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공학석사학위논문
PLC에 의한 PID 제어기 구현 및
가압 펌프 적용
PID Controller Implementation by PLC andApplication to Booster Pump
2005년 8월
인하대학교 공학대학원
전기공학과
최 형 열
공학석사학위논문
PLC에 의한 PID 제어기 구현 및
가압 펌프 적용
PID Controller Implementation by PLC andApplication to Booster Pump
2005년 8월
지도교수 권 오 규
이 논문을 석사학위 논문으로 제출함
인하대학교 공학대학원
전기공학과
최 형 열
이 논문을 최형열의 공학석사학 논문으로 인정함
2005 년 8 월
주심 : ________________________(인)
부심 : ________________________(인)
원 : ________________________(인)
- iv -
요 약
이 논문에서는 시스템 특성이 변화하는 랜트에서의 제어 문제를
다룬다. 이러한 랜트에서는 제어기의 매개변수 선정과 동조가 쉽지
않기 때문에 이를 해결하기 해서 PLC를 이용한 PID제어를 구 하는
방식을 연구하 다. 그리고 실제로 PLC에 의한 PID 방식의 특성을 고
찰하여 제어시스템을 구 하고, 부스터 펌 제어에 용하여 기존에
설치된 PLC 용제어기 방식과 비교하여 검토하 다.
이 논문에서는 PID제어기의 동조방식은 지 러-니콜스의 계단 답법
을 기 로 하 으며, 제어알고리즘은 PLC의 CPU에서 제공하는 PID기
능을 써서 래더 다이어그램으로 로그램을 작성하 다. 제어 상 부스
터 펌 에는 압력센서가 설치되어 실시간으로 압력을 읽어서 아날로그
입력 모듈에 달되며, PLC에서는 이 값을 받아서 목표압력과의 차를
계산하고 PID 연산에 의해 제어신호를 계산하여 출력값을 내보낸다. 이
출력값은 아날로그 출력모듈을 통해 인버터에 달되고, 인버터에 의해
펌 를 제어하게 된다.
이 논문에서는 PLC에 의한 PID 제어시스템을 구 하고 실제 설치
된 부스터 펌 수설비에 용하여 검증을 하 으며, 용 결과 펌
의 압력이 목표값에 잘 추종함을 확인하 다.
- v -
Abstract
This thesis deals with a control problem in the systems under
some characteristics changes. Since it could be hard to make the
control parameter selection and tuning in those systems, this thesis
has investigated and analyzed the PID controller made by PLC in
order to solve the above problem. The control system has been
implemented by considering the feature of the PLC-based PID
controller, and it has been applied to the booster pump control
system to check its performance compared to the pre-mounted PLC
controller.
In this thesis, the PID parameter tuning is based on the step
response method by Ziegler-Nichols, and the control algorithm is
programmed via the ladder diagram utilizing the PID function
provided by the CPU of the PLC. In the booster pump system, a
pressure sensor is mounted on the pump to read the pressure, and
the data is sent in real time to the analog input module of the PLC.
The PLC is to receive the pressure data from the sensor, and
calculate the control signal using the error signal between the
measured pressure and the pressure setup value based on the PID
function of CPU in the PLC. The control signal output is transmitted
to the inverter via an analog output module, and the inverter
controls the pump.
In this thesis, the PLC-based PID control system has been
- vi -
implemented to be applied to a real feed water equipments for some
performance test and verification, which has shown that the pump
pressure normally follows the setup value.
- vii -
목 차
요약 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - i v
Abstract - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - v
1. 서 론 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1
1.1 연구 배경 -------------------------------------------1
1.2 연구 목 -------------------------------------------2
1.3 연구 내용 -------------------------------------------2
2. P L C P I D 제 어 이론 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 3
2.1 PLC의 개념 ----------------------------------------- 3
2.1.1 PLC의 개요 ------------------------------------ 3
2.1.2 PLC의 용분야 ---------------------------------5
2.1.3 PLC의 분류 ------------------------------------ 7
2.1.4 로그램 방식 ---------------------------------- 13
2.2 PID 제어 ------------------------------------------- 18
2.2.1 개요 ------------------------------------------ 18
2.2.2 발 과정 -------------------------------------- 20
2.2.3 PID 모드의 특성 -------------------------------- 21
2.2.4 PID 이득의 특성 -------------------------------- 26
2.2.5 계단 응답법 ------------------------------------ 27
2.2.6 Ziegler-Nichols 방법을 이용한 PID 이득 조정법 -------28
3 . 가 압 수 설 비 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 3 0
3.1 수 방식의 분류와 특성 ------------------------------ 30
- viii -
3.1.1 수도직결 방식 ---------------------------------- 30
3.1.2 고가수조 방식 ---------------------------------- 32
3.1.3 펌 직송 방식 ---------------------------------- 33
3.1.4 압력수조 방식 ---------------------------------- 35
3.1.5 가압펌 방식 ---------------------------------- 36
3.1.6 기타 방식 ------------------------------------- 38
3.2 가압펌 의 제어 방식별 특성곡선 ----------------------- 39
3.2.1 수제어 방식 ---------------------------------- 39
3.2.2 인버터(회 수)제어 방식 -------------------------- 41
4 . 실 험 결 과 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 4 4
4.1 시스템의 구성 --------------------------------------- 44
4.2 시 스 회로도 --------------------------------------- 45
4.3 실험 결과 ------------------------------------------ 46
4.3.1 자동 동조 ------------------------------------- 46
4.3.2 P 운 ---------------------------------------- 48
4.3.3 PI 운 --------------------------------------- 49
4.3.4 PID 운 -------------------------------------- 51
5. 결 론 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 53
참고 문헌 ------------------------------------------------ 54
부록 -----------------------------------------------------56
A. 아날로그 입력 로그램 ---------------------------- 57
B. 아날로그 출력 로그램 ---------------------------- 58
C. PID제어 로그램 --------------------------------- 61
- ix -
<표 차례>
표 2.1 PLC의 발달사 -------------------------------------- 5
표 2.2 PLC의 용분야 ------------------------------------ 6
표 2.3 입출력 기기 ---------------------------------------- 11
표 2.4 PID 동작에 한 특성 -------------------------------- 27
표 2.5 지 러-니콜스 동조법(계단응답법)----------------------- 28
- x -
<그림 차례>
그림 2.1 확장형 PLC -------------------------------------- 7
그림 2.2 소형 PLC ---------------------------------------- 8
그림 2.3 입출력기기 구성 -----------------------------------10
그림 2.4 디지털 입력회로 -----------------------------------12
그림 2.5 디지털 출력회로 -----------------------------------13
그림 2.6 IL 방식 로그램 ---------------------------------- 15
그림 2.7 LD 방식 로그램 --------------------------------- 16
그림 2.8 로차트 방식의 로그램 -------------------------- 17
그림 2.9 P 제어기 블록선도--------------------------------- 21
그림 2.10 PI 제어기 블록선도 -------------------------------- 22
그림 2.11 PD 제어기 블록선도-------------------------------- 23
그림 2.12 PID 제어기 블록선도------------------------------- 25
그림 2.13 반응 곡선법--------------------------------------- 28
그림 2.14 지속 진동을 나타내는 형--------------------------- 29
그림 3.1 수도직결 방식 -------------------------------------31
그림 3.2 고가수조 방식 ------------------------------------ 32
그림 3.3 펌 직송 방식 -------------------------------------33
그림 3.4 압력수조 방식 -------------------------------------35
그림 3.5 가압펌 방식 -------------------------------------36
그림 3.7 수 제어 ---------------------------------------- 40
그림 3.8 인버터 제어 -------------------------------------- 42
그림 4.1 시스템 구성도 ------------------------------------ 45
그림 4.2 시 스 회로도 ------------------------------------ 45
- xi -
그림 4.3 자동 동조 순서도 ---------------------------------- 46
그림 4.4 자동 동조 궤 ------------------------------------47
그림 4.5 P 운 궤 -------------------------------------- 48
그림 4.6 PI 운 궤 ------------------------------------- 49
그림 4.7 PID 운 궤 ------------------------------------ 51
- 1 -
1. 서 론
1. 1 연 구 배 경
최근 아 트 고층 건물의 수설비로써 옥상의 고가수조 방식
신에 부스터 펌 를 사용 하고 있다. 부스터 펌 장치는 호텔 고
건축물에 주로 사용되어 왔으며, 사무소 건물, 공장 등에서 고가수조에
의한 수방식으로는 수압이 부족한 계통에 부분 가압 장치로서 사용
되거나, 소규모 공통주택 등의 수가압장치로서도 활용되어 왔다. 그러
나 최근 규모 공통주택 는 고층, 고층 일반 건축물을 상으로
그 용이 확 되고 있다.
