자동제어설비 이해 중앙대학교 건설대학원

- 목 차 - 1. 자동제어 일반 2. 자동제어 기초

1.자동제어 일반 1) 정의 ① 자동제어란 미리 설정된 목표치에 대하여 편차가 발생했을 때 이 편차를 없애기 위하여 자동적으로  1. 자동제어 일반   1) 정의     ① 자동제어란 미리 설정된 목표치에 대하여 편차가 발생했을 때 이 편차를 없애기 위하여 자동적으로 출력을 제어하는 것     

1.자동제어 일반 1. 자동제어 일반 1) 정의 ② 건물자동화 시스템의 도입목적 - 인력절감과 관리의 효율화         - 인력절감과 관리의 효율화         - 최적환경 유지 및 형성         - 자원절약 및 에너지절약         - 다양한 안전의 확보         - 건물 이용자의 편리성 향상

1.자동제어 일반 1. 자동제어 일반 2) Feed Back 제어 3) Closed Loop & Open Loop  1. 자동제어 일반 2) Feed Back 제어   3) Closed Loop & Open Loop       -  Closed Loop :  Feedback Loop       -  Open Loop  :  설정 기준점으로 출력한 후 종료   4) 앞으로의 추세       - Open Proto 콜 System으로 변경       - BACnet / LonWork

1.자동제어 일반 1. 자동제어 일반 - 일반적으로 자동제어는 피드백제어와 시퀀스제어로 분류한다. -시퀀스 제어는 미리 정해진 순서에 따라 제어의 각 단계 를 순차적으로 행하는 제어이며,제어의 명령이 스위치의 ON/OFF 또는 전압의 고/저 등으로 형성된다.  

1.자동제어 일반 1.자동제어 일반 -시퀀스제어란 0과 1의 디지털신호(2 값 신호)로 이루어 지는 정성적인 제어로서 어떠한 시스템의 상태나 성질을 제어하는 것을 의미한다. - 시퀀스제어는 앞의 동작이 완료되고 나서 그 다음의 동작으로 이동하며, 그 제어신호의 흐름이 되돌아 오는 것(Feed back)이 아닌 한 방향으로만 행해지는 열린 루프제어(Open loop control)로서 불연속적인 작업을 한다.

1.자동제어 일반 1.자동제어 일반 - 이러한 시퀀스제어는 자동판매기, 엘리베이터, 공작 기계 및 공기조화기의 경보, 팬과 펌프의 기동/정지 등에 적용된다. 

1.자동제어 일반 * 피드백 제어 - 제어신호의 Feed back에 의하여 온도, 습도, 압력 등   * 피드백 제어 - 제어신호의 Feed back에 의하여 온도, 습도, 압력 등 과 같은 제어량을 설정치와 비교하고, 제어량과 설정치가 일치하도록 그 제어량에 대한 수정동작을 행하는 제어를 말한다. - 예를 들어 무슨동작을 하든지간에 그 결과를 보고, 판 단하고 수정동작을 하지 않는다면  한번조작으로 완벽한 결과를 얻기가 매우 어렵다.

2. 자동제어 기초 2.1 자동제어 구성 검출부(인간의 눈), 조절부(인간의 뇌), 조작부(인간의 손 과 발)   2.1 자동제어 구성       검출부(인간의 눈), 조절부(인간의 뇌), 조작부(인간의 손 과 발)       * 무응답시간 / 시정수       * 추종성 : 가능한 빨리 목표에 도달하는 것       * 안정성 : 목표에 도달하여 한계를 항상 일정하게 유지 하는 것

2.자동제어기초 2.2 자동제어의 동작 1) 2위치 제어 - On-Off 동작  2.2 자동제어의 동작    1) 2위치 제어      - On-Off 동작      - 특징 : - 정해진 2개의 조작량 중 어느 하나를 선택                  설정치는 단지 목표치이며, 설정치대로 제어 되지 않음                 - 동작간격이 너무 크면 변동폭이 크고, 너무 작으면 빈번히 On-Off.       - 용도 : 소규모로 비교적 안정된 제어대상, 대체로 목표치에 가깝게 유지되면 되는 실내온도 제어

2.자동제어기초 2) 비례제어 - Full Open - Proportional Band - Full Close 2.2 자동제어의 동작 2) 비례제어         - Full Open - Proportional Band - Full Close          - 특징 : 조작량이 동작신호에 비례          설정치는 단지 목표치, 설정값과의 편차에 비례하여 제어로 잔류오차가 남는다.              비례대가 크면 잔류편차가 커지고, 너무 작으면 빈번히 조작, 목표치로부터 제어량이 벗어나는 편차가 발생할 때 그 편차에 비례하는 크기로 조작량을 변화시킴으로써 2위치 동작에서 발생하는 싸이클링을 제거함.        

