Control Instru mentation

Control Equipment

Abstract

Control equipment refers to devices or systems used to monitor and manage industrial processes, ensuring proper operation, safety, and efficiency. It includes a wide range of instruments, controllers, and sensors that facilitate the measurement, regulation, and automation of various parameters within a system.
Control equipment plays a vital role in industrial automation, process optimization, and safety. It enables real-time monitoring, precise control, and efficient operation of various processes, contributing to improved productivity, reduced downtime, and enhanced product quality.
Control equipment can be categorized into different types based on their specific functions:
- Sensors: Sensors are devices that detect and measure physical quantities such as temperature, pressure, flow rate, level, or humidity. They provide input signals to the control system, enabling the monitoring and control of process variables.
- Transmitters: Transmitters convert the signals from sensors into standardized electrical signals, such as 4-20mA or 0-10V, for transmission to the control system or remote devices. They ensure accurate and reliable transmission of measurement data.
- Programmable Logic Controllers (PLCs): PLCs are industrial-grade digital computers used to automate and control various processes. They receive input signals from sensors, make decisions based on pre-programmed logic, and activate output devices to control valves, motors, or other equipment. PLCs are widely used in manufacturing, energy, and infrastructure industries.
- Distributed Control Systems (DCS): DCS is a control system architecture that integrates various control equipment and components to provide centralized control and monitoring of complex processes. It consists of multiple controllers distributed throughout the system, connected to a central operator interface. DCS is commonly used in large-scale industrial plants such as refineries and power plants.
- Control Valves: Control valves regulate the flow rate, pressure, or level of fluids in a process. They receive signals from the control system and adjust their position or opening to control the flow of the fluid. Control valves play a crucial role in maintaining desired process conditions.
- Human-Machine Interface (HMI): HMIs provide a graphical interface for operators to interact with the control system. They display real-time process data, alarms, and allow operators to monitor and control the system parameters. HMIs enable intuitive and efficient control of the industrial processes.
- Safety Instrumented Systems (SIS): SIS is a dedicated control system designed to ensure the safety of critical processes. It includes sensors, logic solvers, and final control elements that are independently configured to prevent hazardous situations and respond to emergency conditions.

1. 계측제어설비란?

계측제어(I&C ; Instrumentation &Control)란 모든 Process에 계측기기류를 설치하여 공정을 감시하고제어하기 위한 정보처리기술을 말하며 그에 필요한 계측, 제어, 감시 등 제반설비를 총칭하여 계측제어설비라고 한다.
계측제어는 화학플랜트의 자동화에서 시작된 기술로 플랜트에서의 두뇌 및 신경계통을 담당하는 핵심기술로 모든 시설을 시스템화 하여 운영관리자가 합리적이고 효율적으로 운영관리 할 수 있도록 도와주는 기능을 한다.
제어 방식에는 시퀀스 제어(Sequence Control) 방식과 피드백 제어(Feedback control)방식 등이 있으나 일반적으로 두가지 방법 조합 적용 또는 피드백 제어 방식을 주로 적용하고 있다.

(계측제어 메카니즘 개념도)

2. 계측제어설비 주요 구성

계측제어설비는 크게 계측설비, 제어설비, 감시설비 등으로 구성 되며계측장치는 현장에서 물리량을 계측하여 물리신호를 전기적 신호로 변환후 전송장치를 통하여 중앙 감시제어장치로 전송하면 감시 및 자동제어가 이뤄진다.
- ① 계측설비: 검출기, 변환기, 전송장치
- ② 제어설비 :순차제어, 피드백제어 등
- ③ 감시설비 :중앙 감시제어장치, 현장 감시제어장치