산업의 발달은 정보화와 자동화의 두 기술이 주도를 하고 있으며,
그 에서 많은 기업들이 기업 생존의 략으로 극 추진하고 있다.
PLC(Programble logic controller)는 산업 장에서 두뇌 역할을 하는 산
업용 컴퓨터로서 시 스제어(sequence control)를 실 할 수 있는 표
인 기기이다. 이러한 PLC는 생산 공장에서 생산성과 안 성의 향상
을 해 1970년 후반 범용 마이크로 로세서로서 도입으로 기능이 다
양해지면서 시 스제어에 리 용되어지고 있다. 그러나 확장된 PLC
의 출 에도 불구하고 자동화 시스템을 보다 효율 이고 정 한 제어
운 을 한 지능형 PLC를 구 하는데 다소 어려움이 있다. 이는 PLC
에 장착되는 PLC 모듈과 제어 언어가 알고리즘 형태를 구 하기에는
일반화되어 있지 않기 때문이다.
한편 PID제어기는 자동제어 이론의 역사와 견 만큼 오랜 기간 동
안 사용되어 왔다. 재에도 산업 자동화 설비에 리 쓰이고 있는데,
이는 구조가 간단하다는 장 과 제어기가 정확하게 설계되어 진다면 과
- 2 -
도응답특성이 좋고 정상상태 오차를 제거하는 등 안정 으로 동작하기
때문이다. 하지만 실제 랜트의 모델과 정확한 매개변수 값들은 찾기
가 쉽지 않다. 더구나 부하 변동이 있을 경우에 제어기의 매개변수를
조정해야만 한다. 따라서 1942년 J.G.Ziegler 와 N.B.Nichols가 PID제어
기의 동조를 시작한 이래로 지 까지 많은 연구가 진행되어 왔다.[1],[2]
1. 2 연 구 목
본 논문에서는 보편 으로 사용되고 있는 부스터 펌 에 PID의 제
어기를 사용하여 실험을 한다. 재 PLC의 PID모듈이 따로 구성이 되
어 있는 것도 있지만 이 논문을 비하면서 따로 모듈를 구성하지 않고
PLC의 CPU에서 제공하는 PID 기능을 사용하여 래더 다이어그램 형식
으로 로그램을 구 한다. 로그램을 확인하기 하여 부스터 펌 에
속한다. 변화하는 조건 여러 가지 특성을 고려하여 안정 인 제어
를 하는데 목 이 있다.
1. 3 연 구 내 용
제1장에서는 서론 부분으로서 연구배경, 방법, 내용을 서술하며 제2
장에서는 PID 제어기인 PLC의 기본개념과 구조 로그램 방법을
설명한다. 그리고 PID 제어의 개념과 이론을 설명한다. 제3장에서는 가
압펌 의 종류와 운 방식에 하여 설명한다. 제4장에서는 본 논문의
실험구성 시스템을 설명하고 구성된 실험기기로 자동 동조를 실시하여
PID의 상수값을 알아내고 동조값을 가지고 미세조정을 하면서 부스터
펌 의 PID의 최 의 값을 알아낸다. 제5장에서는 결론을 서술한다.
- 3 -
2. P L C P I D 제 어 이론
2. 1. P L C 의 개 념
2. 1. 1 P L C 의 개 요
생산 공장에서는 생산성과 안정성의 향상을 해 제안 제도, QC활
동 등 리 분야의 개선뿐만 아니라, 인간의 작업을 기계ㆍ장치로 치환
하는 자동화에도 많은 노력을 기울여 왔다. 이러한 자동화는 시 스 제
어 기술, 컴퓨터 기술, ME(마이크로 일 트로닉스) 기술 등에 의해 발
되었다. 그 에서도 시 스 제어 기술은 화교환기의 기술에서부터
발 되었으며, 그 이유는 과거의 화교환기에 자 릴 이가 많이 사
용되었고, 이것이 시 스 제어에 응용되었기 때문이다. 자 릴 이를
조합하여 행하던 시 스 제어 기술을 유 시 스라 말하며 당시에는
시 스 제어라 하면 유 시 스를 의미했었다. 자 릴 이를 사용
하는 유 제어방식은 양 으로 가장 많이 사용되어 왔던 방식으로
비교 단순하고 렴하다는 장 이 있지만 수명에 한계가 있고 로그
램 변경이 곤란하다는 때문에 무 시 스의 등장과 더불어 그 사
용이 축소되고 있다.
이러한 시 스 제어 장치를 실 하는 데는 다음과 같은 몇 가지의
문제 을 안고 있다.
1) 실제로 장치에 연결하여 그 동작을 실행해 보기 에는 로그램을
확정시킬 수 없으며, 장에서의 수정ㆍ변경이 많아지게 된다.
- 4 -
2) 릴 이 회로의 변경을 해서는 납땜이나 결선작업등의 특수기능을
필요로 하므로 기기술자가 아니면 작업변경이 곤란하다. 따라서
생산라인을 변경하기까지는 운 방안의 변경, 시 스 회로 설계, 결
선도 작성, 제조, 검사, 시험, 장 시운 의 단계를 거쳐야 하므로
많은 시간이 소요된다.
3) 최근의 자동화 시스템들은 매우 복잡하다. 따라서 시 스 제어에 사
용되는 릴 이의 개수도 극히 많아지고, 릴 이의 신뢰성의 한
계 때문에 몇 개의 릴 이가 고장을 일으켜도 체 시스템이 정지
되는 사태가 발생한다.
4) 다품종 소량 생산 방식에서는 로그램을 자주 변경해야 하고, 이때
는 제어장치의 배선도 변경해야 하는데 그 작업이 간단하지는 않다.
새로운 컨트롤러는 1970년 반에 범용 마이크로 로세스의 도입
으로 기능이 다양하게 발 하 고, 뒤에 PLC라 불리게 되었다. 1970년
후반에는 16비트 마이크로 로세서를 탑재한 기종과 비트 슬라이스형
마이크로 로세서를 탑재한 기종 복수 개의 마이크로 로세서를 탑
재한 기종이 출 하여 시 스 제어를 심으로 한 각종 기능을 1 의
PLC로 실 할 수 있게 되었다.
PLC는 출 이후 20여년 정도 되는 과정에서 사용자가 요구하고 있
는 방향으로 발 되어 왔고 그 발 내용은 표 2.1과 같다.[3]
- 5 -
구 분 발 내 용
1969 PLC의 개념 태동
1970 논리지시 1K 기억용량과 128 I/O 수 제어기 등장
1974타이머, 카운터, 산술연산 기능과 12K 기억용량과 1024
I/O 수 처리
1976 원격 입출력 시스템 소개(최 로 규격 제정 - 미국)
1977 마이크로 로세스 이용 PLC 등장
1980고성능 I/O모듈, 고성능 통신장비, 고기능 소 트웨어 등
장 로그래 도구로 마이크로컴퓨터 사용
1983 렴한 소형 PLC 등장
1985표 화, 컴퓨터와의 네트워크 기능으로 분산 계층제
어 기능
1991퍼지 이론을 도입한 퍼지 모듈 용 퍼지 제어기 등
장
표 2.1 PLC의 발달사
Table 2.1 History of PLC
2. 1. 2 P L C 의 용 분 야
설비의 자동화, 고속화, 고기능화, 고능률화의 요구에 따라 PLC의
용 범 는 산업 장에서부터 일상생활에 미치는 기기의 제어까지 확
- 6 -
분야 제어 상
식료 산업 컨베어 총 제어, 생산라인 자동 제어
제철, 제강 산업작업장 하역 제어, 원료 수송 제어, 압연 라인 제
어. 하역 운반 제어
섬유, 화학공업원조 수입 출하 제어, 컨베어 제어, 직조 염색 라
인 제어
자동차 산업송 라인 제어, 자동 조립 라인 제어, 도장 라인
제어, 용 기 제어
기계 산업산업용 로 제어, 공작 기계 제어, 송 배수펌
제어
상하수도 정수장 제어, 하수 처리 제어, 송 배수펌 제어
물류 산업 자동 창고 제어, 하역 설비 제어. 반송 라인 제어
공장 설비 압축기 제어
공해 방지사업 쓰 기 소각로 자동 제어, 공해 방지기 제어
되고 있다. 특히, 공장자동화, CIM, FMS에 따른 PLC의 요구는 소규
모 공작 기계에서 규모 랜트 설비에 이르기까지 용되고 있다.[4]
표 2.2 PLC의 용분야
Table 2.2 Application area of PLC
- 7 -
2. 1. 3 P L C 분 류
1) 확장형 PLC
그림 2.1 확장형 PLC
Fig 2.1 Expansion type PLC
그림 2.1의 확장형 PLC는 원 유닛과 CPU 유닛을 기본으로 설치
하고 입력 유닛, 출력 유닛, PLC링크, 컴퓨터 링크, 치결정 유닛, 온
도 유닛 등을 필요에 따라 여러 가지 기능을 부가할 수 있는 모듈을 베
이스에 장착하여 사용이 가능하다. 확장형 PLC는 각 메이커 별로 차이
는 있겠지만 로그램의 처리속도가 ㎱ 으로서 굉장히 빠른 처리 속도
를 가지고 있으며 용량 제어에 합 하다고 할 수 있다.
