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『하수처리에서 DCS 적용 및 자동운전 사례』
Automation of Sewage Treatment Facilities by DCS
연구 : 서울특별시 가양하수처리사업소 (현재 서남하수처리사업소) 김영수
5-11. 포기조 공기량 조절 PID 제어 자동운전
5-11-1. 공기량 조절 자동운전 머리말
본 내용은 분산제어시스템(DCS)에 의한 가양하수처리사업소
제1처리장 포기조 공기량 조절 PID제어 자동운전에 대하여 하수처리 현
장에 실제 적용시키고 있는 실무적인 사항에 대하여 작성하였다.
포기조 공기량 제어는 시시각각으로 변하는 하수 유입량과 수질변화에
대하여 적절한 조치를 신속하게 취하여야 깨끗한 하수처리가 가능하므로
다양하고 유연성있는 제어가 필요하고, 포기조에서 발생되는 운영자료를
정확히 분석하여 현장의 기기 운전에 반영을 시켜야 하므로 유지관리의
중요성은 매우 강조된다.
제1처리장 포기조 공기량 조절 PID제어 자동운전은 자동제어 분류상
목표값을 고정시키지 않고 현장여건에 따라 변화하는 추종제어 개념을
도입하였으며, ON·OFF 제어가 아닌 아날로그(Analog) 연속제어 방식
으로 운영하고 있다.
자동운전을 포기조 현장에 실제 적용하면서 가능한 현장여건에 적합한
시스템을 구성하려고 노력했으며, 부득이한 현장사정이나 컴퓨터 사정
등으로 인하여 최선이 곤란한 경우에는 차선의 방법을 택하여 자동운전
을 할 수 있도록 조치하였다.
본 내용이 실무적인 사항으로 설명을 하여 이론적으로 미흡한 감은 있
으나, 다른 하수처리장에서도 참고하여 자동운전을 실시하는데 도움이
되길 바란다.
이와 같은 DCS에 의한 자동운전 사례가 "하수처리 자동화"에 도움이
되기를 바라며, 더욱 발전된 자동화 기술이 확보되도록 아낌없는 지도와
충고를 부탁드린다.
5-11-2. 포기조 개요
가. 포기조 시설 개요
포기조는 표준 활성오니법에 의한 하수처리 단위 공정 중에서
2차 처리의 적정여부를 결정하는 중요한 공정으로 포기조내 각종 운전여
건을 호기성 미생물 활동에 알맞게 조절하는 것이 유지관리에서 대단히
중요하다.
최초침전지에서 처리된 1차 처리수는 포기조로 유입되어 하수 중의 콜
로이드성 및 용해성 유기물을 제거하기 위하여 공기를 투입하여 호기성
미생물을 활성화시켜 유기 오염물질을 분해하여 제거시킨다.
가양하수처리사업소 제1처리장 포기조는 100만㎥/일 시설용량이며 6개
의 계열로 분류되고 1개 계열 당 4지로 구성되어 총 24지가 설치되어 있
으며, 포기조 1지의 규격은 W22.8m×L78.0m×H6.0m (10,670㎥)이다.
최초침전지에서 처리된 1차 처리수가 유입 수문을 통하여 포기조 각
지에 유입되어 FLOG FLOW 방식으로 포기하게 된다.
처리장내 상징수 또는 유입수 수질 악화 등으로 수로 유입부에 과부하
로 인한 활성오니 팽화현상 (Sludge Bulking)의 우려가 있을 때는 단계
포기 수로를 통하여 부하량의 균등주입이 가능하도록 1지 당 3개의 단계
포기 가동웨어 유입조절 수문이 설치되어 있다.
포기조의 공기공급은 미세기포 선회류 방식으로 다단터보 송풍기(ø
600×360㎥/분× 6500mmAq, 550Kw×12대)를 이용하며, 송풍기 시설을
2개 동으로 분류하여, 송풍기 1동은 포기조 1, 2, 3계열을 담당하고 송풍
기 2동은 포기조 4, 5, 6계열을 담당하여 공기를 공급하며 3계열과 4계열
공기공급 배관사이에는 바이패스 밸브가 설치되어 있다.
산기장치는 20본이 1조로 된 미세포용 다공성 산기통이 1지 당 48조로
총 1152조가 설치되고 포기조 각 수로 유입부의 지관에 전동식 공기량
조절밸브(ø600×12대)로 공기량을 조절하도록 하였다.
또한 공기량 검출 오리피스를 통해 감지되어 차압식 공기유량계 (500
㎥/분×12대)로 포기조 각 지로 투입되는 공기량을 측정하며, 각 수로 유
출부에 설치된 용존산소계(0∼10PPM×12대)를 통하여 포기조내 용존산
소(DO)를 측정한다.
최종침전지에서 포기조로 반송되는 반송슬러지는 포기조 앞부분의 반
송슬러지 저류조(PIT)로 유입되어 최초침전지에서 유입된 1차처리수와
혼합된다.
또한 하수 중의 합성세제 등에 의한 거품발생 현상을 방지하기 위하여
최종침전지의 2차처리수를 소포수로 분사시켜 거품을 제거한다.
가양하수처리사업소 제1처리장 포기조 설계수질은 BOD 제거율 90%
(85⇒13mg/ℓ), SS제거율 92% (85⇒12mg/ℓ)이며 MLSS는 1,900mg/ℓ,
반송오니 농도는 0.8%이다.
[그림 5-11-1] 제1처리장 포기조 공기배관 계통도
[표 5-11-1] 포기조 주요 시설
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연번 기 기 명 규 격 대수 기 능
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1 유입가동웨어 수동외부나사식 24 포기조 유입량 조절
W1,200×H800(㎜)
2 반송슬러지 수동외부나사식 24 반송슬러지 유입량 조절
가동웨어 W600×H600(㎜)
3 단계 포기 수동외부나사식 72 하수량 및 수질이상 변동시
가동웨어 W600×H600(㎜) 부하량 균등 주입
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[표 5-11-2] 포기조 주요 기기
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연번 기 기 명 규 격 대수 기 능
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1 공기량 버터후라이밸브 12 포기조로 투입되는
조절 밸브 전동식ø600,2.2㎾ 공기량 조절
2 산기 장치 다공성 산기통, 1152 포기조로 공기를 공급
(20본 1조) ø75×L500㎜,150ℓ/분·본
3 수로용 파이프식 72 균일한 공기 공급
산기관 유공산기관
4 소포수 전동 다이아프램 24 소포수 조절
교체 밸브 ø250㎜, 0.4Kw
5 소포수 펌프 5.5㎥/분, 22Kw 12 소포수 공급
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[표 5-11-3] 포기조 주요 계측기
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연번 계측기 명 규 격 대수 기 능
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1 공기유량계 차압식 0∼500㎥/분 12 포기조로 투입공기유량 측정
2 공기량 조절 0∼100 % 12 공기량 조절밸브 개도율측정
3 공기 압력계 차압식 0∼10,000mmAq 12 포기조로 투입 공기압력 측정
4 용존산소계 전극식 0∼10mg/ℓ 12 포기조 용존산소 측정
5 MLSS 계 0∼5,000mg/ℓ, 12 포기조 MLSS 측정
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다. 포기조 공기량 조절의 중요성
표준 활성오니법은 1914년 Andern과 Lockett에 의해 개발된
공정으로서 세균, 원생동물, 후생동물 등으로 이루어지는 혼합미생물 군
집(활성오니)을 이용하여 효소의 존재하에서 하수중의 유기오탁 물질을
산화분해한 후, 최종침전지에서 활성오니 혼합액을 고액분리하여 깨끗한
처리수를 얻는 하수처리 공법이다.
