Ⅰ. 자동제어
제어(制御, Control)란 어떤 목적에 따라 조작이나 동작 등에 의해 양을 증감시키거나 상태를 변화시키거나 일정하게 유지하는 것을 말한다.
① 보일러의 운전을 안전하게 할 수 있다.
② 경제적 운용과 효율적인 운전으로 보일러 수명을 연장하고 연료를 절감한다.
③ 자동제어로 인한 인원절감 효과로 인건비가 절약된다.
④ 경제적인 열매체를 얻을 수 있다.
⑤ 작업 능률이 향상된다.
2. 자동제어의구분
① 수동제어 : 사람이 직접 행하는 제어이다.
② 자동제어 : 기계장치가 자동으로 행하는 제어이다.
3. 자동제어의 종류
(1) 시퀀스 제어 (Sequence Control) : 연소제어
미리 정해진 순서에 따라 순차적으로 제어의 각 단계를 실행하는 제어로서 대표적인 것으로는 연소제어가 있다.
제어신호의 되돌림(Feedback)에 의해 온도, 습도, 압력 등과 같은 제어량을 설정치와 비교하고 제어량과 설정치가 일치하도록 그 제어량에 대한 수정동작을 행하는 제어로 출력측의 신호를 입력측으로 되돌려 보내는 조작으로 폐회로로 구성된다.
① 목표값 (Desired Variable) : 목표값(Set Point)은 어떤 제어장치에서 제어량의 원하는 값으로, 정치제어의 경우에는 설정값이라고도 한다.
② 제어대상 (Controlled System) : 조작량만큼의 제어결과 즉, 제어량을 발생한다. 이 제어량은 외란에 의해 변화된다.
③ 기준입력 (Reference Input) 비교부 : 목표값으로부터 기준입력의 변환은 설정부에서 이루어진다.
④ 주피드백량 (Main Feedback) : 제어량의 값을 목표값(기준입력)과 비교하기 위한 신호로 검출부에서 발생시킨다.
⑤ 동작신호 (Actuating Signal) : 기준입력과 제어량과의 차이로 제어동작을 일으키는 신호로 편차라고도 한다.
⑥ 제어편차 : 목표값에서 제어량을 뺀 값이다.
⑦ 조작량 (Manipulated Variable) : 제어량을 조정하기 위해 제어장치가 제어대상에게 주는 양을 말한다.
⑧ 제어량 (Controlled Variable) : 제어대상에 속하는 양 중에서 그것을 제어하는 것이 목적으로 되어 있는 양을 말한다.
⑨ 외란 (Disturbance) : 제어계의 상태를 교란시키는 외적 요인으로 가스유량, 탱크 주위온도, 가스공급압, 공급온도 및 목표값의 변경 등의 변화를 말한다.
⑩ 검출부 (Primary Means) : 압력이나 온도, 유량 등의 제어량을 측정하고, 그 값을 신호로 만들어서 주피드백 신호로 변환하여 비교부로 보내는 부분이다.
⑪ 조절부 (Controlling Means) : 동작신호에 의해 이에 대응하는 연산출력을 만드는 곳으로 조작신호를 조작부로 내보내는 부분이다.
⑫ 비교부 (Comparison Element)
㉠ 기준입력 신호와 주피드백 신호가 합류하여 생기는 제어편차량을 산출하는 부분이다.
㉡ 비교부는 독립기구가 아니고 조절기의 한 부분이다.
★ 요점정리
※ 피드백 제어 : 폐회로(결과가 원인이 되어 제어단계 진행)
※ 시퀀스 제어 : 개회로(제어순서에 따라서 제어단계 진행)
※ 인터록 제어 : 한쪽 조건이 충족되면 다른 제어는 정지
※ 제어의 목적 : 일정한 온도와 압력의 증가를 생산하고 경제적 고효율화 및 안전운전과 인건비의 절감
※ 자동제어방식의 분류
① 피드백 제어 : 자동제어방식의 기본으로 제어동작(목표값과 제어량의 오차)을 되돌려 진행하는 것 → 출력쪽 신호를 입력쪽으로 돌려보내는 폐회로를 구성(보일러의 기본제어)한다.
② 시퀀스 제어 : 피드백 제어에 의하지 않고 미리 정해진 순서에 따라 제어단계를 순차적으로 진행하는 방식
※ 자동제어의 동작순서
검출 → 비교 → 판단 → 조작
※ 자동제어의 특성
가) 제어방법에 따라
① 정치제어 : 목표값이 변화없이 일정하다.