그리고 cpu 자체에서 많은 기능을 제공하고 있으며 PID 기능, 시계기
능, 고속카운타 기능 등 제어범 가 그만큼 많이 넓어져 가고 있다.
- 8 -
2) 소형 PLC
그림 2.2 소형 PLC
Fig 2.2 Micro PLC
그림 2.2의 PLC는 비교 소형의 자동화기기에 사용되고 있다. 소형
PLC는 1개의 이스에 원부, CPU부, 메모리부, 입출력 부가 들
어 있고 취 이 간단하다. 확장형 PLC의 경우는 여러 가지 특수 기능
을 가진 유닛을 추가할 수 있지만, 확장형 PLC는 한번 기종이 선정되
면 발휘할 수 있는 기능이 제한된다. 즉, 기본 유닛의 입출력 수는 기
종 선정의 단계에서 고정되며, 기본 유닛에 증설할 수 있는 입출력
수에도 제한이 있다. 소형 PLC일지라도 치결정유닛이나 아날로그 유
닛 등을 속하여 사용할 수 있는 기종도 다. PLC 본체에 공 하는
원 압은 기종에 따라 고정되어 있으며 교류용은 AC 110V, 220V
는 겸용이고, 직류용은 DC 24V, 12V가 부분이다. 입력신호를 CPU에
받아들이기 한 압은 직류 원으로는 DC12V, 24V가 있고, 교류
원으로는 AC 110V, 220V가 있다. 출력기기를 구동시키기 한 압은
직류 원은 DC 12V, 24V가 있고, 교류 원은 AC 110V, 220V 등이
- 9 -
있다. 소형 PLC는 단독으로 자동화 기계를 제어하는 것이 주목 이며,
선정 시 에서 단독 제어일지라도, 장래에 다른 PLC와 속의 가능성
을 고려할 필요가 있다. 그리고 소형 PLC에도 기종에 따라 상 PLC
와 속이 불가능한 기종도 있으며, 장래의 확장 가능성이 있을 때는
입출력 수가 많지 않더라도 상 PLC와 속이 가능한 기종을 선정
하는 것이 좋다.
3) PLC의 입・출력 유닛
PLC의 입・출력부는 외부 기기에 직 속하는 인터페이스 부분으
로서 PLC 내부는 DC+5(V)의 원(TTL 벨)을 사용하지만 입・출력
부는 내부와 다른 압 벨을 사용한다. 확장형 PLC의 입출력 유닛은
입력유닛과 출력유닛이 각각 독립되어 있으며, CPU유닛에 장착된다.
PLC내부와 입・출력부의 속은 PLC의 시스템 안정에 향을 주므로
입・출력부를 PLC에 속할 때는 다음의 사항을 고려해야 한다.
- 외부 기기와 기 규격이 일치해야 한다.
- 외부 기기로부터의 노이즈가 CPU쪽에 달되지 않도록 해야 한
다.(포토커 러 사용)
- 외부 기기와의 속이 용이해야 한다.
- 입ㆍ출력부는 외부기기의 상태를 감시할 수 있어야 한다.
- 10 -
그림 2.3 입출력기기 구성
Fig 2.3 Input-output device configuration
입ㆍ출력부에 속되는 외부 기기 는 표 2.4와 같다.
- 11 -
I/O 구분 부착 장소 외부 기기의 명칭
입력부
조작 입력 제어반과 조작반
푸쉬 버튼 스 치
선택 스 치
토 스 치
검출 입력
(센스)기계 장치
리 스 치
스 치
근 스 치
벨 스 치
출력부
표시 경보 출력 제어반 조작반일럿 램
부져
구동 출력
(액추에이터)기계 장치
자 밸
자 클러치
자 이크
자 개폐기
표 2.3 입출력 기기
Table 2.3 Input-output devices
4) 입력 유닛
PLC의 입력부는 외부로부터 수신되는 다양한 입력신호를 제어 연산
부가 처리할 수 있는 IC신호 벨로 변환시켜 연산부에 송한다. 즉
입력부는 름버튼 스 치, 리 스 치, 근 스 치 등의 입력신호를
PLC의 제어연산부에 기 신호로 속하기 한 인터페이스 역할을 담
당하는 것이다.
- 12 -
포트 커 러를 사용함으로서 외부 기기와 내부 회로는 기 으로
연되어 내 노이즈성이 강해지며 입력에 포함되는 잡음(noise) 서지
(surge)를 제거하는 필터 회로와 잡음의 내부 침투를 막는 연 회로로
구성되고 연 소자는 포토커 러의 Transformer가 많이 사용되고 있
다. 입력유닛 회로는 그림 2.4가 있다.
그림 2.4 디지털 입력회로
Fig 2.4 Digital input circuit
그림 2.4에서와 같이 입력 유닛은 CPU부와 포토커 러에 의해서
기 으로 연되어 있어서 외부의 잡음이나 낙뢰 등의 향을 막을 수
있도록 되어 있다.
5) 출력 유닛
PLC의 출력부는 시 스 로그램의 연산결과에 따라 실린더나 모
- 13 -
터, 일럿 램 등과 같은 제어 상물을 작동시키거나, NC제어장치나
컴퓨터로 데이터를 송하기 해 제어연산부나 제어 상물 간의 신호
결합을 수행하는 부분이다. PLC로 제어하는 제어 상물은 그 용량이
수 mA의 표시등에서부터 수십 kW와 같은 용량의 모터에 이르기까
지 다양하다. 한 제어 상물을 동작시키는 압도 AC와 DC로 나
어지며, 그 벨도 5V정도의 낮은 압에서부터 수 kV나 되는 높은
압도 있다. 출력의 종류에는 릴 이 출력, 트랜지스터 출력, SSR출력
등이 있고, 그 밖의 출력 모듈로는 디지털-아날로그 변환 출력(D/A) 모
듈, 치 결정 모듈 등이 있다. 출력부 회로는 그림 2.5가 있다.[5]
그림 2.5 디지털 출력회로
Fig 2.5 digital output circuit
2. 1. 4 로그 램 방 식
로그램을 시작하기 에 필요한 자료들을 완성해야 한다. 모든 입
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출력과 내부 치에 한 자료는 몇 가지 이 이 있으며 가장 요한
것은 로그래 과 고쳐 쓰기를 할 때 오류를 제거해 다. 입출력과
내무 비트의 체계 이었다는 것을 뜻한다.
모든 필요한 정보를 얻는 것을 일반 직원이나 비서에게 맡길 수도
있다. 나 에 간단히 체크만 하면 되기 때문이다. 체계 으로 되어 있으
므로 오류는 쉽게 찾아낼 수 있을 것이다. 자료가 완성되었으므로 로
그래 을 시작한다.
