Technical Report

PIDPlus로 제어 영역에 적용하는 무선 솔루션
PIDPlus는 PID가 갖고 있던 느리고 일정하지 않은 업데이트 속도와 통신 실패라는 문제를 향상시킨 기술이다.

글: Terry Blevins & Neil Peterson

무선 측정을 이용하여 프로세스 운영을 모니터링하는 경험을 쌓으면서 플랜트는 트랜스미터의 신뢰도에 주목하고 현재 무선 측정을 폐쇄 루프 제어에 적용하는 방안을 모색하고 있다. 비례, 적분, 미분(PID) 알고리즘은 프로세스 산업에서 주된 제어 기법이다. 그러나 샘플링 속도가 느리다는 것과 계측 딜레이는 일부 어플리케이션에서의 제어에 새로운 기술 문제를 파생시켰다. 이에 따라 제어 영역에 무선 측정을 효과적으로 이용하기 위해서는 새로운 접근법이 필요하다.

제어 영역에 무선을 적용하는 문제점
1970년대 중반 단일 루프 디지털 제어기가 개발되면서 만들어진 수많은 제어 기법과 규정들은 전자 아날로그 제어기를 본뜬 형태였다. 제어 실행 기간을 설정한 규정 역시, 응답 및 동작이 아날로그 제어기를 똑같이 따라 하도록 설계됐다. 따라서 I/O 접근에 의한 딜레이를 최소화하기 위해 업데이트 속도를 50 msec으로 설정하는 등 현장 측정을 지나치게 자주 샘플링했다. 가장 큰 문제는 이 업데이트 속도가 무선 트랜스미터의 배터리를 빠르게 소모시킨다는 것이다(그림 1). 배터리 수명을 5~7년으로 늘리려면 새로운 측정치를 전송하는 간격이 8초 이상이 되도록 업데이트 속도를 조정해야 한다.
따라서 무선으로 제어 기능를 어떻게 구조화할 것인지 재검토하는 과정이 필요하다. PIDPlus로 알려진 새로운 접근법은 무선을 이용해 제어 기능을 수행하고, 기존 유선 트랜스미터와 유선 방식의 최종 제어 요소에 비견될 만한 제어 성능을 제공한다. PID에 추가된 새로운 기능은 통신 두절 문제를 해결하고 저속 측정과 비주기적 측정 업데이트를 이용해 제어 기능이 가능하도록 설계된다.

무선으로 제어 영역의 신기원을 연 PIDPlus
기존의 PID 디자인은 실행할 때마다 새로운 측정값을 사용할 수 있고 주기적으로 PID 제어를 실행한다고 가정한다. 측정 업데이트가 PID 실행 속도에 미치지 못할 경우 계산된 리셋 동작이 부적합할 수도 있다. 따라서 처음에는 제어 성능을 훼손하지 않으면서 측정값 전달을 최소화하는 기술적 솔루션이 불가능 한 것처럼 보일 수도 있다.

그림 1. 업데이트 속도가 배터리 수명에 미치는 영향은 트랜스미터에 따라 다르지만 배터리 수명을 5~7년으로 유지하려면 일반적으로 전송되는 측정값의 간격이 8초 이상이어야 한다.

PID가 어떻게 변형되어야 하는지 이해하는 열쇠는 PID 리셋 컨트리뷰션(Reset contribution)이 프로세스 다이나믹 반응을 직접 반영한다는 점을 인지하는 것이다. 이 관계는 모델 기반의 튜닝 규칙에 분명히 드러난다. 느린 비주기적 측정 업데이트로 최상의 제어를 하기 위해 리셋 컨트리뷰션으로서 마지막 측정 업데이트 이후 기대 프로세스 반응을 반영하도록 PID를 재구축할 수 있다. PID의 리셋 컨트리뷰션이 양(positive)의 피드백 네트워크를 통해 실행되는 경우 PIDPlus에 필요한 변경사항은 그림 2와 같다. 리셋 컨트리뷰션을 생성하는 데 사용되는 양(positive)의 피드백은 다음과 같이 변형된다.
1. 새로운 측정값이 전달될 때까지 마지막으로 측정된 필터 출력 유지
2. 새로운 측정값이 수신되면 새로운 필터 출력을 양(positive)의 피드백 컨트리뷰션으로 사용
미분동작이 필요한 프로세스의 경우 새로운 측정값이 송신되는 경우에 한해 미분 컨트리뷰션을 재계산하고 업데이트한다. PID를 실행하기 위한 새로운 측정값이 없으면 마지막 측정값이 전달된 이후 경과 시간을 미분 계산에 사용한다.

