Chapter 31. Basic Process Control Strategies
Lessons in Industrial Instrumentation v2.32 — 교재 제어 계통도 삽입 학습본
1. 용어 정리
| 용어 | 의미 |
|---|---|
| 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
학습용 재구성 · 원서에 동일한 적용 전 비교 그림 없음
적용 후
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·DV | SP: 상위 컴퓨터의 온도 목표 / PV: 가열로 온도 / MV: 가열 전력 |
|---|---|
| 왜 사용하는가 | 반복 운전의 설정값 자동화 |
| 장점 | 기존 PID 재사용·일정표 운전 |
| 단점 | 상위 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
교재 원본 · 인쇄 p.2508 (PDF p.2535)
적용 후
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·DV | SP1: 출구 온도 / PV1: 출구 온도 / SP2: 1차 CO / PV2: 입구 온도 / MV: 증기유량 |
|---|---|
| 왜 사용하는가 | 느린 출구 온도보다 빠른 내부변수를 제어 |
| 장점 | 내부 외란 조기 억제 |
| 단점 | 내부 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
교재 원본 · 인쇄 p.2514 (PDF p.2541)
적용 후
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·DV | SP2 = R×PV1 / PV2: 종속 유량 / MV: 종속 밸브 유량 |
|---|---|
| 왜 사용하는가 | 혼합비 유지 |
| 장점 | 기준 유량 변화에 자동 추종 |
| 단점 | 유량계 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
학습용 재구성 · 원서에 동일한 적용 전 비교 그림 없음
적용 후
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·DV | SP2 = PV1 + Offset / PV2: 종속 온도 / MV: 온도 조절량 |
|---|---|
| 왜 사용하는가 | 비율이 아닌 차이 유지 |
| 장점 | 온도차·압력차 목표 유지 |
| 단점 | 기준 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
교재 원본 · 인쇄 p.2529 (PDF p.2556)
적용 후
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·DV | SP: 탱크 목표 레벨 / PV: 탱크 레벨 / DV: 측정 유입 유량 / MV: 배출 유량 |
|---|---|
| 왜 사용하는가 | PV가 변하기 전에 외란 보상 |
| 장점 | 외란 선제대응 |
| 단점 | 외란 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
교재 원본 · 인쇄 p.2545 (PDF p.2572)
적용 후
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·DV | SP: 품질/투입 목표 / PV: 측정 공정변수 / DV: 보상에 사용되는 외란 / MV: 약품 주입량 |
|---|---|
| 왜 사용하는가 | 외란 및 조작 경로의 시간 차 보상 |
| 장점 | 과도응답 개선 |
| 단점 | 동특성 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
학습용 재구성 · 원서에 동일한 적용 전 비교 그림 없음
적용 후
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·DV | SP2 = limit(CO1) / PV1·PV2: 각 온도 / MV: 연료 조작 |
|---|---|
| 왜 사용하는가 | 위험한 2차 설정값 방지 |
| 장점 | 운전 상·하한 보호 |
| 단점 | 1차 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
학습용 재구성 · 원서에 동일한 적용 전 비교 그림 없음
적용 후
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·DV | SP: 온도 목표 / PV = max(TT24a,TT24b,TT24c) / MV: 냉각유량 |
|---|---|
| 왜 사용하는가 | 다지점에서 가장 위험한 측정값 제어 |
| 장점 | 고온 영역 우선 관리 |
| 단점 | 센서 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
교재 원본 · 인쇄 p.2585 (PDF p.2612)
적용 후
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·DV | SP: 정상 제어 목표 / PV: 정상 및 보호 변수 / MV: 펌프 조작·정지 |
|---|---|
| 왜 사용하는가 | 운전 한계 도달 시 보호 기능 우선 |
| 장점 | 공정 손상 위험 감소 |
| 단점 | 제어권 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
| 유형 | 신호 관계 |
|---|---|
| SP 생성 | Supervisory: 상위시스템→SP / Cascade: Primary CO→Secondary SP / Ratio: 기준 PV×R→SP / Relation: 기준 PV+Offset→SP / Limit: SP 제한 |
| 외란 보상 | Feedforward: DV→MV 보상 / Dynamic FF: DV→시간특성 보정→MV 보상 |
| 신호 선택 | Selector: 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.