카테고리
산업계측제어기술사

Lessions in Industrial Instrumentation, chapter 31

Chapter 31에서는 기본 PID 피드백 제어의 한계를 보완하기 위한 다양한 공정 제어 전략을 설명한다. 기본 피드백 제어는 설정값(SP)과 측정값(PV)의 편차를 이용하여 조작변수(MV)를 조절하지만, 외란에 대한 대응 지연과 복잡한 운전 조건에 한계가 있다. 이를 개선하기 위해 감시 제어(Supervisory Control)는 상위 시스템에서 설정값을 변경하고, 캐스케이드 제어(Cascade Control)는 1차 제어기의 출력을 2차 제어기의 설정값으로 사용하여 내부 외란에 신속하게 대응한다. 비율 제어(Ratio Control)와 관계 제어(Relation Control)는 공정 변수 사이의 일정한 비율이나 차이를 유지한다.

피드포워드 제어(Feedforward Control)는 측정된 외란이 제어변수에 영향을 미치기 전에 보상하며, 동적 피드포워드 제어(Dynamic Feedforward Control)는 공정의 시간 지연과 응답 특성을 고려하여 보상 성능을 개선한다. 제한 제어(Limit Control)는 설정값의 허용 범위를 제한하고, 선택 제어(Selector Control)는 여러 측정 신호 중 필요한 값을 선택한다. 오버라이드 제어(Override Control)는 설비 보호 조건이 발생하면 정상 제어보다 보호 제어를 우선하도록 한다. 이러한 제어 전략은 단독 또는 복합적으로 적용되며, 외란 억제, 응답 성능 개선, 운전 조건 유지 및 설비 보호를 통해 공정의 안정성과 제어 성능을 향상시키는 데 목적이 있다.

Chapter 31. Basic Process Control Strategies

Lessons in Industrial Instrumentation v2.32 — 교재 제어 계통도 삽입 학습본

1. 용어 정리

용어의미
SP (Setpoint)제어 목표값
PV (Process Variable)실제 공정 측정값
CV (Controlled Variable)제어 대상 변수
MV (Manipulated Variable)공정에 작용하는 조작변수
CO (Controller Output)제어기의 출력 명령. MV와 구분
DV (Disturbance Variable)제어에 영향을 주는 외란
RSP (Remote Setpoint)다른 제어기·연산 블록이 전달하는 설정값
FCE (Final Control Element)밸브·구동기 등 최종 제어요소

도면 정정: 원서에서 같은 공정의 적용 전·후를 보여주는 경우 두 원본 그림을 사용했다. 원서에 적용 전 그림이 없는 경우에는 해당 사실을 밝히고 별도의 학습용 구조도로 재구성했다. 각 페이지는 책 본문 인쇄 페이지를 기준으로 표시했다.

2. 31.1 Supervisory control — 감시 제어

적용 전
Supervisory 적용 전: 학습용 재구성 제어 계통도
운전자가 TIC의 로컬 SP를 직접 지정하는 단일 루프
학습용 재구성 · 원서에 동일한 적용 전 비교 그림 없음
적용 후
Supervisory 적용 후: 원서 인쇄 2504페이지의 제어 계통도
상위 컴퓨터가 TIC에 원격 SP를 전송
교재 원본 · 인쇄 p.2504 (PDF p.2531)
제어구조 변화: SP의 공급원이 운전자에서 상위 컴퓨터로 바뀐다. PID의 PV와 MV 제어 구조는 유지된다.

도면과 SP·PV·MV의 연결

상위 컴퓨터가 TIC의 SP를 변경하고 TIC가 실제 PV에 따라 가열 전력을 조작한다.

SP·PV·MV·CO·DVSP: 상위 컴퓨터의 온도 목표 / PV: 가열로 온도 / MV: 가열 전력
왜 사용하는가반복 운전의 설정값 자동화
장점기존 PID 재사용·일정표 운전
단점상위 SP 오류·통신장애·추종한계
도면 읽기: 측정기기(FT·TT·LT) → 제어기(FIC·TIC·LIC) 또는 계산 블록 → 출력 CO → 밸브·구동기 → 조작변수 MV 순으로 확인한다.

