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프로세스 최적화.. 최적의 성능을 위해 튜닝된 제어 루프

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공장과 기계는 일단 가동되고 운영되기 시작하면 최적의 성능을 유지하기 위해 지속적으로 세심히 관리해야 한다. 그러나 많은 PID 컨트롤러는 “한 번 설정하면 잊혀지는” 존재가 된다. 이러한 컨트롤러들을 지속적으로 점검하고 조정하는 일은 한 마디로 지나치게 시간 장비적이다. 만약 사용자 제어 루프의 성능을 감시하고 필요한 경우에 목표로 하는 조정을 수행하는 기성품 소프트웨어 컴포넌트를 갖추고 있다면, 상황은 크게 달라진다.

프로스세 최적화 (B&R)

프로스세 최적화 (B&R)

 

많은 플랜트는 필요한 이중화를 제공하기 위해 바로 옆에서 운전되는 복수의 유사한 생산라인을 갖추고 있다. 이들 라인은 동일한 제품을 생산하기는 하겠지만, 일반적으로 상이한 공급자들로부터의 기계와 컴포넌트로 구성되어 있다. 그러나 플랜트 조작자의 가장 큰 관심은 결과뿐이다. 유사한 생산 라인이 생산성에서 현저한 차이를 보이기 시작하면 그 이유를 찾아내기 위한 조사가 시작된다. B&R의 프로세스 자동화 사업 부장인 Martin Reichinger는 말한다. “이러한 조사에서 너무나 흔히 간과되는 것은 생산 라인을 구성하는 개별 기계들입니다.”

이것은 개별 기계 수준에서 데이터를 분석하는 능력은 상대적을 최근에 개발된 것이라는 사실과 관련이 있다. 그러나 오늘날의 기술은 기계의 내부 작동에 대한 전적으로 새로운 수준의 통찰을 제공한다. “첨단 컨트롤러를 이용하면,” Reichinger는 말한다. “사용자는 그것이 열교환기든 원심 펌프든 모든 제어 루프와 모든 기계에 용이하게 접근할 수 있습니다. 또한 이들의 성능을 상시적으로 최적화하는 것이 가능합니다.”

모든 것은 상대적

압력이나 온도와 같은 것을 조절하기 위해 PID 파라미터를 설정할 때, 엔지니어는 전통적으로 교육받은 바와 같은 추측과 경험적 원칙에 의존해왔다. “그 결과 모든 제어 루프의 3분의 2는 안정적이기는 하지만 최적으로 튜닝되지 않은 상태에 있습니다.” Reichinger는 말한다. 이것은 현저한 개선의 여지를 남긴다. “그러나 사용자가 해야 할 일이 모두 단일 PID 컨트롤러 수치 조정뿐이라고 하더라도, 어느 것이 문제의 원인이 되는 컨트롤러인지 추론하는 데도 어려움이 있을 것입니다.” 자동화 전문가는 이렇게 지적한다. 그러나 두 개의 유사한 기계나 시스템을 비교할 수 있다면 관련된 특정 프로세스에 관한 지식이 없다 하더라도 작업은 훨씬 더 손쉬울 것이다.

이러한 유형의 비교를 기반으로 하는 평가 방법은 제어 성능 감시(control performance monitoring: CPM)라고 알려져 있다. CPM 모듈은 B&R의 “고급 프로세스 제어(advanced process control: APC)” 솔루션에 포함되어 있다. APROL APC는 독립적 솔루션으로써 혹은 B&R APROL 자동화 플랫폼의 통합 컴포넌트로 이용될 수 있다. CPM 제어 모듈은 또한 OPC UA를 통해 외부 시스템에 연결될 수 있기 때문에, 다른 현장으로부터의 데이터를 비교하는 것도 가능하다.

다변수 제어는 단일 변수 컨트롤러와 대조적으로 상호의존성(interdependencies)을 고려한다.

다변수 제어는 단일 변수 컨트롤러와 대조적으로 상호의존성(interdependencies)을 고려한다.

PID 루프 평가를 위한 매트릭스
B&R의 CPM 솔루션은 다양한 매트릭스를 기반으로 PID 루프를 평가하고 효율적인 튜닝 방식을 이용하여 루프 설정을 최적화하는 것을 가능하게 한다. 그러한 방식 중 하나는 자산 감시(asset monitoring)이며, 이것은 열교환기의 오염이나 원심 펌프의 캐비테이션을 식별할 수 있다.

