공정 산업에서의 제어시스템

[산업일보]
지난 2월호 제어기술면에 기고했던 ‘공정 산업에서의 제어시스템 (1)’에서는 공정산업에서의 제어시스템이 전체적으로 어떻게 구성되었고 왜 필요한지, 그리고 제어시스템을 효율적으로 설계하고, 유지하고 관리할 있는 솔루션들이 무엇이 있는지 PiControl사의 제품을 중심으로 개략적으로 살펴 보았다.
지난호에서 설명 했듯이 성능이 좋은 제어시스템은 매우 안정된 운전이 이루어지며 관리자 및 운전원은 높은 생산성, 품질, 에너지효율, 설비효율 등을 달성할 수 있다. 이러한 목적을 달성하기 위해서는 공정의 특성 및 제어기의 특성을 잘 이해 한 후 이 특성들을 각각의 제어기의 PID알고리듬에 최적의 Parameter를 설정하는 Tuning 작업이 필요하며, 이를 유지하고 성능을 향상시킬 수 있도록 지속적으로 감시하고 관리하여야 한다.
제어시스템 두번째 기고인 본고에서는 여러 가지 공정제어 솔루션 중에서 제어기의 성능을 최적의 설정하기 위해 필요한 공정제어 개념의 이해하고, 공정의 특성을 찾아내는 쉽게 찾아내는 방법 및 제어기를 효율적으로 Tuning하는 방법 등을 학습한다. 또한 이를 현장 실무에 적용할 수 있도록 도와주는 주요 솔루션들에 대해서 상세하게 살펴보도록 하겠다.

4. 공정제어시스템 Tuning 솔루션



공정제어는 <그림1>과 같이 공정 설계 및 공장 운전과 상호 밀접한 관련을 가지고 있다.
따라서 제어기를 잘 설계하고 Tuning 하기 위해서는 제어시스템이 어떻게 구성되어 있고, 어떤 Parameter를 가지고 있으며, 이를 현장에 어떻게 적용하는지 등의 이론적인 개념 및 지식뿐만 아니라 공정 운전과 제어에 대한 많은 경험 및 지식이 필요하다.
그러나 실제 현장에서 공정제어와 관련해 다양한 지식과 경험을 단시간에 갖추어 제어기를 다루고 관리하는 것은 현실적으로 매우 어렵다.
PiControl사는 이러한 염려들을 쉽게 해결 할 수 있도록 여러 가지 솔루션을 가지고 있다. 따라서 실무자는 이들을 이용한 학습과 실습을 통해 개념을 확실히 이해하고, 적용방법을 습득할 수 있다. 이러한 간접 경험 및 지식의 바탕 위에 다양한 Tuning 솔루션의 도움을 받아 실무에 적용한다면, 공정 제어를 통해 많은 유무형의 효과를 얻을 수 있을 것이다.
이러한 솔루션으로 공정제어 교육용 소프트웨어인 Control CBT-Plus와, Tuning 및 공정제어 전략을 쉽게 적용하도록 도와주는 PiTOPS 패키지를 자세하게 소개하도록 하겠다.
(1) Control CBT-Plus
Control CBT(Computer Based Training)패키지는 실무 경험과 학문적인 공정제어 이론을 결합하여 만들었다. 현장경험이 별로 없는 학생뿐만 아니라 공정제어의 기초를 가진 공정 엔지니어, 제어 엔지니어, Control Room운전원, 현장관리자 및 책임자들을 교육하기 위해 설계되었다. 이 모듈은 PiControl System의 Tuning 소프트웨어인 PiTOPS와 결합하여 이론과 실습을 동시에 학습할 수 있는 패키지로 만들어져 있어서, 현장 운전조건과 비슷한 조건에서 공정제어에 관련된 Simulation 및 Tuning을 할 수 있다. 현재 패키지는 미국의 Louisiana 대학교 및 Houston 대학교의 교수진에 의해 진행되는 ‘공정제어 일반 및 선진 제어 교육’ 과정에 사용되고 있다. 따라서 Control CBT-Plus는 전체 제어시스템의 이론적인 배경과 실습을 할 수 있는 매우 유용한 S/W 패키지라고 할 수 있겠다.



