산업 효율을 위한 첨단 공정 제어 시스템

공정 제어 시스템

공정은 자원을 사용해 입력을 출력으로 변환하는 작업으로 광범위하게 정의됩니다. 변환이 일어나기 위해 공정에 필요한 에너지를 제공하는 것이 자원입니다. 산업 맥락에서 '공정 제어'라는 용어에서 '공정'은 고체, 액체, 기체, 유체, 슬러리 상태의 원자재를 변화시키고 정제해 지정된 물성의 최종 제품을 만드는 방법을 말합니다. 공정 중 원자재는 이송, 측정, 혼합, 가열 또는 냉각, 여과, 저장, 취급되어 원하는 출력을 얻습니다. 공정 중 원자재는 물리적, 화학적 변화를 거쳐 최종 제품으로 변환됩니다. 보통 산업체는 여러 공정을 운영하며 각 공정은 변환을 지배하는 특정한 동적(시간 변화) 거동을 보입니다. 동적 거동은 입력, 자원, 공정 자체의 물리화학적 특성에 의해 결정됩니다.

공정 제어는 제품 제조에 사용되는 공정 또는 공정들의 변수들을 제어하기 위해 사용되는 방법들을 말합니다. 최종 제어 요소를 제어해 조작 변수를 변경함으로써 공정 변수를 원하는 설정값(set point)에서 유지하는 행위입니다. 이 변수들은 공정 입력, 공정 파라미터, 공정 출력에 있을 수 있습니다. 공정 제어는 목표 제품 품질 확보, 생산 속도 향상, 공정 효율 증대, 환경 보호, 공정에 종사하는 인원과 설비의 안전 보장을 위해 공정 변동성을 줄이기 위해 수행됩니다.

공정 제어의 필연적 결과로, 제어 가능한 공정은 예측 가능한 방식으로 행동해야 합니다. 주어진 조작 변수 변화에 대해 공정 변수가 예측 가능하고 일관된 방식으로 반응해야 합니다.

공정 제어 시스템은 다음 목표를 가집니다.

• 공정 제어 시스템은 제품 품질 유지의 핵심입니다. 공정 제어 시스템은 공정 파라미터를 엄격한 한계 내에서 유지해 공정에서 일관된 사양의 제품을 얻습니다. 공정 제어 없이 제품 품질은 변동될 수 있고 제품이 불합격될 수 있습니다.
• 공정 제어 시스템은 인원, 설비, 환경의 안전을 보존해야 합니다.
• 공정 제어 시스템은 설비 생산성을 충족하고 극대화해 생산량을 높여야 합니다.
• 공정 제어 시스템은 원자재, 에너지, 유틸리티 소비가 공정의 지정된 소비 규범 내에 있도록 해야 합니다.
• 공정 제어 시스템은 환경이 공정에 가하는 제약 조건 하에서 생산 비용을 통제해야 합니다. 비용 통제는 안전과 제품 품질을 타협하지 않고 달성되어야 합니다.

원하는 출력을 내기 위해 공정은 설정 파라미터 내에서 운영되어야 합니다. 공정이 설정 파라미터의 지정된 범위 내에서 운영되면 안정된 운영 상태라고 합니다. 그러나 공정 운영 중 설정 파라미터로부터 편차가 발생할 수 있습니다. 이러한 편차를 교란(disturbance)이라고 합니다. 교란은 공정 입력의 비제어적 변화(공급 조건, 유틸리티 공급 압력 또는 온도, 촉매 활성, 열전달 효율 등)에 의해 발생합니다. 공정이 교란을 경험하면 공정 변수에 편차가 생기고 공정은 불안정해집니다.

산업 공정은 보통 본질적으로 동적이므로 공정 제어 시스템은 보통 이중 임무를 가집니다. 공정 제어 시스템을 통해 운전자는 (i) 특정 공정 상태 지표를 모니터링하고 (ii) 공정 조건을 개선하기 위해 적절한 변수에 변화를 유도합니다. 제어는 공정 시스템의 선택된 변수를 조정해 공정 시스템에서 원하는 조건을 유지함으로써 행사됩니다. 특정 값 또는 범위가 제어할 변수의 원하는 값으로 사용됩니다. 원하는 목표를 달성할 수 있는 가장 단순한 제어 시스템을 활용하는 것이 항상 바람직합니다. 공정 설계는 그것이 동적으로 어떻게 반응하고 어떻게 제어될 수 있는지를 결정합니다.