3. 주요 구성별 기능 및 특징

1) 계측설비

계측장치는 검출기 및 변환기 (트랜스미 터; Transmitter) 등으로 구성되며, 현장의 프로세스량을 검출하고 변환기는 검출된 물리량을 감시 및 제어하기 위해 전기 신호로 변환시켜 PLC로 전송한다.
검출기
- 유량, 수위, 압력 및 수질 등의 변화량을 검출하고 신호로 변환하는 장치로 정밀도가 좋고 구조, 원리가 간단하며 견고하여야 한다.
- 양적계측 : 수위, 유량, 수온, 압력, 밸브 개도 등
- 질적계측 :PH,탁도 등의 수질계측기기
변환기
- 검출기에서 검측된 아날로그 값을 0~100mV, 4~20mV 등의직류 출력으로 변환시켜 감시제어장치로 보낼 수 있도록 하는 장치이 다.
전송장치
- 전송장치는 검출기에서 검출된 값을 중앙 감시제어장치로 보내주는 시설로 일반적으로 전기신호, 공기압신호, 유압신호로 보내준다.또한 현장 Lcal Panel이 있는 경우에는 신호분배기를 써서 현장과 중앙 감시제어장치로 보내주는데, 보내준 전기신호는 신호변환기에서 아날로그신호로 변환되어 PLC로 입력된다.
- 전기신호 : 4 ~ 20 mA, 1 ~ 5 Vdc, BCD
- 공기압신호 : 0.2 ~ 1.0 kg/
- 유압신호 : 7 ~ 21 kg/
- 전송은 유선의 통신사업자 전용회선, 동축 케이블(CAXIAL CABLE), 광 케이블(PTICAL FIBER) 등 또는 무선방식을 사용하며, 일반적으로 단거리는 외부 노이즈나 전자유도를 피하기 위하여 차단할 수 있는 차폐용 CVVS 케이블이 사용하고, 장거리는 통신사업자 전용회선 또는 무선방식을 사용한다.

(감시 제어실 및 감시제어용 컴퓨터)

2) 제어설비

제어설비란 수처리 플랜트 기능을 충분히 하면서 안전하고 안정된 운영관리가 이뤄질 수 있도록 고 효율화를 목적으로 이뤄지는 자동제어에 관계되는 모든 설비를 칭하며, 자동제어는 순차제어, 피드백제어 등의 방식을 단독 또는 조합에 의하여 제어가 이뤄지고 있다.
※ 자동제어 방식 :개방제어(시퀀스제어, 피드포워드제어), 폐회로제어(피드백제어)
시퀀스 제어(Sequence Control) 방식:미리 정해진 순서에 따라 제어 각 단계를 차례로 행하는 제어를 말한다 . 즉, 한번 행하여지면 재검토하지 않는 개회로(Open loop) 제어 방식으로 순차제어라고도 한다.
적용시설 : 엘리베이터, 세탁기, 냉장고, 자동판매기 등
- 구조 간단,가격 저렴 반면 외부 변동에 대응 불가로 정확성이 떨어짐
- 피드백 제어(Feedback control) 방식: 출력값을 읽어 목표값과 일치되도록정정 동작을 행하는 제어이다.즉, 한번 행한 후 반복하여 목표값에 일치시키는 제어 방식으로 되먹임제어라고도 한다.
- PLC 제어가 이에 속하며 외부 변동에 대응하여 정확성 높으나 구도가 복잡, 고가이다
  ※ PID 제어(Prprtinal Integral Derivative Control) 방식
PID 제어란 제어동작에 의한 분류로 연속제어 중 비례(P; Proportional) + 적분(I; Integral) + 미분(D; Derivative)동작에 의한 제어로 제어 변수와 기준 입력 사이의 오차에 근거하여 계통의 출력이 기준 전압을 유지하도록 하는 피드백 제어의 일종이다.
PID동작은 제어성능이 우수하다. 비례동작으로 헌팅이 없이 제어를 할 수 있고 적분동작으로 잔류편차를 없애고 미분동작으로 외란에 대하여 응답시간을 빠르게 한다
제어설비를 제어 대상 목적별로 나누면 수량 제어, 질적 제어 및 기타 제어로 나눌 수 있다.
- 수량 제어 : 필요하고 충분한 물을 얻기 위해 수위, 수압, 유량을 원하는 값으로 유지하기 위한 제어로 펌프 대수 및 회전수, 유량조절밸브 개도율 등을 제어하여 유량, 수위 및 수압을 일정하게 유지시키는 제어를 칭한다.
- 질적 제어 : 최적이 수질을 얻기 위해 물리적, 화학적 처리 및 잔류 염소 등을 유지하기 위한 제어로 약품류를 일정 유량으로 주입하는 일정치 제어나 원수 유량에 주입률을 일정하게 유지하는 비율 제어를 말한다.
- 기타 제어 :여과지 세정제어나 전력률 제어 등 양적, 질적제어를 제외한 제어로 기계장치 등의 가동, 정지 제어, 여과지 세정제어, 침전지 슬러지 관련 제어, 전력 관련 제어 등을 말한다.

