공정 산업에서의 제어시스템 (3)

[산업일보]
공정산업에서의 제어시스템은 3회 중 2회에 걸쳐 연재되었으며, 1회(2월호 각기술)에서는 공정산업에서의 제어시스템의 구성 및 필요성과 제어시스템의 전체적인 개요에 대해서 살펴보았고, 2회(3월호 기획특집)에서는 제어시스템의 H/W 및 S/W를 이론적, 실제적으로 이해하고 이를 실무에 적용하기 위한 교육 및 Tuning Software에 대해 Pi Control사의 제품을 중심으로 상세하게 살펴 보았다.
3번째 마지막 기고인 본고에서는 현재 운전되고 있는 제어시스템의 성능을 파악하고, 이를 지속적으로 유지할 수 있는 제어시스템 관리 솔루션에 대해 알아보도록 하겠다.

5. 제어시스템 유지관리 솔루션(Control Monitor)

대부분의 공장에는 수백 및 수천 개의 Control Loop가 있으며, 이들 대부분은 생산성, 품질, 에너지 효율 및 원가에 주요한 영향을 미치고 있으므로 지속적으로 관리를 하여야 한다.
공정제어에 관련된 여러 보고서에 따르면 전체 약 60%정도의 Control Loop이 Retuning이 필요하거나, Manual로 운전되고 있으며 이로 인하여 많은 생산 및 원가 손실과 품질손실을 입는 것으로 보고되고 있다. 또한 제어가 불안정하면 운전자는 공정을 안전하게 운전하기 위하여 제한조건으로부터 여유를 두고 운전하므로 생산성이 떨어지게 된다.
하지만 대부분의 공장에서는 처음 공장을 Start-up 할 때 License로부터 받은 초기 값을 경험에 의하여 조금씩 Tuning하여 사용하다가 공정이 안정화되면 거의 관심을 가지지 않고 있다. 또한, 관심을 가지더라도 그 많은 Control Loop의 여러 문제점인 Valve 조작 불량, Cont roller 포화 상태, Measurement 불량 (예, 오지시, Oscillation 등), 잘못된 PID 값 등을 확인하여 효과적으로 파악하여 이를 해결하는 것이 쉽지 않다.
다행히 Advanced Application (DMS, RTO, ERP 등)을 적용할 때 DCS의 Control Loop에 대한 Tuning이 선행되어 많은 효과를 보지만 대부분의 APC 엔지니어들은 APC에 해당되는 Loop만 Tuning하므로, 전체 Loop에 대한 Tuning이 아닌 부분적인 Tuning 작업에 의해 부분적인 효과를 보는 경우가 많다.
Control Loop의 Tuning 전에 각 Control Loop의 상태에 대하여 평가하여 문제 (Valve, Measure, Controller, PID 상태)를 발견하고 하드웨어적인 문제를 우선 해결하여야 하며, 나머지 PID Parameter에 문제가 있는 경우를 파악하여 이 부분에 집중적으로 Tuning을 할 필요가 있다.
또한 Tuning시에도 경험이나 Auto Tuning 소프트웨어를 사용하는 경우 시간이 너무 오래 걸리며, 운전 방식이나 제품의 Grade가 바뀌는 경우 다시 Tuning을 하여야 한다. 따라서 최근에는 모델 Identification방식의 Tuning방식이 부각되고 있다.
따라서 수많은 Control Loop에 대해 Overall하게 성능을 분석하고, 이중 성능이 나쁜 Loop에 대해서 Detail하게 분석하여 Control Loop의 성능평가 및 분석 시간을 최소화하는 것이 요구된다.
여기서 소개하는 Control Arts Inc.의 Cont rol Monitor는 4가지의 특허 받은 기술을 사용하여 <그림 1>과 같이 공장의 History Data를 이용하여 다양하게 모든 DCS Control Loop의 성능 분석 및 감시 기능을 제공하고, Model Identifi cation 기술을 사용하여 프로세스 모델을 만들므로 쉽게 Tuning 값을 구할 수 있다. 또한 Simulation 기능을 제공하므로 적은 Plant Test를 통하여 정확한 Tuning이 가능하다.
특히 단순 Single Loop 뿐 아니라 MPC를 적용한 Loop에서도 적용이 가능하며, Level Controller에 대한 분석 및 Surge를 최소화 할 수 있도록 프로세스 모델을 설계 한다.
● Control Loop의 Performance를 효과적으로 감시.
● 문제 Loop에 대한 원인 규명.
● 어떤 Loop에 대해서도 쉽게 Re-Tune.
● Controller의 Upgrade에 대한 이익 판단.
또한 Custom Analysis Technique는 cont roller의 성능을 평가하는 데 최선의 방법을 제공한다.
● PID의 실제 특성을 충분히 반영.
● Model Base의 Controller에 적용.
● Level controller에도 적용.
● 주어진 일정에 따라 자동으로 전체 Control Loop를 분석.
● 특정 Single Loop에 대하여 깊이 있는 분석.
● RTDB와 연결하여 사용자 개입이나 Custo mization 없이 분석 업무 수행.
● Alarm System과 연결시 Alarm - 운전자 변경 - Control Loop 성능의 상관 관계를 분석.

