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항온·항습시스템의 자동제어 |
김 두 환 |
1. 개요 |
항온 항습 장치는 각종 제조업의 발달과 밀접한 관계로 발전해왔다. |
2. 항온 항습 제어의 특징 |
항온 항습장치는 일반공조에 비교해 다음과 같은 특징이 있다. |
3. 자동제어 방식과 제어기기의 종류 |
3-1. 자동제어 방식 |
항온 항습 장치의 시스템 설계 및 기기 선정과 함께 이러한 장치를 어떻게 제어(control)하며 요구되는 실내 조건을 유지시킬 수 있는가를 생각하여야 한다. 자동제어 시스템의 성능에 따라 최종적으로 장치 전체의 정밀도나 운전비를 좌우하게 된다. |
"피드 백에 의해 제어량과 목표 값을 비교해서 그것들을 일치시키도록 정정동작을 행하는 제어로서 예를 들면 공조장치에서 실내온도(제어량)를 검지해서 설정된 온도(목표 값)와 비교해서 차이(제어편차)가 있으면 그것이 0(ZERO) 되도록 기기 제어용 출력(조작량)을 낸다. 공조장치의 제어는 대부분 피드백제어이다. |
[그림1] 공조장치 블록도 [그림2] 피드백 제어
(2) 피드 포워드(Feedforward)제어 |
외란을 측정하여 그 영향이 제어계에 나타나기 전에 필요한 정정 동작을 행하는 제어로서 블록도로 표시한 것이 그림3이다. |
(3) 캐스 캐이드(Cascade) 제어 |
피드백 제어계에서 하나의 제어장치 (1차 조절계)의 출력신호에 의해 다른 제어장치(2차 조절계)의 목표값을 변화시켜 행하는 제어를 말하며 캐스 캐이드 제어계를 구성하는 목적은 2차 조절계에 의해 2차 제어루프에 들어가는 외란이 1차 프로세스테 주는 영향을 없애는 것이다. |
[그림3] 피드 포워드 제어 [그림4] 캐스 캐이드 제어
3-2. 제어 동작(Control Action) |
다양하게 요구되는 제어 응답을 얻기 위해 아래의 몇 가지 제어동작이 사용된다. |
이것은 ON-OFF 제어라고 불려지며 그림5와 같이 편차의 극성에 따라 출력을 ON 또는 OFF 한다. |
[그림5] 2위치 제어
(2) 단속도(Floating 제어) 동작 |
제어량의 편차의 +(plus), -(minus)에 따라 제어밸브용 모타등의 조작단을 일정속도로 시계방향 또는 반대방향으로 움직이게 하는 동작이다. |
[그림6] 단속도 제어 [그림7] 단속도 제어 정압제어기
(3) 단속도 (Floating 제어)동작 |
입력에 비례하는 크기의 출력을 내는 제어동작을 비례동작이라 부른다. 비례동작에는 위치비례동작(Position Proportional Action)과 시간 비례동작(Time Proportional Action)의 두 가지 방식이 있다. |
[그림8] 비례제어 동작(안정) [그림9] PI제어동작
(4) 비례+적분동작(Proportional plus Integral) |
비례제어 동작은 부하의 변동에 의해 잔류편차가 발생하기 때문에 높은 정밀도를 요구하는 제어는 할 수 없다. 그래서 편차가 발생했을 때에, 편차의 크기에 따라 조작량 변화속도가 비례하는 동작을 비례동작에 더한 것이 비례+적분동작이다. |
(5) 비례+적분+미분동작(Proportional Plus Integral Plus Derivative) |
미분동작은 D동작 또는 rate동작이라 하며 입력의 시간미분 값(입력변화 비율 즉 rate)에 비례하는 크기의 출력을 낸다. 미분동작은 입력의 변화속도에 비례한 출력을 내는 동작이므로 단독으로 사용될 수 없고 반드시 비례 또는 비례+적분동작과 조합해서 사용된다. 이 동작은 외란에 의해 편차가 발생할 때 초기에 그 편차가 발생하는 속도에 대응하여 정정동작을 하면 응답의 지연이 감소하여 빨리 정정할 수 있다. 이 동작을 비례+적분동작에 더 함으로써 외란 초기에 있어서 큰 정정 동작을 시킬 수 있다. |