어떤 부분을 먼 복사하여 사용할 수 있는지 보기 해 모듈형 항
목을 찾아 공통되는 것을 먼 한다. 논리가 불확실하면 모의로 먼
로그램을 하고 그 다음 어떻게 되는지 보기 해 시뮬 이터나 PLC
로 시험한다. 모듈화 방법으로 근하고 각 스텝마다 시험하여 필요한
만큼 복사해서 사용한다. 문서는 바로 작성하는데, 왜냐하면 나 에 작
성하는 것보다 먼 하는 것이 훨씬 쉽기 때문이다. 다른 사람이 로
그램의 오류를 검토하도록 하거나 실제로 오류의 소지가 될 수 있는 비
정상 인 것을 찾기 해 앞뒤 참조를 이용하도록 한다.[6]
1) IL 방식의 로그램
IL(Instruction list) 방식은 어셈블리 형태의 문자 기반 언어로서 시
스 회로를 load, or, not등 다양한 명령어를 사용하여 로그램 하는
방식으로 래더 다이어그램방식과도 상호 변환이 가능하다. 이 방식은
핸디로더 등을 이용할 때, 사용에는 편리하나 풀그램 디버깅 등이 어려
운 단 을 가지고 있다. 다음 그림 2.6은 IL방식을 사용한 로그램의
를 나타낸다.
- 15 -
그림 2.6 IL 방식 로그램
Fig 2.6 Program example of instruction list
2) LD 방식의 로그램
LD(ladder diagram)방식은 도형기반언어로서 재 가장 많이 사용되
고 있는 방식으로서 릴 이 입력 이나 출력코일 등 릴 이 회로를
구성하는 각종 소자나 장치 등을 로그램 편집 tool에서 제공하는 도
형이나 기호 등으로 표시하는 방식이다. 이 방식은 래더 다이어그램을
그리기 해서는 편집하기에 편리한 컴퓨터가 필요하므로 소규모 PLC
에서는 비용이 많이 드는 단 이 있다. 그러나 래더 다이어그램은 회로
- 16 -
를 모니터링이 가능하여 회로의 변경이나 디버깅 등이 쉬우며 니모닉
방식과 상호 변환이 가능하여 명령어 방식의 로그램으로도 쉽게 볼
수 있다. 그림 2.7은 LD방식 로그램의 를 보여주고 있다.
그림 2.7 LD 방식 로그램
Fig 2.7 Program example of ladder diagram
3) SFC방식의 로그램
SFC(sequential function chart)는 각종 기능블록들을 실행순서에 따
라 순차 으로 구성하여 연동시키는 방식의 로그램 기법으로서 PLC
를 이용한 자동제어 운 에 최 인 구조화 로그램 방식이다.[7]
SFC 로그램의 구조는 PLC언어를 실행순서에 따라 스텝과 트랜지션
으로 나 어 구성하며, 그림 2.8과 같은 구조로 구성된다.
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그림 2.8 로차트 방식의 로그램
Fig 2.8 Program example of sequential function chart
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2. 2 P I D 제 어
2. 2. 1 개 요
제어이론의 한 발 에도 불구하고 시 스제어, 온도제어,
주 수제어, 자동화설비 등에 PID제어기는 단순함과 강인함으로 인해
모든 산업분야에서 폭넓게 사용되고 있다. 부분의 되먹임루
(Feedback loops)는 이러한 PID알고리즘 는 약간의 변형에 의해 제어
된다. PID제어기는 여러 가지 다른 형태로 보완되어졌고 수많은 설비에
용되어지고 제어 기술자들에 의해 일상 으로 사용되고 있다. 특히
오늘날 기술의 요한 일부분인 에 지 생산, 송, 제조를 한 자동화
설비를 만드는데 사용될 수 있다. 이러한 PID 제어기는 다음과 같은 여
러 가지 요한 기능들을 가지고 있다.
1) PID제어기(PID control)는 구조가 간단하고 제어성능이 우수 하고
제어 이득 조정이 비교 쉽기 때문에 산업 장에서 약 80% 이상을
차지할 정도로 만이 사용되고 잇다. PID제어는 비례(P)제어, 미분(D)
제어를 단독으로 쓰거나 혹은 두 가지 이상을 결합한 형태로 사용하
다.
2) 비례제어(P control)는 PID제어기에서 반드시 사용하는 가장 기본
인 제어이며, 구 하기가 쉽다. 그러나 이 제어만으로는 분기가
랜트에 없을 경우에 정상상태 오차가 발생할 수 있다.
3) 분제어(I control)는 정상상태 오차를 없애는 데 사용된다. 그러나
분이득을 잘못 조정하면 시스템이 불안해지고 반응이 느려진다.
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4) 미분제어(D control)는 잘 활용하면 안정성에 기여하고, 측기능이
있어 응답속도를 빠르게 한다. 그 지만 시스템에 잡음성분이 있을
때 미분값이 커지게 되어 제어 입력에 나쁜 향을 미치기 때문에
이 에 주의해야 하며, 따라서 단독으로는 사용하지 않는다.
5) 제어기의 계수를 조정하는 행 를 동조(tuning)라고 하는데, PID제어
기 동조를 한 표 방법으로는 지 러-니콜스(Ziegler-Nichols)
동조법, 계 기(relay)동조법 따 가 있다. 이 방법들은 제어 상 시
스템의 모델을 사용하지 않고 간단한 동조과정을 거쳐 PID계수를 결
정할 수 있기 때문에 장에서 많이 활용되고 있다.
6) PID제어기 계수는 제어 상 시스템의 모델이 주어질 경우에 주 수
역 설계법, 근궤 법, 과도응답법 등을 사용하여 반복과정을 통해
설계할 수 있다.
7) PID제어기에 구동기를 연결하여 사용할 때 구동기에 포화특성이 있
으면 분 (integrator windup) 상이 생겨 불안정하게 되는데,
이를 막기 하여 방지(antiwindup)기법을 사용한다.
8) PID제어기는 구성형태에 따라 크게 병렬형과 직렬형으로, 그리고 신
호의 형태에 따라 연속형과 이산형 등으로 나 수 있다. 여기서 연
속형 이산형 제어기란 제어기의 입출력신호가 시간에 해 각각
연속 이고 이산 인 것을 말한다.
9) PID제어기의 형태는 병렬형이 기본형이지만 실제로 구 할 때에는
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필요에 따라 직렬형으로 하거나 미분기 앞 단에 필터를 부착하는 필
터형 등 여러 가지 변형되어 쓰인다.[8]
2. 2. 2 발 과 정
PID제어기가 이론 으로 연구가 시작된 것은 1868년 Maxwell이 “
On Governor"라는 논문을 발표하면서 부터인데 착상은 1922년
Minorsky의 논문에서 시작되었다. 그러나 그 원형은 1936년 Callendar
의 논문에서 구체 으로 이루어졌다. 한편 산업 시스템에 응용한 것은
17세기 J. Watt가 가버 장치를 사용하여 증기기 의 속도를 제어 한
것부터 보는 것이 일반 이다.
PID제어기의 제어알고리즘은 큰 변화 없이 지속되어 오다가 1963년
Hirwitz가 5종류의 2자유도 제어기가 개발되면서부터 외란에 한 강인
성과 제어성능을 동시에 만족할 수 있는 PID제어기의 제어 알고리즘이
제시되어 구 에 큰 환기를 맞게 되었고 1985년에는 미분선행형
I-PD제어기법 등이 채용되었다.
재에는 PID제어기는 1950년 후반에 개발된 응 제어기법과 최
근의 퍼지 제어기법을 이용한 제어 알고리즘은 물론 제어이론을
이용한 방법 등 매우 다양한 제어 알고리즘을 용한 PID제어기가 개
발되어 있는 설정이다.