(1) Control Monitor의 6가지 구성요소
Control Monitor는 <표 1>과 같은 6가지의 다양하고 편리한 우수한 기능을 갖고 있다.


(2) Toolkit Overview
● 안정적인 Tuning으로 생산제품의 불량률을 줄이며, 에너지 절감이 가능함.
● 공정을 한계치에 근접하게 운전함으로써 생산량 증대기 가능함.
● 급격한 운전 변화 및 Oscillation을 줄임으로써 설비의 수명 연장이 가능함.
● APC 또는 실시간 최적화의 가용 시간 증가함.

(3) 솔루션 특징
● Continuous, Discrete, 또는 Step-Weight 형태의 공정에 적용하며, 표준 PID Controller, Advanced Single Loop Cont roller, 또는 Multi-variable Control에 적합하다.
● 부정확한 데이터는 Data Set에서 잘라낸다.
● 모델의 유효성을 확인하기 위한 다양한 진단 Tool을 제공한다.
● Input과 Output의 Non-Linear Trans formation에도 적용이 가능하다.
● Multi-variable 시스템에 대하여 상호 작용적이며 조정이 가능한 분석한다.
● PID Controller는 IMC tuning rule을 사용하여 설계한다. (대부분의 DCS 시스템을 위하여 Customization이 가능하다.)
● Single 또는 Muli-Loop 시스템을 위한 설계 및 Simulation 기능 제공.
● 쉽게 비교하기 위하여 DMC 설계 및 Simu lation.
Special note for AspenTech users 이론적으로 low-order transfer function identifica tion은 step 또는 impulse weight identifica tion보다 10배 이상 효율적이라는 것이 증명되었다. 이는 적은 플랜트 테스트로도 의미있는 통계적 모델 모사 Test가 가능하다는 것을 의미한다. 또한 DMC Control 뿐만 아니라 어떤 Controller에 대해서도 Identified Model을 사용할 수 있다.
프로세트 Tag를 Drag & Drop 방식으로 적절한 Matrix 위치에 놓고 전달함수를 명기만 하면 Model을 만들 수 있다. 모든 전달함수와 Input /Output 전환은 Configuration 화면에서 쉽게 검사하고 수정할 수 있다. 단지 Output만 명기하면 Package에서 자동으로 최적의 Model을 만들어주며, 사용자가 만든 모델을 사용하거나 Para meter 조정이 가능하다.
새로 만든 Multi-Variable Controller가 공정에 잘 적용이 될 것인지 확인할 때, 또는 어떤 모델을 테스트나 Simulation할 때 유용하게 사용할 수 있다.
Multivariable Controller를 사용하기 전에 공정이 실제 다변수로 연관이 되어있는지를 확인하는 것이 좋다. 이는 Relative Gain Array 같은 표준 분석 기법을 사용하여 쉽게 확인할 수 있다. 더욱 중요한 것은, 시스템이 Model Misma tch에 민감한지를 확인하는 것이다. 다시 말하면, 단순 테스트로 공정의 Multivariable Contr oller가 성공적으로 운전되고 있는지 확인할 수 있다.