(제어용 PLC)

(제어대상별 목적)


제어 대상	제어 항목	제어 목적
원수 취수 (수량, 수질 제어)	취수량 제어 원수 수질 제어	수요량에 대응한 안정적 취수 원수 상태에 따른 최적 의 여과
정수처리공정 (수질 제어)	전염소 주입 제어 PAC 주입 제어 pH조정제 주입 응집제 주입 제어 중간 염소 주입 오존 주입제어 후염소 주입 제어	철, 암모니아성 질소 제거 이취미 물질 및 유기물질 제거 pH 및 알카리도 조절로 응집 최적화 최적의 응집효과 위해 응집제량 제어 철, 망간, 암모니아성 질소 등 제거 난분해성 유기물 등 산화 및 분해 적정 잔류염소 유지
여과공정(기타제어)	여과지 세정 제어	여과 차압에 따른 여층 효율적 세정
송수 및 배수 (수량 제어)	배수 유량 제어 배수 압력 제어	수요량 시간적 변동에 적정 대응 배수구역 내 적적정압 균등 배수

3) 감시제어시설

감시제어장치에는 중앙 감시제어장치, 현장 감시제어장치가 있으며, 운영관리자가 수처리 플랜트를 전체적으로 운전관리 하는 것을 목적으로 하는 시설이다.
- 주요 구성은 중앙감시반(PRJECTR 설비), 중앙컴퓨터 장치(PS, PES 및 주변기기), 데이터 송수신 장치, 무정전 전원장치 등으로 이뤄지며, 현장에 분산되어 있는 수처리 플랜트설비를 상태를 일괄감시, 조작 및 제어, 자동운전을 수행 할 수 있도록 지원해주는 중요한 장치로 일종의 Brain 이다.
감시제어장치의 기능은 감시, 운전조작, 자동제어, 이력 관리 등의 기 본기능을 가지며 감시장치와 제어장치는 각각 독립되어 있 다.
- 감시 기능은 운영관리자가 기계의 운영 상태, 수질 상태 등을 신속하고 정확하게 감시할 수 있도록 정보를 제공하는 역할을 한다.
- 운전 조작은 감시기능에서 제공되는 정보를 바탕으로 운영관리자가 신속하고 정확한 조작을 지원함과 동시에 적절한 설정 변경이나 조작할 수 있도록 한다.
- 제어 기능은 최적의 기능 및 공정관리가 되도록 연산되어 온/오프 동작 등 기계장치가 자동적으로 결정, 제어되는 기능을 한다.
- 이력관리 기능은 공정관리에 따른 이력정보 및 관리 정보 등을 축적하여 효율적인 운전관리 및 적절한 정수처리공정 관리를 지원한다.
감시제어설비 동작은 계측장치에서 발신된 신호를 입력 받아 PLC에서 연산처리 후 계측제어장치에 보정 값을 보냄과 동시에 필요에 따라 상태나 경보 내용을 표시장치나 기록장치에 출력하는 기능을 한다.
※PLC(Prgrammable Lgic Contrller)
PLC는 기존에 사용하던 제어반(Control panel)의 릴레이, 타이머, 카운터 등의 기능을 IC, 트랜지스터 등의 반도체 소자로 대체시켜 기본적인 시퀀스 제어기능에 연산 기능을 추가하여 프로그램 제어가 가능하도록 한 지능형 제어장치이다.
- PLC를 사용하면 기본적인 시퀀스 제어기능 및 연산처리 기능이 기능하여 제한 없이 시스템을 구성할 수 있는 장점이 있으며, 자동제어에서 가장 많이 쓰이는 컨트롤러이다.
- 예로 부스터펌프인 경우 유출압력을 압력계로부터 전송 받아 PID컨트롤 제어기법을 이용하여 인버터의 주파수를 제어 모터의 회전속도를 조절함으로서 일정압력을 유지시키는 역할을 한다.
현장 제어감시장치(Lcal Panel)는 현장이 크거나 복잡한 경우에 효율적인 시설관리를 위하여 검출된 물리량을 현장에서 제어감시할 수 있도록 하는 단위 공정별로 두는 장치로 기능을 하며 Lcal control station, Data way, 시스템계측제어반 등으로 구성되며, 중앙 제어감시장치의 통제 하에 제어할 수 있다.