종래의 PID제어기는 자유도의 선택 방법, 필터나 보상기의 설치방
법, tuning기법은 물론 운 원의 사용방법에 따라 제어성능에 있어서
한 차이가 발생하 고 제어와 같이 완벽하게 랜트 변수 상호
간의 구성 특성 등을 알 수 없는 결 등이 있으나 꾸 히 연구가 진
행되어 지능 인 튜우닝 기법의 개발, 고속 칩을 이용한 응답성능
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machine interface의 개선 등으로 그 활용성은 더욱 넓어져가고 있는
설정이다.[9]
2. 2. 3 P I D 모 드 의 특 성
1) P제어기
비례 제어란 기 신호와 되먹임 신호 사이의 차인 오차 신호에 당
한 비례상수 이득을 곱해서 제어신호를 만들어내는 제어기법을 말하며,
오차신호에 비례하는 제어신호를 만든다는 뜻에서 이 기법에 의한 제어
기를 비례제어기, 는 문약자를 써서 P제어기라고 부른다. 그림 2.9
의 블록선도는 랜트에 P제어기를 연결해서 구성한 되먹임 제어시스
템의 일반 인 형태를 보여주고 있다. 이 그림에서 K는 P제어기의 이
득이다.
그림 2.9의 블록선도에서 볼 수 있듯이 P제어기는 구성이 간단하여
구 하기가 쉽다. 그러나 이득 K의 조정만으로는 시스템의 성능을 여러
가지 면에서 함께 개선시키기는 어렵다.
그림 2.9 P 제어기 블록선도
Fig 2.9 Block diagram of the P controller
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2) PI제어기
비례 분 제어란 오차신호를 분하여 제어신호를 만들어내는 분
제어를 비례제어에 병렬로 연결하여 사용하는 제어기법을 가리킨다. 비
례제어 부분과 더불어 오차신호를 분(integral)하여 제어신호를 만드
는 분제어를 함께 쓴다는 뜻에서 이 기법에 의한 제어기를 비례 분
제어기(proportional-integral controller). 는 문약자를 써서 PI제어
기라고 부른다. 그림 2.10의 블록선도는 랜트에 PI제어기를 연결해서
구성한 되먹임 제어시스템을 보여주고 있다. 오차 신호와 제어신호사이
의 달함수로 표시되는 PI제어기의 달함수는 (2.1)로 나타낸다.
C(s)=Kp+Kis
(2.1)
(2.1)에서 Kp는 비례계수, Ki는 분계수라고 부른다. 이 제어기의 제어
신호를 시간 역에서 나타내면 그림 2.10과 같다.
그림 2.10 PI 제어기 블록선도
Fig 2.10 Block diagram of the PI controller
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3 ) P D 제 어 기
PD제어란 오차신호를 미분하여 제어신호를 만들어 내는 미분제어를
비례제어에 병렬로 연결하여 사용하는 제어기법이다. 비례제어 부분과
더불어 미분제어를 함께 쓴다는 뜻에서 이 기법에 의한 제어기를 비례
미분 제어기(proportional-derivative controller), 는 문약자를 써서
PD제어기라고 부른다. 그림 2.11의 블록선도는 랜트에 PD제어기를
연결한 되먹임 제어시스템을 보여주고 있다. 오차신호와 제어신로 사이
의 달함수로 표시되는 PD제어기의 달함수는 (2.2)에 나타낸다.
C(s)=Kp+Kds (2.2)
(2.2)에서 Kp는 비례계수, Kd는 미분계수이다. 이 경우에 제어신호는 시
간 역에서 그림 2.11과 같다.
그림 2.11 PD 제어기 블록선도
Fig 2.11 Block diagram of the PD controller
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4 ) P I D 제 어 기
PID제어기는 비례(P), 분(I), 미분(D) 제어기의 세 부분을 병렬로
조합하여 구성하는 제어기로서 그림 2.12의 블록선도는 랜트에 PID제
어기를 연결한 되먹임 제어 시스템을 보여주고 있다. PID제어기를 달
함수로 표시하면 다음과 같다.
C(s)=U(s)E(s)
=K p+K ds+K is
(2.3)
여기서 Kp, Kd, Ki는 비례계수, 미분계수, 분계수이다. 시간 역에서
PID제어신호를 표시하면 (2.4)와 같다.
u(t)=k[e(t)+ 1T i
⌠⌡
t
0e(τ)dr+T d
de(t)dt ] (2.4)
u : 제어변수(Control variable)
e : 제어오차( e=r-y)
K : 비례이득(Proportional gain)
T i : 분시간(Integral time)
T d : 미분시간(Differential time)
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그림 2.12 PID 제어기 블록선도
Fig 2.12 Block diagram of the PID controller
그림 2.12에서 보듯이 제어기로 입력되는 값은 랜트의 출력값과
랜트가 출력해야 하는 값의 차인 오차신호(e)이다. 일반 으로 부분
의 제어기는 오차신호를 되먹임(feedback) 받아서 제어기 출력신호를
출력하도록 설계되어 진다. PID 제어기는 오차신호를 (2.4)와 같이 처리
하여 제어 신호(u)를 계산한다.
따라서 제어기 매개변수(parameter)는 비례이득 K, 분시간 T i 그리
고 미분시간 T d 이다. 한 비례, 분, 그리고 미분의 3항으로 표시된
다.
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2. 2. 4 P I D 이득 의 특 성
PID 제어기는 모든 이득값이 0이 아닌 값을 가져야만 하는 것이 아
니다. 만약 비례이득 KP의 값만 0이 아닌 값을 갖게 되면 P제어기이며,
분이득 KI의 값만 0이 아닌 값을 갖게 되면 I제어기, 미분이득 KD의
값만 0이 아닌 값을 갖게 되며 D제어기가 된다. 이러한 조합으로 PI
제어기 혹은 PD제어기가 만들어 질 수 있다. PID제어기의 설계시 아래
와 같은 각 이득 값들의 변화에 따른 랜트의 응답 특성을 알면 매우
편리하다.
․ 비례이득 KP의 값은 랜트 응답의 상승시간(rise time)을 이는
효과가 있으며, 상승시간을 일 수 있다. 그러나 정상상태 오차
(steady state error)를 없애지는 못한다.
․ 분이득 KI의 값은 정상상태 오차를 제거하는 효과를 가지고 있지
만, 과도응답 특성을 좋지 않게 만들 수 있다.
․ 미분이득 KD의 값은 시스템의 안정도를 향상시키는 효과를 갖고 있
어서 오버슈트를 이고, 과도응답 특성을 향상시킬 수 있다.
와 같은 특성을 정리하면 표 2.4와 같다.
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응답특성
이득값상승기간 오버슈트 정착시간
정상상태오
차
KP 감소 증가 약간변화 감소
KI 감소 증가 증가 제거
KD 약간변화 감소 감소 약간변화
표 2.4 PID 동작에 한 특성
Fig 2.4 Characteristics of PID operation
이러한 특성들을 이용하여, PID 이득값을 튜닝하면 원하는 랜트의
응답특성을 낼 수 있는 PID 제어기를 설계할 수 있다. 각 계수들의 상
계는 각 계수들끼리 서로 향을 미치기 때문에 항상 일정하지는
않다. 실제로, 한 계수의 변화가 다른 두 계수를 변화시키는 효과를 낼
수 있다. 이러한 이유로 표 2.4의 내용은 각 계수들의 값을 결정할 때
하나의 참고로서만 활용될 수 있을 것이다.[10]
2. 2. 5 계 단 응 답 법
PID 제어기에서 양호한 제어 결과를 얻기 해서는 제어 상에서
합한 각 정수( 라미터)의 최 치를 구해야 합니다. 여기에서는 PID
의 3정수(비례 게인(KP), 분 시간(TI), 미분 시간(TD))의 최 치를 구
해야 한다.
계단 응답법은 제어 시스템에 해 0 → 100%의 스텝 reference를
주어 입력 변화로부터 구한 동작 특성(최 경사(R), 낭비 시간(L))에서
PID의 3정수를 구하는 방법이다.[11]
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비례 게인
(KP)[%]
분 시간
(T1)[×100ms]
미분 시간
(TD)[×10ms]
비례 제어
(P 동작)1RL
×출력값(MV) --- ---
PI 제어
(PI 동작)0.19RL
×출력값(MV) 33L ---
PID 제어
(PID 동작)1.2RL
×출력값(MV) 20L 50L
그림 2.13 반응 곡선법
Fig 2.13 Reaction curve method
표 2.5 지 러-니콜스 동조법(계단응답법)
Table 2.5 Ziegler-Nichols tuning method(step response method)
2. 2. 6 Z i e g l e r- N i ch o l s 방 법 을 이용 한 P I D 이득 조 정법
Ziegler-Nichols 방법에는 25%의 감쇠비를 기본으로 하여 PID 이득
을 조 하는 방법과 안정한계상태에서 이득을 조 하는 방법이 있다.