[그림10] PID 제어동작 [그림11] 설정 값 변경에 대한 제어응답
(6) 급기보상 동작 |
공조장치에서 외란은 실내 부하 변동, 외기 부하 변동 이외에 냉수온도 송수압력의 변동 등 여러 가지가 있다. 실내 부하의 변동은 실내의 검출단에서 감지하는 것 이외에 적당한 방법은 없지만 외기 부하나 냉수온도, 송수압력등 열원장치에서의 변동은 실내가 변화되어 감지하기 전에 반드시 급기 온도가 변화하기 때문에 이 급기 온도의 변화를 감지하여 즉시 정정 동작을 행하면 실내에 대한 외란의 영향을 최소화 할 수 있다. |
3-3. 자동제어 기기의 종류와 특징 |
공조용 자동기기는 동작원리, 구조 등에서 전기식, 공기식, 전자식, Digital식으로 크게 구별할 수 있다. |
[그림12] 전기식 제어기기 [그림13] 공기식 제어기기
[그림14] 전자식 제어기기
[그림15] 전기식 패케이지 공조기 [그림16] Digital 조정기에 의한 패케이지 공조기
4. 항온 항습의 자동제어 예 |
4-1. 패케이지 공조기 |
항온항습 장치로서 패케이지 공조기는 설비비가 싸고 콤팩트하기 때문에 소규모 시스템에 많이 사용되며, 이미 풍량과 냉동능력의 조합이 결정되어 있는 것을 이용하므로 취출온도차, 냉각 능력 제어의 단수(段數)등 능력 특성에 제약이 있고 온,습도의 허용 범위가 ±1.5℃, ±10%RH로 비교적 엄격하지 않은 조건일 경우에 사용되어진다. |
(1) 전기식 패케이지 공조기 제어 |
◇ 온도제어 |
(2) Digital 조정기에 의한 패케이지 공조기 제어(DDC방식) |
다음 그림은 패케이지공조기에 의한 CleanRoom 제어 방식이다. |
4-2. Air Handling Unit |
패케이지 공조기에 비해 설계의 자유도가 크다. |
(1) 전자식 콘트롤러에 의한 제어 |
◇ 온도제어 |
[그림17] 전자식 콘트롤러에 의한 공조기
- 실내온도를 검출하고 온도 조절(TC)에 의해 PID 연산한 온도 제어출력을 분할하여 가열밸브 및 냉각밸브로 신호를 보낸다. |
온도제어출력 |
가열밸브 |
냉각밸브 |
비 고 |
50%시 |
0% |
0% |
|
50~100% |
0% |
0~100% |
제습 명령과 비교하여 큰 쪽에 의해 냉각 밸브 작동 |
50~0% |
0~100% |
0% |
이 예에 있어서 온도의 설정치는 1개이고 항상 가열밸브 또는 냉각밸브를 작동시켜 실온을 설정치와 일치하도록 제어한다. 만약 가열과 냉각의 설정치를 다른 값으로 설정하고 싶을 때에는 온도조절기를 2대 사용해서 따로 제어한다. 이 경우 2대의 설정치가 역전되지 않도록 하기 위해 설정치를 0.5℃이상 떨어뜨려 설정한다. |
(2) DDC에 의한 제어 |
전자식 콘트롤러의 사용시와 제어동작은 같으나, Controller의 기능, 각종 신호변환의 기능, Interlock Relay의 기능등 대부분의 기능이 소프트웨어에서 처리되므로 다이어그램에서는 DDC에서 센서와 조작기가 접속되는 것만 나타나게 된다. |
[그림18] DDC제어에 의한 공조기
- 환기횟수가 많아짐으로 취출 온도차가 작아지기 때문에 Bypass량을 증가시킴으로써 실내 온도 조건에 접근시킨다. 코일을 통과하는 풍량은 변하지 않기 때문에 코일에 대한 공급열량은 변하지 않는다. |
4-3. 복수 Zone 시스템 |
대규모의 Clean Room에서는 1개의 Clean Room내를 열부하 특성의 차이에 의해 복수 zone으로 나누어 제어해야 되는 경우가 많다. |
