확실한 제어를 위한 핵심 사항

많은 연구를 통해 산업 제어 루프의 약 30%가 현재 보다 훨씬 높은 수준의 성능을낼 수 있다는 것이 드러났습니다. 개인적으로는 수치가 너무 낮은 것 같다고 생각되지만 이것만으로도 기존의 제어 루프(loop)를 더욱 견고하게 만들어야 하는 충분한 이유가 됩니다. 성능이 떨어지는 루프의 수 많은 원인 중에는 구식의 루프 튜닝, 부적절한 설계, 잘못된 제어 알고리즘, 그리고 수동 루프 락업(lock-up) 등이 포함됩니다. 이번 기사에서는 성능이 떨어지는 제어 루프에 관련된 몇몇 핵심 이슈들에 대해 알아 보겠습니다.

일반적으로 성능이 떨어지는 제어 루프는 높은 공정 변동성을 보입니다. 이는 자동화의 반대말이죠. 설비의 처리량 개선에 관한 흥미로운 한국어 백서(white paper)가 Plantweb University에 실렸는데, 기초 제어 및 고급 제어 소개를 통해 루프 설정지점을 최적 운전 레벨로 배가시키는 방법에 대한 것입니다.

다가오는 Emerson Exchange 2011 행사에서 Doug White는 ‘자동화를 통한 운전의 예측가능: 공정 변동성의 진정한 비용, 원인 및 대책`이라는 주제로 프리젠테이션을 할 예정입니다. 이 백서/프리젠테이션에서 Doug는 공정 변동성 최소화의 기본으로 돌아갈 것을 강조하고, 몇 가지 흥미로운 예를 제시하고자 합니다.

공정 운전 변동성은 여러 가지 형태로 발생합니다 - 높은 빈도의 고장/소음, 운전 목표 변경, 공정 과부화 등이 여기에 포함됩니다. 높은 빈도 또는 무작위 변동성은 재료, 장비, 또는 공정 자체에서 발생하는 자연적인 변동성 때문에 발생할 수 있습니다. 반복적인 변동성은 종종 공정 특성 또는 제어 루프 성능과 연관된 이슈와 관련성을 보입니다. 갑작스런 고장과 공정 과부하는 자연적인 상황에서는 낮은 빈도를 보입니다.

이는 하중 변화, 공정 설정지점 변경, 그리고 새로운 일괄 작업 및 품질 변경과 같은 회분/불연속적인 운전 등에 의해 발생합니다. 반복적인 변동성은 아주 흔히 일어나며, 제어 루프 내 또는 제어 루프 사이의 밸브, 공정, 제어기 상호 작용에 의해 발생되고는 합니다. 종종 이런 종류의 변동성은 공정 전체로 확산됩니다.

Doug은 열 효율을 최대화시키기 위하여 주입 및 배출 스트림을 열 교환기를 통해 연결시킨 사례를 제시했습니다. 주입 및 배출 스트림을 한 유닛으로 작동시켜 열 교환 기능을 실행하면서 주입 중단이 전체 유닛의 운전에 영향을 미쳐 변동성을 확산하게 만들었습니다. 그는 똑같은 상황이 천연액화가스(NGL) 분류 탈메탄 흡수기(demethanizer)에 어떻게 나타날 수 있는지 보여줍니다. 그리고 다른 공정의 변동성 확대가 어떻게 공정 재활용 및 공통 헤더(header)를 통해 발생되는지 설명합니다.

과도한 변동성은 제품 품질과 장비 성능을 떨어뜨리고, 에너지 소비를 늘립니다. 또한, 장비의 신뢰도와 수명을 감축시키며, 안전 및 환경 문제를 야기할 수 있습니다. 최근에 발생한 화학 설비의 조업중단과 정유사의 사양 밖 재혼합운전, 제약회사의 운전 개시가 연기된 경우뿐만 아니라 제지 공장에서 발생한 잦은 보일러 고장, 그리고 윤전기(rotary press)의 종이 절단 등의 예를 통해 과도한 변동성이 만들어내는 폐해를 짚어봅니다.

변동성 감소는 고장을 줄이거나 없애고, 제어기를 포함한 제어 시스템을 개선하며, 제어 루프의 최종 제어 요소 및 감지 요소를 개선하고, 공정을 수정하며, 가능한 경우 제품 혼합을 늘림으로써 달성할 수 있습니다. 이러한 변동성을 줄임으로써 설비를 사양 한계에 근접하도록 운전할 수 있게 됩니다. 이를 통해 생산을 늘리고, 생산율을 높이며, 설비 생산성과 신뢰성을 개선하고, 예정에 없던 조업중단을 줄여 운전 비용을 줄이며, 유지관리 노력이 줄어들고, 그리고 보다 낮은 에너지 사용을 할 수 있습니다.

Doug은 액체 촉매 분배 유닛 및 암모니아 공정을 포함한 몇몇 사례 연구를 소개합니다. 또한 변동성 축소 공정을 찾아내고 활용할 수 있는 방법론을 제시합니다. 방법론은 제품 손실, 제품 품질 문제, 과도한 에너지 사용, 또는 높은 유지 비용 등으로 나타나는 설비 문제를 확인하는 데서 시작합니다. 다음으로, 최근 성능 기록을 살펴보아 루프의 우선 순위를 정합니다. 그리고, 센서, 제어기 및 루프의 최종 요소를 포함하는 모든 요소에 대한 온라인 루프 성능 및 변동성 심사를 고속으로 진행합니다. 그 다음 단계로서 변동성 원인과 경로를 확인하고 제어 구성 및 공정 이슈를 평가하기 위한 분광분석(spectroscopic analysis)을 사용하여 변동성의 원인을 찾아냅니다.

실태 조사와 분석이 끝나면 현장 장치의 변경, 루프 튜닝과 제어 구성에 대한 진단이 내려집니다. 공정 시뮬레이션을 통해 공정과 제안된 변경 사항에 대한 모델링을 수행하고 최적 튜닝 매개변수를 이끌어낼 수 있습니다. 마지막으로 이러한 진단의 우선 순위를 정하고 변동성 감축에 소요되는 비용과 혜택의 추정치를 제공합니다. 변경사항의 실행 이후 사후작업 및 문서 변경과 성능 변경 등을 통해 미래의 추가 프로젝트 여부를 결정합니다. 위에서 언급한 제어 루프 개선 정보가 너무 방대할 수 있지만, 개선된 제어 루프에서 얻어지는 혜택과 투자수익률(ROI)은 훨씬 클 것입니다.