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PID 이득을 각각 Kp, Ki=KpTi
, Kd=KpTd 라 하면 Ziegler-Nichols의
안정 한계법을 용하기 해서 먼 임계이득Km과 임계진동수 wm를
구해야만 한다. 이들을 구하는 방법에는 분이득 Ki와 미분이득 Kd를
으로 놓고 비례이득 Kp를 불안정한 상태직 까지 증가시킨다. 이때,
이득 Km을 임계이득이라 하며 진동수 wm을 임계 진동수라 한다.
그림 2.14 지속 진동을 나타내는 형
Fig 2.14 Waveform of the sustained oscillation
그림 2.14에서 보는 바와 같이 임계주기 Pm은 임계진동수 wm의 역수
이다. 따라서, 임계진동수는 수식으로 나타내면 (2.8)과 같다.
wm=1Pm
(2.8)
이와 같이 측정해서 임계 진동수 이득을 구한다.[12]
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3 . 가 압 수 설 비
3 . 1 수 방 식 의 분 류 와 특 성
물을 사용하는 모든 건축물에 있어 최소 물 공 압력이 유지될 때
연결된 배 설비 장비가 재 기능을 발휘한다. 즉, 물을 사용할 수
있는 것이다. 최소 압력이 유지 되지 않을 경우에는 압력을 끌어올리기
해 보통 다음의 6가지의 방법을 사용한다.
3 . 1. 1 수 도 직 결 방 식
수도직결방식의 특징과 개략도는 그림 3.1과 같다. 수도직결방식은
수도본 에서 직 수를 하며 2층 건물까지의 단독주택은 거의 이 방
식이다. 설비조작은 기계 설비를 필요로 하지 않으므로 조작이 간단하
다. 수압력변화는 수도본 의 수 압력변화에 직 향을 받는다.
수도직결방식의 장 은 생 리, 유지 리상 가장바람직한 방식으로
건설비가 렴하다. 단 으로는 수도의 본 수압에 직 향을 받는다.
특히 지역, 시간, 계 에 따라 수압이 변한다.
한, 인입 공사분담 , 기본요 등은 인입 경이 커짐에 따라 증가
하게 되며 인입 경의 크기는 수도공 자에 의해 제약을 받는다.
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그림 3.1 수도직결 방식
Fig 3.1 Water service system
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3 . 1. 2 고 가 수 조 방 식
고가수조방식의 특징과 개략도는 그림 3.2와 같다.
그림 3.2 고가수조 방식
Fig 3.2 High water tank system
고가수조방식은 Pent house등 건물의 옥상에 수조를 설치하여 력
에 의해 수한다. 고층 아 트의 경우에는 간 수조 등을 설치하여
층부의 수압을 조 한다. 이 방식은 고층빌딩에서 많이 사용되고 있
다. 기존의 아 트 수방식으로 많이 이용되고 있다. 설비조작은 수
조 고가수조로 2개 수조를 필요로 한다.
조작방법은 양수펌 의 on-off제어로 간단하다. 그러나 상층부 수압
부족으로 인한 문제가 많이 발생한다. 정수두압력은 일정하며 력식이
기 때문에 하층부에서는 수압이 높고 상층부에서는 낮게 된다.
한, 단수, 단 , 펌 의 고장시에도(고가수조 보유수량만큼의) 수공
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이 가능하다. 단 으로는 수조, 고가수조의 수질 리 청소가 필요하
며 수조, 고가수조의 설치공간이 필요하다. 옥외에 설치된 고가수조의
경우에는 수온의 변화, 동결, 먼지 등의 침입으로 비 생 이다. 고가수
조로부터 수직높이 10m이내, 즉 아 트의 경우 상부 3-4개층, 일반 건
물에는 상부 2-3개 층의 수압이 부족하다.
3 . 1. 3 펌 직 송 방 식
펌 직송방식의 특징과 개략도는 그림 3.3과 같다.
그림 3.3 펌 직송 방식
Fig 3.3 Pump dispatch system
펌 직송방식은 펌 운 에 의해 직 수를 하고 고가수조를 설치하
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지 않는 고층 아 트에 많이 사용되고 있다. 펌 직송방식의 설비조
작은 복잡하나 완 자동제어 되므로 운 조작은 간단하게 된다.
수압력변화는 수압제어장치를 설치함으로써 안정되어 있다. 펌
직송방식의 장 은 수도직결방식을 제외한 타방식 에서는 장비 설치
공간이 가장 작고, 시공도 간단하다. 가변속 펌 채용, 한 수분할
말단압력제어 등으로 에 지 약이 가능하다. 가변속 펌 에서는
수압력변동이 훨씬 다.
펌 직송 방식의 단 으로는 수부하 유량설계와 기기의 선정이
부 합하면 에 지의 낭비가 크게 된다. 제어가 복잡하고 고장시 리
체제(A/S)를 고려할 필요가 있다.[13]
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3 . 1. 4 압 력 수 조 방 식
압력수조방식의 특징과 개략도는 그림 3.4과 같다.
그림 3.4 압력수조 방식
Fig 3.4 Pressurized water tank system
압력수조방식은 압력탱크에 가압 펌 로 수를 주입하여 탱크의 공
기에 의한 압력으로 수한다. 보수 리가 항상 필요하며 소규모의
집합주택에서 사용되는 경우가 종종 있다.
설비조작은 형의 압력수조가 필요하므로 설비가 복잡하고 조작은
압력 탱크의 on-off제어로 하게 되므로 간단하다. 수압력변화는 압력
수조의 압력이 변화하기 때문에 불안정하다.
압력수조방식의 장 은 고압을 쉽게 얻을 수 있고 부스터 펌 방식
보다 제어가 비교 간단하다. 압력수조방식의 단 으로는 수압력의
변동이 크고 형압력 수조의 설치공간이 필요하고 압력수조내의 방충
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처리가 필요하다. 수 에 공기를 계속 보 해야 하므로 주기 인 유
지 리가 필요하다.
3 . 1. 5 가 압 펌 방 식
가압펌 방식의 특징과 개략도는 그림 3.5와 같다.
그림 3.5 가압펌 방식
Fig 3.5 Booster pump system
가압펌 방식의 주요 구성부품으로는 격막식 압력탱크, 입형다단
한 단단볼류트 펌 , 자동제어반( 자식 콘트롤러에 의한 인버터 제
어로 일정 수 압력제어), 2-6 펌 조합(자동순차 교 운 )등이
있다. 부스터펌 방식의 작동원리는 수개소의 수필요에 따라 최
로 인버터가 장착된 펌 가 기동하여 모터회 수 제어를 하면서 필요한
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수량과 일정한 압력으로 수한다. 부하가 증가하면 기하고 있는
펌 가 차례로 가동되어 필요한 양만큼 수만을 보충하고 불필요한 동
력낭비를 인다. (인버터출력은 수량 변동에 따라 계속 가변속 되면
서 일정한 압력유지와 동력비 감을 가져온다.)
미량의 수 배 수시에는 펌 가동 없이 가압 탱크에 장되
어 있는 물로서 수한다. 가압 탱크내에 있는 공기는 격막식이므로 임
의로 빼거나 설되지 않는 한 원히 존재한다.
부스터펌 방식은 건물높이 규모에 계없이 어떠한 시스템에도
용이 가능하다.
가압펌 방식의 수압력의 변화는 인버터 제어시에는 수량 변동
에 따라 펌 모터의 회 수를 제어하므로 동력 감과 동시에 수압력
을 ± 0.2 ㎏/㎠ 이내로 유지 시킬 수 있다.
가압펌 방식의 장 은 다음과 같다.
- 수량의 필요량에 따라 인버터제어와 수제어가 병행되므로
수동력비를 연속가동시보다 35%이상 감 시킬 수 있다.