3. 31.2 Cascade control — 캐스케이드 제어

적용 전
Cascade 적용 전: 원서 인쇄 2508페이지의 제어 계통도
출구 TT-1 → TC-1 → 증기밸브: 출구 온도 단일 제어
교재 원본 · 인쇄 p.2508 (PDF p.2535)
적용 후
Cascade 적용 후: 원서 인쇄 2509페이지의 제어 계통도
출구 TT-1a → TC-1a → TC-1b의 원격 SP; 입구 TT-1b가 2차 PV를 제공
교재 원본 · 인쇄 p.2509 (PDF p.2536)
제어구조 변화: TC-1a의 CO가 TC-1b의 RSP가 된다. TC-1b가 입구 온도 외란을 먼저 보상한다.

도면과 SP·PV·MV의 연결

출구 온도 1차 TC의 CO가 입구 온도 2차 TC의 원격 SP가 된다.

SP·PV·MV·CO·DVSP1: 출구 온도 / PV1: 출구 온도 / SP2: 1차 CO / PV2: 입구 온도 / MV: 증기유량
왜 사용하는가느린 출구 온도보다 빠른 내부변수를 제어
장점내부 외란 조기 억제
단점내부 루프가 충분히 빨라야 하고 튜닝 필요
도면 읽기: 측정기기(FT·TT·LT) → 제어기(FIC·TIC·LIC) 또는 계산 블록 → 출력 CO → 밸브·구동기 → 조작변수 MV 순으로 확인한다.

4. 31.3 Ratio control — 비율 제어

적용 전
Ratio 적용 전: 원서 인쇄 2514페이지의 제어 계통도
FT 두 개와 비율 지시기 RI를 참고하여 사람이 안료밸브를 조작
교재 원본 · 인쇄 p.2514 (PDF p.2541)
적용 후
Ratio 적용 후: 원서 인쇄 2518페이지의 제어 계통도
기본 액체 FT × 비율 k → 안료 FIC의 SP; 안료 FT는 PV
교재 원본 · 인쇄 p.2518 (PDF p.2545)
제어구조 변화: 수동 혼합비 조정을 FY 비율 곱셈 연산과 종속 FIC의 자동 제어로 바꾼다.

도면과 SP·PV·MV의 연결

기준 유량(Wild flow)의 PV와 목표비 R을 이용해 종속 유량의 SP를 산출한다.

SP·PV·MV·CO·DVSP2 = R×PV1 / PV2: 종속 유량 / MV: 종속 밸브 유량
왜 사용하는가혼합비 유지
장점기준 유량 변화에 자동 추종
단점유량계 오차·저유량 구간 관리
도면 읽기: 측정기기(FT·TT·LT) → 제어기(FIC·TIC·LIC) 또는 계산 블록 → 출력 CO → 밸브·구동기 → 조작변수 MV 순으로 확인한다.

5. 31.4 Relation control — 관계 제어

적용 전
Relation 적용 전: 학습용 재구성 제어 계통도
과열증기 TIC에 고정 온도 SP를 설정하는 단순 루프
학습용 재구성 · 원서에 동일한 적용 전 비교 그림 없음
적용 후
Relation 적용 후: 원서 인쇄 2522페이지의 제어 계통도
드럼의 포화증기 TT + 과열도 설정값 → TY → 과열증기 TIC의 SP
교재 원본 · 인쇄 p.2522 (PDF p.2549)
제어구조 변화: 고정 SP 대신 포화증기 온도의 PV에 일정 오프셋을 더한 SP를 사용한다.

도면과 SP·PV·MV의 연결

기준 공정변수에 일정한 Offset을 더하거나 빼서 종속 제어기의 SP를 만든다. 원서의 보일러 계통도이다.

SP·PV·MV·CO·DVSP2 = PV1 + Offset / PV2: 종속 온도 / MV: 온도 조절량
왜 사용하는가비율이 아닌 차이 유지
장점온도차·압력차 목표 유지
단점기준 센서 오차가 SP로 전달
도면 읽기: 측정기기(FT·TT·LT) → 제어기(FIC·TIC·LIC) 또는 계산 블록 → 출력 CO → 밸브·구동기 → 조작변수 MV 순으로 확인한다.

