[싸토리우스 제품 소개] PID 제어 시스템 및 배양기 제어 요소의 이해
싸토리우스 블로그 지기 토리입니다 🙂
공정을 유지하는 시스템 중
기계를 작동하는 힘만큼 중요한 것이 바로 제어 과정일 텐데요!
오늘은 산업 전반으로 널리 사용되는
PID 제어 시스템에 대해 알아보도록 하겠습니다.
PID 제어는 목표치와 공정값의 차이를 개선하기 위해서 사용하며,
생물배양기에서도 폭넓게 적용되고 있는데요.
생물배양기는 다양한 공정 변수를 안정적으로 조절해야
좋은 품질의 의약품을 생산할 수 있습니다.
배양기 내부 환경은 가스, 공급, 교반, 피드 등
다양한 외부 효과에 의해 실시간으로 변하기 때문에
이에 따른 온도 제어 및 PH와 용존 산소 제어가
안정적으로 이루어져야 하는데요.
그렇다면,
안정적인 공정값을 유지하기 위해서는 어떻게 해야 할까요?
|
입력 요소 |
출력요소 |
|
PH |
Pump |
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PO2 |
|
|
TEMP |
Gas Flow Controller |
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Foam |
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Level |
Stirrer |
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Flow Rate |
|
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Conductivity |
Valve |
공정값을 유지한다는 것은
목표치가 존재한다는 것을 의미하며,
공정값을 확인하기 위해서는 센서가 필요합니다.
실제로 배양기에서는 다양한 종류의 센서를 통해
내부의 상태를 확인하고 있는데요!
센서에서 들어오는 값과 사용자가 장비에 입력한 목표치와 비교하여
차이가 발생할 경우,
PID 제어기에서 계산된 값을 바탕으로
배양기의 펌프나 교반기, 밸브 등을 조절하여
알맞은 환경이 유지될 수 있도록 해야 합니다.
이때, 안정적으로 목표치에 도달하기 위한 설정이
바로 P(비례) / I(적분) / D(미분) 제어 변수를 조절하는 것입니다.
비례제어란?
비례제어는 현재 얼마의 차이가 있고,
이 차이를 없애기 위해 얼만큼 더 움직이면 되겠다고 생각하는 것입니다.
비례제어는 Gain(Kp)과 %(Proportional Band) 단위의
2가지 방식으로 표현하는데요!
사용하고 계신 장비에서 단위가 없다면
Gain, %면 PB를 사용하는 장비라고 보시면 됩니다.
서로 역수 관계이기 때문에 Gain을 늘리면
반응속도가 늘어나고,
PB는 반대로 동작하게 되는 점 참고하세요!
적분제어란?
적분제어는 비례제어를 통해 움직인 결과에서
모자란 양을 채워주는 역할을 하는데요!
비례제어는 현재의 오차를 정밀하게 반영하지 못하는 단점이 존재하는데
비례제어가 만든 오차의 양을 누적하여 적분제어가 보장 동작을 하게 됩니다.
적분동작의 핵심은 보상 동작에 사용하기 위한
동작량을 ‘시간’ 단위로 볼지,
혹은 단위 시간에 몇 ‘회’ 단위로 판단할지에 따라 달라지게 되는데
일반적으로 1회 보상 동작을 ‘시간’ 단위로 설정하는
제어기를 많이 사용하며,
이 경우 변수의 크기를 늘릴수록(단위 시간을 늘릴수록)
공정값의 반응 속도가 더뎌진답니다!
미분제어란?
마지막으로 미분제어는 공정값과 목표치의 차이가
단위 시간당 얼마나 변화하는지를 감지하여
미리 보상 동작을 하는 개념으로,
아직 일어나지 않은 오차에 대해 기민한 반응을 보이는데요!
미분제어는 신속한 반응이 장점이지만,
반대로 생물배양기와 같이 센서에서 변화를 감지하기까지
시간이 다소 소요되는 유체 기반의 공정 황경에서는
미분제어를 사용하지 않습니다.
미분제어의 경우 시간/회 방식만 존재하며,
미리 계산할 보상 동작에 대해 단위 시간 정보만 필요하기 때문에
적분제어와는 다르게 1가지 방식만 존재한다는 점!
그럼 이제 간단한 사례를 통해
공정을 제어하는 방법에 대해 알아볼까요?
첫 번째로 목표치에 공정값이 느리게 도달할 경우는 어떻게 조절하면 될까요?
이는 반응 속도가 느리다고 판단할 수 있기 때문에
비례 제어가 Gain이라면 값을 증가하거나,
PB라면 값을 감소시켜 반응 속도를 향상시킬 수 있습니다.
적분 제어의 경우에는 시간/회를 사용하는 경우 값을 감소시켜서
보상동작의 주기를 빠르게 하여 반응 속도를 증가시킬 수 있겠죠?
목표치에 진동을 하면서 접근하는 경우는 어떨까요?
이 경우는 생물배양기에서 미분제어를 사용하는 경우
주로 나타나는 현상으로,
미분제어기가 켜졌는지 확인하여 OFF로 만들어 주시거나
비례제어를 조절하여 반응 속도를 감소시키는 방법이 있습니다.
마지막으로 공정값이 강한 진동을 할 때,
즉 목표치를 기준으로 위아래로
심하게 분안정한 값을 출력할 때의 경우에는
적분 제어기의 단위 시간 값을 늘려서
시간/회 동작이 느리게 반응할 수 있게 조절하고,
복합적으로 비례 제어도 줄여주는 방향을 권장한답니다!
지금까지 PID 제어 시스템과 배양기 제어 요소에 대해 알아보았는데요.
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