미생물과 영양적으로 균형을 이룬 하수를 공기로 폭기 혼합하면 여러
가지 호기성 미생물이 하수중의 유기오탁물을 분해, 산화하여 증식하며,
이 사이 폭기, 교반, 혼합에 의해 미생물과 유기, 무기의 부유입자가 응
집하며 침강성이 좋은 활성오니가 형성된다.
활성오니는 다수의 호기성 미생물 응집체로 유기물질에 대한 흡착력과
산화 분해력이 아주 강하고, 고액분리성도 좋은 특성을 가지고 있다.
활성오니에 의한 하수처리는 미생물을 이용하여 하수를 처리하므로 미
생물의 작용이 원할하지 않으면 양호한 처리수를 얻을 수 없게 된다.
[표 5-11-4] 표준 활성오니법의 포기조 운전 조건
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BOD 부하 MLSS MLDO 오니 공기량 포기 오 니 SV
BOD-SS BOD용적 일령 (유입수) 시간 반송비
(BODkg/SSkg)(kg/m3.일) (mg/l) (mg/l) (일) (시간) (%) (%)
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0.2∼0.4 0.3∼0.8 1500- 2-4 2-4 3-7배 6-8 20-40 15-20
2500
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포기조 관리에서 정상적인 상태에 있을 때는 주야간 유입수량의 증감,
또는 수질변화에 대하여 특별한 경우를 제외하면 각종 운전조건의 변화
율이 대부분 서서히 점진적으로 변동하는 편이나, 이상이 발생하게 되면
하수처리 타 공정에 비하여 복구에 많은 노력과 시간을 요구하게 된다.
그러므로, 포기조 유지관리에서 평상시에는 각종 수질 및 운전자료의
충분한 운영분석과 이에 상응한 적절한 조치로 최적의 상태를 유지하고,
이상 발생시에는 빠른 시일내에 복구하여 조치할 수 있도록 준비를 하여
야 한다.
포기조 유지관리에서 여러 가지 항목이 중요하겠지만 ①유입수의 유량
및 수질에 따른 포기시간 조절 ②미생물 작용을 원할히 하도록 용존산소
(DO)를 적정하게 유지하기 위한 공기량 조절 ③혼합액 부유물 농도
(MLSS)를 적정하게 유지하기 위한 반송오니 유량조절 ④활성오니 침전
특성 지수(SVI)를 적정하게 유지하기 위한 잉여오니 인출량 조절 등은
매우 중요하다고 말할 수 있다.
특히 ②번의 공기량 조절은 포기조 유지관리의 관건이 될 만큼 핵심적
인 사항으로 포기조에 공기를 불어넣는 이유는 앞서 설명한 바와 같이
호기성 미생물에 산소를 공급하여 산화·흡착 등의 활동을 원활하게 하
는데 있다.
또한 포기조로 유입되는 최초침전지의 1차처리수와 최종침전지의 반송
오니와의 혼합액을 섞어주는 효과와 함께 활성오니의 침강을 방지하기
위해서이다.
포기조의 공기량은 일반적으로 유입수량의 3∼7배를 취하며 수온, 수
질, 포기시간, DO, MLSS에 따라 경험적으로 선택한다.
포기조 투입 공기량은 수온이 높을수록, 유입하수량과 생물화학적 산
소요구량(BOD) 부하량이 많을 수록, MLSS가 높을 수록, 부패성 하수의
유입이 많을 수록 증가시킨다.
그러므로 평상시 관리를 통하여 투입되는 공기량을 익혀두고 포기조의
운전조건이 바뀔 때에는 즉시 공기량을 조정하고 DO 측정에 의하여 정
상 운전여부를 확인하여야 한다.
포기조 DO 분포는 하수 유입부가 산소소모량이 크므로 낮고 유출부가
높으며 보통 2∼4㎎/l을 유지하며, 과포기는 운영비를 증가시키고 질산화
등의 영향으로 최종침전지에 핀 플록을 형성하여 처리수질을 나쁘게 하
므로 적절한 포기가 되도록 한다.
포기조 활성오니는 보통 다갈색이며 미생물 활동에 알맞은 필요 영양
분비가 BOD:N:P=100:5:1이며, 최적 pH는 7.2∼7.4이고 적어도 6.0∼8.5
정도는 유지하여야 한다.
5-11-3. 포기조 공기량 조절 자동운전 개요
가. 공기량 조절 자동운전 범위
포기조 공기량 조정은 송풍기 대수 제어와 공기량 조절밸브의
제어로 크게 두가지로 구분할 수 있다.
즉 포기조 각 지별로 측정된 DO에 따라 해당 공기량 조절밸브를 조절
하여 공기량을 조절하고, 공기량 조절밸브의 조정으로도 DO값이 정상범
위를 벗어나 송풍량의 증감을 필요로 할 경우에 송풍기 운전 대수를 제
어하는 것이 바람직하다.
본 공기량 조절 자동운전 계획은 제1처리장 포기조의 DO에 의한 공기
량 조절밸브 제어에 대하여만 시행을 하며, 제1처리장 송풍기 대수 제어
는 아래와 같은 운영상의 어려움이 있어 이번 계획에서는 제외하였다.
송풍기 대수 제어는 송풍기 대용량(550KW×12대)에 따른 계측기 등
에 의한 오동작의 피해 우려와 함께 송풍기 운전 감시에 중요한 감시항
목 (권선온도, 베어링온도, 압력, 운전전류 등)과 운전 중에 발생되는 각
종 경보신호에 대하여 현장에서만 감시가 가능한 상태여서 컴퓨터로 송
풍기 운전상황을 판단하기 위한 운전감시에 한계가 있으며, 송풍기 운전
에 직접 영향을 미치는 부속 기기(냉각수 펌프, 윤활유 펌프, 토출 밸브
등) 및 부속장치(여과장치, 급유장치, 냉각탑, 한전·발전기 6,600V 전원
운전선택 전환 등)에 대해서도 운전제어가 병행되어야 하므로 중앙감시
실에서 컴퓨터에 의한 종합적인 송풍기 운전 대수 제어가 매우 어려운
실정이며, 대용량 기기 운전에 따른 진동, 소음, 냄새 등에 대하여 인력
에 의한 감시가 필수적이라 판단된다.
또한 유지관리 일보 등을 분석하면 송풍기 가동은 일단 운전대수가 정
해지면 특별한 경우(고장, 점검)를 제외하곤 장기간 연속적으로 운전을
하고 있으며, 계절 변화에 따른 수온변동으로 DO 변화가 있을 경우에
가끔씩 운전 대수를 증감하며 관리하고 있다.
그런데 조절용 송풍기가 없는 상태에서 컴퓨터에 의한 대용량 송풍기
대수제어는 송풍량의 크기가 너무 크거나 작은 계단 현상이 필연적으로
발생하여 불필요하게 송풍기가 기동·정지를 빈번히 하여 기기 수명에
영향을 주게 될 뿐만 아니라, 포기조 공기 투입량에 급격한 변화로 처리
에 좋지 않은 영향을 줄 것으로 예상된다.
그러므로 중앙감시실 컴퓨터에 의한 제1처리장 포기조 공기량 조정 중
에서 송풍기 대수제어는 현재와 같은 열악한 송풍기 운전관련 환경에서
는 자동운전 효과를 기대하기 어렵다고 예상되므로, 위와 같은 문제점을
보완하기 위한 개선과 투자가 선행되어야만 송풍기 대수제어가 가능할
것으로 판단된다.
공기량 조절 자동운전은 컴퓨터에 의한 자동운전을 실시중인 공기량
조절밸브 PID 제어에 대하여 설명하고자 한다.