6. 31.5 Feedforward control — 피드포워드 제어

적용 전
Feedforward 적용 전: 원서 인쇄 2529페이지의 제어 계통도
혼합탱크 LT→LC→FC→유출밸브: 레벨 피드백만 사용
교재 원본 · 인쇄 p.2529 (PDF p.2556)
적용 후
Feedforward 적용 후: 원서 인쇄 2532페이지의 제어 계통도
원료 유입 유량 FT의 합산을 유출 유량 SP에 반영하고 LC가 피드백 Trim
교재 원본 · 인쇄 p.2532 (PDF p.2559)
제어구조 변화: PV가 변한 뒤 대응하던 구조에 외란(유입 유량)의 측정과 선제 보상을 추가한다.

도면과 SP·PV·MV의 연결

원서의 혼합탱크 P&ID. 외란으로 작용하는 유입 유량을 측정하여 출구 유량 조작에 반영한다.

SP·PV·MV·CO·DVSP: 탱크 목표 레벨 / PV: 탱크 레벨 / DV: 측정 유입 유량 / MV: 배출 유량
왜 사용하는가PV가 변하기 전에 외란 보상
장점외란 선제대응
단점외란 측정과 모델이 필요
도면 읽기: 측정기기(FT·TT·LT) → 제어기(FIC·TIC·LIC) 또는 계산 블록 → 출력 CO → 밸브·구동기 → 조작변수 MV 순으로 확인한다.

7. 31.6 Feedforward with dynamic compensation — 동적 보상 피드포워드

적용 전
Dynamic FF 적용 전: 원서 인쇄 2545페이지의 제어 계통도
응집제와 석회 분말 공급에 비율 FF를 적용하나 이송 지연 차이를 보정하지 않음
교재 원본 · 인쇄 p.2545 (PDF p.2572)
적용 후
Dynamic FF 적용 후: 원서 인쇄 2549페이지의 제어 계통도
응집제 보상 경로에 55초 Dead time 보상 블록을 추가
교재 원본 · 인쇄 p.2549 (PDF p.2576)
제어구조 변화: 두 분말의 실제 혼합조 도착 시간이 일치하도록 FF 신호의 시간 특성을 보정한다.

도면과 SP·PV·MV의 연결

원서의 응집제·석회 주입 P&ID. 외란 경로와 보상 경로의 시간 지연을 비교하여 FF 신호에 지연·진상/지상 보상을 적용한다.

SP·PV·MV·CO·DVSP: 품질/투입 목표 / PV: 측정 공정변수 / DV: 보상에 사용되는 외란 / MV: 약품 주입량
왜 사용하는가외란 및 조작 경로의 시간 차 보상
장점과도응답 개선
단점동특성 추정 오차·시차 문제
도면 읽기: 측정기기(FT·TT·LT) → 제어기(FIC·TIC·LIC) 또는 계산 블록 → 출력 CO → 밸브·구동기 → 조작변수 MV 순으로 확인한다.

8. 31.7.1 Limit control — 제한 제어

적용 전
Limit 적용 전: 학습용 재구성 제어 계통도
Primary TIC의 CO가 제한 없이 Secondary TIC의 RSP가 되는 캐스케이드
학습용 재구성 · 원서에 동일한 적용 전 비교 그림 없음
적용 후
Limit 적용 후: 원서 인쇄 2570페이지의 제어 계통도
Primary TIC의 CO에 상한 1800°F 제한을 적용한 다음 Secondary TIC에 전달
교재 원본 · 인쇄 p.2570 (PDF p.2597)
제어구조 변화: 1차 제어기의 과도한 요구가 2차 SP로 그대로 전달되지 않도록 제한한다.

도면과 SP·PV·MV의 연결

원서의 용융 금속 가열로 P&ID. 1차 TIC의 CO로 생성된 2차 SP가 허용범위를 넘지 않게 제한한다.