(4) 솔루션 적용 효과
수백개가 넘는 Controller를 관리하기 위한 최선의 방법은 주어진 일정에 따라 성능을 분석하고 그 결과를 자동으로 Report하도록 하는 것이다.
Control Arts Inc.의 Control Monitor는 <그림 2>와 같이 어떤 또는 모든 Loop를 일별, 주간별, 월별로 자동으로 분석할 수 있도록 쉽게 구성할 수 있다. 또, Controller의 설정치 변경뿐만 아니라, 모든 Loop의 성능에 대한 Summary Report를 프린트하고 e-mail로 보내준다.
장기간의 Trend에 대한 분석은 상당히 중요 할 때가 있다.
● 현재 운전중인 Controller가 언제 설치 되었는지?
● 얼마나 자주 설정치를 변경하였는지?
● Alarm 상태에서 Loop의 성능은 어떤지?
이러한 질문에 대답하기 위하여, Control Monitor의 Loop History Display는 <그림 3>과같이 한 장의 편리한 화면 구성에 모든 관계 있는 데이터를 보여주고 있다.
Single Loop에 대한 깊이 있는 분석을 빠른 속도로 수행하고 성능이 떨어지는 원인을 결정한다.
다양한 테스터는 Control Loop에 대하여 Valve가 잘 움직이지 않는지, Tuning이 잘못 되어 있는지, 외란에 의하여 품질이 떨어지는지 등에 대하여 알려준다.
<그림 4>와 같이 단순히 관심 있는 Tag를 Click하고 시간을 설정하면, 성능 검사에 대한 결과가 자동으로 생성됩니다.
Tuning이 부적절하여 성능이 떨어지는 경우, efficient model identification component를 사용하여 새로운 공정 모델과 Tuning parame ter를 쉽게 구할 수 있다.
단지 몇 번의 Step Test로 PID Controller, Model Based Controller, Inferential Model에서 사용되는 Low-Order Transfer Function을 만들 수 있다.
<그림 5>와 같이 광범위한 통계적 테스터는 좋은 모델을 만들기 위하여 충분한 데이터를 얻었는지를 확인해 주므로, 실시간으로 공정을 확인할 수 있다.

(5) Control Arts 특허 기술
Control Arts사는 Control Loop의 Perfor mance를 평가하고, Alarm을 관리하기 위한 4가지 특허를 보유하고 있다.
● MPC (Model Predictive Controller)에 대한 Performance 평가.
● Non-Deadtime Compensated Contro ller에 대한 Performance 평가.
● Integrating Process에 적용되는 Contro ller에 대한 Performance 평가.
● Alarm 지정 값에 대한 최적 값 구하기.

1) MPC (Model Predictive Controller)에 대한 Performance 평가 (특허번호 6,459,939)
Controller의 성능을 평가하기 위하여 가장 많이 사용하는 방법은 ‘현재 측정되는 공정 변동’을 공정에 적용된 ‘이론적으로 최소 변동의 Con troller로부터 얻은 값’과 비교하는 것이다.
이 방법의 가장 심각한 약점은 Model Predic tive Controller는 결코 최소 변동의 성능에 도달할 수 없으며, 따라서 최소변동 표준을 얻는 것은 거의 비현실적이다.
이 특허에서 다루는 기술은 최대한 가능한 Model Predictive Controller를 표준 값으로 사용함으로써 이 약점을 극복하는 것이다.
이 기술은 같은 정보를 사용하며, 최소 변동 Controller 측정 기준의 표준으로 번역된다. 더구나 제안된 기술은 이러한 약점을 극복하는 데 더욱 민감하므로, 시스템의 현재 능력을 평가하는 진정한 방법을 제공한다.

2) Non-Deadtime Compensated Control ler에 대한 Performance 평가 (Patent 9,501, 129)
이 특허 기술은 이전 특허 기술의 확장 개념으로, 그 차이점은 비교를 위한 기본원리로써 사용되는 가장 가능한 Model 예측 Controller를 사용하기보다 가장 가능한 보상된 Non-Deadtime Controller가 사용된다.
Non-Deadtime Compensated Controller의 공통적인 사례는 PID Controller입니다. 이 세상의 Continuous Controller의 약 95%는 이러한 형식이다.
이 기술은 같은 정보를 사용하며, 최소 변동 Controller 측정 기준의 표준으로 번역된다. 더구나 이 기술은 PID Control의 유전적인 한계 (즉, Deadtime 보상에 대한 정보 부족)를 극복하는 데 초점이 맞춰져 있으므로, 최소 변동 Contr oller에 비해 실제 Controller의 성능을 평가하는데 현저하게 뛰어난 기능을 발휘한다.

3) Integrating Process에 적용되는 Control ler에 대한 Performance 평가 (Patent 9,595, 981)
Controller 평가 기술은 일반적으로 원하는 값에 측정값을 고정시켜놓은 상태에서 적용한다. 하지만, 어떤 범위 내에서 측정 값이 계속 변화하는 공정 (예, Level)에서는 물질의 전체 양을 측정하여 제어함으로써 제어 동작을 둔화시키는 적분 동작을 제어하여야 할 필요가 있다. 일반적인 제어 기법은 이러한 상황에 적용이 불가하므로, 이 특허 기술에서는 더욱 적절한 측정 방법을 사용하여 적분 동작에서 Controller의 성능을 평가하는 방법을 제공한다.
이 측정 방법은 공정에 적용된 최적의 Surge Vessel Controller로부터 얻은 값과 현재 조작 변수 (MV)를 비교한다.
MV를 최소화하는 이 최적의 Surge Vessel Controller는 사전에 정의된 경계 사이에서 Surge Vessel에 있는 유체의 질량을 유지한다.