Reichinger의 팀은 CPM 솔루션을 위한 여러 가지 유용한 보고 도구를 개발하였으며, 여기에는 단일 PID 루프에 초점을 맞춘 루프 보고서와 복수의 로프나 전체 플랜트의 개관을 제공하는 플랜트 보고서가 포함된다. “이들 보고서를 보면 어느 파라미터가 두드러지는지를 알 수 있습니다.” Reichinger는 말한다. “이들 보고서는 사용자의 PID 설정 품질에 관한 명확한 명세를 제공합니다.” CPM 솔루션은 또한 조작자가 몇 번 개입해야 했는지 그리고 얼마나 자주 제어 루프가 한계 값에 도달했는지도 보여준다.

최소한의 개입으로 최적화
일단 CPM을 이용하여 최적화에 대한 가능성이 확인되면, B&R의 APC 라이브러리는 자동적으로 제어 루프가 작동하는 방법을 결정하고 최적의 PID 파라미터를 계산하기 위해 상이한 방법을 적용하는 몇 가지의 튜닝 블록을 제공한다. “전통적으로 사용자는 상이한 I 또는 D 값을 사용하면서 무슨 일이 일어나는지를 살펴보아야 했습니다.” Reichinger는 설명한다. “그러나 당사의 블록을 이용하면 그러한 작업은 더 이상 필요하지 않습니다.” 블록 중 하나는 유한 주파수 방식(finite-frequency method)을 기반으로 하는 튜닝을 허용한다. “이 방식의 장점은 매우 작은 여기(勵起) 신호를 이용하여 컨트롤러를 최적화할 수 있다는 점입니다.” Reichinger는 지적한다.

변조를 위한 ±0.5%의 진폭만으로도 잘 튜닝된 PID 컨트롤러를 얻는 데 충분하다. 상이한 생산 프로세스는 상이한 유형의 제어 루프를 필요로 한다. 분할 범위(split-range) 루프와 교차(alternating) 루프 그리고 그 밖에도 많은 종류의 루프가 있다. “아무런 사전 준비 없이 이러한 컨트롤러를 개발하려면 많은 작업이 요구됩니다.” Reichinger는 말한다. B&R은 고전적 PID 컨트롤러에 대한 부가물로써 작동하는 다양한 제어 기능을 개발함으로써 이 과정을 단순화하였다. 예를 들어서 운전 지점을 기반으로 자동적으로 PID 파라미터를 조정하는 컨트롤러를 구현하기 위해 이득 스케줄링(gain scheduling) 기능을 이용할 수 있다. 이들 제어기능은 튜닝 블록들과 함께 APC 라이브러리에 열거되어 있다.

MPC는 PID 컨트롤러와는 달리 사용자가 넘는 것이 허용되지 않는 한계 값을 정의하는 것을 허용한다. 그러나 어떻게 하여 이것이 가능한가? “MPC는 장래에 수치가 어떻게 진행되는지를 지속적으로 계산하기 위한 프로세스 모형을 이용합니다.” Reichinger는 설명한다. 이것은 컨트롤러로 하여금 값이 한계를 넘어설 위험이 있을 때 조기에 그 위험을 결정하고 넘어서기 전에 필요한 보정을 수행하는 것을 가능하게 한다. “공정 정지는 거의 전적으로 일어나지 않도록 할 수 있습니다.” 한계를 초과하는 것을 효과적으로 보장함으로써 프로세스로 하여금 운전 한계에 가깝게 실행되는 것을 가능하게 한다.

유연한 솔루션 패키지

APROL APC의 정교한 제어 알고리즘은 프로세스 제어 시스템을 사용하는 사람들에게만 이용될 수 있는 것은 아니다. 이들은 산업용 PC 상에 미리 설치된 독립형 솔루션으로써 기존 공장에서도 구현될 수 있으며, 이의 사용에는 전문적 지식이 요구되지도 않는다. 동일한 산업용 PC를 Edge Controller로써 이중화하여, 분석과 그 밖의 서비스를 위해 데이터를 취합하고 보다 높은 수준의 시스템으로 혹은 클라우드까지 전송하는 것이 가능하다.