2.자동제어기초 2.2 자동제어의 동작 2) 비례제어 - 용도 : 외란과 무응답시간이 적은 제어대상        그다지 정밀도가 요구되지 않는 실내온도 제어.

2.자동제어기초 3) Floating 제어(단속도 제어) - 조작량증가 - 정지(중립대) - 조작량 감소. 2.2 자동제어의 동작   3) Floating 제어(단속도 제어)       - 조작량증가 - 정지(중립대) - 조작량 감소.       - 특징 : 동작신호가 어느 특정범위(중립대)를 넘었을 때 일정속도로 조작량을 증감시킴.   설정치는 단지 목표치이며, 설정치대로 제어되지 않음.       - 용도 : 무응답시간 시정수가 적은 제어대상.         압력이나,탱크 액면 제어등과 같이 응답이 빠른 프로세스에 유효. 온도 등과 같이 지연이 큰 프로세스에는 불안정해서 사용할 수 없다.

2.자동제어기초 4) 비례적분제어(PI) 비례제어에서 잔류편차를 제거하기 위하여 수동리셋을  2.2 자동제어의 동작 4) 비례적분제어(PI) 비례제어에서 잔류편차를 제거하기 위하여 수동리셋을 사용하는데 이것을 자동화 한 것으로 즉, 비례동작에 의해 발생한 잔류편차를 제거하기 위해 적분동작을 첨가시킨 제어동작.       - 비례대 면적을 0로 하게끔 제어함         SP를 지나 +ΔT와 -ΔT를 지난 후 +ΔT를 기억해서 +ΔT‘ 까지만 가고 다시 -ΔT’로 감       - 특징 : 외란이 큰 제어에 용이       - 용도 : 급기온도제어, 정밀도가 요구되는 실온제어, 압력제어 등

2.자동제어기초 5) 비례미분적분제어(PID) - 비례미분제어 : 시간을 잘게 쪼개 기울기를 감소  2.2 자동제어의 동작 5) 비례미분적분제어(PID)      - 비례미분제어 : 시간을 잘게 쪼개 기울기를 감소       적분제어에 비해 속도는 빠르나 외란에 의해 안정성이 되지 못함. 따라서 적분제어가 많이 사용. 시뮬레이션에서는 가끔 사용함.          - 비례미적분 제어 : 안정성과 속도가 빠른 제어에 용이, 항온항습실, 전산실 온도 제어에 활용

2.자동제어기초 5) 비례미분적분제어(PID) PID 동작 1) 편차의 크기에 비례하는 비례동작에 의해 응답속도를 개선. 2) 편차의 크기와 지속시간에 비례하는 적분동작에 의해 정상상태 오차를 제거. 3) 편차의 변화속도 및 경향을 감지하는 미분동작에 의해 과도상태오차를 제거.

2.자동제어기초 각종제어동작에 적합한 제어대상 제어동작 제어대상 부하변동 시정수 데드타임 크기 속도 2위치 대 소 다위치 중 단속도 비 례 대 또는 중 소 또는 중 PD 임의 PI PID

2.자동제어기초 2.3 자동제어 기기 방식 자동제어방식은 아날로그 방식과 디지털방식으로 분류 - 아날로그방식 : 전기식, 전자식, 공기식 - 디지털 방식 : DDC 방식. 1) 아날로그 방식 - 검출부에서 검출한 아날로그 신호(온도,습도,압력) 를 조절부에서도 신호형태의 변환없이 아날로그 신호를 직접 사용.