나. 공기량 조절 자동운전 방법
포기조 포기 풍량을 제어하기 위하여 하수처리에 적용하는 일
반적인 방법으로는 ①포기조내 DO를 측정하여 DO 목표치와 비교하여
포기 풍량을 제어하는 DO 일정제어 방식과 ②유입하수의 BOD를 측정
하여 BOD제거율(β)을 유입하수량(Q)에 비례(계수α)하여 목표 풍량
(F=α·β·BOD·Q)을 결정하는 비례제어 방식이 있다.
가양하수처리사업소 제1처리장 포기조에 포기 풍량 제어 자동운전 적
용시 현장여건이 ②번 비례 제어 방식을 적용하기 위한 포기조 유입하수
량, BOD 등의 계측기가 없어 실현하기가 곤란하므로 ①번의 DO 일정제
어 방식으로 제어하는 것으로 계획하였다.
비례제어 방식은 시스템 구성이 어렵고 이에 따른 유지관리도 복잡하
므로 포기조 풍량 제어는 시스템 구성의 용이성을 이유로 대부분의 하수
처리장에서 DO 일정제어 방식을 많이 채용하고 있다.
그러나 DO 일정제어 방식은 포기조내 DO 값을 설정된 목표치에 이르
도록 강제적으로 풍량 제어를 하여야 하므로 유입하수의 수질변동이나
유량변동 그리고 계절별 온도변화와 날씨 변화에 대하여 불안정하고 포
기조 내의 각 수로별로 용존산소 계측기의 설치 위치에 따라 측정되는
DO 수치가 균일하지 않는 단점이 있다.
자동운전을 실제 적용하는 제1처리장 포기조는 24개의 지를 운영하고
있으나 포기조 현장에는 12대의 DO 계측기와 12대의 공기량 조절밸브만
이 설치된 관계로 (2개 지에 1대의 DO 계측기와 1대의 공기량 조절밸브
가 설치) 포기조 각 지별로 공기량 조절을 구분하여 컴퓨터로 제어하는
방법은 현장 여건상 현재로서는 적용하기가 곤란하다.
부득이 차선책으로 포기조 동일 계열의 인접한 2개의 지는 유량(유입
수, 반송수)과 수질이 동일하다는 가정 하에 각 계열의 4개 지를 2개지
씩 통합하여 A측(1, 2지)과 B측(3, 4지)으로 구분하여 공기량을 조절하
도록 자동운전을 계획하였다.
컴퓨터에 의한 공기량 조절 자동운전은 현장여건에 적합하도록 운영자
가 자동운전과 관련된 각종 설정값을 지정하여 주면 정해진 프로그램에
의해 컴퓨터가 운전을 대신한다.
또한 운전과 관련하여 기기 가동 상태를 비롯한 각종 정보 및 자료
(Data) 등을 모니터와 프린터를 통해 나타내어 주어 계획적인 공정관리
및 분석이 가능하도록 하여 운영자에게 유지관리에 필요한 정보와 편의
성을 제공한다.
중앙감시실 컴퓨터에 의한 포기조 공기량 조절 방법을 요약하면 현장
컴퓨터의 CON(Control) 모듈을 이용하여 PID제어를 수행하는 것으로서,
현장컴퓨터로 입력되는 포기조 DO의 계측기(Analog) 신호를 종합적으
로 판단하여, 공기량 조절밸브 개도율(0∼100%)을 현장여건에 맞도록 컴
퓨터의 출력신호(직류4∼20mA)로 제어하는 것이다.
가양하수처리사업소 제1처리장 포기조 공기량 조절 PID 제어방법에
대하여 다음 장부터 자세히 설명하고자 한다.
다. PID 제어의 기본 용어 설명
포기조 공기량 조절 자동운전에 적용되는 PID제어의 설명에
필요한 자동제어 용어에 대하여 간략하게 설명을 하면
제어(Control)란 "어떤 목적을 달성키 위한 대상에 일정한 조작을 가
하는 것"으로 정의하며, 사람에 의하여 판단되고 조정됨으로서 의도하는
목적으로 가는 것을 수동제어, 목표값 설정은 사람이 하지만 판단 및 조
작은 기계에 의하여 실행되는 것을 자동제어라고 한다.
제어동작이란 자동제어 장치에 있어서 어떤 동작 신호에 응해서 조작
량을 주어 제어편차를 적게 하는 동작을 말하며 이것을 분류하면 다음과
같다.
제어동작 -+- 불연속 제어
+- 연속 제어 -+- 비례(P)제어
+- 비례(P)제어＋적분(I)제어
+- 비례(P)제어＋적분(I)제어＋미분(D)제어
1) 불연속 제어
불연속제어는 제어량이 목표값보다 큰가 작은 가에 따라서
조작량을 최대 또는 최소로 하는 방식으로 2위치 제어 또는 ON·OFF
제어라고도 한다.
제어대상에 주어지는 조작량은 제어량의 목표값을 보유하는데 너무 크
거나 작아 주기적으로 변동(Cycling)하는 제어편차가 커진다.
이 방식의 제어장치는 비교적 구조가 간단하므로 가격이 싸고 고장 발
생률도 적고 보수도 용이하므로 정확도(Accuracy)가 높지 않거나 지연
시간이 적은 제어 대상에 널리 사용된다.
그러나 제어대상에 주어지는 조작량은 최대와 최소의 두가지 방법밖에
없으므로 제어량은 비감쇄성 변동, 즉 헌팅(Hunting)이 발생하기 쉽다.
2) 연속 제어
조작량이 연속적으로 주어지는 제어(Regulatory Control)를
말하며 비례(P) 제어, 적분(I) 제어, 미분(D) 제어 3가지로 나누어진다.
① 비례(P) 제어
비례 (P) 제어는 입력에 비례하는 크기의 출력을 내는
제어동작을 말하며 ON·OFF 제어는 동작원리상 제어량이 주기적으로
변화하여 제어편차가 발생하므로, 편차에 상응하는 조작량을 부여하여
제어량을 변동시키는 것으로 조작량(Y)이 편차(e)에 비례하므로 비례 동
작(Proportional Action) 이라 한다.
비례동작의 강약을 나타내는 정수를 이득(Kp)이라 하면 비례동작은
Y=Kp·e 로 표시되며 Y와 e간에는 시간적 요소가 포함되어 있지 않으므
로 편차량은 조작을 의미한다.
즉 편차에 비례하여 조작신호가 증감하므로 제어결과가 목표값과 같을
때(편차가 0) 조작신호는 그 편차를 0으로 한 때의 조작신호의 값을 유
지한다.
또한 Kp의 역수에 상당하는 것을 %로 나타낸 것을 비례대
(Proportional band)라고 하며 비례대 Pb=100/Kp(%) 이다.
P동작에 있어서 외란이 있을 때 제어량이 목표치에 완전하게 근접하
지 않는 성질을 가지고 있는데 이것을 Off-Set, 정상편차 또는 잔류편차
라고 한다.
P동작에서 이득(Kp)이 커지게 되면 즉 비례대(Pb)가 적어지면 조절은
ON·OFF동작에 가까워지지만 조절감도는 오르고 제어량이 주기적으로
변화하는 동작을 나타내며 정상편차는 감소한다.
② 비례(P) 제어 ＋ 적분(I) 제어
적분 동작(Integral Action)은 조작량 Y가 동작신호(편
차)의 적분과 비례하는 동작으로 일반적으로 P동작에서 발생되는 정상편
차를 없애기 위하여 P동작과 조합되어 PI동작으로 널리 사용한다.
PI 동작의 식은  이다.
