알기 쉬운 자동제어 이야기-제1장 온도를 제어한다는 것은 무엇인가?

☞ 알기 쉬운 자동제어 이야기에 대하여~

     기기나 장치에 대한 온도 제어는 어떻게 하고 있는 것일까요?

     온도 제어에 대해서 알아 보도록 합시다.

 

 

■ 제1장  온도를 제어한다는 것은 무엇인가?

 

자동제어는 공장·플랜트를 효율적으로 운영해 나가는데 있어서 빼놓을 수 없는 것입니다. 예를 들어, 자동제어에 의해서 자원절약, 에너지 절약, 즉 에너지 절약화가 이루어져 공장·플랜트 운영의 목적의 하나인 운전비용의 저감에 기여하고 있습니다. 또한, 조업조건이 일정해지기 때문에, 편차가 감소하고, 균일성을 확보할 수 있으며, 제품의 품질을 향상시킬 수 있는 등의 장점이 있습니다. 최근에는 환경보전을 위해 공해가 적은 조업 및 공해방지장치 등에 다양한 제어가 사용되고 있습니다. 그 중에서도 온도 제어는 많은 프로세스(공정)에서 이용되고 있으며, 온도를 일정하게 함으로써 균일한 제품을 얻을 수있는 생산으로 이어지는 경우가 많습니다. 여기에서는 "온도제어"를 주제로 기본적인 제어 방식에 대해서 정리해 보도록 하겠습니다.

 

1. 온도 제어란?

2. 자동 온도 제어

3. 주위 온도에 의한 영향

4. 피드백 제어 정보

5. 피드백 제어의 단점

6. 제어의 구성 요소

7. 요약 정리

 

1. 온도 제어란?

   일반적으로 온도 제어란 어떤 기능을 갖고 있으며, 어떤 조작이 이루어지는지를 그림 1에 나타내는 열대어를 사육하는 경우를 예로 생각해 봅니다. 열대어가 육성하는데 가장 적합한 수온을 30℃로 하고, 유리 온도계를 보면서 수조 안에 있는 전기히터의 스위치를 켜고 수조의 온도를 일정하게 유지합니다.

 

위의 행동을 분해해 보면 다음과 같습니다.

 

1) 운전 목표를 설정합니다.

   수조의 온도를 30℃로 합니다.

2) 운전 상태를 알아 봅니다.

   유리 온도계를 육안으로 봅니다.

3) 운전 목표와 운전 상태의 차이를 봅니다.

   유리 온도계의 온도와 목표치인 30℃가 일치하는지 봅니다.

4) 차이가 있으면 차이를 없애도록 조작을 합니다.

   유리 온도계의 온도와 목표치 30℃에 차이가 있으면 히터를 켜든가 끕니다.

이렇게 어떤 정해진 목표 값에 대해 온도를 일정하게 유지하도록 판단하고 행동하는 것을 "온도 제어" 또는 "온도 콘트롤" 이라고 합니다. 또한, 이 경우 사람의 손을 통해서 온도를 제어하기 때문에 "수동 제어" 라고 부릅니다.

 

2. 자동으로 온도 제어

    사람의 손을 거치지 않고 자동으로 수조의 온도를 30℃로 일정하게 유지하기 위해서는, 손으로 히터 스위치를 켜는 대신에 그림 2와 같이 온도 조절계를 이용합니다. 또한, 유리 온도계 대신에 온도 검출기를 설치합니다.

 

온도 센서가 수조의 온도를 검출하고, 온도 조절계는 검출된 온도가 30℃ 이하이면 히터의 전원을 켜고, 30℃ 이상이 되면 히터의 전원을 끕니다. 이것을 반복함으로써, 수조의 온도는 30℃ 부근으로 유지됩니다.

 

이러한 행동을 수동으로 온도 제어를 실시한 경우와 같이 분해하면 다음과 같습니다.

 

1) 운전 목표를 설정합니다.

수조의 온도를 30℃로, 온도 조절계로 설정합니다.

2) 운전 상태를 알고 있다.

온도 센서로 감지하여 온도 조절계에 전달합니다.

3) 운전 목표와 운전 상태의 차이를 봅니다.

온도 조절계 내에서 설정되어있는 목표값과 온도센서가 검출한 현재값을 비교합니다.

4) 차이가 있으면 차이를 없애도록 조작합니다.

차이가 있을 경우에 온도 조절계에서 히터의 전원을 끕니다.