SP·PV·MV·CO·DVSP2 = limit(CO1) / PV1·PV2: 각 온도 / MV: 연료 조작
왜 사용하는가위험한 2차 설정값 방지
장점운전 상·하한 보호
단점1차 목표 미달·적분 포화 대책
도면 읽기: 측정기기(FT·TT·LT) → 제어기(FIC·TIC·LIC) 또는 계산 블록 → 출력 CO → 밸브·구동기 → 조작변수 MV 순으로 확인한다.

9. 31.7.2 Selector control — 선택 제어

적용 전
Selector 적용 전: 학습용 재구성 제어 계통도
반응기의 온도센서 한 개의 PV로 TIC가 냉각수 밸브를 제어
학습용 재구성 · 원서에 동일한 적용 전 비교 그림 없음
적용 후
Selector 적용 후: 원서 인쇄 2575페이지의 제어 계통도
반응기 TT-24a,b,c 중 High Selector TY-24가 최고 온도 PV를 TIC-24에 전달
교재 원본 · 인쇄 p.2575 (PDF p.2602)
제어구조 변화: 단일 센서 PV 대신 여러 PV 중 위험도에 맞게 선택한 측정값을 사용한다.

도면과 SP·PV·MV의 연결

원서의 발열 반응기 P&ID. 여러 온도센서의 측정값 중 가장 높은 PV를 선택하여 TIC에 전달한다.

SP·PV·MV·CO·DVSP: 온도 목표 / PV = max(TT24a,TT24b,TT24c) / MV: 냉각유량
왜 사용하는가다지점에서 가장 위험한 측정값 제어
장점고온 영역 우선 관리
단점센서 고장·선택 전환 시 PV 점프
도면 읽기: 측정기기(FT·TT·LT) → 제어기(FIC·TIC·LIC) 또는 계산 블록 → 출력 CO → 밸브·구동기 → 조작변수 MV 순으로 확인한다.

10. 31.7.3 Override control — 오버라이드 제어

적용 전
Override 적용 전: 원서 인쇄 2585페이지의 제어 계통도
토출압력 PT→PC→펌프 모터 속도: 압력 단일 제어
교재 원본 · 인쇄 p.2585 (PDF p.2612)
적용 후
Override 적용 후: 원서 인쇄 2588페이지의 제어 계통도
수위 LT→LC를 추가하고 Low Selector PY가 압력 PC와 레벨 LC의 CO 중 선택
교재 원본 · 인쇄 p.2588 (PDF p.2615)
제어구조 변화: 저수위에서는 레벨 제어기가 펌프 속도 제한에 우선권을 가지며, LAL 저수위 경보도 구비된다.

도면과 SP·PV·MV의 연결

원서의 수위 저하 보호를 포함한 펌프 제어 사례. 정상 명령보다 보호 조건이 우선하도록 조작권을 전환한다.

SP·PV·MV·CO·DVSP: 정상 제어 목표 / PV: 정상 및 보호 변수 / MV: 펌프 조작·정지
왜 사용하는가운전 한계 도달 시 보호 기능 우선
장점공정 손상 위험 감소
단점제어권 전환·비선택 제어기 적분 포화
도면 읽기: 측정기기(FT·TT·LT) → 제어기(FIC·TIC·LIC) 또는 계산 블록 → 출력 CO → 밸브·구동기 → 조작변수 MV 순으로 확인한다.

11. 암기용 구조 비교

유형신호 관계
SP 생성Supervisory: 상위시스템→SP / Cascade: Primary CO→Secondary SP / Ratio: 기준 PV×R→SP / Relation: 기준 PV+Offset→SP / Limit: SP 제한
외란 보상Feedforward: DV→MV 보상 / Dynamic FF: DV→시간특성 보정→MV 보상
신호 선택Selector: 여러 PV 중 선택 / Override: 여러 CO 또는 보호 로직의 조작권 선택

교재 출처: Tony R. Kuphaldt, Lessons in Industrial Instrumentation, version 2.32, Chapter 31. 도면은 사용자가 제공한 원서 PDF에서 추출하였으며, 설명은 학습용 요약이다.

답글 남기기

이메일 주소는 공개되지 않습니다. 필수 필드는 *로 표시됩니다

이 사이트는 Akismet을 사용하여 스팸을 줄입니다. 댓글 데이터가 어떻게 처리되는지 알아보세요.