공정 산업에서의 제어시스템

[산업일보]
1. 공정산업에서의 자동화시스템 개요

석유화학 및 정유, 제약 산업 등 대부분의 공정산업들은 초기 투자비가 많은 장치산업이고, 24시간 계속해서 공장을 가동해야 한다. 환경 및 안전사고에 항상 노출되어 운전되고 있는 특징을 가지고 있다. 이러한 특징을 만족하기 위해서 공정 산업은 일찍부터 DCS, PLC 등의 기본적인 제어시스템을 기초로 하여 공장을 자동으로 운전하는 FA(공장자동화)시스템을 적용 해왔다.
<그림 1>은 공정산업에서 조업이 어떻게 이루어지는지 잘 표현된 그림이다.
먼저 운전원은 가장 최적으로 운전되는 운전 범위인 공정 목표치(Process Target)를 제어시스템에 설정한다. 그러면 DCS, PLC 또는 APC등의 제어시스템은 현장의 운전조건이 공정 목표치를 만족하도록 자동으로 운전하며, 가능한 목표치에 근접한 Normal 범위 내에서 운전된다.
만약 제어시스템이 문제가 있거나 급격한 외란 등으로 제어시스템에서 제어를 할 수 없는 조건이 되면 Alarm시스템이 동작해서 운전원에게 경보를 주며, 운전원은 적절한 운전조치 통해 공정이Upset으로 가는 것을 막아준다. 만약 운전원이 적절한 공정조치를 하지 못하게 되거나 다른 급격한 외란에 의해 Normal 범위 및 Upset범위를 벗어나면 공정은 크게 흔들린다. 설비는 물론 환경 및 안전상에 큰 문제가 발생 할 수 있으며, 이때 ESD(응급가동중지) 시스템이 작동하여 자동으로 공장 운전을 중지하도록 한다.
따라서 공장이 최적으로 운전되기 위해서는 먼저 공정의 특성을 잘 이해하고, 파악하는 것이 중요하며 이를 제어시스템, Alarm시스템, 그리고 ESD시스템에 적절하게 반영하는 것이 필요하다.
공정산업의 제어전략은 공정제어를 효율적으로 수행하기 위해서 필요한 제반 기술 및 제품들을 연속적으로 다룰 예정이다. 그 첫번째인 본고에서는 공정을 가장 안정적으로 운전할 수 있는 기반이 되는 제어시스템의 필요성을 살펴보며, 이 제어시스템의 성능을 최적으로 유지하고 관리한 방법을 PiControl Solution 제품을 예로 들어 소개하도록 하겠다.

2. 제어시스템의 필요성 및 관리

앞에 그림에서 설명 했듯이 제어시스템은 생산관리자, 엔지니어, 또는 운전원이 설정한 공정목표치를 만족하도록 현장의 공정변수를 입력 받아 자동으로 현장의 Control Valve 등을 조작한다.
따라서 성능이 좋은 제어시스템은 공정변수를 가능한 설정된 공정목표치 내, 또는 좁은 Nor mal 범위 내에서 움직이도록 정밀한 제어를 한다. 그러므로 이러한 제어를 받는 공정은 매우 안정된 운전이 이루어지며 관리자 및 운전원은 높은 생산성, 품질, 에너지효율, 설비효율 등을 달성할 수 있다.
그러면 어떻게 하면 제어시스템을 성능이 좋게 유지할 수 있을까?
현대 공정산업 대부분의 제어시스템은 DCS 나 PLC를 사용하고 있으며, 이 제어시스템들은 PID 알고리듬을 내장하고 있다. 따라서 성능이 좋은 제어시스템을 갖기 위해서는 공정의 특성을 잘 이해 한 후 이 특성을 각각의 제어기의 PID알고리듬에 최적의 Parameter를 설정하는 것 즉 Tuning 조작 필요하다.
Control Loop의 Tuning이 잘된 공정은 한계치에 가까운 운전을 하여도 공정을 안정적으로 유지할 수 있다. 그러므로 생산성 향상과 에너지 절감을 할 수 있고, 운전자의 부하를 줄이고 설비의 마모를 줄일 수 있으며, 공장의 안전뿐만 아니라 막대한 경제적인 이익을 얻을 수 있다.
일반적으로 Tuning이 잘 된 공정의 유형효과는 공정제어의 평가와 필요성에 따라 편차가 크지만 공장 총 이익 규모의 0.5~8%정도로 보고 있으며, 다음과 같은 이익들을 얻게 된다.