여기서 Ti는 적분 시간 또는 재 설정 시간 (Reset Time)이라 하고 계
단형 입력에 대한 출력의 I동작에 의한 변화분이 P동작의 변화분과 같아
지는데 필요한 시간(분)이다.
적분동작은 I동작 또는 Reset동작이라고 부르며 입력의 시간 적분값에
비례하는 출력을 내며 편차가 없어질 때까지 출력을 증가 또는 감소를
계속하므로 비례(P) 제어에서 생기는 정상편차를 제거할 수 있다.
PI 동작은 프로세스의 응답속도가 빠른 것에서부터 느린 것까지 적용
되어 실용의 조절계(Controller)에서 많이 사용되고 있다.
③ 비례(P) 제어 ＋ 적분(I) 제어 ＋ 미분(D) 제어
미분 동작(Derivative Action)은 제어량의 변화속도에 의
하여 조작량을 정하는 것으로서 조작량이 제어량의 미분치와 비례하며
D동작 또는 Rate 동작이라 한다.
따라서 D동작은 지금까지의 P동작이나 I동작이 제어량의 편차에 근거
한 동작인 것에 비하여 제어량의 변화속도에 목표치를 둔 동작이다.
PI동작은 정상편차를 0으로 하는데 도움을 주지만 제어가 목표값에 도
달하는데 늦어지는 경향이 있다.
그래서 이것에 미분(D)동작을 부가하여 제어를 빠르게 하는 제어동작
을 생각하게 된 것이 PID 동작이며 제어량의 미래상황을 미리 추정해
조속히 동작을 행하는 일종의 예측제어이다.
PID 동작의 식은  이다.
PI동작에 있어서 제어량이 주기적으로 변화하는 것을 방지하려면 비례
대(Pb)를 크게 하고 Reset시간(Ti)을 크게 하는데 부하변화가 큰 정상편
차가 생기면 제어량이 설정치에 도달하는데 시간이 많이 거리는 단점이
생긴다. 이런 경우에 D동작을 가하면 편차가 나기 시작할 때에 큰 수정
을 가하여 PI 동작보다 크게 조작부를 움직이게 한 후 이 작용은 없어져
조작부는 PI동작으로도 안정된 제어를 수행하게 된다.
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10-15. 포기조 공기량 조절 PID 제어 자동운전 
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[그림 5-11-3] 케스케이드 방식 포기조 공기량 PID제어 구성도
자동운전을 처음 계획시에는[그림 5-11-3]의 케스케이드제어방식에 의한
PID 제어를 구성하여 공기량 조절밸브(총 12대) 1대 제어에 조절계
(Controller) 2대를 사용하여 구성하여 시도를 하였다.
케스케이드 제어는 제어량의 목표치가 다른 제어장치의 출력에 따라
조정되는 제어방식으로 이른바 제어회로를 직렬로 결합한 것으로, 이 방
식의 목적은 외란을 전단에서 흡수하여 다음 단계의 제어를 용이하게 하
면서 전체적인 제어성능을 향상시키는데 있다.
즉 [그림 5-11-3]에서 1차조절계 출력(Out)을 2차조절계의 Flow Remote
SP(공기량 자동 설정치)로 입력을 시켜 준다.
2차 조절계는 1차 조절계 출력(Out)을 입력받아 해당 포기조 공기량
측정치에 의하여 PID 제어에 의한 출력으로 공기량 조절밸브 개도율을
제어하여 공기량을 조절한다. 또한 2차 조절계는 Local/Remote 자동상태
와 Set Point 값을 1차 조절계로 되먹임(Feed Back)을 시켜서 기준입력
(DO Remote SP)에 대한 출력과 검출부 출력(투입 공기량)을 비교하여
편차가 작아지도록 종합적인 제어를 수행하도록 계획을 하였다.
그런데 케스케이드 제어 방식은 포기조 현장에 실제 적용시 포기조에
투입되는 공기량의 작은 변화에 대하여 민감하게 반응하는 현상이 있어
제2조절계에 의한 제어출력이 불필요하게 변화하여 제어대상인 현장의
공기량 조절밸브가 빈번히 열리고 닫히는 현상이 수시로 발생하였다.
포기조 공기량의 미세한 제어로 투입되는 공기량의 빈번한 증감은 포
기조 운영에 좋지 않은 현상이고 또한 공기량 조절밸브가 열리고 닫히는
작동을 자주 반복하는 현상은 기기 수명에 악영향을 줄 수가 있다.
이를 보완하기 위한 현장조작 판넬 신호변환기 (Analog Converter)의
Dead Band 조정 및 각종 설정값 조정 방법도 한계가 있었다.
단일 DO 조절계에 의한 공기량 PID 제어는 DO에 의한 공기량 제어
에 직접 작용하여 제어계통이 간단하여 자동운전 관리에도 효과적이어서
오히려 제어 효과가 높고, 외부 감시항목이 줄게 되어 실제 현장운전에
적용하면서 제어가 안정적인 것을 확인하였다.
나. 포기조 공기량 자동제어의 어려움
포기조 공기량 조절에 있어 주안점은 DO 수치를 적정하게 유
지하도록 공기량을 조절하는 것으로 말로는 간단하지만 공기량 제어와
관련된 현장의 운전정보를 컴퓨터로 판단시켜 최적 상태를 유지하도록
자동으로 제어하는 과정은 간단하지 않다.
포기조 DO에 의한 공기량 조절은 제어의 결과가 즉각적으로 반응하지
않고 오랜 시간을 통하여 서서히 나타나고, 포기조 내 각 수로별로 측정
되는 DO 수치가 균일하지 않으며, 유입하수의 수질변동이나 유량변동
그리고 계절별 온도변화와 날씨변화에 대하여 불안정하기 때문에 DO의
운전범위 설정치(Set Point)를 현장여건에 맞도록 지정하는 것이 실제로
는 대단히 어렵다.
특히 여름철의 포기조 DO 변화는 매우 불규칙하여 송풍기 운전대수를
최대로 하여도 기온 상승 등의 영향으로 DO가 평균적으로 1(mg/ℓ) 이
하로 되는 경우가 있는가 하면, 반대로 강우 등의 영향으로 송풍기 운전
대수를 포기조 관리에 필요한 최소의 운전대수로 운전하여도 DO가 평균
적으로 5(mg/ℓ) 이상으로 유지하는 경우가 주기적으로 자주 발생하게
되어 포기조 공기량 조절에 어려움이 많다.
예를 들어서 포기조 DO 설정값을 2∼4(mg/ℓ)로 고정시키고 공기량
조절을 자동으로 운전할 경우에 송풍기 운전을 최대로 하였는데도 해당
계열의 포기조 DO가 1(mg/ℓ) 이하일 때의 자동운전 상태를 예상하면
자동운전 조건 판단에서 DO가 낮으므로 공기량 조절밸브를 열어 공기량
을 늘려 주도록 프로그램되어 있으므로 컴퓨터는 설정된 DO 하한값보다
낮은 포기조의 공기량 조절밸브를 조금씩 열다가 결국에는 100% (Full
Open) 열린 상태를 유지하게 될 것이다.
반대로 송풍기 운전 대수를 최소로 하였는데도 해당 계열의 포기조
DO가 5(mg/ℓ) 이상일 때 자동운전을 예상하면 자동운전에서는 DO가
높으므로 컴퓨터는 공기량 조절밸브를 조금씩 닫아 공기량을 줄이다가
결국에는 사람과는 다르게 공기량 조절밸브를 완전히 닫는(Full Close)
상태를 유지하게 되어 포기조에 공기가 투입되지 않는 최악의 경우도 발
생할 수 있다.