고급 프로세스 제어에 의해 제어변수가 그의 운전 한계에 더 가깝게 운영되는 것이 허용된다.

고급 프로세스 제어에 의해 제어변수가 그의 운전 한계에 더 가깝게 운영되는 것이 허용된다.

 

최적화된 제어 루프를 통한 보다 높은 효율
현대 기술에 의해 제어 루프와 생산 자산을 지속적으로 감시하고 그의 성능을 적응시키는 것이 용이해졌다. 이것은 조작자로 하여금 최적의 제어 설정을 유지하고 프로세스를 그의 한계에 가깝게 운영하는 것이 가능하게 한다. “최적화된 제어 루프는 계획되지 않은 정지 시간을 방지하고, 기계와 플랜트의 운전을 보다 효율적이고 수익성 있게 만듭니다.” Reichinger는 말한다.

그들의 제어 성능을 수 년간 유지하기 위해, 프로세스는 지속적인 감시와 유지가 요구된다.

그들의 제어 성능을 수 년간 유지하기 위해, 프로세스는 지속적인 감시와 유지가 요구된다.

 

운전 한계의 정의
제어 루프가 다른 변수와 상호작용하는 복수의 변수를 갖는 경우에 고전적인 PID 컨트롤러만으로는 충분하지 않다. “그럼에도 불구하고 많은 개발자들은 고전적 PID 컨트롤러를 이용하는 것을 시도하고 있습니다.” Reichinger는 말한다. 이렇게 하면 최적과는 거리가 있는 제어 성능으로 이어질 뿐만 아니라, 어느 수치 하나를 통제할 수 없게 되면 전체 기계나 플랜트의 정지를 가져올 수 있다.

“이러한 경우에 다변수 컨트롤러(multi-variable controller)를 이용하면 현저히 더 나은 결과를 얻을 수 있습니다.” Reichinger는 주장한다. 바로 그 이유로 B&R은 모형 예측 컨트롤러(model predictive controller: MPC)를 개발하였으며, 이것은 각각 10개까지의 복수의 제어 외란과 조절 변수를 지원한다. Reichinger에 따르면, MPC는 실제로 경험적으로 설정되어야 하지만, 그 작업은 관리 가능하다고 한다. “자동화 엔지니어는 페이스플레이트(faceplate)를 이용하여 단순히 원하는 전송 거동을 선택하고 몇 개의 파라미터를 설정합니다. 몇 차례의 최적화 작업과 함께 MPC가 최적 상태로 실행되도록 하는 것이 가능합니다.” 지금까지 MPC 컨트롤러의 도입은 몇 가지 인상적인 결과를 도출해왔다. “일 주일에도 몇 번씩 돌발적으로 계획되지 않은 정지를 경험해온 플랜트가 MPC로 전환한 후에는 몇 개월씩 원활하게 운전되고 있습니다.” Reichinger는 회상한다.

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에머슨, 플랜트 자산 성능 플랫폼 ‘플랜트웹 옵틱스’ 발표

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에머슨 자산 성능 플랫폼과 엔터프라이즈 시스템을 연결, 자동화된 신뢰성 절차 완성

[아이씨엔매거진] 에머슨이 플랜트웹(Plantweb™) 디지털 에코시스템에 대한 자산 성능 플랫폼인 Plantweb Optics를 발표했다.

이번에 발표한 에머슨의 최신 발표 버전에는 컴퓨터 기반 유지보수 관리 시스템(CMMS)을 통해 필요한 활동을 입력, 우선순위 결정, 실행 및 추적할 수 있다. 기본 사양인 히스토리언 기능으로 더 자세한 분석과 더 많은 플랜트 데이터 소스에도 연결할 수 있다. 이 소프트웨어로 더 효율적이고 신뢰성 있는 조직 운영이 가능하고 디지털 혁신에 한층 더 다가갈 수 있게 된다.

예측적 유지보수 전략을 효과적으로 운영하면 작업자들이 플랜트의 가장 긴급한 문제에 효율적으로 대처할 수 있게 된다. Plantweb Optics는 IBM Maximo와 SAP CMMS의 통합하여 작업자가 운영 문제를 확인하고, 협력적 솔루션을 마련하며, 유지보수 응답 관리, 부품 주문, 일정 관리 및 작업 순서 실행 등의 작업을 수행할 수 있는데, 이러한 일련의 작업을 단일한 플랫폼에서 실현한다. 동시에 신뢰성 제고를 위한 고장 및 오류에 대한 문제를 예측하고 사전에 고장 방지를 위한 작업을 실행할 수 있어 업무 프로세스가 완전히 자동화된다.