  

이상과 같이 수조의 온도→온도 센서→온도 조절계→히터→수조의 온도와 같은 일련의 흐름에 의해, 온도를 일정하게 유지할 수 있습니다.

 

 

3. 주위 온도에 의한 영향

여기서 수조의 주위 온도에 의한 영향을 생각해 보도록 하겠습니다. 주위가 바람 등이 없는 안정된 환경이고, 실온도 30℃라고 하면, 수조의 온도가 30℃가 되었을 때, 이 상태가 장시간 안정됩니다. 그러나, 실온이 20℃일 때는, 수조가 30℃가 되어 히터의 전원이 꺼지더라도, 주위 온도의 영향으로 수온은 금방 떨어져, 빈번하게 히터의 전원을 켜야 합니다. 반대로 실온이 40℃일 때, 수조의 온도는 자연스럽게 30℃ 이상이 되어, 히터 대신에 냉각기로 식혀야 합니다. 이와 같이 수조의 온도는 항상 그 주위 온도의 영향을 받고 있는, 제어계의 밖에서 제어 대상에 직접 영향을 미치는 것을 「외란」이라고 합니다.

이것들을 블록 그림으로 쓰면 그림 3과 같이 되고, 이것을 피드백 루프라고 부릅니다.

 

그림 3 자동으로 온도 제어의 블록 다이어그램

 

4. 피드백 제어 정보

피드백 그룹에 의해 제어된 결과(출력)를 입력측으로 되돌려 목표값과 비교하여 다음의 제어에 도움이 되는 것을 피드백 제어라고 하며, 오늘날의 제어의 대부분이 이것을 채용하고 있습니다.

 

피드백 제어의 구조를 상세히 나타낸 것이 그림 4입니다.

 

각 항목의 설명은 다음과 같습니다.

 

그림 4 피드백 루-프

 

◆ 목표치

    제어의 목표가 되는 값. (수조의 설정 온도)

◆ 조절부

    설정 온도와 검출 온도의 차이를 비교해, 그 차이를 작게 하도록 조작부에 신호를 보냅니다.

    (온도 조절계 또는 사람의 손에 의한 히터의 ON/OFF 입니다)

◆ 조작부

    조정부의 신호에 의해 동작하여 제어 대상의 온도를 조작한다. (히터)

◆ 센서부

    제어 대상의 변화를 검출합니다 (온도 검출기)

◆ 제어 대상

    제어되는 대상(수조의 온도)입니다.

◆ 외란

    제어 대상에 직접 영향을 주는 것입니다(실온)

 

 

5. 피드백 제어의 단점

   피드백 제어는 제어의 정석이라고 해도 과언이 아니지만, "결과를 보고 수정하는 제어" 이므로 외란에 약하다는 단점을 가지고 있습니다. 즉, 바람이 창문을 통해 들어와 실온이 변화하는 등의 외란이 발생하면, 그것이 제어 대상(수조의 온도)에 영향을 주어, 설정 온도와 현재값의 차이가 생깁니다. 그 차이가 생긴 후에 제어를 실시하기 때문에 외란의 영향을 본질적으로 피할 수 없습니다.

 

이 피드백 제어의 단점(결점)을 보완하기 위해, PID의 파라미터(제4장에서 상세히 소개함)의 세세한 조정이나, 외란이 제어 대상에 영향을 미치기 전에 검출해 필요한 조작량을 추가하는 등의 궁리가 필요합니다.

 

 

6. 제어 구성 요소

   일반적으로 피드백 제어를 수행하는데 필요한 요소를 크게 나누면 센서부, 제어부, 조작부의 3가지로 나누어져 있습니다. 이것으로부터, 수조의 온도제어의 예를 보면 온도를 검출하는 온도 센서→비교·판단을 실시하는 온도 조절계→수조의 온도에 변화를 주는 전기히터의 조합으로, 자동적으로 이 동작이 반복되어 수조의 온도가 일정하게 조정됩니다.

 

센서부, 제어부, 조작부에 대한 개요는 다음과 같습니다. 

 

◆ 센서부

   센서는 제어에 있어서 중요한 요소입니다. 센서에 의해, 제어 대상(수조의 온도)의 올바른 정보를 얻을 수 없으면, 제어도 애매하게 되어 버립니다. 아래 표는 온도 센서의 종류와 특징을 보여줍니다.

