캐스케이드(CASCADE) 제어의 기본 원리 및 컨트롤 밸브 적용 방안

캐스케이드(CASCADE) 제어의 기본 원리 및 컨트롤 밸브 적용 방안

1. 캐스케이드(CASCADE) 제어의 기본 개념

  1) 정의

      -  두 개의 제어 루프를 중첩하여 구성하는 방식입니다.

      -  주 제어 루프(Primary/Master Loop)와 보조 제어 루프(Secondary/Slave Loop)로 이루어집니다.

  2) 주요 특징
      -  주 제어 루프의 출력이 보조 제어 루프의 설정값(Set Point, SP)이 됩니다.
      -  보조 제어 루프는 주 제어 루프의 제어 신호(MV)를 받아 컨트롤 밸브와 직접 연결되어 작동합니다.
      -  이는 외란(Disturbance)이 주 루프의 주요 제어 변수(PV)에 영향을 미치기 전에 보조 루프에서 빠르게 제거하도록

         설계되었습니다.



2. 캐스케이드 제어의 구성 요소 및 작동

  1) 컨트롤러 구성 : 일반적으로 두 개의 PID 컨트롤러가 필요합니다.
      -  주 컨트롤러(PC1) : 주요 공정 변수(예: 반응기 온도)를 제어하며, 그 출력이 보조 컨트롤러의 설정값(SP2)이 됩니다.
      -  보조 컨트롤러(PC2) : 보조 변수(예: 재킷 유량 또는 밸브 개도)를 제어하며, 그 출력이 컨트롤 밸브의

         개도 신호(MV)가 됩니다.

  2) 컨트롤 밸브의 역할 : 컨트롤 밸브는 항상 보조 컨트롤러(PC2)의 제어 신호를 받아 유량이나 압력 등을 조절하는

      최종 제어 요소(Final Control Element)의 역할을 합니다.



3. 캐스케이드 제어의 이점 (컨트롤 밸브 관점)

 

  1) 외란 제거 성능 향상

      -  컨트롤 밸브 주변(예: 밸브의 압력 변동, 공급 라인의 압력 변동 등)에서 발생하는 빠른 외란이 주 공정 변수에

         도달하기 전에 보조 루프에서 즉각적으로 상쇄됩니다.

  2) 선형성 개선

      -  컨트롤 밸브 자체의 비선형성이나 액츄에이터의 응답 지연이 있을 경우, 보조 루프가 밸브를 더 정밀하고 빠르게

         제어함으로써 주 루프의 성능을 안정적으로 만듭니다.

  3) 제어 안정성 증대

      -  보조 루프는 응답 속도가 빠르기 때문에 주 루프보다 더 큰 게인(Gain)을 설정할 수 있어, 전반적인 제어 시스템의

         응답 속도를 향상시키면서도 안정성을 유지할 수 있습니다.



4. 캐스케이드 제어의 예시 (온도 제어)

  1) 제어 목표

      -  반응기 내부의 온도(PV1)를 설정값(SP1)에 유지.

 

  2) 제어 수단

      -  냉각수 유량을 컨트롤 밸브로 조절.

  3) 구성
      -  주 루프 : 온도 컨트롤러(PC1)가 온도를 측정하여 냉각수 유량의 설정값(SP2)을 출력.
      -  보조 루프 : 유량 컨트롤러(PC2)가 냉각수 유량(PV2)을 측정하여 SP2에 맞추기 위해 컨트롤 밸브 개도 신호(MV)를

        출력.

  4) 효과

      -  냉각수 공급 압력이 갑자기 변동(외란)해도, 유량 컨트롤러(PC2)가 즉시 밸브 개도를 조절하여 실제 냉각수 유량을

         일정하게 유지합니다. 이로 인해 반응기 온도가 외란의 영향을 받기 전에 안정적으로 유지됩니다.

 

5. 현장에서 캐스케이드 운전 관련 대화 예시

 

1) 제목

    -  신규 컨트롤 밸브(Control Valve) 교체 및 캐스케이드 적용 검토

2) 상황

    - 특정 공정 라인의 압력 제어 성능을 높이기 위해 기존의 매뉴얼(Manual) 운전 대신 자동 제어(캐스케이드)를 도입하고

      밸브를 교체하려는 경우.

3) 내용

    -  엔지니어 : "지금 P-301 펌프의 토출 압력(P-301 PV) 제어가 운전원의 수동 조작(Manual)에 너무 의존하고 있어

       불안정합니다. 이 구역을 캐스케이드 제어로 개선하려고 합니다."

    -  계장 담당 : "좋습니다. 현재 밸브는 유량 변화에 따른 응답 속도가 느려서 캐스케이드 제어의 빠른 보조 루프에

       적합하지 않을 수 있습니다. 응답 속도가 빠른 액츄에이터가 달린 새 컨트롤 밸브를 FV-301 위치에 설치하는 것으로

       교체를 검토해보겠습니다."

    -  엔지니어 : "네. 주 루프는 압력 제어(PC)로, 보조 루프는 밸브 포지션(ZC) 또는 유량(FC)을 제어하는

       이중 루프(Dual Loop)로 구성할 계획이니, 새 밸브는 포지셔너의 정밀도와 응답 속도를 최우선으로 고려해 주세요."