1.자동제어의 정의와 목적

1.자동제어 실무

 

1.1 제어의 일반

어떤 주어진 동작을 하도록 만들어진 물리계의 그 동작이 바라는 바와 같이 되지 않을 때, 그것을 바라는 바와 같이 되도록 하기 위하여 그 물리계에 필요한 조작을 가하는 것을 제어라 하며 수동제어와 자동제어로 나눌 수 있다.

수동제어 : 사람의 조작에 의해 목표 물리량에 도달하게 되는 제어

자동제어 : 제어기기에 의해서 자동으로 목표 물리량에 도달하게 되는 제어

공기조화에서 자동제어는 목적하는 공간을 공조 부하(냉난방 부하)에 따라 냉각기, 가열기, 댐퍼, 팬(fan) 등에 의해 기체, 액체의 유량제어 또는 열원기기, 팬(fan), 펌프 등의 각 기기를 운전 제어해서 온도, 습도, 압력을 일정하게 유지함으로써 경제적인 운전을 도모하기 위함이다.

 

가. 자동제어 정의

건물 내의 재실자에게 쾌적한 거주환경을 제공하고 각종 장비류의 가장 안전하고 경제적인 운전 조건을 유지하며, 비상시에 즉각 대처할 수 있도록 하여 건물의 운영보수 유지를 가장 합리적으로 수행할 수 있도록 하기 위한 제반 요소를 제어, 관리하는 설비로 ‘자동제어란’ ‘미리 설계된 목표치에 대하여 편차가 발생했을 때 이 편차를 없애기 위하여 자동으로 출력을 제어하는 것’이라고 정의할 수 있다.

 

나. 자동제어 목적

제어라고 하면 일반적으로, 어떤 공간의 온도나 습도의 조절을 자동으로 하는 시스템으로만 생각하는데 실체는 이것 이외에도 그 기능은 다양하다. 두 공간 간에 압력 차이를 조절하여 오염 확산을 방지하는 데도 유용하고 안전 제어는 불완전한 조건에서는 장비가 동작하지 못하도록 하며 운영자에게 이러한 상황을 시각적, 청각적으로 경보한다.

시스템은 장비 용량의 부하와 가장 근사하게 선정되었을 때 가장 경제적으로 운영되며, 수동시스템보다는 자동 시스템이 더 경제적이다. 절환 제어(Change Over Control), 연동 (Interlock), 감시(Monitoring), 보상제어(Compensation Control) 등을 겸비한 완전 자동제어 시스템은 사람의 개입을 최소화하여 오동작을 감소시키는 목적도 있다.

 

그림 1-1은 열교환기의 주변 배관 개념도를 나타내고 있다. 배관 내에 증기를 통과시킴으로써 열교환을 통하여 냉수의 온도를 상승시키는 기능을 하는 장치로 밸브를 열어 지속해서 증기 공급량을 증가시키면 냉수의 온도는 상승한 후, 비점에 도달하면 증발하게 된다.

이러한 열교환기의 열 교환량을 조절하기 위해서는 온도계를 설치하여 희망 온도보다 높아지면 증기 밸브를 닫고, 온도가 낮아지면 다시 증기량을 늘리기 위하여 밸브를 열어야 한다. 즉, 밸브 핸들을 조작함으로써 열교환기를 제어하여 희망 온도가 얻어갈 수 있도록 수정하지 않으면 안 된다.

 

 

수동 온도제어의 과정

열교환기 속에서 일어나는 현상의 과정과 운전자가 행하는 작업은 그림 1-2에 나타낸 것과 같이 그 과정이 하나의 루프(Loop)가 되는 것을 알 수 있다. 이것은 루프가 닫혀 있다고 말할 수 있으며 「제어한다고 하기 위하여 이 루프가 형성되어 있는 것이 필수조건이라는 것에 주목하기 위해 바란다.

또, 이 「제어한다」는 예의 내용에서 확실한 것은 폐 루프 중 온도를 읽는 부분은 온 도계가 지시를 해주기 때문에 가능하며 온도계가 행하는 역할인 「측정』을 잊지 않아야 한다. 「제어한다」를 위하여서는 『측정한다」는 것이 필요조건이며, 이 제어와 측정을 끊어서 생각할 수 없는 관계라는 것도 대단히 중요하다.

또 운전자는 온도계의 표시와 희망 온도를 비교하여 그 비교 결과를 가지고 밸브 개도를 어느 정도의 개도로 조작해야 좋은가를 판단하여 수정하기 위한 밸브 조작을 행한다.

여기서 「제어한다」를 위하여서는 기본적으로 그림 1-3에 나타낸 것과 같이 4가지 기능이 필요하며 이를 제어의 4요소라고 칭한다.

 

 

여기서 항상 온도계의 표시에 의하여 증기 밸브를 운전자(사람) 자신이 조작하여 제어하며 사람에 의한 비교, 판단, 수정, 측정이 행해질 때 일반적으로 수동제어라 한다.

나) 자동제어

그림 1-2에 나타난 제어 예에서 운전자가 행한 작업의 과정을 자동으로 바꾸면 자동제어가 행해지며, 이해하기 쉽게 하기 위하여 수동제어에서 운전원이 행한 과정을 그림 1-2에서 가려내어 나타내면 다음과 같이 된다.

 

여기서 그림 1-4에 나타난 4가지 기본적 기능을 대조하여 자동제어 루프를 구성해 나타내 본다.

그림 1-1에서 수동제어에서의 측정, 비교, 판단, 수정의 4가지 기능이 확인된다.

그림 15는 일반적으로 자동제어 루프를 나타낸 것으로, 이 2개의 그림을 비교함으로써 의자 루프에서는 본질적으로 다른 점이 없다는 것을 확인할 수 있다.

 

〈그림 1-5〉 자동제어계의 블록도

 

즉, 증기 열교환기에서 예를 들어보면, 프로세스는 열교환기, 검출 부는 온도계, 온도계에서의 측정 결과와 목표치를 비교, 판단하여 밸브 조작을 지시하는 조절기 및 밸브를 조작하는 조작기로 자동제어 루프가 구성된다.

라. 제어계 (Control System)

제어장치와 제어대상과의 계통적인 조합으로 다음의 2가지 종류가 있다.

개회로 제어계 (Open-loop Control System)

폐회로 제어계 (Closed-loop Control System)

그림 1-5에서도 언급했으나 자동제어에서의 모든 물리량은 신호화하는 것으로 사용하고 있으며, 이 신호에 착안하여 정리하면 그림 1~6과 같이 되고 이것이 일반적이며 이러한 것을 블록선도라 한다.

블록선도는 전류, 전압, 공기압 또는 기계적 변위 등의 형태가 다른 신호를 형태 그 자체에 구애되지 않고 신호라는 공통점에 착안하여 프로세스가 열교환기인지, 액면인지 등의 구별과는 관계없이 그것들의 전후 관계, 즉 입출력 신호의 관계만을 표현한 것이다.