[그림19] 복수ZONE 시스템 공조기
(1) 온도제어 |
- 공조기의 출구온도를 검출하여 가열밸브 및 냉각밸브를 PID 제어한다. |
(2) 습도제어 |
- 공조기 출구의 노점온도를 검출하여 설정 노점 온도 이상일 때는 냉각밸브를 제어하여 냉각 제습 한다. |
(3) 정압제어 |
- 항온실내의 장치에서는 배기량이 항상 일정하지 않고 사용상황에 따라 변화하는 것이 많다. 장치 배기량이 감소할 때는 실내정압이 상승하므로 외기 Damper를 닫아 외기부하를 경감시켜야 한다. |
5. 제어정도(制御精度) |
항온항습 제어에서 가장 중요한 것 중에 하나로 제어정도가 있다. |
5-1. 계기정도와 교정 |
계기정도는 계기의 지시치, 설정치, 검출기의 출력 신호등이 기준치와 얼마만큼 차이가 있는지도 표현하는 것이 일반적이다. |
5-2. 조작기와 유효특성 |
제어 시스템 중에서 조작부는 검출부, 조절부와 함께 기본 구성요소의 중요한 부분이고, 공조장치와의 접점이기도 하다. 조작부는 공조장치에 따라 설정되는 부분이 많고, 공조장치가 결정되면 제어 설계에서 선택할 수 있는 여지는 작아진다. 예를 들어 장치에 패케이지 공조기가 선택되어지면 냉각제어의 조작부는 압축기이고, 1단이든지 다단이든지의 선택도 장치에서 결정된다. 따라서 최소 조작량의 크기도 결정되어 버린다. 가열은 증기 코일, 온수 코일, 전열 코일 중의 하나가 되고, 어느 것도 비례조작이 가능하고, 최소 조작량은 3~5%까지 가능하지만, 온도 제어의 최소 조작량은 압축기의 단수(段數)에 지베되어 버려 미소열량 제어는 불가능하다. 굳이 미소열량의 제어를 하려면 운전비를 무시하고, 압축기에서 냉각한 열을 가열기에서 제거하는 제어를 하지 않으면 안된다. 장치와 제어는 균등하게 검토하는 것이 중요하다. |
6. 에너지 절약 |
항온 항습장치는 환기량이 많고, 24시간 운전되기 때문에 가열냉각 열량, 송풍기 동력 등 일반 공조에 비해 몇 배의 에너지를 소비한다. 운전비 절감을 위해 에너지 절약은 중요한 과제이다. |
(1) 온·습도 조건에 폭을 만들 수 없는지. |
- 여름과 겨울에 변화가 없는지. |
(2) 과잉 제습을 하고 있지 않은지. |
- 필요한 노점 이하로 하고 있지 않은지. |
(3) 제습시의 재열에 냉동기의 응축열을 이용할 수 없는지. |
- 온·습도 제어에 필요한 풍량과 Filter 통과 풍량, 취출온도 차에 필요한 풍량을 나눠서 생각한다. |
(5) 외기량은 필요 최소치로 하고 있는지. |
등을 체크해 보면, 많은 항목에서 에너지 절약의 여지가 있다. 계획시에는 엄격한 조건이었지만, 사용해 보면 조건을 완화시킬 수 있다는 것을 알 수 있다. 항온 항습시스템을 설계하는데 있어서, 사용실적을 토대로 하여 개선책을 취할 수 있는 시스템으로 하는 것이 중요하다. |
제어시스템을 예로 들면, 사용실적을 토대로하여 개선책을 강구한 경우에는 더욱 더 세밀하고 빈틈없는 제어가 되기 때문에, 소프트웨어의 변경으로 제어동작을 바꿀 수 있고, 복잡한 제어도 가능한 DDC 방식이 가장 적합하다고 말할 수 있다. |
7. 맺음말 |
Clean Room을 비롯하여 항온 항습장치는 많은 산업에서 없어서는 안될 설비들이다. 온·습도를 제어하는 기술은 대부분 확립되어 있으므로, 앞으로는 요구되는 환경을 만들고 유지비용을 최소로 하기 위한 기술개발이 필요하게 되었고, 자동제어시스템은 사용자의 운용경험을 기반으로 하여 새로운 요구에 부응할 수 있도록 유연한 것이 중요하다고 생각된다. |
※ 한국설비기술협회발행 1999년 12월호 |