PIDPlus 실행 과정
무선 제어에 PIDPlus를 사용할 경우 제어 기능을 위한 실행 속도는 무선 측정 업데이트 속도보다 훨씬 빠르게 설정한다. 예를 들어, 통신 업데이트 속도는 8초로 설정되어 있어도 제어 실행 속도는 0.5초로 설정해야 한다. DCS 내의 제어 기능 실행이 측정 통신과 일치하지 않으므로 이 작업은 반드시 필요하다. 이런 식으로 제어 실행 일정을 관리하면 제어에서 사용되는 새로운 측정값의 지연을 최소화할 수 있다. 또한 설정 포인트 변화와 피드 포워드(feed forward) 입력의 변화에 대한 즉각적인 제어 조치를 취할 수도 있다.
PIDPlus 튜닝(tuning)은 프로세스 다이나믹을 기반으로 한다. 예를 들어, 리셋 단위가 seconds/repeat일 경우 리셋 = 프로세스 시간 상수 + 프로세스 데드 타임(dead time)(초)이다. PIDPlus 리셋 실행은 측정 업데이트 속도와 느린 측정 업데이트 속도의 변화를 자동으로 보정한다. 느리거나 변화하는 업데이트 속도 혹은 측정 통신의 변화를 위해 PID 튜닝을 바꿀 필요는 없다. 타임스탬프(Time Stamp)는 트랜스미터에서 전송된 새로운 측정값을 동반한다. 이 타임 스탬프는 새로운 측정을 전달하는 시기를 결정하기 위해 DCS에서 사용할 수 있다. 그러나 일부 DCS는 측정값의 변화를 이용하여 새로운 측정값의 수신을 감지한다. 이 경우 필터링(filtering)이 PIDPlus를 향한 측정 경로에 적용되지 않는 것이 중요하다. 필터링이 필요하면 트랜스미터 댐핑(damping)을 조절하면 된다.

무선 vs 유선: 실험실 테스트
미국 아이오와 주 마셜타운에 위치한 Fisher Controls유량 연구소에서 PIDPlus를 이용한 광범위한 무선 제어 테스트를 실시하고 무선/유선 유량 측정을 이용해 폐쇄 루프 유량 제어를 평가했다. 주된 목적은 제어 성능의 척도로서 설정 포인트와 제어 파라미터의 편차를 측정하고 정량화하는 것이었다. 무선 트랜스미터를 이용한 테스트를 위해 통신 통계도 수집했다.

제어 기능에서 사용되는 입력 소스(예: 유선 또는 무선)를 선택하여 두 가지 테스트를 실시했다.
-설정 포인트 변화에 대한 제어 응답: 자동 모드에서 PID/PIDPlus 설정 포인트의 변화와 더불어 제어 응답이 관찰됐다. 이 테스트에서는 PIDPlus로 조절된 밸브와 함께 연속으로 설치된 로드 밸브(load valve)가 일정한(정상 가동) 위치에 유지됐다.
-측정할 수 없는 프로세스 교란에 대한 제어 응답: 자동 모드와 일정한(정상 가동) 설정 포인트에서 PID/PIDPlus와 함께 제어 응답이 관찰되었고, 로드 밸브의 연속적인 변화로 인해 측정할 수 없는 교란이 발생했다.

표준 DCS PID 튜닝 어플리케이션을 이용하여 유선 유량 트랜스미터와 유선 감압 밸브를 튜닝했다. PID를 튜닝하는 데 특별한 기술을 사용하지 않았음을 보여주기 위해서였다. 동작 포인트 세 군데의 평균 튜닝은 Gain = 0.8, Reset = 3.2, Rate = 0였다. 유선 제어 루프에 설정된 튜닝은 무선 제어 테스트를 수정하지 않고 무선 업데이트 속도를 8초 또는 16초로 설정하여 사용했다. 각 테스트에서 제어오차의 절대값의 합(IAE)과 통신 통계를 계산했다. 자동화 테스트 후에는 제어 루프 파라미터를 나타내는 차트 화면을 캡처했다. 그림 3은 통신 업데이트 속도를 8초로 설정했을 때 무선 트랜스미터와 유선 밸브를 이용한 설정 포인트 변화에 대한 응답을 나타낸 것이다.

그림 2. 무선 제어 테스트에 변형을 가하지 않고 유선 제어 루프 튜닝을 사용했을 때 제어오차의 절대값의 합(IAE)과 통신 통계가 완전 작동 제어 응답을 나타냈다.

