계장교육

1.제어일반

 

1.1 계장의 의의와 목적

 

프로세스설계에서 플랜트 각부의 운전조작이 정해지고 그 조건하에서 플랜트는 최적의 능력을 발휘하도록 설계되었으나 이 플랜트를 설계한 것과 같은 조건에서 운전할 수 있는 수단이 필요하게 된다. 이 수단이란 운전상태의 측정을 하는 것, 소정의 운전상태를 유지하는 것, 또 운전이 소정의 조건으로 되어있지 않을 때는 소정의 조건이 되도록 수정해주는 조작을 말한다. 온도․압력․유량․액면 등의 프로세스 변화나 원료․제품 등의 품질을 공업계측기로서 측정하고 측정된 프로세스 변화를 소정의 조건에 합치시키도록 제어기를 설정하는 것이 계장이다.

계장, 즉 측정과 제어 기술은 단독으로 효과를 발휘할 수 없으며 그 대상이 되는 분야의 플랜트설계 기술과 함께 성과를 발휘하는 것이다. 프로세스설계의 단계는 주로 평형상태 혹은 정상상태라는 것을 가정해서 장치의 설계를 진행하였으나 계장․제어공학의 입장에서는 이 상태가 변화한다는 입장, 비정상상태에서 검토를 하게된다. 현재와 같이 플랜트가 대형화․복잡화되고 제품품질에 대한 요구가 심하게 되면 계장의 중요성은 더욱 높아진다. 플랜트에 계장을 하는 목적 및 이점은 다음과 같다.

(1) 품질의 균일화가 확보되고 조작조건의 해석이 쉽게 되며 따라서 품질향상이 된다.

(2) 설비효율의 향상, 건설비의 절감이 되는 것, 조작조건을 안전화하고 과도의 안전율을 예상치 않는 설계를 하게된다.

(3) 안전성이 향상하고 고장발생률이 낮아지며 보수비가 절감되고 장치수명이 연장된다.

(4) 운전비가 절감된다. 장치의 운전을 감시하는 인원이 감소되고 원재료․유틸 리티 등의 절약되므로 생산능률이 향상된다.

(5) 조작환경의 개선, 위험한 작업, 불쾌한 작업환경에서 운전을 해방시킬 수 있 고 사고발생을 방지한다.

 

이 목적을 달성하고 최대이익을 올리기 위해서는 다음 여러 점을 고려한다.

(1) 대상프로세스의 특징을 파악할 것

(2) 검측(측정) 장소와 변수의 선정

(3) 조작(제어) 장소와 제어방법의 선정

(4) 계측기는 어떤 것을 사용하는가?

(5) 자동제어기기는 어떤 것을 사용하는가?

 

1.2 측정

 

1.2.1 측정의 개념

측정이란 물리적/화학적 시스템으로부터 어떤 신호(Signal)를 추출하는 과정으로 정의될 수 있다. 측정결과는 관련된 물리적/화학적 시스템의 상태를 나타내고 그 시스템의 제어에 이용된다. 따라서 우리가 원하는 방향으로 제어를 하기 위해서는 먼저 그 시스템에 대한 현재 상태를 정확히 측정하는 작업이 수행되어야 한다. 예를 들어 인간의 오감을 통해서 주위로부터 획득된 정보는 뇌의 관련부분으로 보내져 처리된 다음 신체의 각 부분이 다음행동을 어떻게 할지 정해진다. 만약 이 과정에서 청력 혹은 시력이 나빠 주위의 상황을 뇌로 정확히 전달하지 못한다면 신체는 그 다음의 상황에 적절히 대처하지 못할 것이다. 측정값의 표현은 보통 미리 정해진 어떤 표준에 비례하여 표시하며, 유효한 측정이 되기 위해서는 측정대상이 되는 시스템의 에너지는 최소한도로 변화시키면서 가능한 최대의 정보를 얻어야 한다. (예를 들면 수은온도계는 시스템의 온도측정시 시스템의 에너지 일부가 온도계로 전달되므로 측정된 값은 시스템의 정확한 온도가 아님) 측정의 목적이 어떤측정지역에 있는 관찰자가 시스템의 정확한 상태를 파악하기 위한 것이므로 측정시스템을 측정요소(Measuring Element)외에 비교장치(Comparator)신호증폭방치(Amplifying Device) 및 신호 변환기(Trasnducer)를 포함할 수 있으며 처리된 신호의 적절한 보상에 의해 측정에러를 줄일 수 있다.

 

1.2.2 측정 용어

1) 정확도(Accuracy) : 측정표시값이 채택한 표준값 혹은 사실값(true value)과 일치하는 정도

2) 반복도(Repeatibility) : 동일한 조건하에서 여러 번 측정할 경우 측정된 값이 일치하는 정도로 측정기 선택시 가장 중요한 항목임

3) 해상도(Resoluion) : 측정 가능한 구간중 가장 적은 간격

4) 히스테리시스(Hysteresis) : 측정 가능한 구간내의 어떤 동일한 입력에 대하 여 상향식(Upscale)과 하향식(Downscale)측정값사 이의 최대차

5) 민감도(Sensitivity) : 입력변화에 따른 출력변화의 비율

6) 정밀도(Precision) : 해상도의 기준

7) 재현성(Reproducibility) : 얼마나 오랫동안 정밀도를 유지하는가를 판단할 수 있는 측정기기의 내구능력

측정기기의 선택시 측정대상 공정의 특성, 측정조건, 측정종류, 측정값의 활용도를 파악한 다음 측정의 중요성과 측정기기의 가격을 고려하여 적당한 측정기기를 선택한다.

 

1.2.3 측정 종류

어떤 공정의 운전상태를 가장 잘 파악하기 위해서는 먼저 그 시스템의 압력, 온도, 유량값을 알아야 한다. 따라서 공장에서 측정하는 값의 90%정도가 이들에 해당된다고 할 수 있다. 이외 위치(Position), 속도, 가속도, 밀도, 힘, 무게 수위(level), 시간과 같이 측정순간에 정보를 얻을 수 있는 것이 있고, 습도(humidity), 수분함량(moisture), 점도(viscosity), 음압(sound level), pH, 조성(composition)과 같이 측정후 분석을 통해 최종적으로 정보를 얻는 것이 있다. 측정시스템은 보통 검출기(Sensor), 변환기(Trasducer), 표시기(Indicator)로 구성되어 있어 유용한 정보를 우리가 인식 할 수 있는 형태로 전달한다.