(감시제어 시스템)

4. 정수처리 공정 제어항목 및 특징

※ 수도시설 계측제어설비의 도입 목적

품질 관리의 향상
생산성의 향상
사고의 방지 및 고장시 적절한 대처
근무 조건의 향상
운영 개선을 위한 자료(Data)의 수집

1) 주요 계측기기

(1) 유량계

유량계는 일정 면적의 단면을 통과하는 유체의 체적, 질량 또는 중량을 시간에 대한 비율로 표현하는 계기이다.
- ① 체적유량계 : Q = A.v [㎥/s]
- ② 질량유량계 : M = Q.ρ = A.v.ρ [kg/s]
- ③ 적산유량계 : G = ∫Q.ρ = ∫A.v.ρ [㎥,kg]
  (A : 단면적, v : 속도, ρ : 밀도)

(유량계 종류)


구분	유량계의 종류
액체 또는 기체용	용적유량계, 면적유량계, 차압유량계, 터빈유량계, 와류유량계, 초음파유량계, 질량유량계, 적산유량계
액체전용	전자유량계, 개수로유량계

유량계 바로가기

(2) 수위계

수위 측정은 길이 계측 응용의 하나라로 용기 안의 물질량을 측정하는 계기로검출부와 신호변환기 구성되며, 수위측정 방법에는 직접법과 간접법이 있다

(수위계 종류)


분류	방식	종류
직접법	검칙식	HooK Gauge, Point Gauge
	연통관식	Gauge Graph
	부자식	Pulleytlr, Ball Float식, Reed Float식 수위계
간접법	부자식	Displacement식 수위계
	차압식	액위전송기, 투입식 수위계
	Purge 식	Air Purge식 수위계
	전극식	전극봉, 정전용량식 수위계
	초음파식	초음파식 수위계
	기타(분체용)	음차식, 중추 Sounding식, Gamma선 수위계

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(3) 압력계

압력은 온도 및 유량과 더불어 유체의 상태를 나타내는 주요한 요소로 측정방법은 간단히 압력 자체가 측정의 대상이 되는 경우 뿐 아니라. 온도, 유량, 액면 등의 측정에까지 광범위하게 응용된다.
압력계의 종류
- 액주식 : U자관식, 단관식, 경사식
- 역평형식 : Bourdon관식, Diaphragm식, Bellows식
- Open Loop식 : 정전용량식, 반도체식

(압력계)