· 생산 품질 향상
· 생산품의 생산성 증가
· 원치 않는 부생품의 생산량 감소
· Utility의 사용량 감소
· 환경오염 및 안전사고의 감소
· 보다 안정적인 공장 및 설비 운전
· 완만한 공장 Startup 및 Shut down
· 공장 전반의 자동화 및 현대화

하지만 대부분의 공장에서는 Tuning 자체를 별로 중요하게 생각하고 있지 않거나, 심하게 흔들리는 소수의 제어Loop에 대해서만 경험에 의한 기본적인 Tuning을 하고 있다. 심지어는 공장 시운전 당시의 PID Parameter를 그대로 사용하고 있으며, 설사 Tuning이 잘된 공장이라도 이를 지속적으로 유지 및 관리를 하지 못하고 있는 실정이다.
이것은 많은 이유들이 있겠지만 정밀한 Tuning을 위해서는 폭넓고 상세한 공정운전지식과 제어시스템의 특성, 이론적 배경, 그리고 많은 경험이 중요하다. 그러나 실제 현장에서는 한정된 시간 안에 제어 엔지니어나 공정 엔지니어가 이들을 모두 갖추는 것은 매우 힘들다. 이것이 Tun ing을 어렵게 생각하고, 잘된 제어시스템을 지속적으로 유지하지 못하는 가장 중요한 이유가 아닌가 생각한다.
반면, 현대의 제어공학 및 컴퓨터 기술의 발전은 이러한 문제점들의 많은 부분을 해결 할 수 있는 많은 솔루션들이 개발 될 수 있는 환경을 만들었다. 즉 온라인 또는 Off-Line에서 일반적인 공정은 물론 특성화된 공정의 특성을 알아내고 제어할 수 있는 방법 및 전략들을 제시한다. 현장의 데이터를 바탕으로 직접 모사를 해볼 수 있으며, 공정제어를 이해하고 현장에 쉽게 적용할 수 있는 많은 공정제어 솔루션들이 개발될 수 있었다.

그러나 많은 솔루션이 나왔음에도 불구하고, 현장의 제어 및 공정 엔지니어는 제어시스템을 실무경험처럼 이해하고, 실습하고, 튜닝 및 현장 적용 한 후 계속 사후 관리하는 것들에 대해서 전반적으로 이해하고 관리하기가 쉽지 않다.
PiControl Solution은 이러한 문제점을 해결하기 위해 제어시스템의 Training패키지, 튜닝 및 설계 패키지, 성능감시 패키지 등 제어에 대한 종합적인 솔루션을 갖고 있다. 제어 담당자들은 이들 패키지를 이용하여 효율적인 공장관리를 위한 공정 제어 실무에 쉽게 적용할 수 있을 것이다.

3. PiControl Products Overview

PiControl사는 현장의 기존 제어시스템인 DCS 및 PLC의 제어 성능을 최대한으로 올리기 위한 다음과 같은 여러 가지 종합적인 솔루션을 제공하고 있다.

· 교육 및 실습 솔루션
· Control CBT-Plus : 실습을 겸한 공정제어 교육 교재
· CIMSET : 온라인 PID Simulator
· ACSSI : 강사를 위한 Training 교재
· Process Control Publications
· 튜닝 솔루션
· PITOPS-PID : 제어기 튜닝 Tool
· PITOPS-TFI : 공정제어 설계 Tool
· 성능감시 솔루션
· APROMON : 실시간 PID 성능 감시 Tool
· TADPOLE : 실시간 공정이상 감시 Tool

이들을 사용하여 공정 및 제어 엔지니어는 제어시스템에 대한 배경, 이론적인 지식, 경험 등을 배우고, 이를 PID 튜닝 및 제어기의 설계, 제어시스템의 감시 및 유지보수까지 제어 전문가처럼 업무를 수행 할 수 있다.