2.자동제어기초 2) 디지털방식 - 검출부의 아날로그 신호를 조절부에서 디지털 신호형태 2.3 자동제어 기기 방식 로 변환하여 연산처리. - 공조설비 자동제어에서는 통상 온도,습도,압력 등의 제어량을 취급. - 검출기는 전자식을 사용하며 조절기로는 DDC를 사용 하고 조작기로는 DDC의 출력신호를 입력받을 수 있는 것을 사용하는 방식을 말한다.

2.자동제어기초 아날로그 방식과 디지털 방식의 비교 항목 아날로그 방식 디지털 방식 기능 아날로그 방식 디지털 방식 기능 제어시스템을 구성하기 위한 기기의 결합이 제한된다. 다양한 소프트웨어 처리로 기능의 고급화를 도모할 수 있다. 조작성 제어반에서 각 루프의 계기를 순시하면서 감시 및 조작한다. 모니터를 중심으로 감시한다. 보수유지 계기 자체로는 고장개소를 판단할 수 없다. 자기진단 기능을 보유하고 있다. 신뢰성 제어의 정밀도에 한계가 있으며 신뢰성이 다소 떨어진다. 제어의 정밀도가 높으며, 소프트웨어에 의해 효율적으로 제어할 수 있다. 경제성 대체로 저렴하다. 시스템 자체의 가격이 다소 높다. 중앙 감시반 자동화 전용의 중앙감시반을 필요로 한다. IBM PC기종의 중앙감시반을 필요로 한다.

2.자동제어기초 1) 전기식 - 신호의 전송 및 동력원으로 전기 사용. - 검출부와 조절부, 설정부가 일체구조로 됨.  2.3 자동제어 기기 방식    1) 전기식          - 신호의 전송 및 동력원으로 전기 사용.          - 검출부와 조절부, 설정부가 일체구조로 됨.          - 구조가 간단, 취급용이, 계장공사가 간단 저렴.          - 제어가 그다지 요구되지 않는 계장에 사용.          - 실내설치형과 덕트, 배관 등에 설치하는 삽입형 => 온도, 습도, 압력, CO2등의 제어.

2.자동제어기초 2.3 자동제어 기기 방식 전기식 조절기의 구성 조절기 검출부 조절부 온도조절기 다이어프램 벨로즈 감온통     전기식 조절기의 구성 조절기 검출부 조절부 온도조절기 다이어프램 벨로즈 감온통 마이크로스위치 스프링레버 + 수은스위치 포텐쇼미터 습도조절기 모발 나일론 리본 스프링레버 + 수은스위치 압력조절기 브르돈 관 스프링레버 + 수은스위치

2.자동제어기초 2.3 자동제어 기기 방식 전기식 자동제어 시스템의 특징     전기식 자동제어 시스템의 특징 1) 검출부와 조절부가 하나의 케이스 내에 함께 설치. 2) 신호전송 및 조작 동력원으로서 상용전원을 직접사용. 3) 기기의 구조가 간단하기 때문에 취급이 용이. 4) 신호처리가 쉽지만 원격조작이 어렵다. 5) 전기회로의 조합에 의해 계장에 융통성이 있다. 6) 계장공사(설치,배선)가 간단. 7) 대용량이 아니면 설비비가 다른 방식에 비해 싸다.

2.자동제어기초 2.3 자동제어 기기 방식 2) 전자식 - 온도,습도 등의 제어량을 검출하는 방식이 작은 상태 변화에서도 안정하고 빠르며 선형(Linear)으로 변환하는 검출단을 사용 - 조절기가 마이크로프로세서에 의해 동작되므로 2위치제어 또는 비례제어 외에도 미분제어나 적분제어 동작 등의 혼합제어가 가능하고, 하나의 조절기에 여러 개의 검출기를 조합할 수 있어 각종의 보상제어가 가능하며 높은 정밀도를 요구하는 곳에 적합.        

2.자동제어기초 2.3 자동제어 기기 방식 2) 전자식 - 신호의 전송 및 조작 동력원으로서 상용전원을 사용 할 수 있다. 할 수 있다.  - 열용량이 작은 검출단을 사용하므로 장기사용에 따 른 열화가 적고 감도가 좋다. - 외기온도 변화에 따라 자동으로 실내온도를 조절하 는 외기보상 제어를 할 수 있다.