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 다음과 같은 3개의 Part로 구성되어 있다.
● Part 1: 기본 공정 제어기
공정의 특성, 일반적인 계장 및 신호전달, 제어기의 특성 및 이론, 기본적인 PID
● Part 2: 고급 공정 제어
고급 공정제어 과정으로 공정특성의 산출, 제어기 설계, 다변수예측제어, IMC(Inter nal Model Control), 지연 보상
● Part 3: 실습
이론적인 제어지식 위에 PiControl의 PiTOPS를 이용하여 다양한 실습을 하여 실무 능력을 배양 할 수 있도록 설계됨
Control CBT-Plus는 <표 1>과 같은 학습과정을 가지고 있다.
각각의 상세항목은 학습목표, 학습내용, 요약, 평가문제로 구성되어 있으며, 학습자는 Control Room의 이론 및 실습을 자신의 일정에 맞추어 Control CBT Plus의 교육 과정의 Instruction에 따라 학습하고, 자체 평가를 하면 된다.
Control CBT-Plus는 제어 경험을 바탕으로 <그림 2>와 같이 제어 개념 및 제어 전략을 다양한 사례와 그림, 그래프 등으로 알기 쉽게 설명한다.
이 설명이 끝나면, 학습자 스스로 그 단원에 나온 문제를 스스로 풀어보고 답을 확인해 볼 수 있다. 또한 여기에서 다뤄진 이론적인 지식을 확실히 이해하기 위해서 Part3에 있는 Lab Session에서 심도 있게 실습을 할 수 있다.
이러한 과정을 따라서 학습자는 이론적인 지식뿐 만 아니라 현장 실무적용 능력을 간접적으로 배양하게 된다.
따라서 학습자가 Control CBT-Plus를 충실하게 따라 학습하면, 자연스럽게 공정제어에 관련된 제반 지식과 경험을 짧은 시간 안에 습득하고 능력을 키울 수 있으며, 공정을 보다 쉽게 이해하고 분석할 수 있어서 자신있게 공정제어 실무에 임할 수 있을 것이다.
(2) PiTOPS
PiTOPS(Process dynamics Identification and controller Tuning OPtimizer Simula tor)는 대부분의 공정에서 가지고 있는 Tuning에 대한 다양한 적용 경험을 통해 만들어진 Tun ing 소프트웨어이다.



일반적인 Tuning용 소프트웨어는 아래와 같은 기능들을 가지고 있다.
● 오프라인(Off-line) 동적 Simulation
● 전달 함수 추적
● PID Tuning Parameter의 최적화
● FeedForward Parameter의 예측
● 지연시간(Dead Time) 보상
● 모델기반 예측제어 전략의 설계
PiTOPS는 PID Tuning, 다단제어 (Cascade Control), 우선제어(Override Control), 고급제어전략, MPC (Model Predictive Control) 등에 대한 이론적 지식과 현장 적용 경험을 바탕으로 개발되었으며, Control Room에서의 필요성과 실무적인 적용 가능한 기술을 연결하는 기능을 제공한다.
PiTOPS는 기본 및 고급 공정제어를 통하여 플랜트 운전을 개선하며 다음과 같은 기능들을 가지고 있다.
● 다변수 전달함수 추적
● 최소 데이터로 성공적 결과 창출
● 독특하고도 쉬운 사용자 인터페이스
● 산술연산이 완전히 투명하게 이루어짐
● 우수한 기술교육용 툴(tool)
● 초심자와 고급엔지니어 모두에게 필수적인 소프트웨어
● 매우 실제적이며 강력한 기능
● DOS/Windows 겸용
● 용이한 설치기능과 기술 지원이 불필요
● 제어 전략의 개념적 발전을 고려한 설계
● 모델예측제어 시스템의 유지보수와 성능 향상
PiTOPS는 아래의 두 가지 주요 기능으로 구성되어 있다.
● TFI(Transfer Function Identification) 기능: Open Loop 또는 Close Loop에 대한 다변수 전달함수를 찾아내는 기능.
● PID Tuning 및 Simulation 기능: PID, cascade, feed forward, IMC, DTC, model-based control 및 모든 DCS/PLC 관련 특성 (즉, gap action, nonlinear control, vari ety of PID equations, PV sample delay 및 기타)에 대한 Simulation 기능.
앞에서도 말씀 드린 바와 같이 Tuning을 잘 하기 위해서는 가장 먼저 공정의 특성을 가장 잘 이해하는 것이 필요하다. Control Room 운전원들은 경험적으로 공정의 동특성을 잘 알고 있으며, 이를 이용하여 운전을 하고 있다.
숙련된 운전원은 공정의 동특성을 정확히 알고 있으며, 이를 공정에 정확하고 빠르게 적용한다.