(4) 수질측정계기

pH계, 탁도계, 전기전도도계, 잔류 염소계, 알칼리도계 등이 있다.
- ① pH계 : pH값은 물의 산성·알칼리성을 나타내는 척도로 응집효과와 배관부식에 영향 미친다.
- ② 탁도계 : 탁도계는 물의 탁한 정도를 광학적으로 측정하는 계기로 정수장에서 원수에 대해 응집제를 주입하는 비율을 결정한다.
- ③ 전기전도도계 : 전기전도도는 수중에 녹아 있는 이온농도의 총량을 측정하여 물의 오염정도의 지표로 삼는다.
- ④ 잔류 염소계 : 잔류염소는 수중에 용존하는 유리유효염소 및 결합형 유효염소의 총량을 나타내는 것으로 잔류염소는 소독의 지표이다.
- ⑤ 알칼리도계 : 수중에 포함되어 있는 중탄산이온(HC3), 탄산이온(C3), 수산화이온(H)등의 알칼리 성분을 탄산칼슘량으로 환산하여 1L속의 질량을 mg/L(ppm)으로 표시한 것으로 응집 작용에 영향을 끼치는 지표이다.

(수질측정계기)

2) 공정 제어

(1) 원수 취수:수위, 유량, 수온, 탁도, 알칼리도, 전기전도도, 염소요구량 등 제어

원수의 수질 상태를 측정하고 감시제어장치에 전송하여 약품 투입량 등을 산출하고, 정수지 수위 또는 송수량을 계측하여 취수펌프 제어

(2) 혼화․응집․침전: 수위, 유량, 탁도, 잔류염소, pH, 알칼리도 등 제어

원수 유량 및 수집된 pH 및 알칼리도, 탁도 등 원수 수질에 따라 약품주입량 제어 및정보를감시장치로 전송
탁도에 따라 응집제량 결정, pH 및 알칼리도에 따라 응집 보조제 주입량을 결정 하며, 혼화응집공정의 경우 플럭형성을 위한 급속혼화와플럭 성장을 위한 완속 교반을 위하여 교반기 제어 감시가 이뤄진 다.
- 응집제량 결정은 주기적인 자테스트에 의한 수질 측정 방법과 실시간으로 수질을 측정 약품량을 제어하는 방법이 있다.
- 약품 주입을 제어하는 방법에는 정량주입 제어, 처리수 비례주입제어, 피드포워드주입 제어, 피드백주입 제어(수질일정 제어) 등이 있으며,약품량 제어 설비에는 제어밸브, 정량주입펌프, 약품주입기 등이 있다.
고속응집침전 공정의 경우 조(지) 간 유량 균등 분배 되도록 유량제어가 이뤄져야 한다.

(3) 여과공정:여과지 수위, 여과지 손실수두, 여과유량, 탁도, 밸브 상태 등

여과지간 유량이 균등 분배 되도록 제어 및 감시가 이뤄지며, 여과 방식에 따라 정속여과, 감쇠여과 그리고 여과수량 조절방식에 따라 유입수량 제어, 유출수량제어가 이뤄지며 유량 및 수위 조절 밸브 개도조절 등에 의하여 이루어진다.
여과 공정 중 여과지 손실수두(차압)을 체크하여 역세척 이뤄지면, 역세척에 따른 배수, 공기세척, 수세척 등 프로그램에 의하여 순차적으로 자동제어 되어지며 중앙감시시설에 상태를 보내준다.
막여과 시설의 공정구성은 아무리 큰 시설의 경우도 반복되는 단순 공정이지만 체계적인 공정 관리가 필요하다.
- 여과공정 중 막 오염으로 여과케이크가 형성되어 압력 한계치에 도달하거나 또는 유량 한계치에 도달하는 경우 여과공정을 중지시키고 공기 및 물로 역세척이 이뤄진다.
- 역세척은 60분마다 약 30초 정도 이뤄지며, 이처럼 반복되는 공정은 온․오프 프로그래머블 논리제어기에서 자동제어 된다.