에머슨, Plantweb Optics

EMERSON, Plantweb Optics

기본 사양인 히스토리언 기능은 과거 자산의 사용 이력 및 자산의 향후 성능 평가를 제공하여 작업자 및 신뢰성 팀이 유지보수 및 작업 결과를 검증할 수 있다. 자동화된 업무 프로세스를 CMMS와 통합함으로써 생산에 영향을 미칠 수 있는 신뢰성 문제를 작업자가 더 효율적으로 적시에 대응할 수 있다.

Plantweb Optics는 또한 플랜트웹 디지털 에코시스템의 또 다른 구성 요소인 Plantweb Insight 어플리케이션에 접근하는 기능을 추가하여 관리 가능한 자산 영역을 확장하고 있다. 스팀 트랩, 펌프 및 열 교환기에 대한 에지(edge) 분석 데이터를 작업 팀에게 전달하여 중요 자산에 대한 효과적인 전략을 수립할 수 있게 한다.

이번 발표에서 Plantweb Optics는 더 다양한 애플리케이션을 중앙 집중 방식의 단일 위치에 결합시켜 자산 및 플랜트 상태에 대한 더 나은 통찰력으로 확장시켰다. 고객은 이와 같은 자산 성능 플랫폼을 통해 신뢰성 향상과 운영 확신을 기대할 수 있게 되었으며, 에머슨의 프로그램적 접근 방식으로 운영 성과 향상을 위한 실질적인 전략을 정의 및 구현할 수 있게 된다.

에머슨 자동화 솔루션 사업부의 CTO Peter Zornio는 “현장과 엔터프라이즈 시스템의 연결은 공정 운영의 디지털 혁신에 꼭 필요한 요소이다. 시스템 간 보다 나은 업무 프로세스를 구축하고 성과를 분석하여 고장의 위험 내재 및 비효율적인 접근 방식에서 벗어나 통찰 및 분석 데이터 기반의 전략을 실현할 수 있다”라고 말했다.

오승모 기자 oseam@icnweb.co.kr

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한국엔드레스하우저, 초소형 전자유량계 피코맥(Picomag) 출시

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한국엔드레스하우저(E+H)가 초소형 전자 유량계 ‘피코맥(Picomag)’을 출시했다.

엔드레스하우저의 피코맥은 스마트한 전자 유량계로 전도성 유체의 부피 유량과 함께 온도까지 측정이 가능하다. 피코맥은 블루투스와 엔드레스하우저의 앱 ‘SmartBlue’를 이용해 쉽고 빠른 시운전이 가능하고, IO-Link 기술을 통한 네트워크 통합으로 매끄러운 시스템 통합이 가능하다.

간단한 소형의 디자인으로 좁은 공간에도 적용이 가능하며, 최대 2인치(50mm) 직경 배관까지 적용할 수 있다. 여기에 NPT-thread, R-thread, Tri-clamp나 Victaulic과 같이 다양한 공정 연결부 옵션을 제공한다.

엔드레스하우저 피코맥 유량계

엔드레스하우저 피코맥 유량계

회사측은 “합리적인 비용으로 높은 재현성(+/-0.2% o.f.s)과 더불어 신뢰할 수 있는 측정값을 요구하는 어플리케이션의 경우, 피코맥은 최적의 솔루션이다.”이라고 밝히고, Picomag는 디자인 분야에서 세계 최고의 권위를 자랑하는 레드닷 디자인 어워드의 제품 디자인 부문 본상을 수상하는 쾌거를 안으며 제품력 뿐 아니라 탁월한 디자인까지 인정받은 바 있다고 전했다.

한편, 피코마그는 한국엔드레스하우저의 보급형 제품군 특화 온라인 쇼핑몰 ‘E-direct 포털(링크)’을 통해 손쉽게 구매가 가능하다. E-direct 포털이란 영업 담당자에게 심층적인 컨설팅 내지 견적을 요청하지 않고도 고객 스스로 직관적으로 구매 가능한 보급형 제품군을 선보이는 쇼핑몰로, 지난 2018년 5월 론칭했다.