제어기의 Tuning 작업도 운전원이 운전하는 것을 제어시스템이 자동으로 할 수 있도록 시스템화하는 작업이라고 말할 수 있다. 따라서 먼저 Tuning이 필요한 공정에 대한 정확한 분석이 선행되어야 하며, 과거의 운전 Data 또는 운전원의 경험을 통해 공정의 동특성을 구한 다음, 이를 DCS의 Tuning Parameter를 입력하여 현장에 적용하게 된다.
그러나 가동중인 중요한 공정에 대해서 직접 Tuning하는 것은 때로 위험하며, 복잡한 공정의 동특성을 눈으로 찾아내는 것은 쉽지 않다. 이러한 문제를 쉽게 해결하기 위해서 운전 Data를 가지고 공정의 동특성을 찾아 주고, 이 동특성을 이용하여 Tuning Simulation을 하는 소프트웨어 패키지를 사용 하는데 PiTOPS도 이러한 패키지의 하나이다.
<그림 3>은 복잡한 공정의 동특성 즉 전달함수를 찾아주는 화면을 보여 준다.
제어 엔지니어는 이 Simulation 결과, 즉 Tun ing Parameter를 현장 제어기에 입력하여 Tun ing 작업을 수행하게 된다.
PiTOPS는 DCS와 PLC시스템의 기능을 최대한 이용하여 효율을 극대화 시킬 수 있는 최선의 방법을 제공한다. 많은 경우에 있어서 DCS와 PLC의 많은 기능이 충분한 활용이 되지 않고 있는 것이 현실이다. 가끔 PID의 자동 Tuning 기능을 활용하기도 하지만 느리거나 복잡한 루프 또는 아주 중요하거나 수익성과 관련이 있는 루프에 대해서는 최적의 값을 제공하지 못하고 있다.
특히 PiTOPS는 처음 제어 엔지니어 (Control Engineer)가 되고자 하는 엔지니어에게 실무에 그대로 활용할 수 있는 툴(Tool)을 제공할 뿐만 아니라 스스로 익힐 수 있는 교육용 소프트웨어로써도 탁월한 기능을 갖는다.
이 소프트웨어 패키지에는 2개의 매뉴얼이 제공되는데 이를 잘 활용하면 스스로 공정제어 과정을 익힘으로써 훌륭한 공정제어 엔지니어가 될 수 있다. 운전원, 공정 엔지니어 등도 하루만 교육을 받으면 공정제어에 대한 기초, PID Tuning 일반적인 고급 제어전략을 완전하게 익힐 수 있을 것이다. PiTOPS는 교육과 DCS 응용에 있어 현재에 나와 있는 가장 쉬운 패키지임을 자부한다.
매뉴얼에는 실제 플랜트에서 수집한 많은 사례를 포함하고 있으며 단계별 PiTOPS의 사용법과 DCS와 PLC에 적합한 Tuning Parameter를 계산하는 내용을 포함하고 있다.
또한 PiTOPS를 활용해서 PID루프의 Simu lation과 Tuning을 행하게 되며 여기에는 응답이 빠른 유량 제어에서부터 느린 응답의 온도제어, 램프특성의 (Ramp loop) Level제어 등 모든 분야에 응용될 수 있다. 특히 PiTOPS는 제품의 순도를 제어하는 분석기 즉, 가스 크로마토그래프와 같은 아주 느린 응답을 나타내는 분야에도 탁월한 기능을 나타낸다.
또 다른 제어의 방법으로 우선제어(Override Constraint Control) PID가 있다. 일반적으로 이러한 루프는 프로세스나 기기의 운전변수의 한계에 대해 근접해서 운전을 할 수 있도록 제어전략을 수행하는데 활용된다.
이와 같이 함으로써 플랜트의 생산성을 2~8%까지 증가 시킬 수 있다. PiTOPS가 없다면 컨트롤 엔지니어는 일반적으로 느리고 비효율적인 시행착오 방법을 사용하게 된다. 결국 테스트, 커미셔닝 및 시운전 기간이 길어지게 되고 잠재적인 플랜트의 이익을 잃어버리게 된다.