또한 공기의 특성으로 인하여 공기량의 변화가 밸브의 개도율에 비례
하여 증감하는 것이 아니고 한쪽으로 편중되어 흐르는 현상이 발생하게
됨으로서, 실제 현장 운영시 밸브 개도율이 높은데도 불구하고 상대적으
로 밸브 개도율이 낮은 곳보다 공기량이 적게 투입되는 이상한 현상도
수시로 발생하므로 밸브 개도율에 의한 비율적인 공기량 투입 제어가 사
실상 불가능하다.
그리고 제1처리장에서 공기를 보내주는 송풍기동은 2개소이나 공기를
받는 포기조는 12개소 이므로 포기조 어느 한 곳에서 공기량 조절을 실
시하면 당연히 다른 곳에 투입되는 공기량의 증감을 필연적으로 동반하
게 됨으로서 포기조 DO 수치가 정상적인 곳에도 영향을 끼치게 된다.
이에 따라서 DO 설정값 범위를 벗어난 포기조에 대하여 상응한 공기
량 조절을 하게 되고 이와 같은 간섭(?) 현상이 자동운전으로 반복적으
로 운영될 경우 포기조 관리에 악영향이 예상되므로 포기조 공기량 조절
은 단순히 해당 계열의 DO만을 판단한 공기량 조절밸브의 제어가 아닌
전체적인 판단에 의한 제어가 수반되어야 한다.
그리고 공기량을 현장에서 직접 제어하는 기기인 공기량 조절밸브
(2,2Kw, 600Φ)가 아날로그 출력신호(DC 4∼20 mA)에 의하여 개도율을
0∼100%로 조작이 가능하지만, 현장의 최종적인 밸브의 운전(Open,
Close)조작은 현장조작 판넬에 설치된 아날로그 신호 변환장치에서 판단
된 접점신호에 의하여 전자개폐기를 사용한 릴레이(Relay) 시이퀸스 제
어회로에 의한 교류 3Φ 380V전원으로 작동되는 전동조작기(Electro
Ectuator)의 정역운전으로 버터플라이 밸브 개도율이 변화하는 것이다.
그러므로 실제 자동운전에서는 컴퓨터의 출력에 비례한 공기량 조절밸
브의 개도율이 정확히 맞지 않고, 컴퓨터에 논리연산에 의한 미세한 출
력 변화는 현장 공기량 조절밸브 조작운전에 반영되지 않을 수 있다.
다. 포기조 공기량 자동제어의 실현 방안
컴퓨터에 의한 포기조 공기량 조절에 관한 자동운전은 앞장
에서 설명한 문제점을 보완하고 자동운전 관리가 원활하게 유지되도록
현장 여건에 적합한 시스템을 구성하여 융통성있게 문제점들을 하나씩
풀어나가는 방법으로 접근하는 것이 필요하다.
위와 같은 문제점 등을 해결하기 위하여 사람이 포기조 공기량을 수동
으로 조절하는 방법과 동일한 방법으로 컴퓨터로 하여금 조절하도록 적
용시키는 방법으로 개선 방안을 찾고자 하였다.
제1처리장의 포기조 공기량 조절밸브의 수동조작은 최종침전지 계장반
근무자가 포기조 전체적인 DO를 감시하여 평균값을 판단하여 포기조
DO가 전체적인 평균보다 높은 곳은 공기량 조절밸브의 개도율을 줄이고
포기조 DO가 전체적인 평균보다 낮은 곳은 공기량 조절밸브의 개도율을
높이는 방법으로 관리하고 있다.
그렇다면 앞서 설명한 컴퓨터가 자동 운전하는 것과 사람이 수동 운전
하는 방법에서 가장 핵심적으로 틀린 부분은 무엇일까 ?
그것은 사람에 의한 수동운전에서는 포기조 공기량 조절밸브의 제어
판단이 되는 DO 설정값(목표값)이 포기조 전체적인 DO의 평균값에 의
해 적절히 바뀌지만, 지금까지 기존의 컴퓨터에 의한 자동운전 개념에서
는 설정값이 상한값과 하한값으로 고정되어 있다는 것이다.
즉 사람의 수동조작은 포기조 DO를 전체적으로 판단하여 그때마다 현
장여건에 알맞는 방법으로 융통성있는 공기량 조절밸브 조작을 할 수 있
지만, 기존의 컴퓨터에 의한 자동운전 방법은 운전조건의 판단 기준이
되는 설정값(목표값)이 고정되어 있어서 융통성 있는 제어가 되지 않아
문제가 발생하는 것이다.
결국 컴퓨터에 의한 자동운전도 판단 기준이 되는 포기조 DO의 설정
값(목표값)을 사람이 수동운전할 때 판단하는 방법처럼, 컴퓨터로 하여금
전체적인 DO를 판단시켜서 DO의 설정값(목표값)을 고정시키지 않고
현장여건에 알맞게 설정값을 변화하도록 하면 앞서의 공기량 조절밸브
자동운전에서의 가장 큰 문제점을 간단하게 해결할 수 있다.
또한 공기량 조절밸브의 개도율 제어에 있어서 Full Close되거나 Full
Open 되는 경우를 방지하기 위하여 상한범위와 하한범위를 지정하여 일
정한 범위이내로만 작동시키도록 하고, PID 제어의 각종 설정값(비례대
(P)값, 적분(I) 시간, 미분(D) 시간 등)을 현장여건에 맞도록 지정하면 사
람이 수행할 때 보다 효율적인 공기량 조절이 가능하다.
또한 현장 시설물이나 기계적인 조건에 의한 문제점들은 사람에 의한
수동운전이나 컴퓨터에 의한 자동운전이나 어차피 현장에서 동일하게 발
생하는 사항이고, 오히려 컴퓨터에 의한 자동운전으로 일관성있고 균일
한 처리로 문제점을 최소화 시킬 수 있으며, 자동운전을 유지관리 하면
서 개선시키는 노력이 중요하다 하겠다.
라. 조절계 DO 목표값 지정 방법
포기조 용존산소(DO)를 일정하게 제어하기 위하여 DO 운전
설정값(Set Point)을 일정하게 하한값과 상한값으로 고정시켜 자동운전
을 하면 3-2 항에서 언급한 문제들이 발생하게 되므로, 제1처리장 포기
조 공기량 제어에서는 DO 설정값을 고정하지 않고 현장여건에 맞도록
변화하도록 하는 방법으로 자동운전을 계획하였다.
DO의 설정값(목표값)을 변화시키면서 지정하는 방법은 현장에 설치된
포기조 12개의 DO 수치를 송풍기 2개소로 나눈 포기조 6개소 평균값을
[그림 35]에서 DO 조절계(DO Controller)의 Remote Set Point 기능을
이용하여 자동으로 설정하는 것이다.
DO 평균값을 계산하는 방법은 STP (Step) 모듈을 이용하여 포기조
현장 각 6개소의 DO 수치를 정렬하여 최고값과 최저값을 제외시킨 중간
4개소의 평균값을 조절계의 설정값(Set Point)으로 적용한다.
참고로 목표값을 최고값과 최저값을 제외한 DO 중간 4개소 평균값을
적용시키는 방법으로 중앙감시실 컴퓨터 C언어 번역기(C Compiler)를
이용한 실행 프로그램은 일보(Daily Report)를 출력하는 시간(약 30분)
동안 평균값 계산을 못하는 오류가 있어 적용을 유보하였고, 최종침전지
현장 컴퓨터(DCU3) CAL(Calculation) 모듈을 이용한 평균값 계산 방법
은 단순하게 포기조 6개소의 DO값을 6으로 나눈 평균값으로만 가능하여
별도의 STEP 모듈을 이용하여 프로그램을 작성하였다.