(1) 교육 및 실습 솔루션

1) Control CBT-Plus
Control CBT-Plus는 제어 및 공정 엔지니어를 위해 제어시스템의 전반적인 이론적인 배경과 실습을 할 수 있는 매우 유용한 S/W 패키지이다.
Control CBT(Computer Based Training)모듈은 실무 경험과 학문적인 공정제어 이론을 결합하여 만들었다. 공정제어의 기초를 가진 공정 엔지니어, 제어 엔지니어, 제어실 운전원, 대학생, 현장관리자 및 책임자들을 교육하기 위해 설계되었다.
Control CBT-Plus는 제어엔지니어가 공장의 제어전략을 세우기 위한 공정제어 실무 기술을 능력을 빠르게 배양하고 정확하게 적용할 수 있도록 도움을 줄 것이다. 또한 공정 자체 및 특성에 맞는 제어를 할 수 있도록 적당한 공정제어 도구를 선택하는데 도움을 줄 것이다.
Control CBT-Plus는 <그림 2>와 같이 3개의 Section으로 나뉘어 있다.
Part 1은 기본 공정제어 과정으로 공정의 특성, 일반적인 계장 및 신호전달, 제어기의 특성 및 이론, 기본적인 PID 튜닝을 다룬다.
Part 2는 고급 공정제어 과정으로 공정특성의 산출, 제어기 설계, 다변수예측제어, IMC (Internal Model Control), 지연 보상 등을 교육담당한다.
Part 3는 이론적인 제어지식 위에 PiControl의 PiTOP를 이용하여 다양한 실습을 하여 실무 능력을 배양 할 수 있도록 설계되어 있다.
Part1, Part2, Part3를 통하여 엔지니어들은 제어실무의 이론 및 실습을 자신의 일정에 맞추어 스스로 익힐 수 있다.

2) SIMCET
SIMCET은 실시간 공정제어 Simulator로 제어 초보자 또는 엔지니어가 가장 간단하게 PID Tuning을 연습하고, 테스트하기에 적당한 패키지 이다. 따라서 제어 또는 공정 엔지니어들이 실제 Control Room환경과 비슷한 조건에서 제어 Loop을 이해하고, 공정제어 및 Tuning에 대해 이론적이며 실제적인 경험을 할 수 있게 해준다.
SIMCET은 유량, 온도, 압력, 레벨, 압축기 Surge 제어 등 실제 공정산업에서 가장 기초적이고, 가장 많이 다뤄지는 공정변수들을 제어하기 위해 Simulation 및 Tuning을 연습을 할 수 있다. 사용자 스스로 12가지 다양한 사례를 가지고 직접 Test한 후 평가해 볼 수 있다.<그림 3>
또한 실제 현장은 DCS기종 및 공정특성에 따라 제어기법이 다를 수 있는데, SIMCET은 사용자가 직접 공정의 특성을 입력하거나 다양한 제어기 관련 Parameter를 설정할 수 있다.

3) ACSSI
ACSSI(Academic Control Slide Show for Instructors/Proffessor)는 기본 및 고급제어를 가르치는 강사를 위한 교육용 교재이다.
ASSI는 다양하고 알기 쉬운 그림 및 Control Diagram으로 교육생들이 튜닝에 대한 이론적인 배경을 쉽게 이해하고, 이를 현실적으로 어떻게 튜닝하며 적용하는지를 자세하게 설명할 수 있도록 130 Page 이상으로 구성 되어 있다.
또한 SIMCET 및 PiTOPS를 이용하여 배운 내용을 직접 실습할 수 있도록 하고 있다.

4) Process Control Publications
PitOPS는 제어 엔지니어를 위한 현장감 있고, 살아있는 다양한 제어관련 문서들을 제공한다.

· Feedforward Control Implementation Procedures Document
· Cascade Control Implementation Procedures Document
· Model-based Control Document
· PID Tuning Secrets Document
· Cascade Tuning Secrets Document
· Constraint Control Design Secrets Document
· Model-based Controller Implemen tation in DCS
· When to Use Derivative Action
· Designing and Implementing Control lers in DCS or PLC
· Closed-loop Multivariable Dynamics Identification Tool and Procedure