<그림 4>에는 단순한 PiTOPS의 Tuning Simulation을 보였다. PiTOPS의 Simula tion화면은 실제 DCS Trend화면과 매우 유사하게 되어 있다. 이렇게 함으로써 운전자에게 좀 더 확신을 갖도록 할 수 있다.
PiTOPS는 동적 테스트를 통한 플랜트 Data를 이용하여 전달함수를 찾아준다. 전달함수가 찾아지면 PiTOPS를 통해서 FeedForward 제어전략, 케스케이드 제어전략 그리고 다른 고급제어전략을 설계하고 Tuning을 할 수 있게 된다.
다음에는 전형적인 PiTOPS의 활용 과정을 정리했다.
루프의 특성에 따라 몇 시간 또는 몇 일에 걸쳐 스텝(Step) 또는 펄스(Pulse) 테스트를 행한다. 가능하다면 DCS Trend를 검토해서 시각적으로 프로세스의 전달함수를 구하도록 한다. 그 후 나서, 주어진 PID루프에 대해 스텝 변화나 교란 신호를 주어 어떤 응답을 갖는지(What-if study)를 확인하기 위해 PiTOPS를 이용하게 된다.



Step Test를 실시한 후 DCS의 Trend화면으로 전달함수가 찾아지지 않으면 적절한 샘플링 시간(보통 5초나 1분; 공정의 빠르기에 따라 다름)으로 플랜트 Data를 수집해서 그 값을 갖는 ASCII 파일을 생성시킨다. 이 Data 파일을 PiTOPS가 읽어 전달함수를 찾게 된다. 하나 이상의 입력도 동시에 같은 시간, 구간을 변경을 시킬 수 있다. 대부분의 다른 경쟁 제품은 대부분 하나의 입력 밖에 처리하지 못한다.
폐루프(Close Loop)에 대해 여러 입력신호에 대한 전달함수 찾는 과정을 <그림 5>에서 보실 수 있다. 전달함수가 찾아지면 PiTOPS를 이용하여 최적의 PID Tuning값을 계산하게 된다.
PiTOPS는 임의의 잡음(Random Noise)과 실제 외란 (Disturbance)을 Simulation 해 볼 수 있고 동특성을 실제 플랜트처럼 생성해 볼 수 있다. PiTOPS의 화면은 실제 DCS Trend와 흡사하게 보이도록 프로그램 되어 있다. 이 화면을 이용하여 폐루프의 동작을 시험하고 분석할 수 있다. 또한 2차 PID루프의 설정값과 밸브의 운동의 변화량을 시험해 보는데 매우 유용하다. 이 신호들에 너무 빠른 변화는 결과적으로 플랜트에 좋지 않은 영향을 주게 될 것이다.
Simulation을 통해서 안전(Safety)과 안정(Stability)을 유지하도록 케스케이드 또는 2차 제어루프를 느슨한 응답이 일어나도록 De-tuning할 수 있다.
DCS에 PID Tuning Parameter와 고급제어 Tuning Parameter의 값을 입력하게 되며 경험에 의하면 추가로 Tuning을 조정할 필요성은 없게 된다. 이렇게 됨으로써 엔지니어가 관심을 기울일 부분은 플랜트 Data를 얻기 위한 플랜트 테스트와 PiTOPS를 이용한 Tuning 분석과정이 된다.
이런 일련 과정을 거쳐 안전하고 안정된 제어 결과를 얻을 수 있게 된다. 결국, 플랜트 이윤을 추구하는 방향으로 제품 사양의 한계, 플랜트의 용량이나 제한요소에 가까이 운전할 수 있게 되는 것이다.
예를 들어, Tuning하기 전에는 증류탑을 불순도 100ppm에서 운전하던 것이 고급연산제어와 잘된 Tuning으로는 175ppm에서 할 수 있게 되는 것이다(최대 한계값이 200ppm이라고 가정 했을 때). 이것은 Reflux와 Reboiler의 Heat Duty를 감소시켜서 유틸리티를 감소시킬 뿐 아니라 내부 Column의 이동량(internal move ment)을 감소시키는 잉여 Column용량을 완화 시킨다. 비용절감을 가져오는 운전 제한 요소를 완화 시키는 수 많은 예가 있다.
