Technical Report

모델 예측 제어

기계와 시스템 프로세스의 복잡성은 지난 몇 년 동안 증가하고 있으며, 이것은, 기존의 PID 컨트롤러에 한계를 가져왔다. 모델 예측 제어의 복잡한 프로세스는 매우 높은 정밀도를 제어 할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 많은 시스템 운영자들은 여전히 이 기술을 도입하는 것을 주저했다. 그 이유는 그들이 이러한 제어창치들은 너무 노동 집약적이라 생각하기 때문인데, 그 오해는 마침내 B&R에서 나온 APROL APC 솔루션에 의해 잠재워졌다.
“고급 프로세스 제어(APC)는 많은 제어 량에 매우 복잡한 프로세스를 위해 1990년대 중반부터 사용되어 왔습니다”라고 B&R의Process Automation 사업부 매니저인 Martin Reichinger 씨는 설명한다. 현대의 정제소를 예를 들면, 그 무수한 제어 량은 기존의 PID 컨트롤러와 함께 제어한다는 것은 거의 불가능했다. 외부 프로세스 능력은 과거에 APC 솔루션을 구현할 필요가 있었을 뿐 아니라, 또한 특정 분야에 특별히 지정된 기술자를 필요로 했다. “예측 컨트롤러를 모델링 하는 방법을 찾고, 고급 프로세스 제어를 받아들일 때 이러한 경험은 많은 시스템 운영자들의 부정적인 견해에 대해 책임이 있습니다.” Martin Reichinger 씨는 이렇게 설명한다.

작동한계까지 근접
이것은 덜 복잡한 프로세스 모델 예측 제어의 사용으로부터 이익을 얻을 것이라는 사실을 부정하는 것은 아니다. “예측 제어가 사용된 경우 시스템 및 기계는 작동 한계에 훨씬 더 가까이 실행 할 수 있을 것입니다”라고 Reichinger 씨는 설명한다. 치열한 경쟁 환경에서 살아 남기 위해서는, 생산 공정이나 에너지 소비량은 완전히 최적화되어야 한다. “고급 제어 기술은 시스템과 기계 운영자를 위해 광범위한 결정적 이득을 제공합니다”라고 Reichinger 씨는 말한다. 기존의 PID 제어는 실제로 제어되는 시스템 내부의 특성을 알 필요 없이 편차를 제어하기 위해 독점적으로 반응한다. 반대로, 모델 예측 제어는 예측은 가능하지만 아직 발생하지 않은 사건을 고려할 능력을 향상시키는 MPC 컨트롤러 조작을 최적화하는데 사용되는 프로세스 모델에 근거한다. 이것은 생산 계획 데이터 및 설정 값 변경 및 외란 변수를 포함한다. 특별히 MIMO 시스템의 결합으로 제어의 질은 크게 증가된다.

MPC 컨트롤을 사용하여 프로세스는 안전 정지 확률을 증가시키지 않고 그 작동 한계에 더 가까워지도록 수행 할 수 있다.

마모를 줄이고, 압축 공기 저장
프로세스에 따라, 엄청난 이득을 가져올 수 있다. 처리량이 증가하고, 적은 자원과 원자재가 필요하고, 공압 어플리케이션에서 값 비싼 압축 공기를 절약 하는 것이 가능하다. 제어 절차는 더욱 안정적이며, 진동은 더 적기 때문에 전체적인 마모 또한 감소된다.
MPC를 위한 많은 어플리케이션 중 하나는 폐수처리시설의 스크류 프레스를 포함한다. “하나의 사례가 있었는데, PID컨트롤러와 스크류 프레스는 작동 한계 미만에서 작동 되고 있었습니다”라고 Reichinger 씨는 회상한다.
그럼에도 불구하고, 프레스의 압력은 여전히 안전 정지를 일으키는 지점까지 증가하였고, 결국 시스템은 몇 시간 동안 정지 상태에 있었다.  하지만 APROL APC와 모델 예측 컨트롤러로 전환된 이후에, 안전 정지는 한 번도 발생하지 않았다.

PID 컨트롤러처럼 쉽게
“이 솔루션의 결정적인 장점은 우리의 MPC 컨트롤러가 일반적인 PID 컨트롤러만큼이나 쉽다는 것입니다”라고 Reichinger 씨는 말한다. 모델 예측 컨트롤러는 또한 표준 하드웨어로 구현할 수 있다. B&R의 APROL 프로세스 제어 시스템은 하나의 제어 변수를 마스터 할 수 있는 모델 예측 컨트롤러와 스톡을 제공하는 프로세스 라이브러리가 포함되어 있으며, 하나의 외란 입력을 고려하는 동안(MPC 1x1x1) 변수를 조작한다. 이를 통해 성능이 저하된 PID 컨트롤러 교체가 가능하고 추가적인 와이어링에 소비되는 비용을 절감한다. MPC 모듈은 10개의 제어변수와 외란 변수, 조작변수(MPC 10x10x10)까지 가능하며, 단일 블록만으로 빠르고 쉽게 복잡한 다차원 제어솔루션을 구현할 수 있다.

SP = 설정 포인트, CV = 제어 변수, PID = 기존의 PID 컨트롤러, MPC = 모델 예측 제어
PID 컨트롤러는 한 번에 하나의 값을 제어 할 수 있는 반면에, MPC 컨트롤러는 계산에 의해 제어된 시스템 사이의 상호 작용(커플링)을 취한다.

데드타임에도 불구하고 완벽한 제어
긴 데드 타임을 가진 프로세스에서 사용되는 경우, MPC 컨트롤러는 특히 유용하다. “광산에서 광석 및 연삭 공정을 공급하기 위한 긴 컨베이어 벨트는 매우 일반적입니다”라고 Reichinger 씨는 말한다. 만약 단지 끝단에 많은 재료가 있을 때만 벨트의 속도가 증가된다고 할때, 프로세스가 최적의 상태로 돌아오는데 상당히 많은 시간이 소비된다. 때로는 프로세스의 백업과 재구동을 위한 큰 버퍼가 필요하다. 이것은 모델 예측제어에 의해 개선할 수 있으며, 제어편차가 발생하기도 전에 미리 대응할 수도 있다. 모델 예측제어는 APROL 프로세스 제어시스템에만 국한된 것은 아니다.
사전에 설치되어있는 프로세스와 MPC 블럭 제어를 가진 산업용 PC를 포함한 컴팩트하게 완전히 구성된 시스템에서 APROL MPC는 턴키 솔루션으로 기존 프로세스 제어에 쉽게 통합될 수 있다.
남은 것은 필드버스와 구성된 MPC 블럭을 통해 입력과 출력을 연결하는 것이다. 미리 준비된 모듈의 사용은 MPC를 작동하는데 전문가의 노하우를 필요로 하지 않는다는 것을 의미한다. 사용자 상호 작용을 용이하게 하기 위해 커버에 있는 트렌드 및 알람 시스템도 포함된다.

Martin Reichinger
B&R의 Process Automation 사업부매니저

“우리의 통합된 모델 예측 제어는 PID만큼이나 작동하는 것이 쉽습니다.”