공정은 보통 다음 네 가지 유형의 변수를 가집니다.

• 입력 변수 – 공정 시스템을 독립적으로 자극해 공정 내부 조건에 변화를 유도하는 변수들입니다. 이 변수들은 조작 변수이거나 교란 변수일 수 있습니다.
• 출력 변수 – 운전자가 공정 내부 상태에 대한 정보를 얻는 변수들입니다.
• 제어 변수 – 운전자가 공정을 제어하기 위해 조작에 사용하는 변수들입니다.
• 상태 변수 – 공정의 내부 상태(또는 조건)를 완전히 기술하는 데 필수적인 최소 변수 집합입니다.

공정은 운전자에 의해 모니터링되어 공정이 안정된 조건에서 운영되고 원하는 출력을 내는지 확인해야 합니다. 모니터링을 위해 공정 시스템의 조건(공정 파라미터)이 측정됩니다. 이를 위해 운전자는 계기에 의존합니다. 또한 각 시스템은 제어 계산(알고리즘이라고도 함)을 가지며, 계산 결과는 공정이 올바르게 기능하도록 구현됩니다. 공정 제어에 사용되는 계기는 센서, 트랜스미터, 컨트롤러, 최종 제어 요소입니다.

• 센서 – 시각, 청각 등의 기능을 수행하는 계기입니다. 온도, 레벨, 유량, 조성 등을 측정합니다. 열전대, 차압계, 가스 분석기 등이 해당됩니다.
• 트랜스미터 – 뉴런과 같습니다. 공기 신호나 전기 신호 등을 전송합니다.
• 컨트롤러 – 두뇌 기능을 합니다. 컨트롤러는 공압식, 전자식, 디지털 컴퓨터일 수 있습니다.
• 최종 제어 요소 – 근육 기능을 합니다. 제어 밸브, 펌프, 압축기, 컨베이어, 릴레이 스위치 등이 해당됩니다.

여러 제어 요소를 보여주는 블록 다이어그램은 그림 1에 있습니다.

그림 1 다양한 제어 요소를 보여주는 블록 다이어그램

제어의 두 가지 주요 이유가 있습니다. 첫째, 교란 발생 시 측정된 변수를 원하는 값으로 유지하기 위함입니다. 둘째, 공정 파라미터의 원하는 값 변화에 대응하기 위함입니다. 원하는 값은 공정이 안정적으로 운영되어 지정된 제품을 경제적이고 안전하게, 환경에 악영향 없이 생산하는 데 필요한 값들입니다.

플랜트와 설비 설계는 공정 제어 활동에 큰 영향을 미칩니다. 또한 공정이 좋은 동적 성능을 제공하는 것이 필수적입니다. 모든 계기와 시험 장비가 주기적이고 정확하게 교정되는 것이 필요합니다. 계기와 시험 장비 교정은 국가 표준으로 추적되어야 합니다. 센서는 설비와 공정 요구에 맞는 용량으로 정확하고 빠르게 작동해야 합니다. 공정은 필요한 계측의 도움으로 수동 또는 자동으로 제어할 수 있습니다. 대부분의 자동 제어는 통신할 값을 나타내기 위해 전류나 전압 레벨을 사용하는 전자 장비로 구현됩니다.

좋은 공정 제어를 위해서는 시스템이 반응성이 좋고 교란이 적게 발생해야 합니다. 반응성 좋은 공정 제어 시스템에서는 제어 변수가 조작 변수 조정에 빠르게 반응합니다. 이런 시스템에서는 교란 빈도도 줄어듭니다. 운전자는 측정된 파라미터만 제어할 수 있으므로 센서의 위치 선정과 선택이 매우 중요합니다. 센서는 변수를 빠르고 신뢰성 있게 충분한 정확도로 측정해야 합니다.