 

종류	검출 방법	특징	단점	상용온도범위
열전대 T/C	열기전력 (제벡 효과)	· 비교적 고온부의 측정에 적합하다. ・원격 측정이 가능하다. · 응답이 빠릅니다. ・정밀도가 좋다.	・냉접점 보상이 필요. 열전대에서 계기까지의 배선은 보상 도선을 사용해야 한다. 저온부의 측정에 적합하지않음. (열기전력이 작기 때문에)	-180~1400℃
측온저항체 RTD	저항값 변화	· 비교적 저온부의 측정에 적합하다. ・원격 측정이 가능하다. · 응답이 빠릅니다. ・정밀도가 좋다.	・고온부의 측정을 할 수 없다.	-50~400℃
액팽창식(액체팽창)	톨루엔, 실리콘유 등의 액체팽창	·현장형 계기 (검출부와지시,  조절부가 일체). · 비교적 저렴하다. ・사용하기 쉽다. · 간단하게 조작할 수 있다.	・사용 온도 범위가 좁다. · 원격 측정이 붕가능하다. · 응답이 느립니다. ・정밀도가 그다지 좋지 않다.	-15~200℃
바이메탈식	2금속의 열팽창율의 차이	・저렴하다. ・사용하기 쉽다. · 간단하게 조작할 수 있다.	・사용 온도 범위가 좁다. · 응답이 느립니다. ・정밀도가 나쁘다. ・수명이 그다지 길지 않다.	-15~200℃
폭사 검출기	물체의 폭사열 (적외선 에너지)	・열전대보다 고온부의 측정을 할 수 있다. ・원격 측정이 가능하다. · 응답이 빠릅니다. 측온 물질에 비접촉으로 측정할 수 있다.	・측정물질에 따라 폭사율의 보정이 필요하다. · 고가이다. ・주위 환경이나 외란의 영향을 받기 쉽다.	0~수천 ℃

 

◆ 제어부(온도 조절계)

   제어부인 온도조절계는 제어의 중심이 되는 부분으로, PID 제어가 현재 제어 알고리즘의 대부분을 차지하고 있습니다.

이전에는, 아날로그식의 온도계가 많이 이용되어 왔습니다. 그 후 1970년대 중반에 등장한 마이크로프로세서를 내장한 디지털식의 온도조절계가 출현해, 현재 사용되고 있는 컨트롤러의 대부분이 디지털식입니다. (그림 6 온도 조절계의 외관 참조: PC 로더 대응)

        

◆ 조작부

조작부는 온도조절계로부터의 조작신호를 받아 직접 제어 대상에 변화를 주는 장치를 말하며, 취급하는 프로세스에 따라 조작부는 다양합니다. 온도 제어에 자주 사용되는 조작부의 일례를 소개합니다. 

(그림 7 사이리스터 유닛의 외관  참조)

 

◇ 전기 히터를 제어하는 ​​경우

· 릴레이

· SSR(솔리드 스테이트 릴레이)

· SCR(사이리스 유닛)

 

◇ 물 등의 유체를 제어하는 ​​경우

· 공기식 조절 밸브(전공 포지션이 필요)

·  전동 밸브

·  솔레노이드 밸브(전자밸브)

 

7. 요약 정리

    최근에는 제어를 구성하는 3가지 요소 외에, 사용자의 간단 조작에 대응하기 위한 터치 패널 등의 맨머신 인터페이스도 제어에 중요해지고 있습니다. 사용자의 다양화하는 요구에 부응하기 위해 제품이나 장치도 고기능화, 다기능화가 진행되고 있지만, 그 반면 조작이 복잡해지기 쉽습니다. 그 때문에, 대화형식의 설정이나 모니터를 할 수 있는 터치 패널 등이 많은 장치에 내장되어 있습니다. (그림 8 참조)

또한, 온도 조절계에서도, 사용자의 간단한 조작 요구에 부응하기 위해 터치 패널 등과 접속할 수있는 통신 기능이있는 조정계의 요구가 높아지고있습니다.

 

앞으로의 제어에서는, 센서부·제어부·조작부를 조합한 것뿐만 아니라, 사용자의  편리성이나 유지보수성(메인터넌스)을 고려한 맨머신 인터페이스를 포함한 제어 루프를 구성하는 것이 중요합니다.

 

다음 장에, 제2장 자주 사용되는 제어 방법 ⑴ ​를 소개하겠습니다

 

 

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