2.자동제어기초 2.3 자동제어 기기 방식 2) 전자식 - 중앙제어 시스템을 구성하여 원격설정을 가능하게 할 수 있다. - 중앙제어 시스템을 구성하여 원격설정을 가능하게 할 수 있다. - 검출부와 조절부가 별도로 구성(조절기는 기계실 제어판넬에 설치)      - 1:1 제어시 가장 좋은 방식 (하나의 센서에 하나의 조작기)      - 다양한 계측치를 입력할 수 있고 정도가 높은 제어와 계측치의 지시.

2.자동제어기초 2.3 자동제어 기기 방식 3) 공기식 - 전기식이나 전자식에 비해 구조가 간단, 먼지나  2.3 자동제어 기기 방식 3) 공기식         - 전기식이나 전자식에 비해 구조가 간단, 먼지나 높은 습도등 나쁜 환경에 잘 견딤.         - 보수점검 용이, 공기배관 공사가 별도로 필요 - 응답이 확실하고 고장이 적다.         - 비례제어에 적합         - 최근 사용빈도 감소 => 대형밸브 열원제어, 방폭대응, 많은 밸브 사용장소에 사용

2.자동제어기초 2.3 자동제어 기기 방식 4) DDC(Direct Digital Contol) 제어  2.3 자동제어 기기 방식 4) DDC(Direct Digital Contol) 제어       - 자동제어 시스템 및 중앙감시 리모트 스테이션(RS) 을 단일화하여 마이크로프로세서로 디지털 제어하 는 콘트롤러 (이전개념:조절기의 기능이 디지털 장치로 처리되는 제어) - 검출기는 전자식을 사용하며 조절기로는 DDC를 사 용하고 조작기로는 DDC의 출력신호를 입력받을 수 있는 것을 사용하는 방식을 말한다.

2.자동제어기초 2.3 자동제어 기기 방식 4) DDC(Direct Digital Contol) 제어 특징          - 여러개의 Input(검출)과 하나 또는 여러개를 제어          - 설정, 표시, 연산이 모두 디지털 처리             => 전송, 연산의 오차가 없고, 고정도의 제어계측 가능          - 모든 입출력 신호는 중앙감시장치에 전송 가능          - 각 기기마다 분산제어, 관리가 가능

2.자동제어기초 2.3 자동제어 기기 방식 4) DDC(Direct Digital Contol) 제어 장점 - 저렴한 가격 - 폭 넓은 응용 - 제어의 정밀성과 정확성 - 기능의 통합성 - 신뢰성 - 에너지 절약기능 - 기능의 분산화

2.자동제어기초 2.3 자동제어 기기 방식 자동제어 관제점의 종류 및 특성 - AI : 아날로그 입력으로 온도, 습도, 레벨 등이 있으며 4~20 Ma 또는 0~1000 Ω 이 사용된다. - AO : 아날로그 출력으로 밸브 콘트롤에 사용. - DI : 디지털 입력으로 접점의 ON/OFF 상태를 감지. - DO : 디지털 출력으로 접점의 ON/OFF 출력

2.자동제어기초 2.4 온도조절기의 구성 2.4.1 온도검출부 (1) 벨로즈 (2) 이중 다이어프램 (3) 원격밸브 2.4.2 조절부 (1) 스냅스위치 (4) 포텐쇼미터(가변저항) (2) 마이크로스위치 (5) 밸런싱 릴레이 (3) 수은스위치

2.자동제어기초 2.4 온도조절기의 구성 2.4.3 온도조절기 (1) 실내용 온도조절기 (2) 삽입형 온도조절기

2.자동제어기초 2.5 습도조절기의 구성 2.5.1 습도검출소자 (1) 모발 (2) 나일론 리본 2.5.2 습도조절기

2.자동제어기초 2.6 압력조절기의 구성 2.6.1 압력검출소자 (1) 다이어프램 (2) 벨로즈 (3) 브르돈관 2.6.2 압력 및 차압조절기 (1) 압력조절기 (2) 차압조절기