- 인버터제어로 soft start/stop 시킬 수 있다.(Water hammer방지)
- 옥상고가수조에 비해 수펌 수는 늘어나지만, 옥상고가수조의
미설치와 1-line 배 구성으로 체 인 원가는 오히려 폭 감소
한다.(30-50%이상)
- 신축건물이 고도제한의 용을 받는 경우 옥상고가수조를 설치하
는 건물 보다 유연한 처를 할 수 있다. 한, 2-3층 정도의 건
물을 더 높임으로써 건축 면 의 이익을 보며 매끄러운 건축미로
건축물의 조형미를 살려둔다.
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- 가압 탱크내에 장되는 물은 탱크내면과 직 하지 않으므로
녹물발생이 없으며 배 계 자체도 폐계 이므로 부식 물
의 오염원을 차단시킬 수 있다.
- 옥상의 고가수조의 미설치로 건축구조의 경량설계로 건축비를
일 수 있고, 한 공기의 단축을 가져올 수 있다.
- “년2회 물탱크청소”등의 생 리법규상의 제재사항이 없으므로
유지 리의 간편성과 경제 인 손실을 막아 다.
가압펌 방식의 단 으로는 고가수조의 양수펌 에 비하여 on/off
운 횟수가 잦고 고가수조의 수방식보다 약간의 압력변동이 있다.(±
0.2 ㎏/㎠)[17]
3 . 1. 6 기 타 방 식
기타 방식으로 무탱크 다가압펌 방식(Tankless multiple
centrifugal pump booster system)과 가변속 가압펌 방식(variable
speed drive centrifugal pump booster system) 등이 있다. 이 가운데
무탱크 다가압펌 방식의 가장 큰 결 은 물을 쓰지 않을 때에도 운
이 지속된다는 이다. 이러한 결 은 펌 정지 기능과 유량 운 방
지 펌 토출측 배 에 가압 장탱크를 추가함으로써 해결할 수 있
으며, 이러한 방식을 계단 제어(step control)방식이라 한다. 가변속 가
압펌 방식은 펌 의 회 속도를 변화시킴으로써 요구수량을 만족시키
는 방식으로서, 소유량 구간에서 용량 가변속 펌 의 비경제 운
을 피하기 해 계단제어방식과 조합하여 사용하기도 한다.[14]
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3 . 2 가 압 펌 의 제 어 방 식 별 특 성 곡 선
3 . 2. 1 수 제 어 방 식
펌 를 기동, 정지시킴으로서 원하는 유량을 얻는 방식이다. 모든 펌
가 정지된 상태에서 수용가의 기 물소비량은 탱크내에 장된 물로
보내게 되며, 물소비량이 증가하여 배 내의 압력이 설정된 기동압력으
로 내려가면 1번 펌 가 기동하게 되며, 물소비량이 증가함에 따라 펌
가 순차 으로 기동하게 된다.
시스템의 운행범 는 모든 펌 의 기동 (주펌 운행ㆍ정지 압력
-조정가능)에서부터 최 부하 운행펌 의 기동 정지 (가동 기펌
의 기동압력 ) 사이에 형성된다. 물소비량이 어들면서 설정된 정
지압력에 도달하게 되면 펌 는 순차 으로 정지하게 된다. 이때 제어
기는 가장 오래 운 한 펌 가 먼 정지하도록 제어함으로써 각 펌
의 수명을 일정하게 유지하도록 하게 된다. 펌 의 빈번한 기동 정지
사이클을 방지하기 하여 딜 이 타이머를 설치하여 기동ㆍ정지압력에
도달한 후 일정시간(약 180 ) 운 후 정지하도록 한다.
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그림 3.7 수 제어
Fig 3.7 Algebraic number control
그림 3.7은 수제어방식의 운 단계를 보여주고 있는데, 이것을 단
계별로 정리하면 다음과 같다.
▶ 부하 증가시
- a에서 최 펌 가 기동
- 부하가 증가하면 a-c로 이동하고 부하가 계속 증가하여 c에 도달하면
p2가 기동
- p2가 기동하고 기에는 c-d로 압력이 상승하고 부하가 계속 증가하
면 d-e로 수 압력이 감소
▶ 부하 감소시
- p1+p2 기동 수부하가 감소하면 e-d로 수압력 증가
- 계속 부하가 감소하면 d에서 p2가 정지하고, d-c로 수압력 감소
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(p1만 운 )
- 부하가 계속 감소하면 c-d로 수압력 상승, b에서 p1정지
3 . 2. 2 인버 터 ( 회 수 ) 제 어 방 식
물소비량에 따라 펌 의 회 속도를 변화시킴으로서 토출압력을 일정
하게 유지시키는 방식이다. 압력센서는 토출측 배 의 압력을 검출하여
기 신호로 바꾸어 제어기로 보내고 검출된 압력이 설정압력보다 낮
을 시 제어기는 인버터에 신호를 보내 1번 펌 (인버터 구동펌 )의 회
속도를 증가시킨다.
1번 펌 가 최 회 수(100%)에 도달한 후에도 설정압력에 미치지 못
할 경우 2번 펌 (정속운 펌 )가 기동하게 되면서 1번 펌 는 최소
회 속도로 운 된다. 물소비량의 감소에 따라 압력이 낮아지면 1번 펌
가 최소 속도에 도달하게 되면 마지막으로 기동했던 펌 를 정지시키
고 1번 펌 는 최 회 속도로 운 하게 된다.
시스템의 운행범 는 가동 기 펌 가 구동 직 의 압력이 가동 이고
개개의 최 운행 펌 가 정지 직 의 압력이 펌 정지 이 된다. 따라
서 주 수 변조방식은 ⊿P의 폭을 좁게 유지 할 수 있으며 주 수 변
조기로 주 펌 의 정지시 발생하는 격한 압력의 변화를 보상하는 시
스템으로 구성된다.
시스템의 가동은 가동형 부근까지 압력이 낮아지면 곧바로 주펌 가 주
수 변조기 제어에 의하여 서서히 가동하고 유량의 변화가 없으면 제
어기에 의하여 서서히 가동하고 유량의 변화가 없으면 제어기에 의하여
지되므로 시스템 헌 (system hunting)에 의한 압력변동을 제어할 수
있다.
- 42 -
그림 3.8 인버터 제어
Fig 3.8 Inverter control
그림 3.8은 인버터 제어방식의 운 단계를 보여주고 있는데, 이것을
단계별로 정리하면 다음과 같다.
▶ 부하 증가시
- a에서 최 펌 가 기동
- 부하가 증가하면 펌 의 회 수가 증가하여 a-b-c로 이동하고, 부하
가 계속 증가하여 c에 도달하면 p2가 기동
- p2가 기동하면 순간 으로 p1의 회 수는 감소하여 c-b-a 는 c-b
로 이동
- p2가 기동하고 p1은 기에는 a와 c사이에서 회 수가 변화하며, 부
하가 계속 증가하면 c로 회 수가 최고로 상승
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▶ 부하 감소시
- p1+p2 기동 수부하가 감소하면 p1의 회 속도가 감소
- 부하가 계속 감소하여 p1의 회 속도가 최소가 되면 a로 이동하고
a에 도달하면 p2는 정지하고 순간 으로 p1의 회 속도는 상승하여
a-c로 이동
- p1의 회 수는 a와 c에서 변화하며 수부하가 감소하면 회 속도가
감소하여 a에 도달하면 p1도 정지[15]
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4 . 실 험 결 과
4 . 1 시 스 템 의 구 성
본 논문의 실험을 하기 해서 사용된 장치는 PLC를 비롯하여 인버터
그리고 기타 기 자재들을 사용하여 시스템을 구성하 으며 부스터 펌
에 연결하여 테스트를 하 다.
다음은 실험에 사용된 기기의 리스트 이다.
▶ 노트북 : 센스
▶ PLC : FX2n-80MR
▶ A/D : FX2n-4AD
▶ D/A : FX2n-2DA
▶ INVERTER : ACS-401000632
▶ 측정기기 : DX220-1-2
▶ 기타 기 자재
▶ 부스터 펌 장비
그림 4.1은 PLC의 아날로그 모듈에 입력을 받아 PLC가 연산을 하
고 연산을 한 결과 값을 아날로그 출력 모듈을 통해 인버터에 속도를
보내주며 인버터에서 펌 에 출력을 주는 구성을 나타낸 그림이다.