② 추치제어 : 목표값이 변화되어 목표값을 측정하면서 제어목표량을 목표량에 맞도록 하는 제어
㉠ 추종제어 : 목표값이 시간에 따라 임의로 변화
㉡ 비율제어 : 2개 이상의 제어값이 정해진 비율로 변화
㉢ 프로그램제어 : 목표값이 시간에 따라 미리 결정된 일정한 제어
㉣ 캐스케이드제어 : 1차 제어장치가 제어명령을 하고, 2차 제어장치가 1차 명령을 바탕으로 제어량을 조절하는 측정제어(외란의 영향과 낭비시간 지연이 큰 프로세스 제어에 적용)
나) 제어동작에 따라
① 불연속동작제어
㉠ 2위치 동작 : On-Off 동작
㉡ 다위치 동작
㉢ 불연속 속도 동작 :부동제어
② 연속동작제어
㉠ 비례동작(P동작) : 조작량을 목표값과 현재 위치와의 차에 비례한 크기가 되도록 서서히 조절하는 제어방법으로 잔류편차(Off-Set)가 있는 제어
㉡ 적분동작(I동작) : 제어량에 편차가 생겼을 때 편차의 적분차를 가감하여 주는 제어방법으로 잔류편차가 남지 않는다. 하지만 제어의 안정성은 떨어진다.
㉢ 미분동작(D동작) : 출력편차의 시간변화에 비례하며 제어편차가 검출될 때 편차가 변화하는 속도에 비례하여 조작량을 증가하도록 하는 동작으로 단독으로는 사용되지 않는다.
㉣ 복합동작 (2가지 이상으로 조합된 동작)
ⓐ PI동작 (비례적분동작) : 비례동작에 의한 출력변화가 적분동작만으로 발생된 출력변화로 주로 프로세스에 사용되며 잔류편차가 남지 않는다.
ⓑ PD동작(비례미분동작) : 미분시간이 크면 클수록 미분동작이 강하며 미분동작과 비례동작을 합한 동작
ⓒ PID동작(비례적분미분동작) : 비례적분미분동작은 적분동작으로 잔류편차(Off-Set)를 제거하고 미분동작으로 응답을 신속히 안정화한다.
Ⅱ. 신호전달 방식
1. 공기압 신호전송
① 사용 조작압력 신호는 0.2~1.0㎏/㎠의 공기압에 사용한다.
② 내열성이 우수하나 압축성이므로 신호전달이 지연된다.
③ 신호 전달거리는 100~150m정도이다.
④ 신호공기원은 충분히 제습, 제진된 공기를 기기에 공급하는 것이 중요하다.
⑤ 온도제어에 적합하며 자동제어에 용이하다(PID).
2. 유압식 신호전송
① 조작속도와 응답속도가 빠르다.
② 인화성이 높아 화재의 위험성이 있다.
③ 사용 유압(0.2~1.0㎏/㎠ )을 높임으로써 매우 큰 조작력을 얻을 수가 있다.
④ 비압축성 유체이므로 전송거리가 300m정도로 비교적 적다.
⑤ 관로저항이 크고, 주위온도에 많은 영향을 받는다.
3. 전기식 신호송신
① 사용전류는 4~20㎃ 또는 10~50㎃로 DC의 전류를 통일신호로 하고 있다.
② 전송거리 0.3~10㎞로 비교적 길다.
③ 조작력이 요구되는 경우에는 그의 대책에 주의할 필요가 있다.
④ 고온 다습한 곳은 곤란하고 가격이 비싸다.
Ⅲ. 보일러의 자동제어
대용량 보일러 및 고압보일러에는 증기발생량에 대하여 보일러 내의 보유수량에 관한 제어가 반드시 필요하기 때문에 보일러의 안전운전을 위하여 자동 보일러제어(A.B.C)가 설치된다.
* 보일러자동제어 (A.B.C. Automatic Boiler Control)
① 급수제어 (F.W.C. Feed Water Control)
② 증기온도제어 (S.T.C. Steam Temperature Control)
③ 연소제어 (A.C.C. Automatic Combustion Control)
1. 보일러 수위 제어 (Feed Water Control)
(1) 급수제어의 목적
보일러가 연속운전 되는 동안 증기의 부하변동이 생기면서 수위변동이 일어난다. 이 수위변동이 생길 때 일정수위가 되도록 급수를 조절해 주어야 운전이 유지되기 때문에 수위제어가 설치된다.
㉮ 수위제어 검출방식
① 플로우트식 (맥도널식, 자석식)
② 전극식
③ 차압식
④ 열팽창식 (코크식)
㉯ 수위제어 방식
① 단요소식 (1요소식) : 수위만 검출
② 2요소식 : 수위검출 및 증기유량 검출
③ 3요소식 : 수위, 증기유량, 급수유량을 동시에 검출
④ 모듈식
㉮ 단요소식
① 수위만 검출한다.
② 중소형 보일러에서 수위제어 방식으로 이용되고 있다.
① 수위와 증기유량을 검출한다.