2.자동제어기초 2.7 조절기 및 검출스위치 1) 스텝 조절기(Step Controller) 2) 엔탈피 조절기(Enthalpy Controller) 3) 공기흐름 검출스위치(Air Flow Switch) 4) 이온화 연감지기(Smoke Detector) 5) 액체흐름 검출스위치(Liquid Flow Switch) 6) 차압 검출스위치(Air Pressure Switch)

2.자동제어기초 2.8 조작기 2.8.1 각종 제어방식에서 사용하는 조작기 1) 댐퍼조작기 2) 전동조작기(Modutrol motor)

2.자동제어기초 2.9 전기식 제어회로 1) 2선식 2위치 제어회로 2) 3선식 2위치 제어회로 3) 3선식 플로팅 제어회로 4) 3선식 위치비례 제어회로

2.자동제어기초 2.10 회로의 응용 2.10.1 리미트제어(Limit Control) 1) 하한제어(Low limit control) 2) 상한제어(High limit control) 2.10.2 최소 개도 제어 외기용 댐퍼를 비례제어하면서 신선한 공기의 최저량 을 받아들이고자 할 때, 댐퍼의 최소 개도를 유지하기 위하여 사용되는 제어회로이다.

2.자동제어기초 2.4 계통별 자동제어 기본 계획 및 시공시 고려사항 1) 공기조화기 2) 냉동기 3) 보일러 4) 열교환기    1) 공기조화기    2) 냉동기 3) 보일러    4) 열교환기     5) 급.배기 팬    6) 위생설비 

2.자동제어기초 2.4 계통별 자동제어 기본 계획 및 시공시 고려사항 2.4.1 공기조화기 (1) 제어밸브 용량계산 1) 온수코일의 적절한 용량 2) 조절밸브의 제어특성 (2) 공기조화기 제어요소 1) 온도제어 2) 습도제어 3) 환기제어

2.자동제어기초 2.4 계통별 자동제어 기본 계획 및 시공시 고려사항 2.4.2 냉동기 (1)냉수펌프제어 1) 동시 기동/정지 2.4.2 냉동기 (1)냉수펌프제어 1) 동시 기동/정지 2) 연속운전 3) 냉수코일 필요유량에 의한 냉수펌프 댓수제어 (2) 냉수 급수, 냉수 환수 헤더의 차압제어 (3) 냉각탑 제어

2.자동제어기초 2.4 계통별 자동제어 기본 계획 및 시공시 고려사항 2.4.3 보일러 (1) 일반사항 (2) 매연농도감지기 2.4.3 보일러 (1) 일반사항 (2) 매연농도감지기 (3) 보일러 자체감시 (4) 증기압력 측정 (5) 응축수조 (6) 기름 서비스 탱크제어

2.자동제어기초 2.4 계통별 자동제어 기본 계획 및 시공시 고려사항 2.4.4 열교환기 (1) 제어밸브 용량계산 2.4.4 열교환기 (1) 제어밸브 용량계산 (2) 제어요소

2.자동제어기초 2.4 계통별 자동제어 기본 계획 및 시공시 고려사항 2.4.5 급배기 팬 (1) 에너지절감 대책 2.4.5 급배기 팬 (1) 에너지절감 대책 1) 환기에 수반하는 반송동력의 절감 2) 환기에 기인하는 공조부하의 절감 3) 배기의 열회수 (2) 환기시스템의 감시제어기능

2.자동제어기초 2.4 계통별 자동제어 기본 계획 및 시공시 고려사항 2.4.6 위생설비 (1) 급수설비 계통 (2) 배수설비 계통

2.자동제어기초

2.자동제어기초

2.자동제어기초 피드백제어 구성요소 설정부 : 목표치를 기준입력신호로 바꾼다 비교부 : 제어량을 측정한 주 피드백 신호와 비교하여 제어동작 신호를 만드는 부분 동작신호 : 기준입력 신호량과 주 피드백 신호량과의 차 조절부 : 동작신호에 따라 2위치, 비례,비례적분, 비례적분미분제어 동작신호를 출력한다. 조작부 : 제어동작 신호를 받아 조작량으로 바꾼다.