(2) PID 튜닝 및 설계 솔루션

1) PiTOPS
PiTOPS는 Process Identification and Controller Tuning Optimizer Simulator의 약자로 프로세스의 모델을 추적하고, PID Tuning값을 최적화할 수 있는 Tuning S/W 패키지이다. 이 패키지는 DCS 또는 RT-DB의 공정 데이터로부터 Dynamic한 공정 동특성 모델을 찾아내고, 최적화된 PID Tuning Parameter찾아주며, 고급제어(Advanced Control) 전략을 수립하고 개발 할 수 있다.
PiTOPS는 PID튜닝, 다단제어 (Cascade Control), 또는 우선제어(Override Control), DCS기반의 고급제어전략, MPC (Model Predictive Control)에 경험이 많은 공정제어 엔지니어에 의해 개발되었으며 제어실에서의 필요성과 현재 적용 가능한 기술을 연결하는 기능을 제공한다.
PiTOPS는 DCS Level에서 다룰 수 있는 다양한 PID Tuning 기법을 익히고, 적용할 수 있는 PiTOPS-PID와 직접 전달함수 및 공정 동특성을 계산해서 고급 공정제어 및 다변수 예측제어기를 설계할 수 있는 PiTOPS-TFI 2개의 S/W로 구성되어 있다.<그림 4>
이 패키지를 통해서 PITOPS는 다음과 같은 목적을 달성할 수 있다.

· 오프라인(Off-line) 동적 시뮬레이션
· 전달 함수 추적
· PID 튜닝 Parameter의 최적화
· FeedForward Parameter의 예측
· 지연시간(Dead Time) 보상
· 모델기반 예측제어 전략의 설계
· 제어 전략의 개념적 발전을 고려한 설계
· 모델예측제어 시스템의 유지보수와 성능 향상

PiTOPS는 단 Loop및 Cascade 제어, 지연보상, Feed Forward, 고급제어를 포함한 간단한 다변수 예측제어를 통해 DCS와 PLC시스템의 기능을 최대한 이용하도록 하는 최선의 방법을 제공할 수 있다.

(3) PID 성능 감시 솔루션

1) APROMON
공정산업에서 제어기의 정밀한 PID Tuning은 매우 중요하다. 그러나 Tuning이 잘 되어 있었던 공장이라도 생산량, 사용되는 원부재료, 촉매 변경 등의 외부 조건에 의해서 또는 Tuning Parameter의 관리가 제대로 되지 않아서 제어기의 성능이 떨어질 수 있다. 따라서 주기적으로 Tuning의 성능을 감시하고, 평가하여 성능이 나쁜 제어기를 새롭게 Tuning하는 것이 중요하다.
PiControl사는 제어시스템의 성능을 쉽게 진단, 평가, 감시할 수 있는 고급공정제어 감시시스템인 APROMON S/W 패키지를 개발했다.
APROMON은 기본적인 PID 제어기는 물론 고급 공정제어기까지 실시간으로 성능을 평가하여 0~100까지의 Grade로 나타내고, 상세한 성능 평가 및 분석을 위해 26개의 성능지수를 계산하여 DB에 저장한다.<그림 5>
26개의 성능 지표는 다음과 같다.

제어엔지니어는 주요 공정변수들을 APRO MON에 등록하여 실시간으로 감시함으로써 현재 운전중인 제어시스템의 문제점을 발견하고 대처할 수 있으며, 지속적으로 전체 제어시스템의 성능을 유지하고 Upgrade할 수 있다.

2) TADPOLE
공정산업에서는 공정이 안정되게 운전되는 것이 가장 중요하다. 그러나 알 수 없는 외란 또는 설비 및 계기의 고장 등으로 공정은 흔들림이 커질 수 있다. 만약 제어기가 감당할 수 없는 공정의 흔들림이 와서 Normal 운전범위를 벗어나면 Alarm시스템에서 운전원에게 경고를 해주며, 운전원은 적절한 공정조치를 통해 정상화 시키게 된다. 공정산업에서 대부분의 환경·안전 문제 및 경제적인 손실은 정상운전을 크게 벗어난 운전상태에서 발생하게 된다 볼 수 있다.

물론 Alarm시스템을 아주 적절하게 설정하여 이를 예방 할 수도 있지만 공정의 Oscillation은 여러 공정변수가 결합되어 나타나는 경우가 많아 Alarm으로 감지하기가 힘들며, Alarm 발생 후 공정조치를 하는 것도 매우 힘들다.
TAD(True Amplitude Detection)는 Freq uency 또는 Spectrum으로 분석하기 힘든 Oscillation을 검출하도록 PiControl Solution에서 개발한 새로운 알고리듬이다.
이 TAD 알고리듬을 사용하여 TADPOLE은 공정의 불안정 및 Oscillation을 시작단계에서 감지하여 운전자에게 알려 줌으로써 공정이 비정상상태로 빠지기 전에 조치할 수 있도록 해주는 세계 최초의 솔루션이다.

이 향 희 / SAY PLANT hhlee@sayplant.com

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