즉 송풍기 1동으로부터 공기를 공급받는 포기조 1계열A∼3계열B의 6
개소와 송풍기 2동으로부터 공기를 공급받는 포기조 4계열A∼6계열B의
6개소는 각각 동일한 설정값 (Set Point)이 적용되며 포기조 DO 변화에
따라서 주기적으로 변화하게 된다.
이 방법은 매우 간단하면서도 3-2 항에서 언급한 여러 문제를 일시에
해결시켜 주는데 예를 들어 포기조 전체적인 DO의 수치가 낮거나 또는
높을 때에도 공기량 조절밸브 제어에 불필요한 영향을 주지 않고 안정적
인 공기량 제어가 가능하다.
즉 포기조 DO의 설정값(목표값)이 제어가 수행되는 시점의 평균값이
적용되어 평균값에 근접한 포기조의 공기량은 현 상태를 유지시키고, 평
균값보다 높은 곳은 공기량을 줄이고 반대로 평균값보다 낮은 곳은 공기
량을 늘리도록 자동으로 제어를 하게 된다.
이에 따라 불필요한 제어동작이 가해지지 않으며 공기량 조절밸브의
조작에 있어서도 포기조 전체적으로 공기량의 증감을 동시에 수행하게
됨으로서 제어가 효과적이며 현장여건에 적합한 제어방법이다.
또한 최대값과 최소값을 제외시킨 중간 4개소의 평균을 적용하게 됨으
로서 DO 계측기의 점검이나 고장발생시에도 설정값 적용에 따른 오류를
최소화시켜서 유연성있게 대처한다.
이 방법과 기존 자동운전 방식과의 장단점을 아직 설명하기는 어렵지
만 분명한 것은 포기조 DO를 전체적으로 평균에 근접시켜 관리하는데
매우 효과적이다.
마. 공기량 PID 제어 조절계(Controller) 설정값 지정
PID 제어의 기본용어에 대하여는 에서 설명을 하였고 전문서
적을 참고하면 제어에 만족하는 PID 값을 구하는 것을 최적조정
(Tuning) 이라고 한다.
PID 값을 구하는 방법에는 크게 두 가지로 ①폐루프 특성(한계감도법)
방법과 ②프로세스 특성(과도응답법, 주파수응답법) 방법으로 부터 구할
수 있다.
포기조 공기량 조절 PID 제어와 관련하여 PID 값을 설정하는 방법과
기존에 활용되는 자료에 대하여 제어관련 전문서적 등을 조사하였는데,
내용자체가 수학에 바탕을 둔 전문적이고 추상적인 제어이론이어서 실제
현장 운전에 참고하여 적용하는데는 거리가 있었고 솔직히 무슨 뜻인지
모르는 내용들이 많았다. (~쩝! ~훌륭한 내용이라는 건 알겠는데)
포기조 공기량 PID 제어를 실행시켜야 하는 입장에서 PID 제어에 대
하여 이론적으로 뒷받침되지 않아 답답한 일이지만 전문 서적과 설명서
등을 보면서 설정값을 여러 가지로 변경시키면서 제어반응과 운전 결과
등을 관찰하며 최적인 설정값을 찾는 시행착오적(Trial and Error)인 방
법으로 조사하였다.
포기조 12개소에 대하여 각 지별로 운전 특성이 조금씩 상이하고 공기
량 조절밸브 제어에 따른 공기량과 DO의 변화가 일관성이 없어 PID제
어의 각종 설정값 지정에 많은 시행착오를 겪었다.
제1처리장 포기조 공기량 조절 PID제어는 1998년 9월부터 3주간의
시운전기간을 통하여 현장 여건에 적합한 설정값을 조사하고, 시운전 기
간의 문제점 등을 보완하였으며 1998년 10월부터 정상적으로 자동운전을
실시하고 있다.
앞으로 공기량 조절 PID 제어 자동운전 관련한 체계적이며 종합적인
분석이 뒤따라야겠으며, 다음에 설명하는 제어 관련한 각종 설정값 등은
제1처리장 포기조 현장 자동운전에 실제로 적용되는 것이다.
1) PID 제어 설정값
① 비 례 대 (Proportional Band)
비례대 값을 % 단위의 수치로 0부터 999.9까지 지정이
가능하며, 일반적인 유량 제어에서는 비례대를 보통 100∼500을 설정하
므로 공기량 제어시 기본적으로 비례대를 200%로 설정하였다.
비례대가 작아지면 편차에 대하여 조작량이 커져서 공기량 조절밸브에
대한 제어는 ON·OFF동작에 가까워지지만 조절감도는 오르게 된다.
실제 현장 적용시 비례대는 200∼300%가 적당하였다.
② 적분시간 (Reset Time)
적분시간은 분(Minute) 단위의 수치로 0부터 99.99 까지
지정이 가능하며, 공기량 제어시 기본적으로 30분을 설정하였다.
적분 시간은 미분(I)동작에 의한 변화분이 비례(P)동작의 변화분과 같
아지는데 필요한 시간(분)이며 재설정시간 이라고도 한다.
실제 현장적용시 공기량 조절에 따른 DO 변화가 천천히 반응하므로
적분시간은 30∼60분 정도가 적당하였다.
③ 미분시간 (Derivative Time)
미분시간은 분(Minute) 단위의 수치로 0부터 99.99 까지
지정이 가능하며 공기량 제어시 기본적으로 0분을 설정하였다.
미분시간 D=0을 적용시킨 것은 미분제어를 하지 않고 PI 제어만을 수
행하는 것을 의미하며, 이것은 포기조 DO에 의한 공기량의 증감은 서서
히 진행시키는 것이 바람직한데 미분(D)동작을 가하면 편차에 대하여
제어동작이 초기에 크게 작동되어 공기량의 증감에 큰 변화를 가져와 오
히려 불안정한 동작을 하기 때문이다.
향후 자동운전 자료 분석 등을 통하여 P값을 지금보다 약간 크게 적
용하고 D값을 조금 주는 방법으로 현장에 적합한 PID 제어를 연구 분석
하여 시행할 예정이다.
2) PID 제어 관련 주요 설정값
① 출력 상한값 지정
OH(Output High) 항목이며 자동 운전시 컴퓨터가 운
전조건을 판단하여 공기량 조절밸브 개도율 출력을 증가시킬 때 최대로
출력할 수 있는 상한값을 지정하는 것이다.
컴퓨터는 출력을 증가시킬 때 상한값(OH) 이상으로는 출력을 증가시
키지 않게 되며 출력에 대한 %값으로 지정을 하며 기본적으로 80%를
지정하였다. 예를 들어 공기량 조절밸브를 제어할 때 OH값을 80%를
지정하면 컴퓨터는 밸브의 개도율을 80%이상으로는 열지 않는다.
② 출력 하한값 지정
OL(Output Low) 항목이며 앞의 OH와 반대되는 것으
로, 자동운전시 컴퓨터가 운전조건을 판단하여 공기량 조절밸브 개도율
출력을 감소시킬 때 최소로 출력할 수 있는 하한값을 지정하는 것이다.
컴퓨터는 출력을 감소시킬 때 하한값(OL) 이하로는 출력을 감소시키
지 않게 되며 출력에 대한 %값으로 지정을 하며 기본적으로 20%를 지
정하였다. 예를 들어 공기량 조절밸브를 제어할 때 OL값을 20%를 지정
하면 컴퓨터는 밸브의 개도율을 20%이하로는 열지 않는다.
