PID제어기(온도컨트롤러) 개요/종류

PID제어기(온도컨트롤러) 개요/종류

온도 컨트롤러는 온도조절기, 즉 온도를 제어하는데 사용되는 장비입니다. 온도 컨트롤러는 온도 센서로부터 입력을 받아서 히터나 팬 같은 제어 요소들에 연결된 출력을 만들어 냅니다.

상당수의 작업인원을 투입하지 않고 프로세스 온도를 정확히 제어하기 위하여 온도 제어 시스템은 온도 컨트롤러에 의존하며 컨트롤러는 써모커플 또는 RTD와 같은 온도 센서로부터 입력을 받게 됩니다. 온도 컨트롤러는 실재 온도를 원하는 제어 온도 또는 설정점과 비교하여 제어 요소들에 출력을 제공합니다. 온도 컨트롤러는 전체 제어 시스템의 일부이며 적절한 컨트롤러의 선택을 위하여 전체 시스템을 분석하여야 합니다. 다음의 항목은 온도 컨트롤러를 선택할 때 고려하여야 하는 사항입니다.

입력 센서의 유형(써모커플, RTD) 및 온도 범위

필요한 출력 유형(전기기계식 계전기, SSR, 아날로그 출력)

필요한 제어 알고리즘(온/오프, 비례, PID)

출력의 수 및 유형(가열, 냉각, 경보, 제한)

 

컨트롤러 종류 별 작동 원리

온-오프, 비례식 그리고 PID는 세 가지 기본적인 유형의 컨트롤러입니다. 제어 대상 시스템에 따라 작업인원은 프로세스 관리를 위하여 필요한 유형의 컨트롤러를 사용할 수 있습니다.

 

온/오프 제어 컨트롤러 On/Off Control

온-오프 컨트롤러는 가장 단순한 형태의 온도 제어 장비입니다. 장비의 출력은 온 또는 오프이며 중간 상태는 없습니다. 온-오프 컨트롤러는 온도가 설정점을 벗어날 때에만 입력을 출력으로 전환합니다. 가열 제어의 경우 온도가 설정점 이하로 내려가면 출력은 온이 되고 설정점을 넘어가면 오프가 됩니다.

온도는 출력 상태를 변화시키기 위하여 설정점을 벗어나게 되므로 프로세스 온도는 설정점 아래로 내려갔다가 위로 그리고 다시 아래로 지속적으로 순환합니다. 이러한 순환이 급속하게 발생하는 경우 그리고 접촉기와 밸브의 손상을 방지하기 위하여 온-오프 차동 또는 이력현상(히스테리시스)이 제어 작동에 추가됩니다. 이러한 차동은 출력이 오프로 바뀌거나 다시 온이 되기 전에 온도가 설정점을 일정 수준 초과하도록 합니다. 설정점을 넘나드는 순환이 급속하게 발생하는 경우 온-오프 차동은 출력이 채터링(chattering)하거나 빨라지는 것과 지속적인 전환을 방지합니다.

일반적으로 온-오프 제어는 고도의 정밀 제어가 필요하지 않은 경우 사용합니다. 에너지가 빈번히 온과 오프 상태로 변화하는 것을 처리하지 못하는 시스템이나, 시스템의 질량이 너무 커서 온도 변화가 매우 느리거나 온도 경보의 경우에도 사용됩니다.

경보에 사용되는 특수한 유형의 온-오프 제어는 리미트 컨트롤러입니다. 이 컨트롤러는 수동으로 초기화되어야 하는 래칭 릴레이를 사용하며 특정 온도에 도달했을 때 프로세스를 종료하기 위하여 사용됩니다.

 

비례 제어 컨트롤러 Proportional Control

비례 제어는 온-오프 제어와 관련된 순환을 제거하기 위하여 설계되었습니다. 온도가 설정점에 다다르게 되면 비례 컨트롤러는 히터에 공급되는 평균 전력을 감소시킵니다. 이는 히터를 느리게 하여 설정점을 지나치지 않고 점차적으로 접근하여 안정적인 온도를 유지하게 하는 효과를 가집니다. 이러한 프로포셔닝 작용은 출력을 짧은 주기 동안 온과 오프로 전환시켜 이루어질 수 있습니다.