② 보일러의 용량이 크고 수위변동이 심한 보일러에 사용된다.
① 수위와 증기유량 그리고 급수유량을 동시에 검출한다.
② 증기 부하변동이 매우 심한 대형 수관식 보일러에 많이 사용된다.
2. 증기온도제어(S.T.C.)
과열증기 온도를 일정온도로 자동조절하기 위한 제어방식으로 다음의 종류가 있다.
① 증기압력제어
㉠ 증기압력제한기 : 증기압력을 검출하여 설정 상용압력에서 전체를 연소정지시키거나 기동시키는 것
㉡ 증기압력조절기 : 증기압력을 검출하면 조절기 내의 벨로우즈가 신축하여 핀의 움직임에 따라 고·저 연소로 자동전환하는 것
② 온수온도제어
③ 노내압제어
3. 연소제어 (A.C.C.)
증기의 압력 및 온수의 온도가 일정한 값이 도도록 연소의 양을 자동으로 제어하는 방식이다.
4. 인터록 (Inter-Lock)
인터록이란 어느 조건이 불충분하거나 다음 진행에 불합리한 동작으로 변환될 때 기관동작을 다음 단계에 도달되기 전에 정지시키는 제어방식으로, 보일러에서 점화시나 운전 중에 어느 조건이 충족되지 않을 때 전자밸브를 닫을 수 있도록 하는 저수위안전장치, 압력제한스위치, 화염검출기, 저연소, 프리퍼지 등에 인터록이 필요하다. 가장 쉽게 볼 수 있는 인터록 회로는 퀴즈프로그램에서 사용하는 부저 시스템이다. 수명의 출연자 중 가장 먼저 부저를 누른 1명을 제외한 나머지는 아무리 부저를 눌러도 불이 들어오지 않는다.
① 저수위 인터록
수위가 일정 이하일 때에는 전자밸브를 닫아서 연소를 저지한다.
② 압력초과 인터록
증기압이 일정 압력을 초과할 때에는 전자밸브를 닫아서 연소를 저지시킨다.
③ 불착화 인터록
버너에서 연료를 분사한 후 일정 시간이 경과하여도 착화를 볼 수 없을 때나 어떠한 원인으로 화염이 소멸할 때에는 전자밸브를 닫아서 연소를 저지한다.
④ 저연소 인터록
유량조절밸브가 저연소 상태로 되지 않으면 전자밸브를 열지 않고 점화를 저지한다.
⑤ 프리퍼지 인터록
대형 보일러인 경우에 송풍기가 작동하지 않으면 전자밸브가 열리지 않고 점화가 저지된다.
5. 온수보일러의 제어장치
(1) 프로텍터 릴레이 (Protector Relay)
버너에 부착하여 사용하며 오일버너의 주안전 제어장치로 난방, 급탕 등의 전용제어회로에 이용된다. 그러나 아쿠아스탯(리미트)을 별도로 설치해야 한다.
(2) 콤비네이션 릴레이 (Combination Relay)
보일러 본체에 설치하여 사용하고 그 특징은 프로텍터 릴레이와 아쿠아스탯의 기능을 합한 것이다. 버너 주안전 제어장치로 고온차단, 저온점화, 순환펌프회로가 한 개의 제어기에 통합되어 있다.
(3) 스택 릴레이 (Stack Relay)
보일러 연소가스 배출구 300㎜ 상단의 연도에 부착하여 연소가스 열에 의하여 연도 내부로 삽입되는 바이메탈의 수축팽창으로 접점을 연결하거나 차단하여 버너의 동작을 제어한다.
① 종류
㉠ 순간점화식
㉡ 계속점화식
② 특징
㉠ 바이메탈이 손상되기 쉽다.
㉡ 280℃ 이상의 온도에는 사용이 불가하다.
㉢ 연료소비량이 10ℓ/h 이하에서만 사용이 가능하다.
㉣ 광전관은 별도로 설치하지 않는다.
(4) 아쿠아스탯(Aquastat)
현장에서 하이리밋 콘트롤이라고도 부르며 자동온도조절기이다. 스택릴레이나 프로텍터 릴레이와 함께 사용되며 사용용도는 고온차단용, 저온차단용, 순환펌프 작동용으로 사용된다.
Fig._8-1.jpg
Fig._8-2_3.jpg
Fig._8-4.jpg
Fig._8-5.jpg
Fig._8-5-1.jpg
Fig._8-6_7.jpg
Fig._8-8.jpg
Fig._8-9.jpg
Fig._8-10_11_12_13.jpg
Fig._8-14_15.jpg
Fig._8-16.jpg
Fig._8-17_18.jpg
Fig._8-19.jpg
Fig._8-20.jpg
Fig._8-21_22_23.jpg
Table_8-1.jpg
Table_8-2.jpg