계측제어시스템 instrumentation and control systems

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1 계측제어시스템 instrumentation and control systems
계측과 제어와는 어떤 점에서는 독립의 기능을 것으로, 공통의 것은 아니다. 그러나 일반적으로 계측과 제어가 한 시스템으로서 취급되는 것은, 제어계에 대한 입출력 인터페이스가 계장 시스템으로 구성되고, 또 운전의 중요한 정보를 주기 때문이다. 자동제어이론의 발전은 눈부시지만, 실용적으로는 고전적인 PID 제어방식이 주류이다. PID 동작은 제어 변수의 값이 설정치와 차가 있을 경우 이 편차의 값에 비례(P동작, proportion), 편차의 시간적 적분치에 비례(I동작, integration), 편차의 시간적 변화량에 비례(D동작, derivation)하는 3가지의 보정동작으로 구성한 제어방식이다. 고전 제어이론은, 선형 근사의 범위에서는 입력변수와 출력변수 각각의 라플라스 변환비에 대한, 외한이 저차이면, PID의 3항동작의 파라미터를 잘 구성하여 효과적으로 외란의 영향을 조정하는 것을 수학적으로 보일 수 있으며, 이것이 자동조절계의 기본설계원리이다. 초기 1930년대의 개발당시는 공기식이었다. 공기식은 공압과 기계적기구를 구성하여 파일럿 밸브를 증폭기로서 중심에 설치하여 PID 연산기구를 기구적으로 실현한 것이다. 공기식 조절계는 가동부분의 구조가 복잡하지 않기 때문에 신뢰성이 높고, 최근까지도 사용되고 있다. 공기식의 정보전달은 공압에 있으므로, 음속으로 멀리까지 전달이 가능하므로써 원격 조작, 즉 중앙제어실의 등장을 가져왔다. 40년대 후반부터 진공관 증폭기, 트랜지스터를 사용한 전자식 증폭기가 실현되면서, 공기식을 대체하기 시작하였다. 공기식보다도 복잡한 연산이 가능한 점, 배선의 시공이 편하다는 점이 전자식의 이점이었으며, 본질안전방폭 기술의 확립으로 전기화재의 위험성이 없어지면서, 석유 프로세스를 시초로 화학 플랜트에서 널리 사용되게 되었다. 1960년경부터 디지털 컴퓨터가 제어계에 도입되어, 아날로그 계기의 상위의 계층으로 플랜트 전체의 최적화 및 조정을 실시하는 시스템이 실현되었다. 결국 PID 동작의 연산을 디지털로 실시하는 획기적인 방식이 개발되었으며, 1 대의 컴퓨터에 모든 루프의 연산을 의존하게 한 당초의 DDC(직접제어방식)에서는 신뢰성에 문제가 있었기 때문에 별로 채용되어지지 못하였으나, 컴퓨터를 분산시켜서 상호에 백업하는 DCS(분산형제어시스템)가 출현하고, 급격히 디지털 제어방식이 보급되었다. DCS가 초래한 효과는 제어연산을 디지털로 실시하기 때문에 소위 어드밴스트제어라는 비선형제어 알고리즘도 단순히 프로그램 작성으로써 실현 가능하다는 점, 그리고 제어가 디지털로 처리되므로, 상위의 컴퓨터에 의한 다른 디지털계와의 교신이 가능하게 되고, CIM(computer integrated manufacturing)과 같은 종합 정보시스템이 가능하게 되었다. DCS는 기능적으로 컴퓨터와 다르지 않기 때문에 DCS의 도입과 함께 입출력장치로서 키보드와 CRT 등이 사용된 것도 획기적인 일이다. 소위 CRT 운전원이라고 불리우는, 계기와 다이얼로 지시하는 등, 아날로그 계기의 운전방식과 전혀 다른 방식이 등장했다.

2 계측제어시스템 instrumentation and control systems
한편 계장시스템의 본래의 기능은 플랜트의 상태를 운전원인 인간이 전달하고 인간의 지시에 따라 플랜트 운전조건을 변경하기 위한 “인터페이스”이다. 플랜트 조작상 중요 변수는 일반적으로 제어의 대상이되며, 이 변수는 운전 감시를 해야하는 것이 일반적이므로 계측시스템에 대해서도 이런 변수는 표시의 대상이 된다. 물론 제어변수는 꼭 측정되어야 하는 점도 그 이유가 된다. 계측과 제어가 자주 동일시 되는 것은 이런 이유인 것이다. 그러나 계측은 플랜트 운전에 관해 아래 4가지의 관리기능을 위해 정보를 제공하는 역할을 가지고 있다. ① 생산관리 : 계산계획에 기초를 둔 원료. 제품의 재고의 확인, 품질의 확보, 원가의 평가 등. ② 운전관리 : 각 장치의 운전조건의 결정, 설정조건의 유지, 절환(스위치)조작 등. ③ 설비관리 : 각 장치의 점검, 운전 중 검사기술의 실시, 조정 등. ④ 안전관리 : 이상징후의 검지, 이상대책의 확인, 인간실수의 방지 등. 이러한 관리목적을 수행하기에는 필요한 플랜트 정보의 종류는 제각기 다르므로 운전원이 확실하게 판단 가능하도록 필요한 정보를 제시하는 것이 계장시스템이며, 일반적으로 인간기계 계면(맨머신인터페이스)라 불리우고 있다. 한 예로서 석유정제 프로세스의 관리항목을 시간상수와 정보처리량의 관계로 표시하면, 플랜트의 관리 변수의 시간상수는 초로부터 년까지 광범위하게 완만한 정도로 처리량이 증대하는 경향이 현저하다. 또 최근의 플랜트 운전에서는 가능한한 합리적인 관리를 실시하기 위해 제각기의 의사결정이 상호 간에 강하게 관련하여 관리되는 경향이 강하므로 이를 실현하기 위해 관련된 모든 것의 컴퓨터를 통칭하는 CIM의 구상이 등장하게 되었다. 설비관리용어사전(김국, 박상돈)