시간에 따른 비례 제어(time proportioning)는 온도를 제어하기 위하여 “온” 시간과 “오프”시간의 비율을 변화시킵니다. 프로포셔닝 작용은 설정점 온도 주변의 내에서 발생합니다. 이 대역을 벗어나면 컨트롤러는 출력이 완전히 켜지거나(대역보다 낮음) 완전히 꺼진(대역보다 높음) 온-오프 장치로 기능하게 됩니다. 그러나 대역 내에서 출력은 설정점으로부터의 측정 차이의 비율로 켜지고 꺼집니다.

설정점(비례 대역의 중간점)에서 출력의 온:오프 비율은 1:1이며 온과 오프 시간은 동일합니다. 온도가 설정점으로부터 더 멀어지면 온과 오프 시간은 온도 차이에 비례하여 달라지게 됩니다. 온도가 설정점보다 낮으면 출력은 더 오래 켜지며 온도가 너무 높으면 출력은 더 오래 꺼집니다.

 

PID 제어기 PID Control

세 번째 유형의 컨트롤러는 PID 제어기로, 적분 및 미분과 함께 비례 제어 또는 PID를 제공합니다. 이러한 컨트롤러는 비례 제어와 두 가지 추가 조정을 결합하여 장비가 시스템 내부의 변화를 자동으로 보상하는데 도움을 줍니다.

이러한 조정은 적분과 미분이며 시간에 기반한 단위로 표시됩니다; 이들은 또한 그 상호 작용에 의하여 각각 RESET과 RATE로 불립니다. 비례, 적분 그리고 미분 조건들은 시행착오를 통하여 특정 시스템에 맞춰 개별적으로 조정되거나 “보정”되어야 합니다.

PID제어는 세 가지 제어 유형 중에서 가장 정확하고 안정적인 제어를 제공하며 상대적으로 작은 질량을 가진, 프로세스에 추가된 에너지의 변화에 빠르게 반응하는 시스템에 가장 잘 어울립니다. 부하가 자주 변하고 컨트롤러가 설정점의 빈번한 변화로 인하여 컨트롤러의 자동 보상이 필요한 시스템에서는 가용한 에너지의 양 또는 질량은 제어되어야 합니다. 자동보정 기능을 가진 다양한 컨트롤러가 있습니다. 이들은 오토튠 컨트롤러 (자동보정 PID제어기)로 알려져 있습니다.

 

표준 크기 (DIN 규격 컨트롤러)

온도컨트롤러는 보통 장치의 패널 내부에 장착되기 때문에 패널은 온도컨트롤러를 포함할 수 있을 정도의 크기를 가져야 합니다. 온도컨트롤러 간의 상호 교환성을 제공하기 위하여 대부분의 온도컨트롤러는 표준 DIN 크기에 따라 설계됩니다. 가장 보편적인 DIN 크기는 위의 그림에 나타나 있습니다.

 

PID 제어기 종류

온-오프 컨트롤러

온-오프 컨트롤러는 범용 PID 제어기의 기능성을 제공하도록 설계된 ON/OFF 제어작용을 특징으로 하는 가장 단순한 유형의 컨트롤러 입니다. 고도의 제어가 필요치 않은 경우에 적합하며, 일반적으로 가장 경제적인 컨트롤러 입니다.

오토튠 PID 제어기

PID 제어기는 매우 엄격한 제어를 제공하나 PID 알고리즘은 보정을 필요로 합니다. OMEGA PLATINUM 시리즈 PID 제어기는 자동보정 컨트롤러는 오토 튜닝 기능으로 자동 보정이 가능합니다.

멀티루프 컨트롤러

각 제어 루프는 보통 하나의 입력과 최소 하나의 출력으로 이루어집니다. CN1507은 최대 7개의 제어 루프를 처리할 수 있습니다.

안전 리미트 컨트롤러

안전 리미트 컨트롤러는 래칭 출력을 가진 오프-오프 컨트롤러입니다. 출력이 상태를 변화시키면 이를 되돌리기 위한 수동 초기화가 필요합니다. 안전 리미트 컨트롤러는 보통 원치 않는 한계에 도달하는 경우 프로세스를 종료하기 위한 예비 컨트롤러로 사용됩니다.

온도 스위치

조정 가능한 온도 스위치는 온도 제어에 대한 경제적인 솔루션이 필요한 적용분야에 어울립니다. 온도 스위치는 보통 정교한 전기 컨트롤러보다 덜 복잡하고 설정은 더 간단합니다.