- 45 -
그림 4.1 시스템 구성도
Fig 4.1 Block diagram of system configuration
4 . 2 시 스 회 로도
그림 4.2 시 스 회로도
Fig 4.2 Sequence circuit
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4 . 3 실 험 결 과
4.3.1 자동 동조
그림 4.3의 순서도에 의하여 운 을 실시하 다. 운 이 시작된 후
그림 4.4에서처럼 압력의 편차가 심하게 운 이 되었으며 몇 후에는
일정하게 압력을 유지 하다 PLC에서 출력이 되는 정지신호에 의해 펌
가 정지 되었다. 오토튜닝의 결과값을 보기 해 래더 다이어그램의
로그램에서 각각의 Kp(D513), Ki(D514), KD(D516)의 값을 알 수가
있었다.
그림 4.3 자동 동조 순서도
Fig 4.3 Flowchart of auto-tuning
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그림 4.4 자동 동조 궤
Fig 4.4 Auto tuning trajectory
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4.3.2 P 운
목표값 D500(4.8bar)에 설정하고 비례상수를 300을 입력하여 운 을
실시하 다.
그림 4.5 P 운 궤
Fig 4.5 Trajectory of P operation : P=300, I=0, D=0
그림 4.5에서 비례상수를 크면 클수록 피드백신호가 목표값에 빨리
근하게 된다. 비례상수를 작으면 피드백 신호가 목표값에 근하지
하지 못한다. 비례값을 무 크게 하면 진동이 일어나 제어의 안정에
나쁜 향을 수 있다.
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4.3.3 PI 운
목표값 D500(4.8bar)를 설정하고 운 하 다.
(a)
(b)
그림 4.6 PI 운 궤
Fig 4.6 Trajectories of PI operation : (a) P=300, I=40, D=0,
(b) P=300, I=100, D=0
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그림 4.6의 (a)에 비례상수에는 300를 입력하고 분상수에는 40을
입력하고 미분상수에는 0을 입력한 상태에서 운 을 하 다. 그림 4.6의
(b)에는 비례상수에는 300를 입력하고 분상수에는 100을 입력하고 미
분상수에는 0을 입력한 상태에서 운 을 하 다.
(a)에서 분시간을 짧게 하면 출력값에 가감하는 양이 많아지게 되어
짧은 시간에 피드백신호가 도달하는 것을 알 수가 있습니다.
(b)에서 분시간을 길게 하면 출력값의 가감량이 어지고 따라서 피
드백 신호가 목표값에 근하는데 시간이 길어지는 것을 알 수가 있
습니다.
의 그림에서 (a)와 (b)를 놓고 비교를 했을 때 분상수를 크게 하
면 크게 할수록 목표값에 근하는데 시간의 차이가 있다.
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4.3.4 PID 운
목표값을 D500(4.8bar)를 설정하여 운 을 실시하 다.
(a) (b)
(c) (d)
그림 4.7 PID 운 궤
Fig 4.7 Trajectories of PID operation : (a) P=300, I=20, D=2,
(b) P=300, I=20, D=6, (c) P=300, I=40, D=2, (d) P=300, I=40, D=10
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(a)에는 P(300), I(20), D(2)를 입력하고 (b)에는 P(300), I(20), D(6)
를 입력하 다. (c)에는 P(300), I(40), D(2)를 입력하고 (d)에는 P(300),
I(40), D(10)를 입력하여 실험을 하 으며 결과는 그림 4.7에 나타나 있
다.
(a)와 (b)에서 미분값을 키우면 크게는 나타나지 않지만 목표값보다
많이 올라가는 것을 알 수가 있으며, (c)와 (d)는 분값을 크게하면 목
표값에 추종하는데 시간이 걸리는 것을 알 수가 있었다.
최 의 조건을 충족하기 해서는 PID 상수를 하게 입력하여
운 을 하여야 하며 이번 실험의 결과로 최 의 조건으로 P(300), I(20),
D(2)에서 목표값에 잘 추종함을 알 수가 있었다.
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5. 결 론
이 논문에서는 순차제어에 주로 사용되는 PLC를 활용하여 PID제
어기를 구 하는 방식에 해 연구함으로써 PLC의 용범 를 확 하
는 방안을 제시하 다. 이 방식은 PLC의 CPU에서 제공하는 PID기능을
활용하기 때문에 별도로 PID모듈을 구입할 필요가 없어서 부가비용 없
이 경제 으로 구성할 수 있다. 이 논문에서는 이와 같은 방식으로 제
어기를 구 하여 부스터 펌 의 압력변동에 따라 인버터의 출력을 제어
하는 시스템에 용하는 실험을 수행하여 성능을 검증하 다.
제어 상 부스터 펌 에는 압력센서가 설치되어 실시간으로 압력을
읽어서 아날로그 입력 모듈에 달되며, PLC에서는 이 값을 받아서 목
표압력과의 차를 계산하고 PID 연산에 의해 제어신호를 계산하여 출력
값을 내보낸다. 이 출력값은 아날로그 출력모듈을 통해 인버터에 달
되고, 인버터에 의해 펌 를 제어하게 된다. 이 논문에서는 PID제어기
의 동조방식은 지 러-니콜스의 계단 응답법을 기 로 하 고, 제어알
고리즘은 PLC의 CPU에서 제공하는 PID기능을 써서 래더 다이어그램
으로 로그램을 작성하 으며, 이 로그램은 참고용으로 부록에 수록
하 다.
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참고문헌
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학교 석사학 논문, pp. 1, 2000
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학교 석사학 논문, pp. 1-2, 2001
[3] 김보연 외, "자동제어 부품을 활용하자Ⅱ", 한진, pp. 241-244, 2001
[4] 임윤식 외, "시 스 PLC제어", 복두출 사, pp. 101-103, 2003
[5] 윤일병, "PLC/PID 제어 모듈을 이용한 수처리 시스템의 최 제어",
남 학교 산업 학원 석사학 논문, pp. 8-9, 2001
[6] 한국계측제어 회, "PLC 시스템 구축과 로그래 기획특집", 2002
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[8] 권욱 외, “자동제어공학”, 청문각, pp. 352-375, 2003
[9] 김동화, "(인공지능)자동화 공정제어", 기다리, pp. 298, 1998
[10] 권욱 , "고 제어 설계", 청문각, pp. 248-249 , 2004
[11] 한능테크노, "FX1S, FX1N, FX2N, FX2NC 로그래 매뉴얼",
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[12] 한기 외, "알기쉬운 자동제어", 구민사, pp. 206-207, 2004
[13] 순 , "아 트 수방식 선정을 한 비교 고찰", 숭실 학교 산업
학원 석사학 논문, pp. 3-10, 2000
[14] 유해성 외, "인버터 제어방식의 동기를 탑재한 소형 부스터 펌 ",
장한기술부설연구소, pp. 19, 2000
[15] 석경철, "공동주택에서 고가수조 수방식과 부스터 펌 수방식의
경제성비교", 남 학교 석사학 논문, pp. 10-13, 2002
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감사의 글
논문을 준비하면서 많은 어려움이 있었으나 세심한 지도와 아낌없이
격려를 해주신 권오규 교수님께 진심으로 감사를 드립니다.
또한 심사를 맡아 저에게 많은 지도와 격려를 해주신 이복희 교수님
과 김영석 교수님께도 진심으로 감사를 드립니다.
그리고 저에게 논문주제를 추천해주시고 실험도 할 수 있게 해주신
신상윤님에게도 진심으로 고맙게 생각합니다.
저에게 많은 아낌없이 응원과 격려를 해주신 조정덕, 임미순, 이호
성, 윤현호, 박귀현, 권오인, 김환숙, 민유정, 이정은, 이맹란님과 그 외
대학원생들 여러분께 고맙게 생각합니다.
오늘이 있기까지 사랑으로 보살펴 주신 부모님께 진심으로 감사를
드립니다. 마지막으로 아무 걱정 없이 열심히 공부만 할 수 있게 뒤바
라지 해준 진영숙에게도 감사를 드립니다.
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부 록
A. 아날로그 입력 로그램 ---------------------------------- 57
B. 아날로그 출력 로그램 ---------------------------------- 58
C. PID제어 로그램 --------------------------------------- 61
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A. 아날로그 입력 로그램
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B. 아날로그 출력 로그램
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C. PID제어 로그램
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