4) Alarm 지정 값에 대한 최적 값 구하기 (Patent 9,649,227)
일반적으로, 연속적으로 측정되는 공정 변수에 대한 Alarm 값은 Normal Operation과 위험한 상황의 중간 정도로 지정한다. 설계 단계에서 실제 Alarm 값에 대한 평가를 하는 것은 다음과 같은 2가지 정보의 부족으로 쉽지 않다.
첫째, 정상 운전시의 공정 변화에 대한 정보로써, Alarm 설정치를 Normal 운전 범위에 너무 가깝게 지정하면 너무 많은 Alarm이 울리며 적중율이 떨어진다.
둘째, 공정의 반응특성으로, Alarm은 실제 공정 상태에 대하여 충분한 경고를 주어야 한다.
이 특허 기술은 공정의 과거 데이터를 근거로 상기 정보를 결정하는 것이다.
과거 Alarm과 PV값의 개연성을 분석하여 이를 근거로 현재의 PV값에 Alarm이 발생할 개연성을 예측 (Predictive Sense)하며, Alarm Setting이 잘되어 있는지 평가한다. 도한 PV와 운전자의 변경 사항과의 상관관계도 분석을 한다.
즉 Control Monitor는 공정제어 시스템의 기본적인 PID Loop에 대한 성능 평가는 물론 Alarm DB와 연동하여 적절한 Alarm 관리가 되고 있는지를 판단 할 수 있는 종합적인 제어시스템 분석 툴을 제공한다.

6. 결론

지금까지 공정산업의 제어시스템에 대한 전반적인 시스템 구성과 필요성, 그리고 이들을 효율적으로 설정하고 관리할 수 있는 방법 및 관리 Tool들에 대해 살펴보았다.
결론적으로 제어시스템의 최종 목적인 공장이 최적으로 운전되고 안정적으로 운전되기 위해서는 효율적인 제어시스템을 구축하고 이를 유지 관리하는 것이 중요하다. 이를 위해서 가장 중요한 것은 먼저 공정의 특성을 잘 이해하고 분석한 다음 Process Control시스템, Alarm시스템, 그리고 ESD시스템 등의 자동화시스템에 적절하게 반영하는 것이 중요하며, 작업시간을 줄이고, 정확하고 효율적으로 이러한 작업을 실행하기 위해 PiControl사 및 Control Arts사 등 제어 전문회사의 교육, Tuning, Loop관리 솔루션 패키지 등을 이용하는 것이 효과적이다.
또한 현재 많은 화학 공정에서 보다 높은 생산량 증대, 품질 개선, 에너지 절감 등을 위하여 증명된 Solutions인 APC (또는 MPC)에 관심을 많이 가지고 있으며, 이를 활발하게 적용하고 있다. 그러나 이러한 고급공정제어 기법이나 현대화 된 제어 기술을 적용하기 위해서는 가장 기초적이라고 생각하는 DCS Level의 Control Loop의 정상화가 먼저 선행될 때 원하는 목적을 얻을 수 있으므로, 먼저 현재 제어시스템의 개선점을 찾고 Tuning을 잘 해 주고, 지속적인 관리를 해줌으로 써 제어시스템 전반에 효과를 극대화 할 수 있다.

>>>>사용용어

● PID: PLC나 DCS의 기본 제어 알고리듬으로 P(비례), I(적분), D(미분) 상수로 구성되어 있다.
● 전달함수(Transfer Function): 공정의 동특성을 수학적 함수로 나타낸 함수로 지연시간, 시정수, 공정이득으로 나타낸다
● IMC(Internal Model Control): 제어기 내부에 만든 특정 제어 모델에 의한 제어 기법
● DTC(Dead Time Compensate): 지연시간을 보상하여 사용하는 제어 기법
● MPC(Model Predictive Control): 공정 모델에 의한 사전 예측 제어
● APC(Advanced Process Control): 고급 공정제어를 말하여, 상위컴퓨터를 사용한 다변수 예측제어가 일반적이다
● ESD(Emergency Shutdown System): 예기치 못한 공장에 긴급사항이 발생하였을 때 공정을 자동으로 안전하게 Down 시키는 시스템.

이 향 희 / SAY PLANT

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