오승모 기자 oseam@icnweb.co.kr

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에머슨, 플랜트 디지털 전환을 위한 OEM 프로그램 출시

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에머슨이 플랜트 공정자동화에서의 디지털 전환을 위한 OEM 프로그램을 새롭게 발표했다.

에머슨은 OEM의 자동화 및 계측화를 최적화하여 스키드(Skid) 모듈형 공정 시스템의 신뢰성과 성능을 향상시킬 수 있도록 설계된 엔지니어드 솔루션 프로바이더 프로그램(Engineered Solutions Provider program)을 발표했다고 밝혔다.

이 프로그램을 통해 OEM은 기술 채택을 단순화하고 에머슨과의 상호작용을 간소화하여 필요한 정보와 지원을 손쉽게 이용할 수 있다. 엔지니어드 솔루션 프로바이더는 단기 효과 및 장기적인 성공을 보장하는데 필요한 지식, 신뢰성 및 전략적 이점을 제공한다.

에머슨은 “전략 지향적인 OEM들은 엔지니어드 솔루션 프로바이더 프로그램으로 각 업계의 기술 발전 단계보다 앞서 나갈 수 있다.”고 밝혔다.

에머슨, 디지털 트랜스포메이션을 위한 OEM 프로그램 출시

에머슨, 디지털 트랜스포메이션을 위한 OEM 프로그램 출시

사용자를 위한 디지털 트랜스포메이션을 추구하는 최종 사용자의 요구가 점점 커져가고 있는 가운데, 엔지니어드 솔루션 프로바이더는 발전된 기술의 IIoT 기반 솔루션의 구축을 모색하고 있다. 급변하는 시장에서 경쟁사와의 차별화가 어렵고, 예산 감축으로 생산에 부담을 주며, 사이버 보안에 대한 위협이 커지고 있다. OEM 들은 가동 시간에 대한 고객의 기대치를 만족시키며 신속하고 효율적인 장비 공급력도 위협받고 있다.

엔지니어드 솔루션 프로바이더는 에머슨의 Plantweb™ Ditigal Ecosystem의 여러 솔루션을 함께 활용하여 경쟁사와 차별화를 기할 수 있다. 강력한 소프트웨어, 데이터 분석 및 제품 기술과 서비스 포트폴리오를 제공하는 포트폴리오로서, 디지털 트랜스포메이션으로 통합 및 최적화되어 엔지니어드 솔루션의 신뢰성과 성능을 향상시킨다.

예를 들어, 기존 스키드에 쉽게 설치 가능한 에머슨 무선 트랜스미터를 프로바이더를 이용하여 적절한 데이터를 수집하고 Plantweb Insight 어플리케이션과 결합하여 스키드의 중요 장치를 원격으로 모니터링할 수 있다. 이와 같이 엔지니어드 솔루션 프로바이더는 자사 고객이 전통 방식의 사후적 장비 보수 방식에서 센서 및 원격 모니터링이 완비된 예측 유지보수 전략으로의 전환을 지원한다.

에머슨 자동화 솔루션의 엔지니어드 솔루션 프로바이더 프로그램 담당 부사장 멜리사 홀러(Melissa Holler)는 “협업을 통한 사업 문제 해결을 모색하는 엔지니어드 솔루션 프로바이더는 자동화, 계측화 및 원격 모니터링 기능을 최적화하는 데 유용하다”며, “이러한 이점을 고객에게 전달할 수 있는 기회를 창출하여 궁극적으로 더 많은 비즈니스 유치를 위한 입지를 강화할 수 있다”고 말했다.

한편, 에머슨의 신규 프로그램에는 엔지니어드 솔루션 프로바이더의 기술의 평가를 단순화하여 적용 기간을 단축할 수 있도록 돕는 일련의 맞춤형 워크샵이 포함되어 있다. 워크샵에서 제공되는 심층 회의를 통해 에머슨 전문가들과 협력할 수 있다. 회의 주제에는 기술 플랫폼 자동화, 퍼베이시브 센싱 및 원격 모니터링으로 차별화를 만드는 모범 사례와 어플리케이션의 고유 기술 옵션 및 파일럿 적용 등이 포함된다.

오승모 기자 oseam@icnweb.co.kr

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