래퍼 및 노즐을 이용하여 설정값과 실제 밸브 위치를 기계적으로 비교한다.

아날로그 I/P 포지셔너는 공압식 포지셔너 앞에 I/P 변환기를 추가한 구조이다. 입력은 4~20 mA로 바뀌지만 기계식 비교 및 피드백 구조는 그대로 남는다.

디지털 밸브 컨트롤러는 기계식 비교 구조를 마이크로프로세서와 위치 센서로 대체한다. 그러나 액추에이터를 움직이기 위한 I/P 변환기, 공압 릴레이 및 계장 공기는 여전히 필요하다.

독립형 I/P 변환기는 실제 밸브 위치를 피드백하지 않는다. 따라서 I/P 포지셔너와 동일한 장치가 아니다.

볼륨 부스터는 압력 설정값을 높이는 장치가 아니라 액추에이터에 공급하고 배출하는 공기의 유량 용량을 증가시키는 장치이다.

제어밸브 부속품은 제어 성능을 높일 수 있지만, 부속품이 증가하면 새로운 고장 원인이 추가될 수 있다. 특히 안전 계측 시스템에서는 최종 제어 요소 전체의 고장 모드와 진단 범위를 검토해야 한다.

AI 이해용 JSON

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