프로세스의 안정성과 자동화 운전은 눈에 직접 보이지는 않지만 이익을 창출하는 중요한 요소이다.
경험에 의하면 DCS 자동 Tuning기능은 유량제어 루프와 같이 간단하면서 빠른 루프에 대해서는 비교적 잘 듣는 것을 알 수 있다. 이러한 루프들은 대개 프로세스 지연시간(Dead time)이 없으며 빠른 응답을 보이기 때문에 상대적으로 Tuning이 간단하다.
그러나, 온도제어, 분석기 제어, Level제어, 또한 부분적인 압력제어와 같은 느린 응답의 제어에 대해서는 PiTOPS를 이용한 조심스러운 Tuning을 통해서 매우 신뢰감과 안전성 그리고 경제적인 이윤이 얻어짐을 알 수 있다.
따라서, PiTOPS에서 제안하는 방법을 통해서 기업은 장기간에 걸쳐 이익을 추구하게 될 것이다. 오히려 프로세스 조건이 크게 변화하는 곳에는 DCS 자동 Tuning이 위험을 가져올 수도 있다. 온도(TC)나 분석기 제어(AC)와 같은 느린 응답의 루프는 15분에서 수 시간의 시 정수를 갖고 있기 때문에 이런 장시간의 응답은 DCS 자동 Tuning 알고리즘에 대해서는 큰 문제로 대두되게 된다.
PiTOPS는 최소 메인 메모리 16M RAM을 갖는 Windows NT, 95/98등 IBM 호환 PC에서 실행이 될 수 있으며 보통의 프로세스에 대해서는 DCS Trend로부터 직접 찾아진 전달함수를 사용하게 된다. 이 전달함수 정보를 PiTOPS에 입력시켜 PID 시뮬레이터 분석을 통하여 적용할 수 있다.
PiTOPS는 <표 2>와 같은 다양한 DCS들의 PID 알고리즘을 지원하고 있으며, 새로운 알고리즘에 대해서도 지속적으로 추가하고 있다. 또한 부가적인 옵션으로 실시간 데이터베이스 또는 DCS와 직접 Interface할 수 있는 모듈도 개발하고 있다.
PiTOPS에 나오는 Tuning Parameter들은 DCS의 Tuning Parameter와 완전 호환된다. PiTOPS는 또한 DMC, STAR 그리고 다른 MPC (Model Predictive Control) 시스템에서 사용되는 스텝 응답 모델을 향상시키는 데 사용된다.


PiTOPS의 특징 중의 하나는 폐루프 데이터에 대해서도 모델을 찾는 능력이 있다는 것이다. 예를 들어, MPC시스템은 새로운 모델을 찾아져야 할 필요가 있는데도 불구하고 몇 달 동안을 그대로 운전해야 될지도 모른다. 그러나, PiTOPS를 이용하면 MPC에 의한 설정값 변동에 따라 폐루프 응답 Data를 분석하는 데 이용될 수 있다. 이렇게 함으로써 향상된 MPC 모델을 생성하기 위해 새로운 프로세스 이득(Process Gain)과 동특성을 결정할 수 있다. 따라서 프로젝트 초기의 완전한 플랜트 테스트를 되풀이 할 필요가 없게 된다.
따라서, 이제 DCS와 PLC의 제어와 Tuning에 대해서는 다른 툴이 필요없게 됨을 확신하게 된다. PiTOPS를 사용함으로써 가장 적은 투자로 가장 안정적이며 수익성이 있는 플랜트 운전을 보장받게 될 것이다.
(계속)

이 향 희 / SAY PLANT

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