유량 프로세스에 측정할 수 없는 교란이 생겼을 때도 이와 비슷한 완전 작동 제어 응답이 관찰됐다.
무선 유량 트랜스미터와 산업용 밸브 및 배관과 함께 PIDPlus를 이용하여 유량 실험실에서 얻은 무선 제어 테스트 결과는 다음과 같이 요약할 수 있다.

-PID 튜닝은 프로세스 gain과 다이나믹을 기반으로 엄격히 설정했다. 무선 테스트 내내 튜닝이 단 한 번도 변경되지 않았다는 사실은 PIDPlus 튜닝이 통신에 의한 딜레이와 트랜스미터 업데이트 속도의 영향을 받지 않음을 나타낸다. 이 튜닝을 이용한 무선 트랜스미터 테스트 내내 적절한 제어 기능이 이루어졌다.
-대부분의 테스트에서 무선 트랜스미터 업데이트 속도는 8초로 설정되었고 제어를 위해 사용된 유량 측정에서 가변적인 딜레이가 발생했다. 그러나 PIDPlus 제어의 안정성에는 전혀 영향을 미치지 않았고 제어 수행에 최소한의 영향만 미쳤다.
-무선 트랜스미터를 PIDPlus와 함께 사용했을 때 밸브 위치의 변화는 47만큼 줄었다. 새로운 측정값이 수신되거나 설정 포인트가 변하면 PIDPlus 출력만 변하기 때문이다.
-무선 트랜스미터 업데이트 속도를 8초에서 16초로 변경했을 때 제어 기능 수행이 받은 영향은 미미한 수준이었다.

필드 무선 장치
PIDPlus는 무선 트랜스미터의 느리고 가변적인 통신을 사용하기 때문에 무선 제어를 다양한 산업 용도로 사용할 수 있다. 예를 들어, 무선 제어는 생명과학과 특수화학 산업에서 다음과 같은 표본 용도로 사용되고 있다.

-생물반응기 제어: pH 및 온도 무선 제어
-컬럼 스플리터(column splitter): 리보일러(reboiler) 증기 유량 및 컬럼 압력 무선 제어에서 PIDPlus의 이점은 대표적인 무선 측정 장치라는 것이다. 이 어플리케이션에서 PIDPlus와 무선 트랜스미터를 사용한 현장 경험은 다음과 같이 요약될 수 있다.
-무선 제어 네트워크에서 PIDPlus의 성능은 유선 입력이 가능한 PID의 성능에 비견될 수 있다.
-PIDPlus 튜닝은 무선 업데이트 속도가 아닌 프로세스 다이나믹에 따라 달라진다.

무선 트랜스미터를 사용하는 PIDPlus의 성능은 유선 트랜스미터를 사용해 달성하는 성능에 비견될 수 있다. 측정할 수 없는 프로세스 교란에 대한 즉각적인 응답이 그리 중요하지 않을 경우 업데이트 속도는 8초로 설정해도 무관하다.
주기가 긴 통신과 PIDPlus를 사용하면 트랜스미터에 필요한 전력을 크게 줄일 수 있. 무선 통신의 경우, 유선 트랜스미터에 비해 통신을 이용한 새로운 측정값이 96% 이상 감소했다. 그로 인해 트랜스미터 전력 요건이 감소하면서 무선 트랜스미터를 이용해 처리될 수 있는 제어 어플리케이션이 증가할 가능성이 높아졌다.

통신 두절에 대한 대응
WirelessHART 통신의 신뢰도는 확고부동하다. 그럼에도 통신이 두절될 경우 예상되는 제어 반응은 관심의 초점이 되고 있으며 폐쇄 루프 제어에서 무선을 사용할 때 반드시 고려되어야 한다.
무선 통신 두절에 대한 PIDPlus의 대응은 일정 기간 동안 측정이 중단되는, 유선 트랜스미터를 이용한 PID와 비교된다. 설정 포인트의 변화나 측정할 수 없는 프로세스 교란 기간 동안 통신이 두절된 경우 PIDPlus는 우수한 동적 반응을 나타내는 것으로 관찰됐다. 표준 PID를 사용해 무선으로 느린 프로세스를 제어할 경우 통신이 두절될 때는 논리를 추가해 수동으로 제어하는 것이 중요하다. 그렇지 않으면 통신 두절과 함께 PID 출력이 중단된다. 무선 제어에서 PIDPlus를 사용하면 통신이 두절되어도 마지막 리셋 컨트리뷰션이 자동으로 유지된다.

Terry Blevins는 에머슨 프로세스 매니지먼트의 수석 기술자로서
제어공정자동화 명예의 전당(Control Process Automation Hall of Fame, 2004) 회원이다. Neil Peterson은 에머슨 프로세스
매니지먼트의 DeltaV 제품 마케팅 이사이다.