(현장용 판넬)

(4) 슬러지 처리: 슬러지 수위, 반출 상황, 반송량, 반송수 탁도 등

슬러지 수집 및 수량을 고려하여 배출제어는 타이머에 의한 간헐제어, 처리유량 비례제어, 농축조 슬러지 계면계에 의한 제어 등이 있다.
탈수공정에서는 슬러지 함수율 등을 감시하여 탈수기를 제어 감시 한다.

(5) 소 독: 소독제 주입량, 총유량, 잔류염소 등

유량 및 소독후 잔류 염소량을 측정하여 투입량을 결정하며, 원수 수질에 따라 UV, 3 등에 의하여 소독이 이뤄지기도 하나, 최종적으로는 잔류 염소를 위하여 염소소독이 이뤄진다.
- 전염소처리 : 철, 망간, 암모니아성 질소, 유기물을 산화시키기 위한 것으로 오염 정도에 따라 소독제 주입량 결정
- 오존(3) : 색도, 맛의 개선, 세균이나 바이러스 제거, 철, 망간, 유기물 산화 등 목적

(염소투입 기본 프로그램)

(6)정수지 및 배수지: 정수지 수위, 잔류염소, 탁도 및 배수지 수위 등

배수지의 경우는 수위에 연동하여 밸브 개도율을 조절함으로서 물 탱크 저수량을 제어 하다.

(배수지 수위제어 방식)

※ 정수지와 배수지

정수지란 정수처리의 최종단계, 정수장내 설치되는 정수 탱크로 정수처리과정에서 여과수량 및 송수량간 양적, 질적 불균형 조절 및 완충
배수지란 정수장의 정수를 송수 받아 배수구역의 수요량에 따라 배수하기 위한 탱크로 배수량의 시간변동을 조절 및 단수시 완충

(7) 가압 및 송 수시설:펌프 기동 상황, 압력, 유량 등

정수지 수위에 따라 펌프를 기동/정지하고, 송․급․배수관의 압력 및 유량에 따라 모터 인버터로 제어 감시 한다.
- 가압시설은 배수지보다 높거나 수압이 낮은 급수구역에 일정압력을 유지할 수 있도록 펌프시설 등을 설치하며, 펌프제어는 인버터와 PLC를 이용 모터입력전원의 주파수를 조절하여 펌프속도를 가감시켜 압력을 조절한다.

※ 인버터 제어

인버터는 주파수를 제어하여 모터 속도를 제어하는 기기로 펌프 유량 및 압력을 조절하는 기능을 하며 VVVF(Variable Vltage Variable Frequency; 가변전압 가변주파수)라고도 칭한다.
VVVF 제어는 전류를 4~20mmA 로 Cntrl 해서 회전수를 제어하는전기적인 방식으로 "0"mmA 를약 80%에 맞추어20% 범위내애서 운전하는 것이 효율적이다."0"mmA를 너무 낮게 잡는 경우 유량이 커지면서 양정이 낮아 실제적인 기능을 못할 수도 있다.

회전속도(N) = 120 * f /P * (1 - s) [rpm]

(f：주파수(Hz), P：모터의 극수 , S：모터의 미끄러짐)

(모터제어용 인버터)

(8) 비상 감시: 자연재해, 정전, 기계 고장, 센서검출한도초과 등 비상시 알람, 긴급 차단하는 감시 제어

정전시를 대비한 발전시설, UPS 시설, 낙뢰 등에 따른 계측기기, 통 신시설 등 보호, 자료 백업을 위한 백업용 전원 및 감시제어 시스템 등

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1. 계측제어설비란?

2. 계측제어설비 주요 구성

3. 주요 구성별 기능 및 특징

1) 계측설비

2) 제어설비

3) 감시제어시설

4. 정수처리 공정 제어항목 및 특징

1) 주요 계측기기

2) 공정 제어

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1. 계측제어설비란?

2. 계측제어설비 주요 구성

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1) 계측설비

2) 제어설비

3) 감시제어시설

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1) 주요 계측기기

2) 공정 제어