③ 수동운전시 설정값 지정 방법
PVT(Process Variable Tracking) 항목이며 자동운전을
하다가 수동으로 전환될 때 설정값(SP)이 DO계기의 값(PV)과 동일하게
할 것인가에 대한 허가 여부를 설정하는 것으로 기본적으로 허가
(PVT=1)로 지정하였다.
④ 프로세스 계기 입력
XIN(X Input Pointer) 항목이며 자동운전시 DO 조절계
(Controller)에서 지정되는 설정값과 비교되는 현장 계기의 지시값을 입
력받는 것으며, 각 조절계에서는 XIN에 DO를 입력받는다.
⑤ 자동·수동 운전전환 시간설정
AUT(Automatic Bit) 항목이며 0을 선택하면 수동운전
으로 운영자 키보드(Operator's Keyboard)를 사용하여 운영자가 공기량
조절을 수동으로 제어할 수 있으며, 1을 선택하면 자동운전으로 선택되
어 공기량 조절을 컴퓨터의 논리연산에 의하여 자동으로 제어를 한다.
즉 중앙감시실 수동운전은 출력값을 운영자가 키보드를 조작하는 것이
고, 자동운전은 출력값을 컴퓨터에 의하여 자동제어되는 것을 말한다.
중앙감시실 자동운전은 두가지로 분류되어 설정값을 지정하는 방법에
따라 ①설정값을 사람이 지정하는 Local 자동운전과 ②설정값까지도 자
동으로 지정되는 Remote 자동운전이 있다.
제1처리장 포기조 공기량 조절 PID 제어에서는 STEP 프로그램에서
운전주기(Period) 타이머와 자동(Auto)타이머를 사용하여 공기량 조절밸
브 제어를 운영자가 지정한 일정주기 마다 일정시간 만큼만 PID 자동제
어가 가능하도록 하고 나머지 시간은 수동운전 상태로 전환되도록 프로
그램을 구성하였다.
운전주기 타이머는 기본적으로 30분, 자동타이머는 2분을 설정하였으
며 현장 여건에 맞도록 운영자가 시간 조정이 가능하다.
즉 조절계(Controller)의 설정값(Set Point)은 30분마다 재설정되고, 공
기량 조절밸브는 30분 주기마다 최초 2분만 자동으로 PID제어를 수행하
고 나머지 28분간은 수동운전 상태로 전환하는 것을 반복하게 된다.
이 방법을 적용함으로서 공기량 제어가 수행되는 시간을 정확히 알 수
있어 유지관리 및 점검에 도움을 주고 공기량 조절밸브가 빈번하게 작동
되는 현상을 확실하게 방지한다.
⑥ Remote Set Point
중앙감시실 Remote 자동 운전시 Controller에서 운전조
건의 판단기준이 되는 설정값(목표값)을 자동으로 지정하여 주는 것이며,
공기량 조절 자동운전에서 DO 조절계 설정값(Set Point)이 Remote Set
Point 기능으로 현장여건에 적합하도록 설정값이 자동으로 지정된다.
⑦ 조절계 출력(Out)값 재설정
공기량 조절 PID 제어 자동운전을 실제 현장에 시행하
면서 어려웠던 점은 컴퓨터 출력신호에 의한 명령과, 현장 공기량 조절
밸브의 기계적 작동에 따른 개도율과 편차가 나는 것에 대한 보완 작업
이었다.
자동운전시 공기량 조절밸브의 제어는 컴퓨터의 운전조건 판단에 의한
ANO(Analog Out) 출력(DC 4∼20mA) 명령을 현장조작 판넬의 신호변
환기(Analog Converter)에서 명령 신호의 증감을 전기적으로 변환시켜
서, 전동조작기(Electro Actuator)의 정역운전에 의한 Open, Close 조작
을 수행하여 최종적으로 버터플라이 밸브의 개도율(0∼100%)이 기계적
으로 변화하는 것이다. 이와 같은 제어과정에서 컴퓨터 출력명령과 실
제 현장의 공기량 조절밸브 개도율이 정확히 맞지 않으며, 보통±1∼5%
정도의 오차가 필연적으로 발생하게 된다.
이 경우 앞서 5)번 항목에서 설명한 PID 제어를 주기적으로 운전타이
머에 의하여 실행할 경우에 다음 번 제어 동작에서 컴퓨터 조절계에 의
한 출력(Out) 변화값에 대하여 현장 공기량 조절밸브의 정확한 작동을
기대할 수가 없게 된다.
이와 같은 오동작을 방지하기 위한 방법으로 운전타이머에 의한 공기
량 조절밸브 PID 제어를 수행하고 난 후에, 현장의 공기량조절밸브 개도
율을 조절계(Controller)의 Out값으로 재설정하여 다음 번 동작을 수행하
도록 보완을 하였다.
즉 운전타이머에 의하여 PID 제어를 자동으로 수행한 후 수동운전으
로 전환되면 공기량 조절밸브의 개도율이 조절계 출력값으로 설정이 되
도록 하여, 다음 번 운전주기 타이머에 의한 PID 자동제어에서 조절계
출력에 의한 공기량 조절밸브의 제어를 정확히 수행한다.
또한 재설정하는 과정에서 공기량 조절밸브의 기계적인 작동 오차나
개도율 지시계의 이상 발생 등에 대비하여 조절계의 출력 상한값(80%)
과 하한값(20%) 이내로 설정되도록 하였다.
바. 포기조 공기량 조절밸브 운전 조작
1) 공기량 조절밸브의 운전조작 현황
포기조 공기량 조절밸브를 조작할 수 있는 방법은 아래와
같이 분류할 수 있고, 운전의 우선 순위는 ①현장 ― ②최종침전지 계장
반 ― ③중앙감시실의 순서이다.
+- 최종침전지 -+--+- ① 현장 수동조작
| | +- ② 현장 전동조작
| +--+- ③ 계장반 수동운전
| +- ④ 계장반 자동운전
|
+- 중앙감시실 -+---- ⑤ Manual 운전
+--+- ⑥ Local 자동운전
+- ⑦ Remote 자동운전
①번 현장 수동조작은 개폐 핸들을 인력에 의하여 조작하는 것이며,
현장 수동핸들을 앞으로 당기면 수동조작이 가능하다.
수동핸들을 인력으로 회전시키면 이 회전은 워엄(Worm)과 워엄기어
(Worm Gear)를 거쳐 슬리브(Sleeve)로 전달이 되어 공기량 조절 밸브의
스핀들(Spindle)을 회전시켜서 인력에 의한 개폐가 행하여진다.
②번 현장 전동조작은 지하 관랑 현장 조작판넬에 설치된 운전용
(Open, Close) 푸시버튼을 조작하여 정역운전으로 전동밸브의 개도율을
직접 조작하는 것이다.
현장 전동조작시 내부적으로 전기적인 자기유지 회로가 구성되어 있지
않으므로 현장 조작판넬에 설치된 Open 또는 Close 조작 푸시버튼을 누
르고 있을 때만 해당 운전조작이 가능하고 푸시버튼을 복귀시키면 운전
이 정지된다.
③번 계장반 수동운전은 계장반에 설치된 모듈러 조절계(Modular
Controller)의 아날로그 출력 증감 조절키를 사용하여 운영자가 공기량
조절밸브 개도율을 수동조작하는 것이고, ④번 계장반 자동운전은 모듈
러 조절계에 의한 자동운전을 말한다.
중앙감시실에서 공기량 조절밸브를 케스케이드 방식에 의한 PID 자동
운전을 하려면 ①지하 관랑에 설치된 공기량 조절밸브 현장 조작판넬의
운전선택(Local, Remotr) 전환스위치는 반드시 Remote로 선택이 되야
하고 ②최종침전지 계장반 우측하단에 설치된 공기량 조절밸브(M-0903)
운전선택(종침, 중앙) 전환스위치는 반드시 중앙으로 선택되야 한다.