2.자동제어기초 피드백제어 구성요소 제어대상: 조작량 만큼의 제어결과 즉 제어량을 발생. 이 제어량은 외란에 의해 변화 외란 : 제어계의 생태를 교란시키는 외적 작용으로서, 실내온도 제어에서는 인체.조명등에 의한 발생열, 창문을 통한 태양일사, 틈새바람,외기온도 등을 의미 검출부 : 제어대상의 상태를 검출하여 그 상태를 전기적인 신호로 변환한다. 주피드백 신호 : 제어량을 측정하여 그것을 목표치와 비교할 수 있도록 내보내는 신호이다.

2.자동제어기초 피드백제어방식의 분류 (1)제어동작에 의한 분류 1) 연속동작 :비례동작, 적분동작,미분동작,혼합동작 2) 불연속 동작 : ON-OFF동작, 다위치동작, 단속도동작 (2) 사용분야에 의한 분류 1)프로세스제어 : 온도,유량,압력,액면,공기성분 등을 제어하며 제어대상에 가해지는 외란의 억제를 주 목적 으로 한다. 2) 기계제어 : 물체의 위치, 방위,자세 등을 제어.

2.자동제어기초 피드백제어방식의 분류 (3)목표치에 의한 분류 1) 정치제어 : 목표치가 시간적으로 변화하지 않는 일정한 제어로서 프로세스제어에 많이 사용. 2) 추치제어 : 목표치가 시간적으로 변화하는 제어로서 열처리로의 온도제어 등에 주로 사용.

2.자동제어기초 2위치제어동작 - 2위치, 비례 그리고 혼합제어 방식은 온도,습도 및 압력 등을 제어하기 위한 피드백 제어방식의 일종이며, 이러한 제어 방식들은 피드백 제어계를 구성하는 조절부에서 결정됨. - 조절부에서는 피드백되어 돌아오는 검출량(현재 제어 대상의 상태)과 목표치를 비교하여 목표치로부터 벗어나는 양(제어편차)을 판단하고, 그 제어편차를 제거하기 위한 제어신호를 발생하게 되는데, 어떠한 방식의 조절기를 사용했는가에 따라서 2위치, 비례 또는 혼합 제어동작 중 하나의 방식이 결정된다.

3.용도별 건축물의 자동제어 설계와 기본 계획 1. 자동제어방식과 설계시 검토 사항 1-1. 제어방식 비교 및 적용 1)전기식 2)전자식 3) 공기식 4) DDC 방식

3.용도별 건축물의 자동제어 설계와 기본 계획 1-2. 설계시 검토 협의사항 1)협의사항 ① 열원계통확인 ② 공기조화방식의 확인 ③ 제어 온습도 조건의 확인 ④ 각종 열원 장비들의 열량 및 온수의 온도차(∆T), 증기인 경우의 사용 증기압력 ⑤ MCC(Motor Control Center)의 위치 및 담당장비

3.용도별 건축물의 자동제어 설계와 기본 계획 ⑥ 저수조 및 응축수 탱크의 시수 인입 밸브위치 및 배관 크기 ⑦ 각종 탱크의 높이 ⑧ 배수조 높이 ⑨ 헤더가 있는 경우 바이패스 유량(%) ⑩ 전기 MCC 및 각 장비류 제어반 접점을 사용 할 때 자동제어용 보조 접점 제공요구. ⑪ FCU(Fan Coil Unit)제어 관계( 개별제어, 존제어 관계, 2방밸브제어 관계)

3.용도별 건축물의 자동제어 설계와 기본 계획 1-3. 설계시 필요 자료 (1) 필수 불가결한 자료 ① 설비 장비 일람표 ② 기계실 배관 평면도 ③ 자동제어 대상 장비의 위치 평면도 ④ 공조실 평면도 ⑤ 각 층별 덕트 평면도 및 VAV 위치도(VAV 공조방식일 경우) ⑥ 공동구가 표시된 전체 평면도(대규모 아파트 단지일 경우)

3.용도별 건축물의 자동제어 설계와 기본 계획 1-3. 설계시 필요 자료 (2) 참고자료 ① 덕트 계통도 ② 냉.난방 배관 게통도 ③ 위생 배관 게통도 ④ 소화 계통도 ⑤ 필수 불가결한 자료 외의 각종 평면도