만일 두가지 운전선택 스위치 중에서 어느 하나라도 다르게 선택되면
중앙감시실 컴퓨터에 의한 공기량 조절 자동운전이 되지 않는다.
참고로 버터플라이 밸브는 유량조절의 차단기능인 디스크(DISC)가 중
심축(밸브대)을 기준으로 회전하는 것이다.
그러므로 포기조 공기량 조절시 공기량 조절밸브 개도율을 너무 작게
(열림 각도 10°이내)하면 고압유체가 좁은 공간을 통과시 와류현상에
의한 몸체의 진동으로 관로 변형 및 시트링(Seat Ring) 등의 마모에 영
향을 미치므로 주의한다.
[그림 5-11-4] 공기량 조절밸브 제어 회로도
사. 공기량 제어의 중앙감시실 감시 및 운전조작
중앙감시실 운영자 키보드의 GAK(Graphic Annunciator
Key) 41번에 공기량 조절 자동운전 STEP 프로그램과 운전관련
Parameter, Timer 모듈이 등록되어 있다.
또한 GAK 42번에 포기조 1∼3계열, GAK 43번에 포기조 4∼6계열의
공기량 제어의 CON(Controller) 모듈이 조절계(Controller)로 등록되어
있다.
자동운전 상태 또는 각 조절계의 상태나 설정값을 수정 또는 상세히
보고자 할 때는 GAK 화면에서 원하는 등록번호(1∼8)을 입력하고
[SELECT]키와 [POINT]키를 누른 후 [PARAM]키를 누르면 된다.
(해당 CON 모듈의 Tag 명칭을 입력 후 [RET]키를 눌러도 된다.)
Graphic 화면 60∼65에 포기조 계열별로 공기량 조절밸브 개도율, 공
기 압력, 공기량, DO를 감시하고, Graphic 화면 5에 포기조와 송풍기동
의 주요기기 및 계기의 상태를 총괄하여 감시할 수 있다.
Historical Trend 201∼212번에 계열별로 DO 지시값, 조절계 Set Point,
조절계 출력값, 공기량 조절밸브 개도율의 시간적인 변화를 5분 간격으
로 선그래프로 감시할 수 있으며 약 52시간의 자료가 저장된다.
1) 중앙감시실 MANUAL(수동운전) 조작 방법
① GAK를 호출한 후 해당 CON 모듈의 번호를 누르고
[SELECT]키를 누른다. (해당 번호가 선택되면 CON 모듈번호에 [ ]가
화면에 표시된다.)
② 운영자 키보드 좌측 하단 [커서 이동 키] 우측에 위치한
[MANUAL]키를 누른다.
③ [OUTPUT]키를 누른 후 (화면 하단에 DIGITAL
OUTPUT ENTER VALUE 표시) 직접 숫자를 입력하고 [ENTER]키를
치거나, [OUTPUT]키 좌측의 [←]키를 누르면 출력이 감소되고 우측의
[→]키를 누르면 출력이 증가한다.
2) 중앙감시실 LOCAL 자동운전 조작 방법
① GAK를 호출한 후 해당 CON 모듈의 번호를 누르고
[SELECT]키를 누른다. (해당 번호가 선택되면 CON 모듈번호에 [ ]가
화면에 표시된다.)
② [커서 이동 키] 우측에 위치한 [AUTO]키를 누른다.
③ [SET POINT]키를 누른 후 (화면 하단에 DIGITAL SET
POINT ENTER VALUE 표시) 직접 숫자를 입력하고 [ENTER]키를
치거나, [SET POINT]키 상단의 [↑]키를 누르면 설정값이 증가하고 하
단의 [↓]키를 누르면 설정값이 감소한다.
3) 중앙감시실 REMOTE 자동운전 조작 방법
① GAK를 호출한 후 해당 CON 모듈의 번호를 누르고
[SELECT]키를 누른다. (해당 번호가 선택되면 CON 모듈번호에 [ ]가
화면에 표시된다.)
② [커서 이동 키] 우측에 위치한 [AUTO]키를 누른 후
[REMOTE]키를 누른다. (해당 CON 모듈 Tag명 아래에 REMOTE 라
는 글자가 화면에 표시된다.)
아. DO 조절계 (DO Controller) Configuration
PARAMETERS PARAMETERS POINTERS DCU3.CON001
1 TAG=3DIC-001 29 B1 = .0000 54 XIN=1DO-0900A 69 OUT= 71.5
8 FIX= 1 30 K1 = 1.000 55 YIN= 70 DIS= 71.5
9 AIX= 0 37 T1 = .0000 57 ASP= . 79 TS = 1
10 PL1= 5.000 39 T3 = .0000 58 MOP= . 80 TSP= 2.694
11 PL2= 0.500 41 OH = 80.00 59 BSP= 85 SP = 2.694
12 ADB= 0.4 42 OL = 20.00 60 SFP= 87 SW1=155000
15 PB = 300.0 43 MR = .0000 88 SW2=031440
16 TR = 30.00 44 PVT= 1 89 SFB= 2.694
17 TD = 0.000
18 SCF= 1
19 RSW= 1
20 DPV= 1
21 RSV= 0
22 CZ = .0000
23 AUT= 1
24 SER= 1
5-11-5. 공기량 조절 자동운전 맺음말
포기조 공기량 조절 PID제어 자동운전을 실현하기 위하여 목표값을
고정하지 않고 현장 DO 6개소에서 최고값과 최저값을 제외한 4개소 평
균값을 적용한 방법, PID 연속제어에서 Step 프로그램의 운전타이머에
의한 자동·수동 전환 방법, 밸브 개도율을 Controller Out값으로 재설정
하는 방법 등을 비롯한 여러 가지 응용방법은 자동운전을 현장사정에 알
맞게 적용하기 위한 일련의 조치들이며, 주어진 여건에서 취할 수 있는
최선의 방법이라 생각한다. (~쩝! ~다른 말로는 "꽁수(?)"라고 한다.)
어떻게 보면 위와 같은 꽁수가 모아져 기존에 있었던 자동운전의 문제
점들을 하나씩 해결하면서 포기조 공기량 조절 PID 제어의 자동운전이
가능하게 되었음을 강조하고 싶다.
포기조 공기량 조절 PID 제어 자동운전을 시행하면서 어려웠던 점은
컴퓨터 출력신호에 의한 명령과, 현장 공기량 조절밸브의 기계적인 조작
에 따른 개도율과 편차가 나는 것에 대한 보완 작업이었으며, 앞으로도
운영상의 개선할 사항이라 생각한다.
또한 포기조 12개소에 대하여 각 지별로 운전 특성이 조금씩 상이하여
공기량 조절밸브 제어에 따른 공기량과 DO의 변화가 일관성이 없어
PID 제어의 각종 설정값 지정에 많은 시행착오를 겪었다.
공기량 조절 PID제어 자동운전의 원활한 유지관리를 위하여 자동운전
관련한 기기와 계측기에 대하여 점검을 철저히 하고, 자동운전 관련한
종합적인 분석이 뒤따라야겠으며 운영상에 발생하는 문제점 개선 등에
부단한 노력을 하여야겠다.
그리고 공기량 조절 PID 제어 자동운전 실무 경험을 도약의 발판으로
삼아서, 아직까지 수동운전으로 운영하는 다른 처리공정의 제어 부분에
대하여도 현장여건에 적합한 자동제어가 되도록 연구하여 자동운전의 범
위를 확대시켜 나아가야 할 것이다.